水玻璃浆液强化对再生骨料及再生骨料混凝土性能的影响

罗 娜 刘永川 李国旺 李 桂 乔一龙 李玉春

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

0 引言

随着城市现代化建设迅速发展，我国每年都产生大量的建筑垃圾。从全国建筑垃圾治理试点城市（区）统计数据中发现，仅35 个试点城市（区）2017年建筑垃圾的产生量约10.9 亿t （工程渣土占比70%以上），全国的建筑垃圾产生总量巨大[1]。 我国现有500 亿m2建筑，未来100 年也大都将转化为建筑垃圾。 这些建筑垃圾大部分被丢弃浪费，没有转化为资源，同时由于处理不当导致垃圾污染问题日益严峻。 因此，应全面推广建筑垃圾资源化利用[2]。

再生骨料混凝土又叫再生混凝土，是指将建筑垃圾中的废弃混凝土块经过破碎、清洗、筛分，按一定级配混合得到再生混凝土骨料，用再生骨料部分或全部取代砂石等天然骨料（主要是粗骨料）配制而成的混凝土。但再生骨料的表面含有大量的旧水泥砂浆， 并且再生骨料经机械破碎后表观棱角较多，内部产生细微裂缝，这些性质都使得再生骨料强度低、表观密度大、吸水率高，用其配制混凝土时，混凝土的强度普遍偏低[3]。用再生骨料生产高强度混凝土的可能性不大，但是生产C30 以下的混凝土是可行的，完全可以满足道路回填等使用[4]。

骨料强度是决定混凝土强度的重要因素。为了提高再生骨料的利用率，大量学者对再生骨料的强化做了试验研究，用水玻璃浆液浸泡再生骨料也是其中一个方法。 利用水玻璃浆液与再生骨料上附着的旧水泥砂浆产生反应，水玻璃浆液与氢氧化钙反应生成硅酸钙凝胶，填充材料中的孔隙，使材料致密，从而提高再生骨料的强度[5]。

1 试验方案

用水玻璃浆液对再生骨料进行强化处理，测试强化后的再生骨料性能并进行分析。 用强化处理后的再生骨料代替部分天然骨料， 成型混凝土试件；试件经标准养护室养护后，对其进行混凝土性能测试，对测得数据进行对比分析，得出水玻璃浆液强化对再生混凝土性能的影响并进行机理分析。

2 试验用原材料

水泥为河南孟电水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；建筑垃圾为河南建院建筑材料检测有限公司试验后的废弃混凝土试件； 再生粗骨料为废弃混凝土破碎后形成的、粒径在5 mm～40 mm 之间的颗粒，采用连续级配，级配良好； 再生细骨料为废弃混凝土破碎后形成的、粒径在5 mm 以下的颗粒，采用连续级配，级配良好。

天然骨料的产地为河南贾峪；外加剂为河南科之杰新材料有限公司生产的高效减水剂；水玻璃为郑州中扬化工产品有限公司生产的钠水玻璃，灰色液体状；试验中使用的水为饮用自来水。

3 水玻璃浆液强化对再生骨料物理性能的影响

3.1 试验方法及数据

对经过水玻璃浆液强化并已晾干后的再生骨料进行吸水率、表观密度、压碎指标三项物理特性试验。 经过水玻璃浆液强化的再生粗骨料经标准方法养护28 d 并自然风干后，再进行压碎指标测试。试验测得的强化前后再生粗骨料的物理特性及压碎指标结果见表1。

表1 种粗骨料的物理性能

3.2 数据分析

1）未经强化的再生粗骨料与天然粗骨料相比，其吸水性提高了89.5%，表观密度下降了8.8%，压碎指标提高了52%，物理性能有了很大的下降。 这是因为再生粗骨料表面粘附有大量孔隙率较大的水泥砂浆，引起再生粗骨料吸水性的升高和表观密度的降低。 另外，在破碎过程中形成的大量的微裂纹严重影响了再生粗骨料的强度，并造成其压碎指标的提高。

2）经过水玻璃浆液强化后的再生粗骨料与未经强化的再生粗骨料相比，其各方面性能都有了明显的改善，原因如下：水玻璃在水溶液中发生水解和水合反应，最终生成硅酸胶体，填充了再生粗骨料表面的孔隙，降低了再生粗骨料的吸水性；另外，硅酸钠和硅酸还可以直接与再生粗骨料表面的氢氧化钙发生反应，生成硅酸钙胶体，进一步填充了再生粗骨料表面的孔隙，修补了再生粗骨料表面存在的微裂纹，从而提升了再生粗骨料的强度。

4 水玻璃浆液浓度对再生混凝土性能的影响

4.1 试样制备

1）首先将水玻璃配成浓度分别为2%、8%、15%、20%和25%（分别对应表1 中的C2、C8、C15、C20、C25)的浆液，将再生粗骨料放进浆液中浸泡5 h，浸泡时浆液要完全淹没再生粗骨料，完成浸泡时间后取出，放到室外通风处，不断翻动直至晾干。

2）用经上述方法制备的再生骨料配制再生骨料C30 混凝土，水灰比为0.45、砂率取40%，测试抗压强度试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。再生骨料混凝土的配合比、拌合物和易性、28 d 抗压强度见表2。

4.2 试验结果

1）和易性。 由表2 中数据可知，经过水玻璃浆液强化之后，再生混凝土的工作性有了明显改善，并且随着水玻璃浆液浓度的增大，再生混凝土拌合物的和易性呈不断增加的趋势。

2）抗压强度。 由表1 中数据可知，经浓度为8%的水玻璃浆液处理后的再生骨料混凝土的28 d 抗压强度最好，水玻璃浆液浓度再大会影响再生混凝土的强度。

5 水玻璃浆液浸泡时间对再生混凝土性能的影响

5.1 试样制备

用浓度为8%的水玻璃浆液浸泡再生粗骨料，浸泡时间分别定为2 h、5 h、12 h 和24 h（分别对应于表6.1 中的T3、T5、T12、T24），浸泡时浆液须完全淹没再生骨料， 浸泡时间到后将再生骨料取出，放于室外通风阴凉处，不断翻动直至晾干。 用强化处理过的再生粗骨料配制C30 混凝土，水灰比为0.45、砂率取40%，测试抗压强度试件尺寸为100 mm×100mm×100 mm。再生骨料混凝土配合比、和易性及28 d抗压强度见表3。

表2 再生骨料混凝土的配合比、拌合物和易性、28 d 抗压强度

表3 再生骨料混凝土的配合比、和易性、28 d 抗压强度

5.2 试验结果

由表3 可知，再生粗骨料在水玻璃中的浸泡时间应以5 h 为最佳，浸泡时间太长则会影响再生混凝土的强度；另外，表3 中的数据表明，再生混凝土拌合物的和易性随着再生粗骨料在水玻璃浆液中浸泡时间的延长而不断提高。

6 结果分析

6.1 影响和易性的原因

经过水玻璃浆液强化后的再生骨料混凝土的和易性得到不同程度的提升。 这是因为水玻璃在水溶液中可以水解出硅酸胶体。 再生粗骨料在水玻璃浆液中浸泡的过程中，硅酸胶体会逐渐渗透到骨料表面的孔隙以及微裂纹中，并在一定程度上包裹在骨料的表面，降低了骨料的孔隙率及吸水性，使混凝土拌合物中更多的水分参与到改善混凝土和易性上来，改善了混凝土拌合物的和易性。 水玻璃在溶液中的水合及水解反应方程式为：

水合：Na2·nSiO2+mH2O→Na2·nSiO2·mH2O

水解：Na2O·nSiO2·mH2O→2NaOH+nSiO2·(m-1)H2O

6.2 影响抗压强度的原因

1）水玻璃溶液的水解产物硅酸和水玻璃在早期就能与水泥的水化产物氢氧化钙生成水化硅酸钙胶体，也可以填充再生骨料表面的孔隙以及修补微裂纹， 同时还可以消耗大量堆积于骨料-砂浆结合处的氢氧化钙，增强界面结合力，硅酸、水玻璃与氢氧化钙之间的反应方程式为：

nSiO2·(m-1)H2O+nCa (OH)2→nCaSiO3·6H2O+2(m-1-5n)H2O

Na2O·nSiO2+Ca(OH)2+6H2O→2NaOH+(n-1)SiO2+CaSiO3·6H2O

2）硅酸、水玻璃与氢氧化钙发生反应可以加速水泥的水化反应，从而提升了再生骨料混凝土的早期强度。 原因是当水泥的水化反应开始之后，钙离子和氢氧根离子迅速从每个硅酸三钙粒子的表面释放出来，pH 值在几分钟之内上升至12，呈现出强碱性， 此时硅酸三钙的水解作用开始减缓下来，水泥的水化反应速度随之降低，当钙和氢氧根的浓度达到某个临界值， 氢氧化钙开始从溶液中结晶出来，硅酸三钙的水解反应才能继续，水泥的水化反应才能进行。 而硅酸、水玻璃可以与氢氧化钙发生反应，降低混凝土拌合物的pH 值，可以起到促进水泥水化反应的作用， 提升了混凝土的早期强度，水泥水化反应的化学方程式为：

6CaO·SiO2+11H2O →3CaO·2SiO2·8H2O+3Ca(OH)2

7 结语

水玻璃浆液对再生骨料和再生混凝土有很好的强化作用。 水玻璃浆液浓度和浸泡时间对再生混凝土强度与和易性影响较大，浆液浓度为8%、浸泡时间为5 h 的再生骨料配制的再生混凝土性能最佳。