水玻璃漿液強化對再生骨料及再生骨料混凝土性能的影響

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計院有限責任公司（450002）

0 引言

隨著城市現代化建設迅速發展，我國每年都產生大量的建筑垃圾。從全國建筑垃圾治理試點城市（區）統計數據中發現，僅35 個試點城市（區）2017年建筑垃圾的產生量約10.9 億t （工程渣土占比70%以上），全國的建筑垃圾產生總量巨大[1]。 我國現有500 億m2建筑，未來100 年也大都將轉化為建筑垃圾。 這些建筑垃圾大部分被丟棄浪費，沒有轉化為資源，同時由于處理不當導致垃圾污染問題日益嚴峻。 因此，應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過破碎、清洗、篩分，按一定級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， 并且再生骨料經機械破碎后表觀棱角較多，內部產生細微裂縫，這些性質都使得再生骨料強度低、表觀密度大、吸水率高，用其配制混凝土時，混凝土的強度普遍偏低[3]。用再生骨料生產高強度混凝土的可能性不大，但是生產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]。

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

1 試驗方案

用水玻璃漿液對再生骨料進行強化處理，測試強化后的再生骨料性能并進行分析。 用強化處理后的再生骨料代替部分天然骨料， 成型混凝土試件；試件經標準養護室養護后，對其進行混凝土性能測試，對測得數據進行對比分析，得出水玻璃漿液強化對再生混凝土性能的影響并進行機理分析。

2 試驗用原材料

水泥為河南孟電水泥股份有限公司生產的普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5；建筑垃圾為河南建院建筑材料檢測有限公司試驗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，采用連續級配，級配良好； 再生細骨料為廢棄混凝土破碎后形成的、粒徑在5 mm 以下的顆粒，采用連續級配，級配良好。

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

3 水玻璃漿液強化對再生骨料物理性能的影響

3.1 試驗方法及數據

對經過水玻璃漿液強化并已晾干后的再生骨料進行吸水率、表觀密度、壓碎指標三項物理特性試驗。 經過水玻璃漿液強化的再生粗骨料經標準方法養護28 d 并自然風干后，再進行壓碎指標測試。試驗測得的強化前后再生粗骨料的物理特性及壓碎指標結果見表1。

表1 種粗骨料的物理性能

3.2 數據分析

1）未經強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%，壓碎指標提高了52%，物理性能有了很大的下降。 這是因為再生粗骨料表面粘附有大量孔隙率較大的水泥砂漿，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重影響了再生粗骨料的強度，并造成其壓碎指標的提高。

2）經過水玻璃漿液強化后的再生粗骨料與未經強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生水解和水合反應，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生反應，生成硅酸鈣膠體，進一步填充了再生粗骨料表面的孔隙，修補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度。

4 水玻璃漿液濃度對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%（分別對應表1 中的C2、C8、C15、C20、C25)的漿液，將再生粗骨料放進漿液中浸泡5 h，浸泡時漿液要完全淹沒再生粗骨料，完成浸泡時間后取出，放到室外通風處，不斷翻動直至晾干。

2）用經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 抗壓強度見表2。

4.2 試驗結果

1）和易性。 由表2 中數據可知，經過水玻璃漿液強化之后，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。

2）抗壓強度。 由表1 中數據可知，經濃度為8%的水玻璃漿液處理后的再生骨料混凝土的28 d 抗壓強度最好，水玻璃漿液濃度再大會影響再生混凝土的強度。

5 水玻璃漿液浸泡時間對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，浸泡時間分別定為2 h、5 h、12 h 和24 h（分別對應于表6.1 中的T3、T5、T12、T24），浸泡時漿液須完全淹沒再生骨料， 浸泡時間到后將再生骨料取出，放于室外通風陰涼處，不斷翻動直至晾干。 用強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 抗壓強度

表3 再生骨料混凝土的配合比、和易性、28 d 抗壓強度

5.2 試驗結果

由表3 可知，再生粗骨料在水玻璃中的浸泡時間應以5 h 為最佳，浸泡時間太長則會影響再生混凝土的強度；另外，表3 中的數據表明，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間的延長而不斷提高。

6 結果分析

6.1 影響和易性的原因

經過水玻璃漿液強化后的再生骨料混凝土的和易性得到不同程度的提升。 這是因為水玻璃在水溶液中可以水解出硅酸膠體。 再生粗骨料在水玻璃漿液中浸泡的過程中，硅酸膠體會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 影響抗壓強度的原因

1）水玻璃溶液的水解產物硅酸和水玻璃在早期就能與水泥的水化產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微裂紋， 同時還可以消耗大量堆積于骨料-砂漿結合處的氫氧化鈣，增強界面結合力，硅酸、水玻璃與氫氧化鈣之間的反應方程式為：

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生反應可以加速水泥的水化反應，從而提升了再生骨料混凝土的早期強度。 原因是當水泥的水化反應開始之后，鈣離子和氫氧根離子迅速從每個硅酸三鈣粒子的表面釋放出來，pH 值在幾分鐘之內上升至12，呈現出強堿性， 此時硅酸三鈣的水解作用開始減緩下來，水泥的水化反應速度隨之降低，當鈣和氫氧根的濃度達到某個臨界值， 氫氧化鈣開始從溶液中結晶出來，硅酸三鈣的水解反應才能繼續，水泥的水化反應才能進行。 而硅酸、水玻璃可以與氫氧化鈣發生反應，降低混凝土拌合物的pH 值，可以起到促進水泥水化反應的作用， 提升了混凝土的早期強度，水泥水化反應的化學方程式為：

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

7 結語

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