隋玉武，田清波，岳雪濤，喬鵬飛

（1.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東濟南250001；2.山東建筑大學 材料科學與工程學院 山東濟南250101）

化學溶液浸漬法修復廢棄混凝土骨料研究

隋玉武1，2，田清波2，岳雪濤2，喬鵬飛2

（1.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，山東濟南250001；2.山東建筑大學 材料科學與工程學院 山東濟南250101）

廢棄混凝土骨料因附有水泥石導致質量變差，化學溶液浸漬法修復混凝土骨料是利用外界溶液與廢棄混凝土骨料上的水泥石進行反應，生成物質填充水泥石孔隙、裂縫和表面，從而使其質量得到改善。文章利用不同濃度的Na2SO4、Na2CO3等溶液對廢棄混凝土骨料進行不同時間的浸漬修復，通過對比浸漬前后廢棄混凝土骨料的吸水率、表觀密度和壓碎指數判斷修復效果，并利用SEM和XRD檢測樣品微觀結構和礦物成分變化。結果表明:Na2SO4、Na2CO3、NaCl和NaOH溶液能與水泥石發(fā)生反應，生成的填充物主要是CaCO3和CaSO4·2H2O；修復后的廢棄混凝土骨料表觀密度超過2.25 g／cm3，達到了混凝土再生骨料標準要求；不同修復溶液種類、濃度和修復時間會影響修復效果，Na2CO3、Na2SO4溶液對廢棄混凝土質量的修復效果好于其他試驗溶液，濃度為6%的Na2CO3溶液在相同時間內修復效果好于其他濃度修復的效果。

廢棄混凝土骨料；浸漬法；化學溶液；表觀密度

0 引言

混凝土是當今世界使用最多的建筑材料，從2014年開始我國每年生產40多億t商品混凝土，幾乎占世界總產量的50%?；炷翆腆w廢棄物再生利用作用很大，但在達到使用壽命被拆除后，自身也成為垃圾，2014年開始我國每年產生的建筑垃圾達到15億t以上［1-4］。

由于廢棄混凝土數量巨大和制備混凝土天然材料減少，廢棄混凝土再生利用問題日益得到社會的關注。目前廢棄混凝土再生利用主要是破碎后，用于道路、建筑等基礎的基礎層［5］。再生骨料主要由天然骨料和水泥石組成。水泥石結構疏松、內部孔隙多、抗壓和抗腐蝕性低，孔隙率、吸水率等指標高，因此再生骨料綜合性能差，難以作為再生骨料用來新制混凝土［6］。

廢棄混凝土骨料因附有水泥石導致質量變差，提高廢棄混凝土骨料質量，主要是處理附在骨料上的水泥石。根據處理水泥石的途徑，可以把提高廢棄混凝土骨料的方法分為剔除法和修補法兩大類。剔除法就是利用物理、化學等方法把黏附在原生骨料上的水泥石除去；而修補法，就是采用理化方法修補黏附在原生骨料上的水泥石，提高其質量?；瘜W熔液浸漬法修復混凝土骨料是利用外界溶液與廢棄混凝土骨料上的水泥石進行反應，生成物質填充水泥石孔隙、裂縫和表面，從而使其質量得到改善。

利用加熱研磨法對廢棄混凝土再生骨料進行處理，可以得到接近天然骨料基本性能的再生骨料［3，7-8］；Linss利用超聲波處理廢棄混凝土，使廢棄混凝土中的天然骨料與水泥砂漿分開，制備出高質量再生骨料［9］；李秋義等單純利用機械整形，對廢棄混凝土骨料進行處理，從而提高再生骨料質量［10］。這些方法都是旨在除去再生骨料中黏附在原生骨料上的砂漿，利用高壓水槍施外力，用酸性溶液浸泡再生骨料等方法也可以實現(xiàn)剔除水泥石［11］。

利用修補法對混凝土或廢棄混凝土骨料進行了修補試驗。楊寧等利用水泥漿等外界物質對廢棄混凝土骨料的孔隙進行密封，從而提高混凝土再生骨料的質量［10-12］。而利用二氧化碳對混凝土碳化原理，通過調整濕度、溫度和壓力等外界條件，為廢棄混凝土骨料提供適宜的碳化條件，提高再生骨料的質量［13-14］。這種方法對混凝土再生骨料質量的提高效果不是特別明顯，但是可以把二氧化碳（CO2）貯存到廢棄混凝土中，具有環(huán)保意義。

劉索瑞利用化學溶液浸漬法系統(tǒng)地對混凝土裂隙進行修復研究，取得較好的效果［15］；朱從香等利用化學溶液浸漬法研究了提高混凝土再生骨料的抗碳化性能［16］?；瘜W浸泡法修復再生骨料在工藝上比剔除法簡單，并且不會產生新的廢棄物，值得進一步研究。

文章利用碳酸鈉（Na2CO3）、硫酸鈉（Na2SO4）等溶液浸漬廢棄骨料進行修復，通過對比浸漬前后廢棄混凝土骨料的吸水率、表觀密度和壓碎指標判斷修復效果，并利用掃描電鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）檢測樣品微觀結構和礦物成分變化。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料和方法

化學溶液浸漬法修復廢棄混凝土骨料，是利用修復溶液直接與水泥石中的化學成分進行化學反應，或者作為激發(fā)物使水泥石中的成分進一步發(fā)生水化，從而在水泥石中生成新的化學成分，封堵水泥石中的空隙、裂隙和表面，增加密實性，提高質量。

試驗 中 使 用Na2SO4、Na2CO3、氫 氧 化鈉（NaOH）、氯化鈉（NaCl）、CO2和水泥基滲透結晶型防水涂料等6種材料對混凝土再生骨料進行浸漬處理，其中Na2SO4、Na2CO3、CO2和水泥基滲透結晶型防水涂料等4種是與水泥石發(fā)生反應生成新的物質。理論上NaCO3、CO2與水泥石中的Ca（OH）2生成CaCO3；NaSO4和水泥基滲透結晶型防水涂料生成鈣礬石（AFt）。

NaCl與水泥石的反應比較特殊，其主要作用為可以激發(fā)水泥進一步水化，生成更多的水化物，同時Cl-存在使水泥石進一步發(fā)生反應，生成單硫型鋁酸鈣水化物（3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O），反應式由（5）～（7）表示為

圖1 化學溶液浸漬法修復混凝土再生骨料流程圖

NaOH溶液對水泥石主要起到激發(fā)作用，激發(fā)未水化的水泥進一步水化，生成水化物，填充孔隙或裂隙。

試驗中使用的廢棄混凝土再生骨料來自青島綠帆再生建筑材料利用公司，粒徑5～20 mm，廢棄混凝土 骨 料 為 天 然 卵石。試驗 所 用 的Na2SO4、Na2CO3、NaOH、NaCl試劑為分析純粉體，CO2氣體為實驗室瓶裝氣；水泥基滲透結晶型防水涂料。

試驗主要檢測指標為吸水率、表觀密度和壓碎指數等。其中，壓碎指數用來檢測骨料強度，按照GB 14685—2011要求，把裝有樣品的圓模放置到壓力機上，以1 kN／s速度均勻加荷到200 kN并穩(wěn)荷5 s，然后卸載。倒出試樣后用孔徑2.36 mm篩子篩除被壓碎的細粒，稱出留在篩子上的試樣質量，精確到1 g。壓碎指數的計算由式（8）表示為

式中:Qe為壓碎指數，%；G1為試樣質量，g；G2為壓碎試驗后篩余的質量，g。

試驗整個流程如圖1所示。

1.2 未經化學溶液浸漬處理的廢棄混凝土骨料基本性質

試驗樣品中包含紅磚、木屑、陶瓷和玻璃等雜質，具體數量見表1。

表1 試樣中雜質含量／%

另外，廢棄混凝土骨料的基本性質見表2。

表2 廢棄混凝土骨料的基本性質

按照國標中混凝土用再生粗骨料的規(guī)定，此廢棄混凝土骨料中雜質含量較高，并且表觀密度達不到標準的最低要求，見表3［17］。

表3 混凝土用再生粗骨料指標規(guī)定

2 結果與分析

2.1 修復溶液對廢棄混凝土再生骨料修復效果的微觀檢測結果

用XRD檢測廢棄混凝土再生骨料修復前后礦物成分變化，結果顯示:檢測的樣品中，SiO2是檢測出的主要礦物成分，經過Na2CO3溶液處理后的廢棄混凝土再生骨料中的CaCO3含量增加，經過Na2SO4溶液處理后的廢棄混凝土再生骨料中的CaSO4·2H2O含量增加，經過NaCl和NaOH溶液處理后的再生骨料中沒有檢測到明顯的新增礦物成分（如圖2所示）。

圖2 廢棄混凝土再生骨料經溶液修復前后XRD檢測圖

Na2SO4、Na2CO3、NaOH、NaCl溶液對廢棄混凝土再生骨料的修復可以用掃描電鏡進行微觀觀察。從掃描電鏡對樣品檢測后發(fā)現(xiàn):未經修復的廢棄混凝土骨料上的水泥石結構疏松，孔隙多（如圖3所示），而用濃度6%的Na2CO3溶液修復15 d后，其孔隙大量降低，水泥石結構更加密實（如圖4所示）。

2.2 浸漬溶液種類、浸漬時間、溶液濃度對廢棄混凝土骨料修復的影響

從試驗結果來看，經過不同實驗濃度的Na2SO4、Na2CO3、NaOH和NaCl溶液浸漬30 d后，廢棄混凝土再生骨料都出現(xiàn)表觀密度超過2250 kg／m3的情況，比原樣品提高13.6%。但是CO2和防水涂料處理后的廢棄混凝土骨料表觀密度低于2250 kg／m3，即仍然達不到標準的要求。

圖3 未經處理的再生骨料掃描電鏡的微觀結構圖

圖4 經6%Na2CO3溶液修復15 d后的再生骨料中水泥石微觀結構掃描電鏡圖

溶液濃度對廢棄混凝土骨料的修復結果有影響，不同濃度的Na2SO4、Na2CO3、NaOH、NaCl溶液對廢棄混凝土骨料的修復能力表現(xiàn)不同，Na2SO4溶液濃度為10%時修復效果相對較好；濃度為2%的NaOH溶液修復效果相對較好；NaCl溶液濃度為2%、6%和10%時，對廢棄混凝土骨料的修復效果相差不大，經過6%Na2CO3溶液修復后的廢棄混凝土骨料，吸水率、表觀密度和壓碎指數比用濃度2%和10%的Na2CO3溶液修復效果好（如圖5～8所示）。

從圖5～8中還可以看出:浸漬溶液對廢棄混凝土骨料的修復有“時間性”，即經過一定的浸漬時間后，廢棄混凝土骨料的吸水率和表觀密度達到最大值，之后隨著時間增加這些值穩(wěn)定變化或者下降，而且出現(xiàn)最大值的時間會受到修復溶液的濃度影響。一般來說，修復溶液濃度越低，出現(xiàn)最大值的時間越晚。Na2SO4溶液處理廢棄混凝土骨料中，處理10 d后，2%、6%和10%三種溶液修復后的再生骨料表觀密度都達到最大，但是濃度10%溶液達到2.31 g／cm3之后其值保持在2.25 g／cm3；濃度6%和2%溶液修復后再生骨料表觀密度分別達到2.23和2.21 g／cm3，之后隨著浸漬時間增加，表觀密度值卻下降。用Na2CO3溶液修復廢棄混凝土骨料，經濃度10%的溶液浸漬15 d后，骨料表觀密度達到最大值2.28 g／cm3，而經過濃度6%和2%溶液處理的骨料表觀密度20 d后可以分別達到最大值2.31和2.25 g／cm3；氫氧化鈉溶液修復廢棄混凝土骨料，5 d后經濃度6%溶液修復的再生骨料表觀密度可以達到最大值2.24 g／cm3，經過濃度2%溶液修復的骨料在浸漬10 d后表觀密度亦可達到最大值2.37 g／cm3；用氯化鈉溶液修復再生骨料，2%、6% 和10%等3種濃度溶液處理5 d后，再生骨料表觀密度均達到最大值。

圖5 Na2SO4濃度和浸漬時間對廢棄混凝土骨料吸水率和表觀密度的影響圖

圖6 Na2CO3濃度和浸漬時間對廢棄混凝土骨料吸水率和表觀密度的影響圖

圖7 NaOH濃度和浸漬時間對廢棄混凝土骨料吸水率和表觀密度的影響圖

圖8 NaCl濃度和浸漬時間對廢棄混凝土骨料吸水率和表觀密度的影響圖

通過檢測壓碎指數，發(fā)現(xiàn)廢棄混凝土再生骨料壓碎指數在降低到最低值后開始增大，這說明再生骨料經過修復后，堅固性增加，但是如果繼續(xù)進行修復，堅固性則開始降低。圖9為廢棄混凝土骨料在不同時間，經不同濃度溶液修復后的壓碎指數變化圖，可以看出:經Na2CO3和Na2SO4溶液浸漬10 d后再生骨料的壓碎指數都達到最小，說明經過10 d修復后骨料的堅固性最好，此時再生骨料的表觀密度也達到最大，但是之后壓碎指數變大，說明堅固性降低。

圖9 溶液濃度和浸漬時間對廢棄混凝土骨料壓碎指標的影響圖

出現(xiàn)這種現(xiàn)象有一種可能就是修復溶液在廢棄混凝土骨料水泥石中的反應過量，導致再生骨料中的水泥石二次破碎。劉索瑞利用硫酸鈣修復混凝土裂隙時，經過60 d浸泡修復后，造成已經修復的混凝土裂隙發(fā)生二次開裂［15］。

3 結論

通過上述研究可知:

（1）Na2SO4、Na2CO3、NaCl和NaOH溶液能與廢棄混凝土再生骨料上的水泥石發(fā)生反應，生成物填充和封閉了水泥石，從而使其結構更加密實。XRD檢測發(fā)現(xiàn)，修復溶液生成的填充物主要是CaCO3和CaSO4·2H2O。

（2）利用Na2SO4、Na2CO3、NaCl、NaOH溶液修復后的混凝土再生骨料，表觀密度能夠超過2.25 g／cm3，達到了混凝土再生骨料國標要求，經過修復后的廢棄混凝土骨料具體可達到混凝土用再生粗骨料Ⅲ級標準。

（3）修復溶液種類、濃度和修復時間對廢棄混凝土骨料修復效果有影響，Na2CO3、Na2SO4溶液對廢棄混凝土質量的修復效果好于其他試驗溶液，濃度為6%的Na2CO3溶液修復效果好于該物質其他濃度修復的效果；經濃度10%的Na2SO4溶液修復的廢棄混凝土再生骨料，質量好于利用其他濃度的Na2SO4溶液修復的再生骨料。達到相同的修復效果，低濃度溶液需要的浸漬時間相對于高濃度溶液較長。試驗修復的5～20 mm粗廢棄混凝土骨料，10～15 d修復后其質量基本穩(wěn)定。

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（學科責編：吳芹）

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

山東省綠色建筑學會創(chuàng)新中心團隊建設基金項目；山東建筑大學博士基金項目（XNBS1257）；山東省住建廳項目（KY018）

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