強化劑對再生集料性能的影響

邊偉

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

利用廢舊混凝土生產再生集料并應用于工程，不僅可以滿足交通運輸基礎設施建設的迫切需求，還可以節省天然集料資源、減少廢舊混凝土對環境的污染，具有顯著的社會、經濟和環境效益[1-2]。廢舊混凝土集料化已成為許多國家和機構共同研究的熱點。然而，再生集料顆粒棱角多，表面粗糙，組分中還含有硬化水泥砂漿，再加上廢舊混凝土塊在破碎過程中因損傷累積在內部造成大量微裂紋，導致再生集料存在孔隙率大、吸水率大、壓碎指標值高等特點[3]，嚴重制約了再生集料的大規模應用。為了提高再生集料的性能，國內外許多學者針對再生集料的強化技術進行了大量研究。再生集料的強化方法主要分為物理強化和化學強化兩種。物理強化主要是通過加熱研磨[3]、機械整形[4]等物理方式對再生集料進行強化，化學強化主要是采用酸液去除集料附著砂漿[5]、化學漿液浸泡[6-7]、CO2碳化[8]以及納米材料改性[9]等化學方式對再生集料強化。

物理強化方式由于主要依靠設備完成從而耗能更多，化學強化方式中的酸液處理存在加劇腐蝕隱患[10]，而納米材料價格昂貴并不適用于大規模強化再生集料。鑒于此，本文擬采用化學漿液浸泡對再生集料進行強化處理，研究強化劑種類及劑量對再生集料表觀密度、吸水率及壓碎值的影響，以期為再生集料強化劑的優選提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

再生集料：山西省某環保新材料公司自產再生集料，選取粒徑為5～25 mm連續粒級且級配良好的再生集料。天然集料：5～25 mm連續粒級且級配良好的石灰巖集料。聚乙烯醇（PVA）：山西三維集團有限公司生產的聚乙烯醇，其物理特性見表1。硅酸鈉：采用國藥集團生產的硅酸鈉分析純粉末，其物理特性見表2。有機硅樹脂：采用信越KR-400甲基有機硅樹脂，運動黏度（25℃）為1.2 mm2/s。

表1 聚乙烯醇的物理特性

表2 硅酸鈉的物理特性

1.2 強化方法

1.2.1 PVA強化

將PVA粉末溶于熱水中，制備不同濃度（4%、6%、8%、10%）的PVA溶液。將再生集料倒入PVA溶液中，攪拌均勻，浸泡48 h。在此期間，用鐵棒加以攪拌或用力來回顛簸，盡量趕走集料表面的氣泡，最后用帶篩孔的器皿將再生集料撈出，在50℃～60℃的溫度下烘干。

1.2.2 硅酸鈉強化

將硅酸鈉粉末溶于水中，制備不同濃度（5%、10%、15%、20%）的硅酸鈉溶液。將再生集料倒入硅酸鈉溶液中，攪拌均勻，浸泡2 h。在此期間，用鐵棒加以攪拌或用力來回顛簸，盡量趕走集料表面的氣泡，最后用帶篩孔的器皿將再生集料撈出，在50℃～60℃的溫度下烘干。

1.2.3 有機硅樹脂強化

將有機硅樹脂用水稀釋為不同濃度（25%、50%、75%、100%）的有機硅樹脂溶液。將再生集料倒入有機硅樹脂溶液中，攪拌均勻，用帶篩孔的器皿將再生集料撈出，在150℃～160℃的溫度下烘干。

1.3 試驗方法

按照《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）中相關試驗方法對再生集料的表觀密度、吸水率及壓碎值進行測試，并按式（1）計算吸水率和壓碎值的變化率：

式中：P為吸水率（或壓碎值）變化率；n0為強化前吸水率（或壓碎值）；n1為強化后吸水率（或壓碎值）。

2 結果與討論

2.1 表觀密度

PVA溶液、硅酸鈉溶液和有機硅樹脂溶液對再生集料表觀密度的影響見表3。

表3 再生集料的表觀密度測試結果

從表3可以看出，PVA溶液和硅酸鈉溶液均會增大再生集料的表觀密度，且表觀密度隨著溶液濃度的增大而增大；有機硅樹脂溶液會降低再生集料的表觀密度，且表觀密度隨著溶液濃度的增大而減小。

2.2 吸水率

PVA溶液、硅酸鈉溶液以及有機硅樹脂溶液對再生集料吸水率的影響見圖1～圖3。

從圖1可以看出，相對于未處理組（溶液濃度為0），PVA溶液可以降低再生集料的吸水率，且隨著PVA溶液濃度的增大，再生集料的吸水率隨之降低。當PVA溶液濃度從4%增加到6%和8%時，再生集料的吸水率分別降低了17.7%和25.1%，溶液濃度每增加2%其吸水率降低值均在5%以上，降低速率較快；當溶液濃度從8%增加到10%時，吸水率僅降低2.5%，其降低幅度大大減小。可見，當PVA溶液溶度大于8%時，隨著濃度的繼續增大其對吸水率的改善效果大大降低。

圖1 PVA溶液對吸水率的影響

從圖2可以看出，相對于未處理組（溶液濃度為0），硅酸鈉溶液可以降低再生集料的吸水率，且隨著硅酸鈉溶液濃度的增大，再生集料的吸水率隨之降低。當硅酸鈉溶液濃度從5%增加到10%和15%時，再生集料的吸水率分別降低了21.5%和28.0%，溶液濃度每增加5%其吸水率降低值均在6%以上，降低速率較快；當溶液濃度從15%增加到20%時，吸水率僅降低1.1%，其降低幅度大大減小。可見，當硅酸鈉溶液溶度大于15%時，隨著濃度的繼續增大其對吸水率的改善效果大大降低。

圖2 硅酸鈉溶液對吸水率的影響

從圖3可以看出，相對于未處理組（溶液濃度為0），有機硅樹脂溶液可以降低再生集料的吸水率，且隨著有機硅樹脂溶液濃度的增大，再生集料的吸水率隨之降低。當有機硅樹脂溶液濃度在25%及以上時，溶液濃度每增加25%，再生集料的吸水率降低9%左右；當有機硅樹脂溶液濃度達到100%時，再生集料的吸水率降低幅度基本達到了一半。

圖3 有機硅樹脂溶液對吸水率的影響

2.3 壓碎值

PVA溶液、硅酸鈉溶液以及有機硅樹脂溶液對再生集料壓碎值的影響見圖4～圖6。

圖4 PVA溶液對壓碎值的影響

從圖4可以看出，相對于未處理組（溶液濃度為0），PVA溶液可以降低再生集料的壓碎值，且隨著PVA溶液濃度的增大，再生集料的壓碎值隨之降低。當PVA溶液濃度從4%增加到6%和8%時，再生集料的壓碎值分別降低了6.2%和10.1%，溶液濃度每增加2%其壓碎值降低值均在3%以上，降低速率較快；當溶液濃度從8%增加到10%時，壓碎值僅降低1.1%，其降低幅度大大減小。可見，當PVA溶液濃度大于8%時，隨著濃度的繼續增大其對壓碎值的改善效果大大降低。

從圖5可以看出，相對于未處理組（溶液濃度為0），硅酸鈉溶液可以降低再生集料的壓碎值。當硅酸鈉溶液濃度每增加5%時，再生集料的壓碎值降低4%左右，可見當硅酸鈉溶液濃度在0～20%范圍內時，再生集料的壓碎值隨硅酸鈉溶液濃度的增大基本呈線性趨勢減小。

圖5 硅酸鈉溶液對壓碎值的影響

從圖6可以看出，相對于未處理組（溶液濃度為0），有機硅樹脂溶液可以降低再生集料的壓碎值。當有機硅樹脂溶液的濃度在0～100%范圍內時，濃度每增加25%，壓碎值分別降低了2.2%、2.9%、3.9%和5.0%。可見，隨著濃度的增大，有機硅樹脂溶液對再生集料壓碎值的改善越明顯。

圖6 有機硅樹脂溶液對壓碎值的影響

2.4 強化機理分析

當用PVA溶液處理再生集料時，可以覆蓋于集料表面，封閉集料內部存在的孔隙，使再生集料的吸水率和壓碎值均降低；當采用硅酸鈉溶液處理再生集料時，一方面硅酸鈉能夠與再生集料中的物質發生反應填充再生集料孔隙，另一方面硅酸鈉凝膠能夠堵塞再生集料內部孔隙，從而使再生集料的吸水率和壓碎值降低；當采用有機硅樹脂溶液處理再生集料時，樹脂包裹于集料表面，封閉集料孔隙，使得再生集料吸水率降低，同時樹脂自身冷凝后的強度也使得再生集料的整體強度提升，壓碎值降低。

3 結語

本文研究了再生集料的基本特性，綜合對比分析了PVA溶液、硅酸鈉溶液及有機硅樹脂溶液對再生集料表觀密度、吸水率和壓碎值的影響，得出以下結論：

a）PVA溶液和硅酸鈉溶液會提高再生集料表觀密度，而有機硅樹脂溶液則會降低再生集料表觀密度；PVA溶液、硅酸鈉溶液及有機硅樹脂溶液均可以顯著降低再生集料的吸水率和壓碎值。

b）隨著PVA溶液、硅酸鈉溶液濃度的增大，再生集料的表觀密度隨之增大，吸水率和壓碎值均隨之降低；隨著有機硅樹脂溶液濃度的增大，再生集料的表觀密度、吸水率和壓碎值均隨之降低。