化学强化对再生粗骨料性能的改性研究

魏红俊,闫洪生,朱亚光,徐培蓁,王新波

化学强化对再生粗骨料性能的改性研究

魏红俊1,闫洪生2,朱亚光3*,徐培蓁3,王新波4

1. 青岛市建筑节能与住宅产业化发展中心, 山东 青岛 266061 2. 青岛理工大学工程质量检测鉴定中心, 山东 青岛 266033 3. 青岛理工大学土木工程学院, 山东 青岛 266033 4. 青岛市建筑工程管理服务中心, 山东 青岛 266071

简单破碎筛分制备的再生粗骨料外表包裹一层旧砂浆，其是导致再生粗骨料吸水率高、压碎指标高，限制推广应用的根本原因。为了改善再生粗骨料的物理性能指标，针对再生粗骨料不利因素，试验配制质量分数为1%、2%、3%的纳米SiO2强化剂、质量分数为1%、3%、5%、7%的Na2SiO3强化剂、质量分数为1%、2%、3%、4%的HCl强化剂。不同种类不同浓度的强化剂分别对再生粗骨料进行浸泡强化处理，纳米SiO2强化剂浸泡强化时间分别为24 h、48 h、72 h，Na2SiO3强化剂浸泡强化时间分别为1 h、5 h、10 h，HCl强化剂浸泡强化时间分别为1 h、2 h、3 h。结果显示，强化剂强化处理后再生粗骨料吸水率和压碎指标明显降低，通过强化前后再生粗骨料物理性能变化幅度得出：浓度2%强化48 h为纳米SiO2最佳强化机制；浓度7%强化5 h为Na2SiO3最佳强化机制；浓度3%强化2 h为HCl最佳强化机制；三种强化剂强化效果顺序为纳米SiO2＞HCl＞Na2SiO3。

强化剂; 再生粗骨料; 改性

随着我国现代化城市建设、城镇化建设进程的加快，大量的危旧建筑被拆除和重建，每年新增数以亿吨的建筑垃圾。另外，社会经济快速发展，人均生活水平大幅提高，翻新、改装、重装家居屋舍俨然已成为一种“时尚”和“潮流”，基本以5-7年为周期，导致装饰装修垃圾排放量与日俱增，似有“垃圾围城”之势[1]。建筑垃圾约为城市垃圾总量的30%～40%，2019年我国新增35亿吨建筑垃圾，2020年堆存总量已达200亿吨，是我国排放量最大的城市固体废弃物[2]。

大量的建筑废弃物任意填埋堆放不仅侵占大量土地面积，还造成严重的环境污染和资源浪费。目前天然资源极其匮乏，合理有效的对建筑垃圾重新利用，减少天然资源开采量，具有良好的经济效益与社会效益。目前建筑垃圾广泛的利用方式为：对建筑垃圾回收，简单的破碎和筛分，根据颗粒大小分成粗骨料和细骨料，用于替代天然石子和砂子[3]。该种方式得到的再生粗骨料颗粒棱角多，表面包裹有旧砂浆，破碎和筛分过程会使再生粗骨料产生微裂缝，多种原因导致再生粗骨料存在吸水率高、压碎指标高、孔隙率大等缺点[4]。这些不利因素限制了再生粗骨料的使用途径和范围，降低了建筑垃圾综合利用率。

为了加大再生粗骨料应用范围，提高建筑垃圾资源化利用率，国内外众多学者对再生粗骨料性能改善进行了大量的试验研究，提出了多种再生粗骨料强化方法，主要包括物理强化、化学强化和微生物强化[5,6]。常见的物理强化方法如加热研磨法、立式偏心研磨、卧式机械强制研磨、颗粒整形等，均是依靠机械设备，对再生粗骨料进行削磨加工，骨料颗粒之间相互摩擦与撞击，去除外表粘结的砂浆和棱角，降低再生粗骨料的吸水率和压碎指标，并且得到粒形较好的颗粒[6,7]。但是物理方法改善再生粗骨料的同时还会产生较多的粉料，机械能耗高，骨料产生机械损伤。

而化学强化则是充分利用再生粗骨料表面附着砂浆孔隙率大、吸水率高的特点，采用化学强化液对再生粗骨料进行喷淋、浸泡等处理，使溶液中的化学成分与骨料表面砂浆层中Ca(OH)2等成分激发化学反应[8]，从而对再生粗骨料砂浆层的孔隙和微裂缝进行填充与修复，起到细化再生粗骨料孔隙结构，提高密实度，降低压碎指标和吸水率的目的[9]。Kou SC等利用PVA对再生骨料进行浸泡，浸泡强化后再生骨料孔隙率降低，密实度增加，吸水率降低[10]。范玉辉等研究了纳米SiO2、PVA、水玻璃三种溶液，以及PVA与水玻璃混合的方式对再生骨料的强化试验，表明浓度0.5%的PVA、浓度5%的水玻璃溶液改性效果最佳[11]。Tam V等人进行了HCl、H2SO4和H3PO4溶液浸泡再生粗骨料的试验研究，试验表明，酸处理后再生骨料吸水率大幅度降低[12]。

众所周知，水泥水化产生大量的Ca(OH)2，附着砂浆中残留的Ca(OH)2就成了其潜在活性源，水玻璃（Na2SiO3）和活性极高的纳米SiO2溶胶可以与再生粗骨料中残留Ca(OH)2发生化学反应生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，填充砂浆的孔隙，提高骨料密实度，降低再生粗骨料的孔隙率、吸水率和压碎指标[11-14]。而盐酸（HCl）可以和Ca(OH)2发生反应，生成能溶于水的CaCl2，使骨料外表的砂浆溶解脱落，去除了再生粗骨料的薄弱结构，使再生粗骨料的物理性能有效改善，并且处理后再生粗骨料与新拌水泥的粘结更加牢固[12]。

故该文选用纳米SiO2溶胶、水玻璃（Na2SiO3）和盐酸（HCl）溶液分别对再生粗骨料进行强化处理，研究三种不同的化学试剂对再生粗骨料吸水率、压碎指标等物理性能的改善情况，寻找最佳的骨料强化条件，提高再生粗骨料的性能品质，为再生粗骨料的高附加值应用提供基础。

1 材料及方法

1.1 材料

1.1.1 天然及再生粗骨料试验所用天然粗骨料为粒径4.75～26.5 mm连续级配的天然石子。再生粗骨料采用颚式破碎机对学校实验室和检测中心废弃混凝土试块进行破碎制得，筛分出粒径小于4.75 mm的舍弃，大于26.5 mm的进行二次破碎，最终选用4.75～26.5 mm连续级配的再生粗骨料进行强化试验研究。天然石子和再生粗骨料如图1所示。

图1 试验用粗骨料

依据国家规范《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011）[15]和《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）[16]的相关要求和方法，对试验用天然石子和再生粗骨料进行吸水率、压碎指标、表观密度和堆积密度的测试，骨料性能如表1所示。

表1 天然及再生粗骨料性能指标

通过表1可知，相对于天然石子，再生粗骨料的各项性能指标都较差，吸水率高达天然石子的4.5倍，压碎指标比天然石子高出53%。

1.1.2 强化试剂纳米SiO2溶胶：溶胶近似透明，型号为HTSi-11L，SiO2质量分数为30%，平均粒径20 nm，pH值为9.7。

水玻璃（Na2SiO3）：无色透明状液体，型号为TPY3411，模数为3.3。Na2O质量分数为9.0%，SiO2质量分数为28.8%。

盐酸（HCl）溶液：GR500 mL的盐酸试剂，HCl质量分数为36%。

1.1.3 水试验中所用水均为自来水。

1.2 再生粗骨料强化方法

再生粗骨料与天然石子最本质区别是再生粗骨料外表面附着一层砂浆体，砂浆层中残留有Ca(OH)2，纳米SiO2、Na2SiO3和HCl易被高吸水率的再生粗骨料吸入附着砂浆孔隙内部，并均可与Ca(OH)2发生化学反应。纳米SiO2和Na2SiO3与Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，填充孔隙；HCl与Ca(OH)2发生反应生成能溶于水的CaCl2，使得表面砂浆层剥离脱落，削弱了附着砂浆的不良影响，改善再生粗骨料。

依据以上原理，三种强化试剂均采用自然浸泡的方式对再生粗骨料进行强化，具体强化机制如下表述。

（1）将洗去泥土和粉尘的再生粗骨料进行烘干，待冷却降温至室温，再将骨料分别倒入不同浓度纳米SiO2强化液、Na2SiO3强化液和HCl强化液中，强化液浸没骨料2 cm以上，充分搅拌后自然浸泡至设定时间。

（2）对三种原强化试剂进行稀释，配制SiO2质量分数分别为1%、2%、3%的纳米SiO2强化液；Na2SiO3质量分数分别为1%、3%、5%、7%的Na2SiO3强化液；HCl质量分数分别为1%、2%、3%、4%的HCl强化液。

（3）纳米SiO2强化液强化时间分别为24 h、48 h、72 h；Na2SiO3强化液强化时间分别为1 h、5 h、10h；HCl强化液强化时间分别为1 h、2 h、3 h。

（4）再生粗骨料强化到设定时间后，从强化液中捞出，自然晾晒干，测试强化后的物理性能。

图2 再生粗骨料强化

2 结果与分析

2.1 选择最佳强化机制

吸水率和压碎指标为再生骨料的主要性能指标，也是影响再生混凝土性能的关键因素。试验以吸水率和压碎指标的改善程度为依据，选定不同强化时间和不同浓度下再生骨料的最优强化机制。再生粗骨料经不同强化液不同强化机制作用下吸水率和压碎指标如表2～7所示。

表2 SiO2不同强化机制下再生粗骨料吸水率

表3 SiO2不同强化机制下再生粗骨料压碎指标

表4 Na2SiO3不同强化机制下再生粗骨料吸水率

表5 Na2SiO3不同强化机制下再生粗骨料压碎指标

表6 HCl不同强化机制下再生粗骨料吸水率

表7 HCl不同强化机制下再生粗骨料压碎指标

依据表2～7中数据，做图3～8分析强化剂浓度和强化时间对再生粗骨料吸水率、压碎指标的影响规律。

图3 SiO2不同强化机制下再生粗骨料吸水率

图4 SiO2不同强化机制下再生粗骨料压碎指标

由图3可知，再生粗骨料的吸水率随纳米SiO2浓度和强化时间的增加而逐渐降低。由曲线斜率可以看出，纳米SiO2浓度由1%增加到2%再生粗骨料吸水率下降程度远大于由2%增加到3%骨料吸水率的降低程度，以强化48 h条件为例，2%浓度比1%浓度骨料吸水率降低19.0%，3%浓度比2%浓度骨料吸水率降低4.3%；由曲线相对位置可以看出，强化时间从24 h增加到48 h，骨料吸水率降低幅度较大，从48 h增加到72 h骨料吸水率降低幅度较小，以纳米SiO2浓度2%为例，强化48 h相比于24 h，骨料吸水率降低16.1%，强化72 h相比于48 h，骨料吸水率降低2.1%。

由图4可知，经纳米SiO2强化后再生粗骨料的压碎指标呈现出和吸水率同样的变化规律，纳米SiO2浓度由1%增加到2%再生粗骨料压碎指标大幅度降低，由2%增加到3%骨料压碎指标降低幅度较小，以强化48 h条件为例，2%浓度比1%浓度骨料压碎指标降低20.0%，3%浓度比2%浓度骨料压碎指标降低2.6%；强化时间从24 h增加到48 h，骨料压碎指标降低幅度较大，从48 h增加到72 h骨料压碎指标降低幅度较小，以纳米SiO2浓度2%为例，强化48 h相比于24 h，骨料压碎指标降低10.1%，强化72 h相比于48 h，骨料吸水率降低1.7%。

图5 Na2SiO3不同强化机制下再生粗骨料吸水率

图6 Na2SiO3不同强化机制下再生粗骨料压碎指标

纳米粒径级的SiO2极易进入吸水率高的再生粗骨料孔隙内部，较好的填充砂浆层的孔隙，同时高活性的纳米SiO2与Ca(OH)2反应生成C-S-H凝胶，改善孔隙结构，提高密实度。增加SiO2浓度和强化时间使反应更充分，但达到反应临界值时，再增加SiO2浓度和强化时间对再生粗骨料改善程度不再明显，以最少纳米SiO2用量和最短强化周期为成本控制指标，综合再生粗骨料吸水率和压碎指标的改善状态，选定纳米SiO2浓度2%，强化48 h为纳米SiO2最佳强化机制。

由图5可知，再生粗骨料吸水率随Na2SiO3强化液浓度和强化时间的增加而逐渐降低。由曲线斜率可知，Na2SiO3浓度由1%增加到3%和由5%增加到7%曲线变化平缓，吸水率降低幅度小，Na2SiO3浓度由3%增加到5%曲线走向较陡，吸水率下降幅度大，以强化5 h曲线为例，Na2SiO3浓度由1%增加到3%、由3%增加到5%、由5%增加到7%吸水率分别降低1.6%、8.1%和1.8%。由曲线相对位置可知，强化时间从1 h增加到5 h，骨料吸水率降低幅度大于从5h增加到10h的降低程度，以Na2SiO3浓度5%为例，强化5 h相比于1 h，骨料吸水率降低9.5%，强化10 h相比于5 h，骨料吸水率降低1.8%。

由图6可知，再生粗骨料压碎指标随Na2SiO3强化液浓度和强化时间的增加而逐渐降低。由曲线斜率可知，随Na2SiO3浓度增加，骨料压碎指标基本匀速降低，以强化5 h曲线为例，Na2SiO3浓度由1%增加到3%、由3%增加到5%、由5%增加到7%压碎指标分别降低4.6%、4.0%和3.5%。由曲线相对位置可知，强化时间从1 h增加到5 h，骨料压碎指标降低幅度明显大于从5 h增加到10 h的降低幅度，以Na2SiO3浓度5%为例，强化5 h相比于1 h，骨料压碎指标降低5.3%，强化10 h相比于5 h，骨料压碎指标无降低。

Na2SiO3在CO2条件下硬化析出硅酸凝胶，可黏合骨料细微裂缝，同时与砂浆层中Ca(OH)2反应，生成水硬性C-S-H凝胶，填充细化孔隙结构，从而提高骨料的密实度，降低吸水率和压碎指标。通过逐渐增加Na2SiO3浓度和强化时间的方式，寻找Na2SiO3与Ca(OH)2完全反应的临界值，综合分析图5、图6不同浓度Na2SiO3和不同强化时间对再生粗骨料吸水率和压碎指标的改善程度，选定Na2SiO3浓度7%，强化5h为Na2SiO3最佳强化机制。

图7 HCl不同强化机制下再生粗骨料吸水率

图8 HCl不同强化机制下再生粗骨料压碎指标

由图7可知，再生粗骨料吸水率随HCl强化液浓度和强化时间的增加而逐渐降低。由曲线斜率可知，增大HCl浓度，吸水率曲线斜率有增大趋势，以强化2 h曲线为例，HCl浓度由1%增加到2%、由2%增加到3%、由3%增加到4%吸水率分别降低5.1%、5.4%和9.4%，降低幅度逐渐增大。由曲线相对位置可知，强化时间由1 h增加到2 h骨料吸水率降低幅度明显大于2 h增加到3 h的降低幅度，以HCl浓度2%为例，强化时间2 h比1h吸水率降低5.1%，强化3 h比2 h吸水率降低1.8%。

由图8可知，经HCl强化后再生粗骨料压碎指标呈现出和吸水率类似的变化规律。由曲线斜率可知，增大HCl浓度，压碎指标曲线斜率有增大趋势，以强化2 h曲线为例，HCl浓度由1%增加到2%、由2%增加到3%、由3%增加到4%压碎指标分别降低2.1%、4.9%和8.9%，降低幅度逐渐增大。由曲线相对位置可知，强化时间由1 h增加到2 h骨料压碎指标明显降低，强化2 h和3 h的骨料压碎指标基本一致，无明显降低。

HCl与再生粗骨料砂浆层中的Ca(OH)2发生反应，生成CaCl2溶于水，使得再生粗骨料表面砂浆层脱落，图7和8中，强化时间1 h增加到2 h骨料性能改善程度明显，而由2 h增加到3 h，骨料性能改善幅度较小。分析原因，较短的强化时间1 h，未能使HCl与Ca(OH)2彻底反应，只融解脱落少量的砂浆；强化时间增加到2 h，反应基本彻底，大部分砂浆层脱落融解，再增加时间到3 h，对再生粗骨料性能改善程度不大。

经4%浓度HCl强化后，再生粗骨料吸水率和压碎指标下降最多，然而该浓度的强化液与骨料反应程度大，与砂浆层反应剩余的HCl还继续与内部石子反应，产生大量的泥砂，大幅度减少再生粗骨料质量，造成资源浪费，故不选择4%浓度为最优强化条件，而选择HCl浓度3%，强化2 h为HCl最佳强化机制。

2.2 强化前后再生粗骨料与天然石子性能对比

利用上一小节分析得出的三种不同强化液的最佳强化机制分别对再生粗骨料进行强化处理。用同样的试验方法对三种强化液处理后的再生粗骨料进行物理性能测试，不同强化液强化后骨料性能如表8所示。

表8 强化后再生粗骨料性能指标

为直观表现不同强化液对再生粗骨料性能的改善状况，结合表1和表8作图如下所示：

图9 不同粗骨料性能对比

由图9可知，经三种强化液强化处理后，再生粗骨料的性能均得到有效改善，尤其吸水率和压碎指标降低幅度明显，纳米SiO2、Na2SiO3和HCl强化后再生粗骨料吸水率分别降低29.9%、16.4%和20.9%，压碎指标分别降低29.7%、16.4%和18.2%，表观密度和堆积密度也有不同程度的提高。纳米SiO2对再生粗骨料的改善效果优于其他两种强化液。

3 结论

通过三种强化剂，设置不同强化时间、不同强化剂浓度，对再生粗骨料进行强化试验，由强化处理后再生粗骨料性能指标的变化幅度确定最佳强化机制，经过试验数据分析得出以下主要结论：

（1）相对于天然石子，再生粗骨料的性能较差，吸水率高达天然石子的4.5倍，压碎指标比天然石子高出53%；

（2）纳米SiO2、Na2SiO3和HCl对再生粗骨料均有较好的强化效果，使再生粗骨料的吸水率和压碎指标大幅度降低，三种强化液强化效果顺序为纳米SiO2＞HCl＞Na2SiO3。纳米SiO2浓度2%，强化48h为纳米SiO2最佳强化机制；Na2SiO3浓度7%，强化5h为Na2SiO3最佳强化机制；HCl浓度3%，强化2h为HCl最佳强化机制；

（3）通过纳米SiO2、Na2SiO3、HCl最佳强化条件处理后再生粗骨料吸水率分别降低29.9%、16.4%和20.9%，压碎指标分别降低29.7%、16.4%和18.2%，表观密度和堆积密度得到提高，接近于天然骨料水平。

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Research on the Modification of Chemical Reinforcers to Reclaimed Coarse Aggregates

WEI Hong-jun1, YAN Hong-sheng2, ZHU Ya-guang3, XU Pei-zhen3, WANG Xin-bo4

1.266061,2.2660333.266033,4.266071,

The surface of recycled coarse aggregate prepared by simple crushing and screening is covered with a layer of old mortar, which is the fundamental reason for the high water absorption rate and crushing index of recycled coarse aggregate and the limitation of its popularization and application. In order to improve the physical properties of reclaimed coarse aggregate, nano-SiO2reinforcer with mass fraction of 1%, 2% and 3%, Na2SiO3reinforcer with mass fraction of 1%, 3%, 5% and 7%, HCl reinforcer with mass fraction of 1%, 2%, 3% and 4% were formulated in view of adverse factors of reclaimed coarse aggregate. The regenerated coarse aggregate was soaked and strengthened by different kinds of intensifiers with different concentrations. The strengthening time of nano-SiO2intensifier was 24 h, 48 h, 72 h, Na2SiO3intensifier was 1 h, 5 h, 10 h, HCl intensifier was 1 h, 2 h, 3 h, respectively. The results showed that water absorption rate and crushing index of reclaimed coarse aggregate decreased significantly after strengthening with fortifier. According to the variation range of physical properties of reclaimed coarse aggregate before and after strengthening, the optimal strengthening mechanism of nano-SiO2was 2% for 48 h. The best strengthening mechanism of Na2SiO3was 7% for 5 h. The best strengthening mechanism of HCl was 3% for 2 h. The order of strengthening effect of the three enhancers is nano-SiO2> HCl > Na2SiO3.

Reinforcer; reclaimed ccoarse aggregate; modification

TU521

A

1000-2324(2021)06-1009-08

2021-07-02

2021-09-23

国家自然科学基金面上项目(51578342);中国博士后科学基金资助项目(2015M582418)

魏红俊(1964-),女,高级经济师,研究方向为建筑节能与可再生能源利用. E-mail:dicaichu@126.com

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:zygqd@sina.com