納米硅溶膠對混合再生骨料的改性研究

李 爽 陳自豪 元成方 ，3

1河南省機(jī)場集團(tuán)有限公司（451161） 2 鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院（450001）3 深圳大學(xué)廣東省濱海土木工程耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（518061）

0 前言

隨著城市化進(jìn)程的加快和基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾有數(shù)億t，其比例占城市垃圾總量的30%～40%，并以8%的速度逐年遞增。如果將建筑垃圾作為再生建筑材料進(jìn)行循環(huán)利用，不但可以使其變廢為寶，減少環(huán)境污染，避免大量的社會(huì)資源浪費(fèi)，還能緩解天然骨料資源短缺的問題，將帶來顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

利用再生骨料取代天然骨料制備的混凝土稱為再生混凝土，再生混凝土的廣泛應(yīng)用可以有效解決建筑垃圾帶來的一系列問題[3]。 再生骨料自身存在天然缺陷，對再生骨料進(jìn)行預(yù)處理來提高再生骨料品質(zhì)，是一種改善再生混凝土性能的有效方法[4]。研究表明，采用納米材料對骨料進(jìn)行預(yù)處理，可有效改善再生骨料的強(qiáng)度[5]。 范玉輝[6]等發(fā)現(xiàn)，使用納米SiO2的關(guān)鍵問題在于其分散性，分散良好的納米SiO2對再生混凝土性能有較好的改善。Li[7]發(fā)現(xiàn)納米SiO2可以激活粉煤灰的活性， 并發(fā)揮尺寸效應(yīng)，填充孔隙的同時(shí)改善混凝土基體孔隙分布。 朱勇年[8]等人采用納米SiO2浸泡的方式對再生骨料進(jìn)行改性，改性后的再生骨料各項(xiàng)性能均有提升。 李文貴等[9]對再生骨料破壞機(jī)理進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，納米硅膠溶液能改善再生骨料混凝土界面過渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)，顯著提高再生骨料強(qiáng)度。 肖建莊[10]等人研究發(fā)現(xiàn)， 納米SiO2具有高火山灰活性和在水泥基材料水化過程中突出的成核效應(yīng)， 能減少基體孔隙率。 SOBOLEV K[11]等人研究發(fā)現(xiàn)，納米SiO2可提供大量的成核點(diǎn)，但由于其水化結(jié)構(gòu)密實(shí)，減弱了后期水化反應(yīng)。 SHAIKH F[12]的研究表明，采用納米硅膠溶液預(yù)先浸泡法的方式對再生骨料的提升效果更為顯著。

目前，現(xiàn)有研究多側(cè)重納米材料對再生骨料混凝土的改性機(jī)理，對于改性試驗(yàn)機(jī)制及改性后再生骨料的材性指標(biāo)及其相關(guān)性研究還相對較少。 文章深入研究分析了納米硅溶膠溶液濃度及浸泡時(shí)間對磚混凝土混合再生骨料表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)的影響規(guī)律，提出再生骨料的合理改性機(jī)制，建立再生骨料材性指標(biāo)的定量關(guān)系。

1 試驗(yàn)

1.1 混合再生骨料的制備

試驗(yàn)所用廢棄混凝土來自某建筑工程檢測公司的廢棄混凝土試塊，強(qiáng)度等級為C30～C50，廢棄黏土磚為城市民房拆遷廢磚， 強(qiáng)度等級為10～30 MPa。經(jīng)過破碎、篩選制成再生混凝土骨料和再生黏土磚骨料，粒徑為5～19 mm，再生骨料的技術(shù)指標(biāo)見表1。 綜合考慮建筑廢棄物中廢磚和廢棄混凝土的比例，通過混摻得到磚海綿體體積比為3∶7 的混合再生骨料。

表1 再生骨料的技術(shù)指標(biāo)

1.2 混合再生骨料的改性

試驗(yàn)采用浙江宇達(dá)化工生產(chǎn)的NS-30 型納米硅溶膠，技術(shù)指標(biāo)見表2。通過納米硅溶膠溶液浸泡的方式對再生骨料進(jìn)行改性（如圖1 所示）。 納米硅溶膠溶液濃度設(shè)計(jì)為1%、2%、3%，浸泡時(shí)間分別為1 d、2 d、3 d，具體方案見表 3。

表2 NS-30 型納米硅溶膠技術(shù)指標(biāo)

表3 不同的改性機(jī)制

圖1 納米硅溶膠溶液對再生骨料的改性處理

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》[13]規(guī)定的方法分別測試再生骨料的表觀密度、吸水率和壓碎值。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同浸泡機(jī)制下，混合再生骨料的表觀密度、吸水率和壓碎值測試結(jié)果見表4。

表4 混合再生骨料的材性試驗(yàn)結(jié)果

2.2 納米硅溶膠對混合再生骨料性能的影響

不同改性機(jī)制下，混合再生骨料表觀密度、吸水率、壓碎值變化規(guī)律如圖2～圖4 所示。

圖2 表觀密度變化規(guī)律

圖3 吸水率變化規(guī)律

圖4 壓碎指標(biāo)變化規(guī)律

由圖2 可見，隨著納米硅溶膠溶液濃度的增大和浸泡時(shí)間的增加，再生骨料的表觀密度均呈現(xiàn)上升趨勢。 其中，B-2 組表觀密度較未改性的再生骨料提高了1.8%；C-2 組的表觀密度較N 組提高了1.9%， 即在B-2 的基礎(chǔ)上小幅度提高了0.1%；C-3組的表觀密度較N 組提高了2.1%，即在B-2 的基礎(chǔ)上又小幅度提高了0.3%。

由圖3 可見，隨著納米硅溶膠溶液濃度的增加和浸泡時(shí)間的增長，混合再生骨料的吸水率不斷降低。 B-2 組吸水率較未改性的再生骨料降低了13.1%；C-2 組的吸水率較N 組降低了14.0%，即在B-2 的基礎(chǔ)上又降低了0.9%；C-3 組的吸水率較N組降低了15.0%，即在B-2 的基礎(chǔ)上又降低了1.9%。

由圖4 可見，隨著納米硅溶膠溶液濃度的提高和浸泡時(shí)間增加，再生骨料壓碎值不斷降低。 其中，B-2 組的壓碎值較未改性的再生骨料降低了14.0%；C-2 組的壓碎值較N 組降低了14.9%，即在B-2 的基礎(chǔ)上又降低了0.9%；C-3 組的壓碎值較N組降低了16.3%，即在B-2 的基礎(chǔ)上又降低了2.3%。

對比分析后發(fā)現(xiàn)，三種改性機(jī)制的效果為C-3＞C-2＞B-2。 其中，機(jī)制 B-2 對再生骨料表觀密度、吸水率、壓碎值的改性效果分別達(dá)到C-3 組的85.6%、87.3%、85.9%， 分別達(dá)到 C-2 組的 94.7%、94.0%、94.0%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，再生骨料對納米SiO2顆粒的吸附存在一個(gè)上限值，進(jìn)一步增加溶液溶度將造成納米SiO2顆粒在骨料周邊堆積和團(tuán)聚，阻礙納米SiO2顆粒向骨料內(nèi)部的遷移。 因此，納米硅溶膠對再生骨料的改性效果隨時(shí)間的增長和溶液濃度的增大逐漸趨于緩和。 采用改性機(jī)制B-2（濃度2%+浸泡2 d）就能使混合再生骨料的性能得到較好改善，還能節(jié)省納米材料，提高改性效率。

2.3 材性指標(biāo)間的相關(guān)性分析

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，針對B 組（納米硅溶膠溶液濃度2%） 的材性試驗(yàn)結(jié)果， 對再生骨料表觀密度、吸水率、壓碎值進(jìn)行非線性擬合，得到其定量函數(shù)關(guān)系見表5，關(guān)系曲線如圖5 所示。

表5 材性指標(biāo)間相的相關(guān)關(guān)系

由圖5 可見，表觀密度和吸水率、壓碎指標(biāo)呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，吸水率和壓碎值呈非線性正相關(guān)關(guān)系。 由表3 可見，材性指標(biāo)間均服從良好的二次函數(shù)關(guān)系， 相關(guān)系數(shù)均不小于0.883。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可通過某一材性指標(biāo)，如表觀密度，間接評價(jià)混合再生骨料的壓碎值、吸水率。

3 結(jié)語

再生骨料對納米SiO2顆粒的吸附存在一個(gè)上限值，進(jìn)一步增加溶液溶度將造成納米SiO2顆粒在骨料周邊堆積和團(tuán)聚，阻礙納米SiO2顆粒向骨料內(nèi)部的遷移。 因此，納米硅溶膠對再生骨料的改性效果隨時(shí)間的增長和溶液濃度的增大逐漸趨于緩和。

采用改性機(jī)制B-2（濃度2%+浸泡2 d）能使混合再生骨料的性能得到較好改善，還能節(jié)省納米材料，提高改性效率。

表觀密度和吸水率、壓碎指標(biāo)呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，吸水率和壓碎值呈非線性正相關(guān)關(guān)系，材性指標(biāo)間均服從良好的二次函數(shù)關(guān)系。