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實驗室（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，但由于其水化結(jié)構(gòu)密實，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

1.1 混合再生骨料的制備

試驗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)計為1%、2%、3%，浸泡時間分別為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 試驗方法

試驗參照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%。

試驗結(jié)果表明，再生骨料對納米SiO2顆粒的吸附存在一個上限值，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

基于上述試驗結(jié)果，針對B 組（納米硅溶膠溶液濃度2%） 的材性試驗結(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。 實際應(yīng)用時，可通過某一材性指標(biāo)，如表觀密度，間接評價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。