研磨功對再生集料性能改善的量化評價

付魯鑫， 賈致榮， 王立志， 姜瑞瑞， 徐良軍

(1.山東理工大學交通與車輛工程學院， 淄博 255049； 2.山東理工大學建筑工程學院， 淄博 255049；3.山東魯中公路建設有限公司， 淄博 255000)

傳統建筑業發展模式中，絕大部分建筑廢物均直接排向自然界，隨著社會的進步，建筑廢物資源化成為建筑廢物處理的重要途徑。通過對建筑廢物進行多次分解與合成，將資源化再生產品作為新型綠色建筑材料是推進建筑業可持續發展的新動能。

再生集料是指建筑廢物通過破碎等工序生產得到的一種集料，按廢舊材料類型可分為很多種，如廢舊混凝土、廢舊瀝青、廢磚瓦和廢舊基層材料等再生集料，再生集料的使用可減少有限資源的消耗，從而達到保護環境和節約成本的目的，但是再生集料使用方面仍存在缺陷，如再生集料與水泥漿體之間的界面較薄弱，這主要是由于再生集料表面附著低質量的舊水泥漿體造成的[1-3]。再生集料應用的局限性主要歸因于其質量較差。

為了使再生集料獲得更高的利用附加值，大量學者關于如何提高再生集料的質量進行了研究。根據針對再生集料表面漿體的處理方法不同，研究可分為兩類：一類是對再生集料表面進行改性。Katz[4]通過浸漬硅粉溶液對再生集料進行強化處理；Wang等[5]基于細菌誘導CaCO3沉淀的生物沉積法來改善再生集料的質量；應敬偉等[6]通過使用高濃度的CO2氣體來強化再生集料；程海麗等[7]采用3%的水玻璃溶液浸泡處理再生集料，達到再生集料表面改性的目的；侯月琴[8]則采用有機樹脂對再生集料表面進行活化處理。另一類是通過去除再生集料表面的舊水泥漿體來達到再生集料強化的目的。其中主要包括化學酸洗強化和物理研磨強化。在化學酸洗強化研究中，Ismail等[9]使用不同低濃度酸作為表面處理劑處理再生集料；Purushothaman等[10]對再生集料則采用硫酸通過加熱洗滌的方式進行處理，以獲得能與天然集料相媲美的高質量再生集料。Tam等[11]則將再生集料浸泡在一定濃度的鹽酸、硫酸和磷酸溶液中來洗除再生集料表面的漿體。物理研磨強化研究中，Noguchi等[12]通過對再生集料采用先加熱后研磨的方法來除去再生集料表面的漿體；李秋義等[13]采用集料整形法，通過研磨改善集料粒形并除去再生集料表面所附的硬化水泥石，進而達到對再生集料強化的目的。

集料整形法具備強化效果好、造價較低、工藝流程簡單的優勢，但顆粒整形法未針對不同研磨參數來提出研磨對再生集料強化效果的量化評價，本文通過對研磨試驗設置不同的試驗參數進行對比研究，探究出不同研磨功對再生集料的強化效果的影響，進而提出研磨功對再生集料性能改善的量化評價。

1 試驗原材料

試驗所用的再生集料為維特根W2000銑刨機進行S236博沂線道路改造銑刨得到的水泥穩定碎石銑刨料，再生集料的基本物理性能指標如表1所示。研磨試驗設備為臥式強制研磨設備，如圖1所示。臥式強制研磨設備的內筒直徑為0.76 m，研磨機轉數為48 r/min，單個鋼球直徑為5 cm，單個鋼球質量為0.45 kg。

表1 再生粗集料物理性能指標Table 1 Recycled aggregate physical properties

2 研磨試驗

再生集料表面附著水泥漿體形成的多孔和微裂紋薄弱層是影響再生集料性能的主要原因，也是再生集料與天然集料之間最顯著的差異之一[13]。本文采用顆粒整形的方法通過設置不同試驗參數進行研磨試驗來減少再生集料表面附著的低質量水泥漿體，達到對再生集料強化的效果。

考慮集料的級配對研磨的影響，本文將對三種不同級配集料進行研磨試驗。三種不同級配集料的級配曲線如圖2所示。Ⅰ級配為粗粒徑集料所占比例較大的集料級配；Ⅱ級配為粗細集料均衡的集料級配；Ⅲ級配為細粒徑集料所占比例較大的集料級配。

A為出料口；B為內筒；C為外筒；D為研磨肋；E為支撐架；F為墊木；G為傳動軸；H為轉動軸；I為電機；J為再生集料；K為鋼球圖1 臥式強制研磨設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of horizontal forced grinding equipment

圖2 再生集料級配曲線Fig.2 Synthetic gradation of recycled aggregate

2.1 試驗設計

研磨試驗中再生集料均采用S236博沂線道路改造銑刨得到的水泥穩定碎石銑刨料，分別對三種不同級配的集料進行研磨，每次研磨的集料質量均為5 kg，考慮研磨體內鋼球數量與研磨轉次兩個試驗參數對研磨試驗強化效果的影響，對這兩個研磨參數進行設置，其中鋼球數量分別為0、4、6、8、12個，研磨轉次分別為100、200、300、400次，采用平行試驗的方法進行試驗設計。

再生集料表面附著的高吸水率、低強度水泥砂漿，是造成再生集料與天然集料之間物理與力學性能差異的主要原因[13]。因此采用集料的壓碎值與吸水率作為再生集料性能改善的主要評價指標。

2.1.1 壓碎值試驗

壓碎值是衡量集料強度的重要指標。根據JTG/E 42—2005《公路工程集料試驗規程》中T 0316—2005試驗方法對再生集料進行壓碎值試驗。壓碎值計算公式為

(1)

式(1)中：Q為粗集料壓碎值，%；mq為試驗前試樣質量，g；mh為試驗后通過2.36 mm篩孔的細料質量，g。

2.1.2 吸水率試驗

根據JTG/E 42—2005《公路工程集料試驗規程》中T 0304—2005試驗方法(網籃法)對再生集料進行吸水率試驗。吸水率計算公式為

(2)

式(2)中：ωx為集料的吸水率，%；ma為集料的烘干質量，g；mf為集料的表干質量，g。

2.2 試驗數據及結果

本試驗采用平行試驗法，進行不同研磨參數下的研磨試驗，測得研磨處理后再生集料的物理與力學性能指標，如表2所示。研磨前后得到的再生集料如圖3所示。

表2 研磨后再生集料物理性能Table 2 Recycled aggregate physical properties after grinding

2.3 試驗結果分析

由表1和表2可知，經研磨處理的再生集料壓碎值由32.7%下降至24.2%，吸水率也由5.04%降至1.11%，由此可以看出研磨可有效改善再生集料的物理及力學性能。由圖3可知，研磨前的再生集料表面呈現出凹凸不平的形狀，并吸附著大量微粉，而研磨后的再生集料表面凹凸不平感消失，微粉也大量減少，這從宏觀上再次證明研磨可有效改善集料粒形并除去再生集料表面所附的水泥漿體。

根據表2可以得到，當鋼球數量為0時，研磨只考慮再生集料之間摩擦與碰撞的作用，壓碎值與吸水率隨著轉次的增大而減小，壓碎值由32.7%減小至29.5%，吸水率由5.04%減小至2.19%，與鋼球研磨的再生集料壓碎值與吸水率相比其減小的幅度較小；當鋼球數量一定時，通過改變研磨轉次，再生集料壓碎值與吸水率的大小隨著研磨轉次的增加呈現出先降低后增大的趨勢；當采用不同級配再生集料進行研磨時，再生集料的壓碎值與吸水率變化并不明顯。由此可以得出再生集料、鋼球數量與研磨轉次對研磨效果有一定的影響。

根據物理學中功的概念，可以得出鋼球質量及研磨轉次均與功相關。為進一步對研磨強化效果進行量化評價，擬引入研磨功作為基本參數來表征不同的再生集料質量、鋼球質量與研磨轉次，進而得到研磨功與再生集料性能改善之間的關系。

研磨功由兩部分組成，一部分為鋼球研磨對再生集料的影響，另一部分為研磨過程中再生集料之間的摩擦碰撞對再生集料的影響。

根據物理學中關于轉動物體功的計算公式，可以得到研磨功的計算公式為

W=mgωrRt

(3)

式(3)中：m=k1m1+k2m0，其中，m1為所研磨再生集料的質量，m0為鋼球的質量，k1為所研磨再生集料對研磨的影響系數，k2為鋼球對研磨的影響系數；g是重力加速度，取9.8 N/kg；R為研磨設備內筒半徑；ωr為研磨設備內筒壁上的角速度；t=c/n，其中，c是研磨轉次，n為研磨設備的轉數。

圖3 研磨前后的再生集料Fig.3 Recycled aggregate before and after grinding

由表2可知，當鋼球數量為0時，研磨功主要表現為再生集料之間的相互摩擦碰撞作用。當鋼球數量為0、研磨轉次為400轉時，再生集料的壓碎值為29.6%，吸水率為2.27%；當鋼球數量為4、研磨轉次為100時，再生集料壓碎值29.5%，吸水率為2.24%。這兩種情況下的壓碎值與吸水率最為接近，可以將這兩種情況下的研磨功視為相等，求出鋼球與再生集料對研磨功的影響系數。

根據研磨功計算公式可得：

(4)

(5)

將m1=5、c1=400、m0=4×0.45=1.8、c1=100代入式(4)、式(5)，由W1=W2可得：k1/k2=0.12；由于研磨試驗主要是通過鋼球的研磨使得再生集料表面漿體的脫落從而達到集料性能改善效果，因此將鋼球質量對研磨影響作為基準，即設k2=1。由此可得再生集料質量對研磨的影響系數k1=0.12。

通過對表2中不同研磨參數進行計算得到研磨功與再生集料壓碎值、吸水率之間的關系，如圖4、圖5所示。由圖4可以得到，再生集料壓碎值隨著研磨功的增加呈現出先減少后增大的趨勢，即存在一個最佳研磨功Wopt使得再生集料壓碎值達到最小。通過擬合曲線可以看出，三種級配再生集料的最佳研磨功略有不同，大粒徑占比較大(III級配)的再生集料的擬合曲線略向右偏移，即Wopt-Ⅲ偏大；小粒徑占比較大(I級配)的再生集料的擬合曲線略向左偏移，即Wopt-Ⅰ偏小，這是由于大粒徑集料研磨去除表面漿體所需要的功要大于小粒徑研磨所需的功。由擬合曲線可以得到三種級配下的再生集料最佳研磨功分別為Wopt-I=16.85 kJ、Wopt-II=19.65 kJ、Wopt-III=23.16 kJ，當W≤Wopt時，再生集料壓碎值隨著研磨功的增加而減小；當W>Wopt時，再生集料壓碎值隨著研磨功的增加而增大。

由圖5可知，再生集料吸水率隨著研磨功的增加同樣呈現出先減少后增大的趨勢。本試驗中，根據擬合曲線的表達式得到的再生集料最佳研磨功Wopt與圖4中再生集料壓碎值所擬合曲線表達式計算得到的最佳研磨功Wopt相一致。再生集料吸水率與研磨功之間的變化趨勢和壓碎值與研磨功之間的變化趨勢相同，即當研磨功小于或等于Wopt時，再生集料吸水率隨著研磨功的增加而減小；當研磨功大于Wopt時，再生集料吸水率隨著研磨功的增加而增大。

由圖4與圖5可知，當研磨功超過最佳研磨功Wopt時，再生集料的壓碎值與吸水率會隨著研磨功的增加而增加。通過采用光學顯微鏡對本試驗中未研磨的再生集料、15.44 kJ(≤Wopt)研磨功處理的再生集料及42.12 kJ(>Wopt)研磨功處理的再生集料的表面進行觀察，情況如圖6所示。

圖4 研磨功與再生集料壓碎值的關系Fig.4 Relationship between grinding power and recycled aggregate crushing value

圖5 研磨功與再生集料吸水率的關系Fig.5 Relationship between grinding power and recycled aggregate water absorption

圖6 光學顯微鏡下再生集料表面特征Fig.6 Recycled aggregate surface characteristics under optical microscope

由圖6(a)、圖6(b)可知，未研磨的再生集料表面附著大量的水泥漿體以及漿體與石子的界面處存在微細裂縫，這是造成再生集料壓碎值與吸水率較高的主要原因。而從圖6(c)、圖6(d)可以看出，采用研磨處理的方式可有效去除再生集料表面的水泥漿體。由圖6(c)可以看出，當研磨功小于或等于Wopt時，再生集料表面的水泥漿體基本去除，僅有少量水泥漿體粘附在骨料表面。從圖6(d)可以看出，當研磨功大于Wopt時，再生集料表面基本觀測不到舊水泥漿體，但石子出現微細裂縫，這是造成再生集料在研磨功超過最佳研磨功時壓碎值與吸水率增大的原因。因此，在研磨處理再生集料過程中，要避免過度研磨(即研磨功大于Wopt)。

根據再生集料壓碎值、吸水率與研磨功之間的關系可知，當再生集料壓碎值減小時，其吸水率也在減小，而再生集料壓碎值增大時，其吸水率也相應地增大。由此可以看出壓碎值與吸水率隨研磨功的增加的變化趨勢相一致。根據表2中所測得的再生集料壓碎值與吸水率，可以得到再生集料壓碎值與吸水率之間的關系如圖7所示。

圖7 再生集料壓碎值與吸水率之間關系Fig.7 Relationship between recycled aggregate crushing value and water absorption

由圖7可以得到再生集料的壓碎值與吸水率呈現線性相關，再生集料的壓碎值越小，其吸水率也就越小。這與圖4、圖5中再生集料壓碎值、吸水率隨研磨功增加呈現相同變化趨勢的結果集一致。

3 結論

(1)采用集料整形法，通過研磨可有效地去除再生集料表面附著的低質量、高孔隙率的水泥漿體，從而達到改善再生集料物理與力學性能的目的。

(2)再生集料研磨時，存在最佳研磨功Wopt，當研磨功小于或等于Wopt時，再生集料的物理與力學性能的改善效果隨著研磨功的增加而提升，當研磨功越接近Wopt時，再生集料的物理與力學性能的改善效果越接近最佳狀態，而研磨功大于Wopt時，再生集料的物理與力學性能改善效果隨著研磨功的增加而下降。因此，在進行再生集料研磨處理時，需要找到最佳研磨功Wopt，根據不同類型的再生集料、不同研磨設備設置相應的研磨參數，將研磨功控制在最佳研磨功范圍內，使得研磨后的再生集料物理力學性能改善效果最佳。

(3)再生集料研磨處理后，再生集料的壓碎值與吸水率呈現線性相關，再生集料吸水率隨著壓碎值的減少而減少。