硅溶膠原位強化對再生骨料性能的影響

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(濟南大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 250022)

目前我國正處于大力發(fā)展國民基礎設施建設階段，在這過程中會產(chǎn)生大量的建筑垃圾。由于我國的建筑垃圾主要采取露天堆放或者是直接填埋的處理方式，這樣會占用很大的土地面積，浪費寶貴的土地資源。然而天然的建筑材料資源日趨短缺，在開采過程中破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，造成水土流失，容易形成人與環(huán)境相爭的惡性循環(huán) 。如何利用建筑垃圾循環(huán)使用，成為當今急需解決的問題。

將廢棄的混凝土經(jīng)過破碎、篩分等工序處理后得到再生骨料。由于在破碎中骨料表面附著大量粉塵、內(nèi)部存有大量裂紋，導致再生骨料的壓碎指標、孔隙率及吸水率大于天然骨料，再生骨料無法在實際應用中得到有效利用。硅溶膠為納米SiO2在水中或溶劑中的分散液。納米SiO2對再生骨料表面有較強的滲透力，能通過毛細管滲透到基層內(nèi)部，并能與再生骨料中存有的氫氧化鈣反應生成硅酸鈣，增強再生骨料基層的密度，增強再生骨料的物理性能。

1 實驗

1.1 試劑、材料

采用浙江宇達公司生產(chǎn)的堿性硅溶膠(納米二氧化硅含量30%，pH值在8～10)。

針對本項目研究特點，選取青島綠帆建筑材料公司生產(chǎn)再生骨料，其由廢棄混凝土路面經(jīng)破碎篩選成5～10mm的骨料。按照國標CJ∕T 400-2012《再生骨料地面磚和透水磚》及國標GB/T14685-2011《建設用卵石、碎石》，其再生骨料的物理性能指標見表21。

表1 再生骨料物理性能

1.2 方法

硅溶膠分為弱酸、中性及堿性三類，考慮到混凝土工作環(huán)境為堿性，再生骨料中存在Ca(OH)2, 因此選用弱堿pH值為8～10的硅溶膠。硅溶膠中主要起作用的成分為納米SiO2, 為此按照硅溶膠中納米SiO2的含量分為0、0.5%、1%和2% 4個組進行強化設定為S0、S1、S2和S3組。將一定量的水加入到硅溶膠中，再生骨料置于超聲后的硅溶膠溶液之中，然后置于混凝土攪拌機中攪拌10min使溶液與骨料混合均勻，將經(jīng)過硅溶膠處理的骨料放置在室溫中養(yǎng)護7天即可。

2 結果與分析

2.1 硅溶膠強化材料對再生骨料表觀密度及堆積密度的影響

表觀密度是指材料的質(zhì)量與表觀體積之比。在國標中要求粗骨料的表觀密度要大于2500kg/m3。圖1為硅溶膠對再生骨料表觀密度的影響。

由圖1可知，未處理的再生骨料表觀密度在2256kg/m3,而經(jīng)過硅溶膠處理后的再生骨料其表觀密度均有不同程度的增加，其中S2組增加最明顯，比空白組N組增加4.8%，盡管各組的表觀密度均有增加，但仍沒有達到國標要求的2500kg/m3。表觀密度和堆積密度是作為骨料級配的反應，在一定程度上，表觀密度增加，骨料的吸水率降低。

圖1 硅溶膠對再生骨料表觀密度的影響

圖2 硅溶膠對再生骨料堆積密度的影響

骨料處理后，堆積密度變大。由圖2可以得知，所有組的再生骨料其堆積密度值均大于國標要求的1350 kg/m3。但是任然可以看出處理過的再生骨料其堆積密度變大，S3組的效果最明顯。

2.2 硅溶膠強化材料對再生骨料吸水率及含水率的影響

由圖3再生骨料吸收率圖可知，再生骨料孔隙多，密實度比天然骨料低很多，吸水率高于一般天然骨料要求的2%。

圖3 硅溶膠對再生骨料吸水率的影響

硅溶膠與再生骨料中存有的氫氧化鈣反應生成硅酸鈣，使骨料表面變得致密，內(nèi)部充滿硅酸鈣填補骨料內(nèi)部孔隙，增強了再生骨料的物理性能，降低了再生骨料的吸水率，其中S2組和S3組效果較為明顯，吸水率下降1.25%。

圖4 硅溶膠對再生骨料含水率的影響

骨料含水率是骨料經(jīng)過自然曬干7天后稱量，然后在105℃烘干2h再次稱量，經(jīng)過失水重量測得骨料的含水率。由圖4硅溶膠對再生骨料含水率的影響，可知經(jīng)過處理后的含水率比未處理的相差不大，但是硅溶膠處理的稍微偏大，可能是由于納米二氧化硅進入骨料的孔隙中，形成致密結構水分不易蒸發(fā)。

2.3 硅溶膠強化材料對再生骨料壓碎指標的影響

國家規(guī)定再生骨料的壓碎指標最高不得超過30%(III級)，圖5為強化再生骨料的壓碎指標圖。由圖5可知經(jīng)過強化后的再生骨料的壓碎指標明顯下降，但仍然處于III級骨料，加入硅溶膠強化后，其中S3組壓碎指標下降3.7%，說明經(jīng)過硅溶膠處理后的再生骨料強度高，力學性能優(yōu)越。

圖5 硅溶膠對再生骨料含水率的影響

3 結論

再生骨料的改性處理主要為物理、化學、CO2碳化這三種方法，本實驗主要采用化學強化的方法，即硅溶膠溶液浸泡的方法進行化學原位處理?？紤]到經(jīng)濟性，S2組和S3組對再生骨料的提升性能相差不大，S1組即硅溶膠中納米SiO2摻量1%為最優(yōu)組。硅溶膠提升骨料的物理性能主要是靠硅溶膠里面的納米SiO2，可以滲透進再生骨料的小孔中，與再生骨料中的氫氧化鈣反應生成硅酸鈣降低孔隙率，增強機體結構，提高物理性能。