羅 娜 劉永川 李國旺 李 桂 喬一龍 李玉春

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

0 引言

隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)迅速發(fā)展，我國每年都產(chǎn)生大量的建筑垃圾。從全國建筑垃圾治理試點(diǎn)城市（區(qū)）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，僅35 個(gè)試點(diǎn)城市（區(qū)）2017年建筑垃圾的產(chǎn)生量約10.9 億t （工程渣土占比70%以上），全國的建筑垃圾產(chǎn)生總量巨大[1]。 我國現(xiàn)有500 億m2建筑，未來100 年也大都將轉(zhuǎn)化為建筑垃圾。 這些建筑垃圾大部分被丟棄浪費(fèi)，沒有轉(zhuǎn)化為資源，同時(shí)由于處理不當(dāng)導(dǎo)致垃圾污染問題日益嚴(yán)峻。 因此，應(yīng)全面推廣建筑垃圾資源化利用[2]。

再生骨料混凝土又叫再生混凝土，是指將建筑垃圾中的廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、篩分，按一定級(jí)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舊水泥砂漿， 并且再生骨料經(jīng)機(jī)械破碎后表觀棱角較多，內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微裂縫，這些性質(zhì)都使得再生骨料強(qiáng)度低、表觀密度大、吸水率高，用其配制混凝土?xí)r，混凝土的強(qiáng)度普遍偏低[3]。用再生骨料生產(chǎn)高強(qiáng)度混凝土的可能性不大，但是生產(chǎn)C30 以下的混凝土是可行的，完全可以滿足道路回填等使用[4]。

骨料強(qiáng)度是決定混凝土強(qiáng)度的重要因素。為了提高再生骨料的利用率，大量學(xué)者對(duì)再生骨料的強(qiáng)化做了試驗(yàn)研究，用水玻璃漿液浸泡再生骨料也是其中一個(gè)方法。 利用水玻璃漿液與再生骨料上附著的舊水泥砂漿產(chǎn)生反應(yīng)，水玻璃漿液與氫氧化鈣反應(yīng)生成硅酸鈣凝膠，填充材料中的孔隙，使材料致密，從而提高再生骨料的強(qiáng)度[5]。

1 試驗(yàn)方案

用水玻璃漿液對(duì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理，測試強(qiáng)化后的再生骨料性能并進(jìn)行分析。 用強(qiáng)化處理后的再生骨料代替部分天然骨料， 成型混凝土試件；試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)后，對(duì)其進(jìn)行混凝土性能測試，對(duì)測得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出水玻璃漿液強(qiáng)化對(duì)再生混凝土性能的影響并進(jìn)行機(jī)理分析。

2 試驗(yàn)用原材料

水泥為河南孟電水泥股份有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5；建筑垃圾為河南建院建筑材料檢測有限公司試驗(yàn)后的廢棄混凝土試件； 再生粗骨料為廢棄混凝土破碎后形成的、粒徑在5 mm～40 mm 之間的顆粒，采用連續(xù)級(jí)配，級(jí)配良好； 再生細(xì)骨料為廢棄混凝土破碎后形成的、粒徑在5 mm 以下的顆粒，采用連續(xù)級(jí)配，級(jí)配良好。

天然骨料的產(chǎn)地為河南賈峪；外加劑為河南科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的高效減水劑；水玻璃為鄭州中揚(yáng)化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)的鈉水玻璃，灰色液體狀；試驗(yàn)中使用的水為飲用自來水。

3 水玻璃漿液強(qiáng)化對(duì)再生骨料物理性能的影響

3.1 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)

對(duì)經(jīng)過水玻璃漿液強(qiáng)化并已晾干后的再生骨料進(jìn)行吸水率、表觀密度、壓碎指標(biāo)三項(xiàng)物理特性試驗(yàn)。 經(jīng)過水玻璃漿液強(qiáng)化的再生粗骨料經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)方法養(yǎng)護(hù)28 d 并自然風(fēng)干后，再進(jìn)行壓碎指標(biāo)測試。試驗(yàn)測得的強(qiáng)化前后再生粗骨料的物理特性及壓碎指標(biāo)結(jié)果見表1。

表1 種粗骨料的物理性能

3.2 數(shù)據(jù)分析

1）未經(jīng)強(qiáng)化的再生粗骨料與天然粗骨料相比，其吸水性提高了89.5%，表觀密度下降了8.8%，壓碎指標(biāo)提高了52%，物理性能有了很大的下降。 這是因?yàn)樵偕止橇媳砻嬲掣接写罅靠紫堵瘦^大的水泥砂漿，引起再生粗骨料吸水性的升高和表觀密度的降低。 另外，在破碎過程中形成的大量的微裂紋嚴(yán)重影響了再生粗骨料的強(qiáng)度，并造成其壓碎指標(biāo)的提高。

2）經(jīng)過水玻璃漿液強(qiáng)化后的再生粗骨料與未經(jīng)強(qiáng)化的再生粗骨料相比，其各方面性能都有了明顯的改善，原因如下：水玻璃在水溶液中發(fā)生水解和水合反應(yīng)，最終生成硅酸膠體，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，硅酸鈉和硅酸還可以直接與再生粗骨料表面的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成硅酸鈣膠體，進(jìn)一步填充了再生粗骨料表面的孔隙，修補(bǔ)了再生粗骨料表面存在的微裂紋，從而提升了再生粗骨料的強(qiáng)度。

4 水玻璃漿液濃度對(duì)再生混凝土性能的影響

4.1 試樣制備

1）首先將水玻璃配成濃度分別為2%、8%、15%、20%和25%（分別對(duì)應(yīng)表1 中的C2、C8、C15、C20、C25)的漿液，將再生粗骨料放進(jìn)漿液中浸泡5 h，浸泡時(shí)漿液要完全淹沒再生粗骨料，完成浸泡時(shí)間后取出，放到室外通風(fēng)處，不斷翻動(dòng)直至晾干。

2）用經(jīng)上述方法制備的再生骨料配制再生骨料C30 混凝土，水灰比為0.45、砂率取40%，測試抗壓強(qiáng)度試件尺寸為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 抗壓強(qiáng)度見表2。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

1）和易性。 由表2 中數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過水玻璃漿液強(qiáng)化之后，再生混凝土的工作性有了明顯改善，并且隨著水玻璃漿液濃度的增大，再生混凝土拌合物的和易性呈不斷增加的趨勢(shì)。

2）抗壓強(qiáng)度。 由表1 中數(shù)據(jù)可知，經(jīng)濃度為8%的水玻璃漿液處理后的再生骨料混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度最好，水玻璃漿液濃度再大會(huì)影響再生混凝土的強(qiáng)度。

5 水玻璃漿液浸泡時(shí)間對(duì)再生混凝土性能的影響

5.1 試樣制備

用濃度為8%的水玻璃漿液浸泡再生粗骨料，浸泡時(shí)間分別定為2 h、5 h、12 h 和24 h（分別對(duì)應(yīng)于表6.1 中的T3、T5、T12、T24），浸泡時(shí)漿液須完全淹沒再生骨料， 浸泡時(shí)間到后將再生骨料取出，放于室外通風(fēng)陰涼處，不斷翻動(dòng)直至晾干。 用強(qiáng)化處理過的再生粗骨料配制C30 混凝土，水灰比為0.45、砂率取40%，測試抗壓強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100mm×100 mm。再生骨料混凝土配合比、和易性及28 d抗壓強(qiáng)度見表3。

表2 再生骨料混凝土的配合比、拌合物和易性、28 d 抗壓強(qiáng)度

表3 再生骨料混凝土的配合比、和易性、28 d 抗壓強(qiáng)度

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可知，再生粗骨料在水玻璃中的浸泡時(shí)間應(yīng)以5 h 為最佳，浸泡時(shí)間太長則會(huì)影響再生混凝土的強(qiáng)度；另外，表3 中的數(shù)據(jù)表明，再生混凝土拌合物的和易性隨著再生粗骨料在水玻璃漿液中浸泡時(shí)間的延長而不斷提高。

6 結(jié)果分析

6.1 影響和易性的原因

經(jīng)過水玻璃漿液強(qiáng)化后的再生骨料混凝土的和易性得到不同程度的提升。 這是因?yàn)樗Ａг谒芤褐锌梢运獬龉杷崮z體。 再生粗骨料在水玻璃漿液中浸泡的過程中，硅酸膠體會(huì)逐漸滲透到骨料表面的孔隙以及微裂紋中，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參與到改善混凝土和易性上來，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應(yīng)方程式為：

水合：Na2·nSiO2+mH2O→Na2·nSiO2·mH2O

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

6.2 影響抗壓強(qiáng)度的原因

1）水玻璃溶液的水解產(chǎn)物硅酸和水玻璃在早期就能與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣生成水化硅酸鈣膠體，也可以填充再生骨料表面的孔隙以及修補(bǔ)微裂紋， 同時(shí)還可以消耗大量堆積于骨料-砂漿結(jié)合處的氫氧化鈣，增強(qiáng)界面結(jié)合力，硅酸、水玻璃與氫氧化鈣之間的反應(yīng)方程式為：

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、水玻璃與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)可以加速水泥的水化反應(yīng)，從而提升了再生骨料混凝土的早期強(qiáng)度。 原因是當(dāng)水泥的水化反應(yīng)開始之后，鈣離子和氫氧根離子迅速從每個(gè)硅酸三鈣粒子的表面釋放出來，pH 值在幾分鐘之內(nèi)上升至12，呈現(xiàn)出強(qiáng)堿性， 此時(shí)硅酸三鈣的水解作用開始減緩下來，水泥的水化反應(yīng)速度隨之降低，當(dāng)鈣和氫氧根的濃度達(dá)到某個(gè)臨界值， 氫氧化鈣開始從溶液中結(jié)晶出來，硅酸三鈣的水解反應(yīng)才能繼續(xù)，水泥的水化反應(yīng)才能進(jìn)行。 而硅酸、水玻璃可以與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，降低混凝土拌合物的pH 值，可以起到促進(jìn)水泥水化反應(yīng)的作用， 提升了混凝土的早期強(qiáng)度，水泥水化反應(yīng)的化學(xué)方程式為：

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

7 結(jié)語

水玻璃漿液對(duì)再生骨料和再生混凝土有很好的強(qiáng)化作用。 水玻璃漿液濃度和浸泡時(shí)間對(duì)再生混凝土強(qiáng)度與和易性影響較大，漿液濃度為8%、浸泡時(shí)間為5 h 的再生骨料配制的再生混凝土性能最佳。