水玻璃喷洒强化对再生粗骨料性能的影响

夏季 XIA Ji；吴帮伟 WU Bang-wei；蒋承志 JIANG Cheng-zhi；刘永涛 LIU Yong-tao；王鑫 WANG Xin

（扬州大学建筑科学与工程学院，扬州 225000）

0 引言

近十几年来，我国由于建筑行业的迅速发展，产生了大量的建筑垃圾，据统计，2020 年，我国建筑垃圾年排放量已超26 亿吨，约占城市固体垃圾总量的40%[1-3]。首先，建筑垃圾的堆放不仅占用土地，污染水源、土壤和大气，而且建筑垃圾的随意丢弃也造成了资源的浪费[4]。因此，将建筑垃圾循环利用已经迫在眉睫。目前，将建筑垃圾加工后制成再生粗骨料，将其应用于混凝土等产品中制成再生混凝土是主要的利用形式。但是与天然粗骨料相比，再生粗骨料在生产过程中的破碎、碰撞会对其内部造成损害，产生微裂缝，同时其表面也包裹着众多的水泥砂浆，这些原因导致了再生粗骨料高吸水率，高压碎指标与低表观密度，质量远不如天然粗骨料，大大限制了其应用场合，不能用于较高要求的施工，故需要对再生粗骨料进行强化处理。

目前主流的强化方式主要有物理强化与化学强化两种，物理强化主要是通过对再生粗骨料进行机械研磨以除去表面附着的水泥砂浆，从而改善其物理性能，但是机械研磨不仅能耗高，机械设备易造成损坏，而且再生粗骨料在研磨过程中会相互碰撞，从而内部会产生更多微裂缝，影响强化效果。而化学强化主要是以各种化学溶液对再生粗骨料进行强化处理。其中林航[5]等人研究发现：经水玻璃溶液浸泡强化后，再生骨料的性能明显提高，但水玻璃强化剂浓度超过15%后，强化作用就不在显著。杨小龙[6]研究了水玻璃、纳米SiO2和渗透结晶材料对混凝土再生骨料改性，结果显示，经过4%的水玻璃和6%的纳米SiO2溶液的浸泡后，再生骨料吸水率的改善效果尤为明显。胡旭晗[7]等人对多种化学试剂强化再生骨料进行了试验研究，表明：有机硅树脂对再生粗骨料吸水率的降低效果最明显；水玻璃溶液对提高再生集料强度效果最好。Kou S C[8]等研究了PVA 对再生粗骨料性能的影响，在真空负压环境中PVA 可以填充在骨料孔隙中，从而降低再生粗骨料的吸水率和压碎指标。Purushothaman 等人[9]用HCI、H2SO4、擦洗和加热洗涤对再生粗骨料进行处理，发现H2SO4处理、加热洗涤处理得到的再生粗骨料吸水率降低，其它性能与天然粗骨料相近，配制的再生骨料混凝土强度与天然骨料混凝土的性能非常接近。Tam[10-11]等人采用纯水泥浆液和水泥外加硅灰浆液浸泡处理再生骨料，发现两者均能改善附着浆体及旧界面过渡区的结构，掺加硅灰后，再生骨料的结构和新旧界面过渡区变得更加致密，效果更好。

从上述研究可以看出，物理强化成本高，而化学强化主要以浸泡处理为主，所需要的时间长，强化试剂浪费严重，故本文提出了一种喷洒强化的方法，研究再生粗骨料经过水玻璃喷洒强化后相关物理性能指标的变化情况，为高效率强化再生粗骨料提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料

1.1.1 再生粗骨料

本文采用的再生粗骨料为实验室规格100×100×100mm 的废弃标准立方体试件，强度等级约为C30，经过颚式破碎机破碎而来，取出其中粒径为5-20mm 的粗骨料进行强化试验。依据规范《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）和《建筑用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011）中的试验方法，对再生粗骨料的压碎指标、吸水率与表观密度进行测试，测试结果如表1。

表1 再生粗骨料相关物理性能指标

1.1.2 水玻璃

本文所采用的水玻璃购买自嘉善县优瑞耐火材料有限公司，为无色透明稠状液体，具体参数见表2。

表2 水玻璃主要参数

1.2 试验方案

为研究水玻璃喷洒处理再生粗骨料对其物理性能的影响，并与浸泡处理的方法做出对比，本文共设计了5%，10%，15%共3 种不同浓度的水玻璃喷洒强化再生粗骨料，以及10%浓度的水玻璃浸泡强化再生粗骨料。相关试验方案见表3。

表3 试验方案

1.3 试验方法

1.3.1 喷洒方法

本文选用不同浓度的水玻璃喷洒处理再生粗骨料，每次取4500g 的再生粗骨料将其置于带孔容器中并放置到振动台上，使用喷壶喷洒水玻璃750g，大约需要1min。喷洒的同时启动振动台，依靠振动使得粗骨料能够翻动以便水玻璃溶液能够充分的喷洒到粗骨料的表面，以此方法，强化处理4 次，共强化18000g 的再生粗骨料。喷洒强化结束后，将再生粗骨料放置到塑料布上晾干，之后进行性能测试。

1.3.2 浸泡方法

将18000g 的再生粗骨料放置到容器中，加入水玻璃溶液直至高于再生粗骨料的高度2-3mm，浸泡处理24h。24h 后，将再生粗骨料放置到塑料布上晾干，然后进行性能试验。

2 试验结果与分析

按照相关规范测试出再生粗骨料经过强化后的压碎指标、吸水率与表观密度，并与未强化的再生粗骨料进行对比分析，相关试验结果见图1、图2 与图3。

2.1 压碎指标

由图1 可以看出，经过水玻璃喷洒强化后，再生粗骨料的压碎指标有了一定的下降。在浓度5%的时候，喷洒强化效果不太显著，压碎指标降幅约0.2%，随着水玻璃的浓度提高到10%，压碎指标下降明显，喷洒强化后再生粗骨料的压碎指标比起未强化的再生粗骨料下降7.0%，但当水玻璃浓度从10%提高到15%，压碎指标就不在继续下降，与10%浓度水玻璃喷洒强化后的压碎指标仅相差0.02%，与未强化的再生骨料相比，下降幅度6.9%。

图1 强化前后再生粗骨料压碎指标

同时，再生粗骨料经过10%浓度的水玻璃溶液浸泡处理后，其压碎指标与喷洒强化处理后的压碎指标仅相差0.23%，强化效果相差无几。

2.2 吸水率

从图2 可以发现，吸水率的变化趋势与压碎指标类似，在5%浓度时，喷洒强化后再生粗骨料的吸水率比起未强化的再生粗骨料下降幅度约10.1%。在浓度10%时，再生粗骨料的吸水率下降幅度达到最大，吸水率由7.71%降低到6.47%，降幅达16.1%，当水玻璃浓度提升到15%时，喷洒强化后的吸水率就不在继续下降，与未强化再生粗骨料相比，降幅约11.9%。

图2 强化前后再生粗骨料吸水率

同时，经过10%浓度水玻璃溶液浸泡后的再生粗骨料，其吸水率与10%浓度喷洒强化处理后的吸水率仅相差0.36%，强化效果也基本相同。

2.3 表观密度

从图3 可以看出，再生粗骨料经过水玻璃喷洒后，其表观密度也得到了一定的提升，在浓度为5%的时候，效果最好，较未强化再生粗骨料提升1%左右，同时随着浓度的升高，表观密度未能有继续提高。并且与浸泡强化相比，喷洒强化对再生粗骨料表观密度的强化效果也基本相同，喷洒强化后表观密度略高于浸泡强化20.58kg/m3。

图3 强化前后再生粗骨料表观密度

2.4 机理分析

通过扫描电镜对未强化再生粗骨料以及10%浓度水玻璃喷洒强化后的再生粗骨料进行观察，从而对强化机理进行分析，微观形貌图见图4 与图5。

由图4 可以看出，未强化的再生粗骨料表面具有众多的裂缝与空洞，这直接造成了其性能不如天然粗骨料。由图5 可以看出，再生粗骨料经过水玻璃喷洒强强化后，水玻璃与再生粗骨料表面的水泥砂浆的水化产物Ca（OH）2反应生成的C-S-H，填充了再生粗骨料表面的孔隙，修补再生粗骨料表面存在的微裂纹，从而降低了其压碎指标和吸水率，提高其表观密度。但是当水玻璃溶液的浓度超过一定量时，再生粗骨料孔隙和裂缝会被水玻璃水化产物充斥完全，此时即使提高水玻璃浓度，对二者指标的改善效果也不在显著。

图4 未强化再生粗骨料表面微观形貌图

图5 水玻璃喷洒强化后再生粗骨料表面微观形貌图

3 结论

①再生粗骨料经过水玻璃处理后，可以降低其压碎指标与吸水率，提高表观密度，增强相关物理性能。②当水玻璃浓度在10%的时，对再生粗骨料的喷洒强化效果最好，压碎指标降低了7.0%，吸水率下降了16.1%，表观密度略有提升。但当浓度继续提高时，再生粗骨料的强化效果就不在提升。③相同浓度下，水玻璃喷洒处理再生粗骨料与水玻璃浸泡强化处理的效果相当，并无太大差别，但是喷洒强化却能大幅节约时间与强化试剂。