纳米硅溶胶对混合再生骨料的改性研究

李 爽 陈自豪 元成方 ，3

1河南省机场集团有限公司（451161） 2 郑州大学土木工程学院（450001）3 深圳大学广东省滨海土木工程耐久性重点实验室（518061）

0 前言

随着城市化进程的加快和基础建设的飞速发展，我国每年产生的建筑垃圾有数亿t，其比例占城市垃圾总量的30%～40%，并以8%的速度逐年递增。如果将建筑垃圾作为再生建筑材料进行循环利用，不但可以使其变废为宝，减少环境污染，避免大量的社会资源浪费，还能缓解天然骨料资源短缺的问题，将带来显著的社会效益和经济效益[1-2]。

利用再生骨料取代天然骨料制备的混凝土称为再生混凝土，再生混凝土的广泛应用可以有效解决建筑垃圾带来的一系列问题[3]。 再生骨料自身存在天然缺陷，对再生骨料进行预处理来提高再生骨料品质，是一种改善再生混凝土性能的有效方法[4]。研究表明，采用纳米材料对骨料进行预处理，可有效改善再生骨料的强度[5]。 范玉辉[6]等发现，使用纳米SiO2的关键问题在于其分散性，分散良好的纳米SiO2对再生混凝土性能有较好的改善。Li[7]发现纳米SiO2可以激活粉煤灰的活性， 并发挥尺寸效应，填充孔隙的同时改善混凝土基体孔隙分布。 朱勇年[8]等人采用纳米SiO2浸泡的方式对再生骨料进行改性，改性后的再生骨料各项性能均有提升。 李文贵等[9]对再生骨料破坏机理进行研究时发现，纳米硅胶溶液能改善再生骨料混凝土界面过渡区的孔隙结构，显著提高再生骨料强度。 肖建庄[10]等人研究发现， 纳米SiO2具有高火山灰活性和在水泥基材料水化过程中突出的成核效应， 能减少基体孔隙率。 SOBOLEV K[11]等人研究发现，纳米SiO2可提供大量的成核点，但由于其水化结构密实，减弱了后期水化反应。 SHAIKH F[12]的研究表明，采用纳米硅胶溶液预先浸泡法的方式对再生骨料的提升效果更为显著。

目前，现有研究多侧重纳米材料对再生骨料混凝土的改性机理，对于改性试验机制及改性后再生骨料的材性指标及其相关性研究还相对较少。 文章深入研究分析了纳米硅溶胶溶液浓度及浸泡时间对砖混凝土混合再生骨料表观密度、吸水率和压碎指标的影响规律，提出再生骨料的合理改性机制，建立再生骨料材性指标的定量关系。

1 试验

1.1 混合再生骨料的制备

试验所用废弃混凝土来自某建筑工程检测公司的废弃混凝土试块，强度等级为C30～C50，废弃黏土砖为城市民房拆迁废砖， 强度等级为10～30 MPa。经过破碎、筛选制成再生混凝土骨料和再生黏土砖骨料，粒径为5～19 mm，再生骨料的技术指标见表1。 综合考虑建筑废弃物中废砖和废弃混凝土的比例，通过混掺得到砖海绵体体积比为3∶7 的混合再生骨料。

表1 再生骨料的技术指标

1.2 混合再生骨料的改性

试验采用浙江宇达化工生产的NS-30 型纳米硅溶胶，技术指标见表2。通过纳米硅溶胶溶液浸泡的方式对再生骨料进行改性（如图1 所示）。 纳米硅溶胶溶液浓度设计为1%、2%、3%，浸泡时间分别为1 d、2 d、3 d，具体方案见表 3。

表2 NS-30 型纳米硅溶胶技术指标

表3 不同的改性机制

图1 纳米硅溶胶溶液对再生骨料的改性处理

1.3 试验方法

试验参照GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》[13]规定的方法分别测试再生骨料的表观密度、吸水率和压碎值。

2 结果与分析

2.1 试验结果

不同浸泡机制下，混合再生骨料的表观密度、吸水率和压碎值测试结果见表4。

表4 混合再生骨料的材性试验结果

2.2 纳米硅溶胶对混合再生骨料性能的影响

不同改性机制下，混合再生骨料表观密度、吸水率、压碎值变化规律如图2～图4 所示。

图2 表观密度变化规律

图3 吸水率变化规律

图4 压碎指标变化规律

由图2 可见，随着纳米硅溶胶溶液浓度的增大和浸泡时间的增加，再生骨料的表观密度均呈现上升趋势。 其中，B-2 组表观密度较未改性的再生骨料提高了1.8%；C-2 组的表观密度较N 组提高了1.9%， 即在B-2 的基础上小幅度提高了0.1%；C-3组的表观密度较N 组提高了2.1%，即在B-2 的基础上又小幅度提高了0.3%。

由图3 可见，随着纳米硅溶胶溶液浓度的增加和浸泡时间的增长，混合再生骨料的吸水率不断降低。 B-2 组吸水率较未改性的再生骨料降低了13.1%；C-2 组的吸水率较N 组降低了14.0%，即在B-2 的基础上又降低了0.9%；C-3 组的吸水率较N组降低了15.0%，即在B-2 的基础上又降低了1.9%。

由图4 可见，随着纳米硅溶胶溶液浓度的提高和浸泡时间增加，再生骨料压碎值不断降低。 其中，B-2 组的压碎值较未改性的再生骨料降低了14.0%；C-2 组的压碎值较N 组降低了14.9%，即在B-2 的基础上又降低了0.9%；C-3 组的压碎值较N组降低了16.3%，即在B-2 的基础上又降低了2.3%。

对比分析后发现，三种改性机制的效果为C-3＞C-2＞B-2。 其中，机制 B-2 对再生骨料表观密度、吸水率、压碎值的改性效果分别达到C-3 组的85.6%、87.3%、85.9%， 分别达到 C-2 组的 94.7%、94.0%、94.0%。

试验结果表明，再生骨料对纳米SiO2颗粒的吸附存在一个上限值，进一步增加溶液溶度将造成纳米SiO2颗粒在骨料周边堆积和团聚，阻碍纳米SiO2颗粒向骨料内部的迁移。 因此，纳米硅溶胶对再生骨料的改性效果随时间的增长和溶液浓度的增大逐渐趋于缓和。 采用改性机制B-2（浓度2%+浸泡2 d）就能使混合再生骨料的性能得到较好改善，还能节省纳米材料，提高改性效率。

2.3 材性指标间的相关性分析

基于上述试验结果，针对B 组（纳米硅溶胶溶液浓度2%） 的材性试验结果， 对再生骨料表观密度、吸水率、压碎值进行非线性拟合，得到其定量函数关系见表5，关系曲线如图5 所示。

表5 材性指标间相的相关关系

由图5 可见，表观密度和吸水率、压碎指标呈非线性负相关关系，吸水率和压碎值呈非线性正相关关系。 由表3 可见，材性指标间均服从良好的二次函数关系， 相关系数均不小于0.883。 实际应用时，可通过某一材性指标，如表观密度，间接评价混合再生骨料的压碎值、吸水率。

3 结语

再生骨料对纳米SiO2颗粒的吸附存在一个上限值，进一步增加溶液溶度将造成纳米SiO2颗粒在骨料周边堆积和团聚，阻碍纳米SiO2颗粒向骨料内部的迁移。 因此，纳米硅溶胶对再生骨料的改性效果随时间的增长和溶液浓度的增大逐渐趋于缓和。

采用改性机制B-2（浓度2%+浸泡2 d）能使混合再生骨料的性能得到较好改善，还能节省纳米材料，提高改性效率。

表观密度和吸水率、压碎指标呈非线性负相关关系，吸水率和压碎值呈非线性正相关关系，材性指标间均服从良好的二次函数关系。