化学溶液浸渍法修复废弃混凝土骨料研究

隋玉武，田清波，岳雪涛，乔鹏飞

（1.山东省绿色建筑协同创新中心，山东济南250001；2.山东建筑大学 材料科学与工程学院 山东济南250101）

化学溶液浸渍法修复废弃混凝土骨料研究

隋玉武1，2，田清波2，岳雪涛2，乔鹏飞2

（1.山东省绿色建筑协同创新中心，山东济南250001；2.山东建筑大学 材料科学与工程学院 山东济南250101）

废弃混凝土骨料因附有水泥石导致质量变差，化学溶液浸渍法修复混凝土骨料是利用外界溶液与废弃混凝土骨料上的水泥石进行反应，生成物质填充水泥石孔隙、裂缝和表面，从而使其质量得到改善。文章利用不同浓度的Na2SO4、Na2CO3等溶液对废弃混凝土骨料进行不同时间的浸渍修复，通过对比浸渍前后废弃混凝土骨料的吸水率、表观密度和压碎指数判断修复效果，并利用SEM和XRD检测样品微观结构和矿物成分变化。结果表明:Na2SO4、Na2CO3、NaCl和NaOH溶液能与水泥石发生反应，生成的填充物主要是CaCO3和CaSO4·2H2O；修复后的废弃混凝土骨料表观密度超过2.25 g／cm3，达到了混凝土再生骨料标准要求；不同修复溶液种类、浓度和修复时间会影响修复效果，Na2CO3、Na2SO4溶液对废弃混凝土质量的修复效果好于其他试验溶液，浓度为6%的Na2CO3溶液在相同时间内修复效果好于其他浓度修复的效果。

废弃混凝土骨料；浸渍法；化学溶液；表观密度

0 引言

混凝土是当今世界使用最多的建筑材料，从2014年开始我国每年生产40多亿t商品混凝土，几乎占世界总产量的50%。混凝土对固体废弃物再生利用作用很大，但在达到使用寿命被拆除后，自身也成为垃圾，2014年开始我国每年产生的建筑垃圾达到15亿t以上［1-4］。

由于废弃混凝土数量巨大和制备混凝土天然材料减少，废弃混凝土再生利用问题日益得到社会的关注。目前废弃混凝土再生利用主要是破碎后，用于道路、建筑等基础的基础层［5］。再生骨料主要由天然骨料和水泥石组成。水泥石结构疏松、内部孔隙多、抗压和抗腐蚀性低，孔隙率、吸水率等指标高，因此再生骨料综合性能差，难以作为再生骨料用来新制混凝土［6］。

废弃混凝土骨料因附有水泥石导致质量变差，提高废弃混凝土骨料质量，主要是处理附在骨料上的水泥石。根据处理水泥石的途径，可以把提高废弃混凝土骨料的方法分为剔除法和修补法两大类。剔除法就是利用物理、化学等方法把黏附在原生骨料上的水泥石除去；而修补法，就是采用理化方法修补黏附在原生骨料上的水泥石，提高其质量。化学熔液浸渍法修复混凝土骨料是利用外界溶液与废弃混凝土骨料上的水泥石进行反应，生成物质填充水泥石孔隙、裂缝和表面，从而使其质量得到改善。

利用加热研磨法对废弃混凝土再生骨料进行处理，可以得到接近天然骨料基本性能的再生骨料［3，7-8］；Linss利用超声波处理废弃混凝土，使废弃混凝土中的天然骨料与水泥砂浆分开，制备出高质量再生骨料［9］；李秋义等单纯利用机械整形，对废弃混凝土骨料进行处理，从而提高再生骨料质量［10］。这些方法都是旨在除去再生骨料中黏附在原生骨料上的砂浆，利用高压水枪施外力，用酸性溶液浸泡再生骨料等方法也可以实现剔除水泥石［11］。

利用修补法对混凝土或废弃混凝土骨料进行了修补试验。杨宁等利用水泥浆等外界物质对废弃混凝土骨料的孔隙进行密封，从而提高混凝土再生骨料的质量［10-12］。而利用二氧化碳对混凝土碳化原理，通过调整湿度、温度和压力等外界条件，为废弃混凝土骨料提供适宜的碳化条件，提高再生骨料的质量［13-14］。这种方法对混凝土再生骨料质量的提高效果不是特别明显，但是可以把二氧化碳（CO2）贮存到废弃混凝土中，具有环保意义。

刘索瑞利用化学溶液浸渍法系统地对混凝土裂隙进行修复研究，取得较好的效果［15］；朱从香等利用化学溶液浸渍法研究了提高混凝土再生骨料的抗碳化性能［16］。化学浸泡法修复再生骨料在工艺上比剔除法简单，并且不会产生新的废弃物，值得进一步研究。

文章利用碳酸钠（Na2CO3）、硫酸钠（Na2SO4）等溶液浸渍废弃骨料进行修复，通过对比浸渍前后废弃混凝土骨料的吸水率、表观密度和压碎指标判断修复效果，并利用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）检测样品微观结构和矿物成分变化。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料和方法

化学溶液浸渍法修复废弃混凝土骨料，是利用修复溶液直接与水泥石中的化学成分进行化学反应，或者作为激发物使水泥石中的成分进一步发生水化，从而在水泥石中生成新的化学成分，封堵水泥石中的空隙、裂隙和表面，增加密实性，提高质量。

试验 中 使 用Na2SO4、Na2CO3、氢 氧 化钠（NaOH）、氯化钠（NaCl）、CO2和水泥基渗透结晶型防水涂料等6种材料对混凝土再生骨料进行浸渍处理，其中Na2SO4、Na2CO3、CO2和水泥基渗透结晶型防水涂料等4种是与水泥石发生反应生成新的物质。理论上NaCO3、CO2与水泥石中的Ca（OH）2生成CaCO3；NaSO4和水泥基渗透结晶型防水涂料生成钙矾石（AFt）。

NaCl与水泥石的反应比较特殊，其主要作用为可以激发水泥进一步水化，生成更多的水化物，同时Cl-存在使水泥石进一步发生反应，生成单硫型铝酸钙水化物（3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O），反应式由（5）～（7）表示为

图1 化学溶液浸渍法修复混凝土再生骨料流程图

NaOH溶液对水泥石主要起到激发作用，激发未水化的水泥进一步水化，生成水化物，填充孔隙或裂隙。

试验中使用的废弃混凝土再生骨料来自青岛绿帆再生建筑材料利用公司，粒径5～20 mm，废弃混凝土 骨 料 为 天 然 卵石。试验 所 用 的Na2SO4、Na2CO3、NaOH、NaCl试剂为分析纯粉体，CO2气体为实验室瓶装气；水泥基渗透结晶型防水涂料。

试验主要检测指标为吸水率、表观密度和压碎指数等。其中，压碎指数用来检测骨料强度，按照GB 14685—2011要求，把装有样品的圆模放置到压力机上，以1 kN／s速度均匀加荷到200 kN并稳荷5 s，然后卸载。倒出试样后用孔径2.36 mm筛子筛除被压碎的细粒，称出留在筛子上的试样质量，精确到1 g。压碎指数的计算由式（8）表示为

式中:Qe为压碎指数，%；G1为试样质量，g；G2为压碎试验后筛余的质量，g。

试验整个流程如图1所示。

1.2 未经化学溶液浸渍处理的废弃混凝土骨料基本性质

试验样品中包含红砖、木屑、陶瓷和玻璃等杂质，具体数量见表1。

表1 试样中杂质含量／%

另外，废弃混凝土骨料的基本性质见表2。

表2 废弃混凝土骨料的基本性质

按照国标中混凝土用再生粗骨料的规定，此废弃混凝土骨料中杂质含量较高，并且表观密度达不到标准的最低要求，见表3［17］。

表3 混凝土用再生粗骨料指标规定

2 结果与分析

2.1 修复溶液对废弃混凝土再生骨料修复效果的微观检测结果

用XRD检测废弃混凝土再生骨料修复前后矿物成分变化，结果显示:检测的样品中，SiO2是检测出的主要矿物成分，经过Na2CO3溶液处理后的废弃混凝土再生骨料中的CaCO3含量增加，经过Na2SO4溶液处理后的废弃混凝土再生骨料中的CaSO4·2H2O含量增加，经过NaCl和NaOH溶液处理后的再生骨料中没有检测到明显的新增矿物成分（如图2所示）。

图2 废弃混凝土再生骨料经溶液修复前后XRD检测图

Na2SO4、Na2CO3、NaOH、NaCl溶液对废弃混凝土再生骨料的修复可以用扫描电镜进行微观观察。从扫描电镜对样品检测后发现:未经修复的废弃混凝土骨料上的水泥石结构疏松，孔隙多（如图3所示），而用浓度6%的Na2CO3溶液修复15 d后，其孔隙大量降低，水泥石结构更加密实（如图4所示）。

2.2 浸渍溶液种类、浸渍时间、溶液浓度对废弃混凝土骨料修复的影响

从试验结果来看，经过不同实验浓度的Na2SO4、Na2CO3、NaOH和NaCl溶液浸渍30 d后，废弃混凝土再生骨料都出现表观密度超过2250 kg／m3的情况，比原样品提高13.6%。但是CO2和防水涂料处理后的废弃混凝土骨料表观密度低于2250 kg／m3，即仍然达不到标准的要求。

图3 未经处理的再生骨料扫描电镜的微观结构图

图4 经6%Na2CO3溶液修复15 d后的再生骨料中水泥石微观结构扫描电镜图

溶液浓度对废弃混凝土骨料的修复结果有影响，不同浓度的Na2SO4、Na2CO3、NaOH、NaCl溶液对废弃混凝土骨料的修复能力表现不同，Na2SO4溶液浓度为10%时修复效果相对较好；浓度为2%的NaOH溶液修复效果相对较好；NaCl溶液浓度为2%、6%和10%时，对废弃混凝土骨料的修复效果相差不大，经过6%Na2CO3溶液修复后的废弃混凝土骨料，吸水率、表观密度和压碎指数比用浓度2%和10%的Na2CO3溶液修复效果好（如图5～8所示）。

从图5～8中还可以看出:浸渍溶液对废弃混凝土骨料的修复有“时间性”，即经过一定的浸渍时间后，废弃混凝土骨料的吸水率和表观密度达到最大值，之后随着时间增加这些值稳定变化或者下降，而且出现最大值的时间会受到修复溶液的浓度影响。一般来说，修复溶液浓度越低，出现最大值的时间越晚。Na2SO4溶液处理废弃混凝土骨料中，处理10 d后，2%、6%和10%三种溶液修复后的再生骨料表观密度都达到最大，但是浓度10%溶液达到2.31 g／cm3之后其值保持在2.25 g／cm3；浓度6%和2%溶液修复后再生骨料表观密度分别达到2.23和2.21 g／cm3，之后随着浸渍时间增加，表观密度值却下降。用Na2CO3溶液修复废弃混凝土骨料，经浓度10%的溶液浸渍15 d后，骨料表观密度达到最大值2.28 g／cm3，而经过浓度6%和2%溶液处理的骨料表观密度20 d后可以分别达到最大值2.31和2.25 g／cm3；氢氧化钠溶液修复废弃混凝土骨料，5 d后经浓度6%溶液修复的再生骨料表观密度可以达到最大值2.24 g／cm3，经过浓度2%溶液修复的骨料在浸渍10 d后表观密度亦可达到最大值2.37 g／cm3；用氯化钠溶液修复再生骨料，2%、6% 和10%等3种浓度溶液处理5 d后，再生骨料表观密度均达到最大值。

图5 Na2SO4浓度和浸渍时间对废弃混凝土骨料吸水率和表观密度的影响图

图6 Na2CO3浓度和浸渍时间对废弃混凝土骨料吸水率和表观密度的影响图

图7 NaOH浓度和浸渍时间对废弃混凝土骨料吸水率和表观密度的影响图

图8 NaCl浓度和浸渍时间对废弃混凝土骨料吸水率和表观密度的影响图

通过检测压碎指数，发现废弃混凝土再生骨料压碎指数在降低到最低值后开始增大，这说明再生骨料经过修复后，坚固性增加，但是如果继续进行修复，坚固性则开始降低。图9为废弃混凝土骨料在不同时间，经不同浓度溶液修复后的压碎指数变化图，可以看出:经Na2CO3和Na2SO4溶液浸渍10 d后再生骨料的压碎指数都达到最小，说明经过10 d修复后骨料的坚固性最好，此时再生骨料的表观密度也达到最大，但是之后压碎指数变大，说明坚固性降低。

图9 溶液浓度和浸渍时间对废弃混凝土骨料压碎指标的影响图

出现这种现象有一种可能就是修复溶液在废弃混凝土骨料水泥石中的反应过量，导致再生骨料中的水泥石二次破碎。刘索瑞利用硫酸钙修复混凝土裂隙时，经过60 d浸泡修复后，造成已经修复的混凝土裂隙发生二次开裂［15］。

3 结论

通过上述研究可知:

（1）Na2SO4、Na2CO3、NaCl和NaOH溶液能与废弃混凝土再生骨料上的水泥石发生反应，生成物填充和封闭了水泥石，从而使其结构更加密实。XRD检测发现，修复溶液生成的填充物主要是CaCO3和CaSO4·2H2O。

（2）利用Na2SO4、Na2CO3、NaCl、NaOH溶液修复后的混凝土再生骨料，表观密度能够超过2.25 g／cm3，达到了混凝土再生骨料国标要求，经过修复后的废弃混凝土骨料具体可达到混凝土用再生粗骨料Ⅲ级标准。

（3）修复溶液种类、浓度和修复时间对废弃混凝土骨料修复效果有影响，Na2CO3、Na2SO4溶液对废弃混凝土质量的修复效果好于其他试验溶液，浓度为6%的Na2CO3溶液修复效果好于该物质其他浓度修复的效果；经浓度10%的Na2SO4溶液修复的废弃混凝土再生骨料，质量好于利用其他浓度的Na2SO4溶液修复的再生骨料。达到相同的修复效果，低浓度溶液需要的浸渍时间相对于高浓度溶液较长。试验修复的5～20 mm粗废弃混凝土骨料，10～15 d修复后其质量基本稳定。

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（学科责编：吴芹）

Study on repairment of properties of used concrete aggregate w ith themethod of immersion in chem ical solution

Sui Yuwu1，2，Tian Qingbo2，Yue Xuetao2，et al.
（1.Shandong Provincial Co-innovation Center of Green Building，Jinan 250101，China；2.School ofMaterial Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The used concrete aggregate has bad qualities because of the attached cement paste，and themethod of immersion in chemical solution can improve its properties，using preparation chemical materials in the pore，crack and surface of cement paste，relying on the chemical reaction between chemical solution and cement paste.Based on the above-mentioned theory，by repairment in different time for used concrete aggregate in different concentration Na2SO4、Na2CO3etc.solutions and with contrast to the water absorption，apparent density and antidepressant index of samples before and after immersion in solution，as well as the change of microstructure and mineral composition of used concrete aggregate with the detection of SEM and XRD.The results show that solutions of Na2SO4，Na2CO3，NaCl and NaOH can react with cement paste.Main products are CaCO3and CaSO4·2H2O.The apparent density of the used concrete aggregate can exceed 2.25 g／cm3after the repairment，which meets the standard requirement of recycled aggregate of concrete；The repairment result is influenced by the kind，concentration of repairment solution，and repairment time，Na2SO4、Na2CO3can better repair the used concrete aggregate than others，Na2CO3with 6%concentration can better repair the used concrete aggregate than others in the same time.

used concrete aggregate；immersion method；chemical solution；apparent density

TU528.041

A

1673-7644（2017）03-0218-07

2017-04-26

山东省绿色建筑学会创新中心团队建设基金项目；山东建筑大学博士基金项目（XNBS1257）；山东省住建厅项目（KY018）

隋玉武（1971-），男，副教授，博士，主要从事建筑材料等方面的研究.E-mail:herrsui＠sdjzu.edu.cn