黄河砂制备再生混凝土的界面增强方法研究.pdf

第41卷第8 期2023年8 月文章编号：10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)0 8-0 0 9 6-0 7Vol.41,No.8Journal of Municipal TechnologyAug.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.08.096黄河砂制备再生混凝土的界面增强方法研究杜晓瞳,胡魁1*,张桃利,吕亚军,张文刚3,邹存喆1(1.河南工业大学土木工程学院，河南郑州450 0 0 1；2.华北水利水电大学土木工程学院，河南郑州450 0 0 1;3.山东理工大学土木工程学院，山东淄博2 550 0 0)摘要：黄河泥砂淤积及沿线旧建筑拆除是黄河流域生态保护函待解决的工程问题，开展黄河砂与再生骨料协同制备再生混凝土是实现节能减排的途径之一，然而黄河砂表面与水化硅酸钙的联结薄弱是关键制约因素。基于此，采用硅烷偶联剂、草酸、防水砂浆和聚乙烯醇对黄河砂进行界面增强处理，通过力学性能和界面微观形貌测试，分析了这些增强方法对再生混凝土宏观力学性能的影响，并研究了不同界面增强方法对黄河砂-水化硅酸钙界面联结的微观增强效果，同时探讨了黄河砂与建筑固废协同制备再生混凝土的技术经济性。结果表明，上述界面增强方法对再生混凝土的界面强度提升效果为硅烷偶联剂 聚乙烯醇 防水砂浆 草酸；掺加10%硅烷偶联剂与10%聚乙烯醇可分别提升混凝土的抗压强度2 3.5%和11.8%，并具备良好的施工和易性；黄河砂与建筑固废协同制备市政工程非承重再生混凝土结构具有显著的生态效益，并具备较好的经济性。关键词：河砂；建筑固废；再生混凝土；界面增强；硅烷偶联剂中图分类号：TU528.57Researchon Interface Strengthening Methodfor Preparing RecycledDu Xiaotong,Hu Kui 1*,Zhang Taoli,Li Yajun?,Zhang Wengang,Zou Cunzhe(1.School of Ciwil Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China;2.School of Civil Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450001,China;3.School of Civil Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China)Abstract:The sedimentation of Yellow River sand and the demolition of old buildings along the Yellow River Basinare urgent engineering problems that need to be solved for ecological protection in the Yellow River Basin.That thecollaborative preparation of recycled concrete from Yellow River sand and recycled aggregates is one of the ways toachieve energy conservation and emission reduction.However,the weak connection between the surface of YellowRiver sand and hydrated calcium silicate is a key limiting factor.Based on this,Silane coupling agent,Oxalic acid,waterproof mortar,and polyvinyl alcohol were used to enhance process of the interface of Yellow River sand.Throughmechanical properties and interface microstructure testing,the effect of these strengthening methods on the macro-scopic mechanical properties of recycled concrete was analyzed,and the micro strengthening effect of different in-terface strengthening methods on the interface connection between Yellow River sand and hydrated calcium silicate文献标志码：AConcretefrom YellowRiver Sand收稿日期：2 0 2 3-0 5-12基金项目：国家自然科学基金（52 2 0 8 434)；国家自然科学基金面上项目（5197 916 9)：中国博士后科学基金面上资助（2 0 2 2 M711079)；河南省自然科学基金（2 2 2 30 0 42 0 142）河南省博士后基金：河南工业大学青年骨干教师计划（2 142 0 156)作者简介：杜晓瞳，女，在读硕士研究生，主要研究方向为固体废弃物资源化利用研究。通讯作者：胡魁，男，副教授，博士，主要研究方向为固体废弃物在道路工程中的资源化利用。引文格式：杜晓瞳，胡魁，张桃利，等.黄河砂制备再生混凝土的界面增强方法研究.市政技术，2 0 2 3，41（8)：96-10 2.（DUXT，H U K，ZHANG T L,et al.Research on interface strengthening method for preparing recycled concrete from Yellow River sandJ.Journal ofmunicipal technology,2023,41(8):96-102.)第8 期was studied.At the same time,the technical and economic benefits of the synergistic preparation of recycled concretewith Yellow River sand and building waste were discussed.The results show that the interface strength improvementeffect of the above interface reinforcement methods on recycled concrete is silane coupling agent polyvinyl alco-holwaterproof mortar oxalic acid;The compressive strength of concrete can be increased by 23.5%and 11.8%,respectively by adding 10%silane coupling agent and 10%polyvinyl alcohol,and have good workability for con-struction;The synergistic preparation of municipal engineering non load-bearing recycled concrete structures byYellow River sand and construction solid waste has significant ecological and economic benefits.Key words:river sand;building waste;recycled concrete;interface enhancement;silane coupling agent杜晓瞳等：黄河砂制备再生混凝土的界面增强方法研究97黄河是中华文化的摇篮，但黄河流域正面临着严峻的泥沙淤积和河床抬升问题。因此，实现黄河流域生态保护和高质量发展成为重大国家战略，是呕待解决的社会难题1。与此同时，黄河沿线建筑拆除产生的大量建筑固废可作为粗骨料用于制备再生混凝土。因此，研究黄河砂与建筑固废协同制备再生混凝土具有重要的现实意义，可在降低碳排放、提升黄河流域景观形象方面发挥重要的作用2-3。未经处理的黄河砂基本性质劣于传统骨料，制成的再生混凝土强度有待提高4-7。提高再生混凝土强度的有效方法是对骨料进行界面增强处理8。目前，在建筑固废协同制备再生混凝土和再生骨料的界面增强方法上已有较多的研究成果9-10。常用的界面增强方法包括物理1、化学12、高温蒸压与微波加热等方法13,国内外学者围绕上述方法已做了大量研究14-17。分析发现，目前对再生粗骨料的界面增强已有较多研究，对黄河砂再生混凝土也有一定的探索，但是关于采用化学剂作为界面增强剂处理黄河砂以优化界面进而达到增强黄河砂与C-S-H界面结合能的研究却相对较少。基于此，该研究采用硅烷偶联剂、草酸、防水砂浆和聚乙烯醇对黄河砂进行界面增强处理，通过骨料的物理性能和微观形貌测试,探究了不同界面增强处理方法的效果。使用黄河砂与建筑固废再生粗骨料制备再生混凝土并测试其基本力学性能,对比分析得到最佳界面增强技术方案，进而制备出可用于黄河沿线市政工程中非承重结构的混凝土试件，并采用标准化成本指数和一次能源消耗量对其进行经济性分析和生态评价。1试验材料与方法1.1材料试验采用的粗骨料是通过对建筑垃圾堆放场中的废弃混凝土进行处理加工得到的，细骨料为黄河砂，胶凝材料和黄河砂的化学成分如表1所示。表1胶凝材料和黄河砂主要化学成分Tab.1 Main chemical composition of cementitious materialsand Yellow River sand%材料MgoAl.0;SiO2SO;CaoFe20;其他水泥4.32矿渣微粉5.9715.9637.880.6235.361.15粉煤灰3.2120.3154.263.19黄河砂2.8811.7972.93试验采用的界面增强剂为9 9.5%的草酸晶体、吉仕涂12 0 渗透型防水砂浆、硅烷偶联剂和聚乙烯醇(PVA)溶液，具体技术参数如表2 所示。表2 界面增强剂技术参数Tab.2 Technical parameters of interface enhancer界面增强剂种类硅烷偶联剂草酸防水砂浆PVA1.2酉配合比设计使用不同种类的界面增强剂对黄河砂进行处理，配制的强化浆液质量分数如表3所示。表3强化浆液质量分数Tab.3Reinforced slurry mass fraction强化浆液草酸质量分数8采用全再生骨料的方式配制再生混凝土。配制前，黄河砂经过草酸酸洗后再分别使用10%PVA溶液、10%硅烷偶联剂溶液和2 5%防水砂浆溶液进行处理。参照JGJ55一2 0 19普通混凝土配合比设计规程和JC/T899一2 0 16 混凝土路缘石中曲线形及直4.5824.512.3560.123.089.9210.120.994.935.31相对分子质量pH值主要化学成分1497.5901.47.022.0007.0PVA防水砂浆硅烷偶联剂10251.043.062.16(C2H,O);SiC20.H2SiO2,Cao(C,H.O)n%10市放技术98Journal of Municipal Technology线形截面L状等路缘石C.30抗压强度等级制备再生混凝土，水胶比固定为0.5，具体配合比如表4所示。表4黄河砂制备再生混凝土配合比Tab.4 Mix ratio of recycled concrete prepared from YellowRiver sandkg/m3矿渣界面增强水泥粉煤灰微粉黄河砂40292.5黄河砂第41卷1.3试验方法该研究旨在探究黄河砂在不同界面增强剂作用下对再生混凝土静态抗压、抗折强度等指标的影响，为黄河砂制备再生混凝土的实际应用提供参考依据，具体试验方法如图1所示。1)将原始黄河砂、草酸浸洗后的黄河砂、酸洗后RCA水减水剂921520河砂淤积经PVA溶液处理的黄河砂、酸洗后经硅烷偶联剂溶1874275烘干机1.35太阳晒干山液处理的黄河砂和酸洗后经防水砂浆溶液处理的筛分机草酸溶液抽砂泵SEM电镜观察表观形态晾晒、烘干界面增强黄河砂吸水性测试筛分10%PVA溶液10%硅烷偶联剂溶液2 5%防水砂浆溶液化学浸洗烘干酸浸后黄河砂样本拌合砂浆流动性能测试再生混凝土力学性能测试二图1黄河砂制备再生混凝土的试验方案Fig.1 Test scheme for the preparation of recycled concrete from Yellow River sand黄河砂分别记为I、IV、V组。用SEM观察各组黄河砂的界面微观形貌和结构变化，将电镜扫描图片导人Image-J软件测量黄河砂的周长、面积、长度和宽度，再通过公式计算其圆度和长宽比以表征其几何形态，并参照ASTMC128一2 0 15(8 G)对黄河砂样品的吸水率进行测量。2)分别设置原始试件、草酸处理试件、酸洗后PVA处理试件、酸洗后硅烷偶联剂处理试件和酸洗烘干机分别使用不同种类界面增强剂对黄河砂进行处理2试验结果与分析2.1物质表观形态不同界面增强剂处理后黄河砂的表观形态如图2 所示。11后防水砂浆处理试件，编号分别为RO、O A 8、PVA 10、TS10和WM25。在配制混凝土的过程中,参照GB/T24192005水泥胶砂流动度测定方法进行流动性测试。试件的抗压、抗折强度测试参照GB/T17671一2021水泥胶砂强度检验方法进行，分别在养护7 d和2 8 d后测试并取平均值。3)分析黄河砂替代传统石英砂制备再生混凝土的经济可行性并对其进行生态评价。1IV图2 不同界面增强剂处理后黄河砂的表观形态Fig.2 Apparent morphology of Yellow River sand treated withdifferent interface enhancers11第8 期由图2 可以看出，原始黄河砂呈灰白色，经界面增强后偏黄褐色。黄河砂的SEM扫描结果如图3所示。1000um1000um图3黄河砂的扫描电镜图Fig.3 Scanning electron microscopy of the Yellow River sand由图3可以看出,原始黄河砂表面较为粗糙,经杜晓瞳等：黄河砂制备再生混凝土的界面增强方法研究500um200uma)I组500mb)I组99化幅度较小,对混凝土流动性的影响较小。经过PVA溶液、硅烷偶联剂溶液处理后的黄河砂更接近于圆形，而原始黄河砂有更多的角状、片状和细长颗粒。在落度相同的情况下，原始黄河砂所制备的拌合物孔隙率更高，需要更多的浆体来填充这些孔隙。因此，经PVA溶液、硅烷偶联剂溶液处理后的黄河20m砂具备更好的工程特性。2.2吸水率界面增强前后黄河砂吸水率变化如图5所示。6200um20m4%*草酸溶液浸泡后表面更加光滑。此外，硅烷偶联剂溶液、PVA溶液和防水砂浆溶液可以在颗粒表面形成一层薄膜，防止颗粒在处理过程中聚集和沉淀，从而导致黄河砂表面的颜色变深，使黄河砂表面有向褐色加深趋势。界面增强前后黄河砂的圆度和长宽比如图4所示。1.61.441.41.201.21.00.80.60.40.20.0图4界面增强前后黄河砂的圆度和长宽比Fig.4 Roundness and aspect ratio of Yellow River sand beforeand after interface enhancement由图4可以看出，原始黄河砂圆度约为1.2 0,经界面增强剂处理后圆度降低，且经过PVA溶液、硅烷偶联剂溶液和防水砂浆溶液处理后的黄河砂圆度下降明显。然而，界面增强前后黄河砂的长宽比变20图5界面增强前后黄河砂吸水率变化Fig.5 Changes in water absorption of Yellow River sand beforeand after interface enhancement长宽比圆度1.331.261.041.011黄河砂试件11.251.291.021.02IV黄河砂试件由图5可以看出，I、I V、V 组的吸水率分别为5.2 1%、5.0 4%、3.7 2%、3.90%和4.8 6%。GB/T14684一2 0 11建设用砂中规定，建筑用砂的吸水率不得大于5.0%。因此,经界面增强后的黄河砂符合建筑用砂标准。其中,、I V组吸水率呈现明显下降的趋势，与I组相比，分别降低了2 8.6%和2 5.1%。这是因为PVA溶液和硅烷偶联剂溶液浸泡黄河砂后能在黄河砂表面形成一层憎水层，不仅有效阻止V了水分子扩散进入黄河砂中，而且其本身还能渗透进入黄河砂表面一定深度，填充在黄河砂表面的空隙和裂缝中，阻止水分进入。处理后的黄河砂表现出整体的防水特性，提升了再生骨料的质量和使用寿命，从而使掺黄河砂的再生混凝土具有更好的抗裂性和抗渗性。2.3流动性能为评价新拌砂浆的和易性，笔者测量了界面增强前后黄河砂新拌砂浆的流动性能，如图6 所示。IVV100300250200150100500图6 界面增强前后黄河砂新拌砂浆的流动性能Fig.6 Flow performance of Yellow River sand freshly mixedmortar before and after interface enhancement由图6 可以看出，I、I V、V 组流动度分别为2 48、2 6 9、2 8 1、2 8 7、2 7 4mm。经界面增强后，黄河砂新拌砂浆的流动性能增大,且均大于I组。其中，使用、I V 组拌和的砂浆流动性能最佳，与I组相比，提升了13.31%和15.7 3%。这是由于PVA溶液和硅烷偶联剂溶液均可降低拌合物中颗粒的表面张力，增加颗粒间的空隙，从而提高拌合物的流动性。此外，在2.2 节吸水率测试中表明经硅烷偶联剂溶液和PVA溶液处理后的黄河砂吸水率大幅度降低,且2.1节中计算得出经硅烷偶联剂溶液和PVA溶液处理后的黄河砂更接近于圆形，表面更加光滑，因此上述原因也会导致拌合物流动性增大。2.4力学性能不同化学试剂界面增强后的黄河砂制备的再生混凝土在7、2 8 d龄期时的抗压强度和抗折强度如图7、8 所示。由图7、8 可以看出，经不同化学试剂处理后的再生混凝土试件抗压强度均有一定提升，且提升效果明显大于抗折强度的提升。RO、O A 8、W M 2 5、PVA 10和S10试件2 8 d抗压强度分别为34.2、37.1、37.5、39.1、39.4M Pa，抗压强度平均值为37.5MPa。这是因为黄河砂粒径较小且具有更密实的结构，因此生产的再生混凝土抗压水平较高。此外，2.2 节吸水率测试结果表明，经硅烷偶联剂溶液和PVA溶液处理后的黄河砂吸水率大幅下降，这导致混凝土制作中水泥水化更加充分，骨料密实度增强，从而提升了再生混凝土的强度。Journal of Municipal Technology454035151050TV黄河砂试件第41卷7抗压强度28d抗压强度VRO图7 黄河砂界面增强方法对再生混凝土抗压强度的影响Fig.7 Effect of Yellow River sand interface enhancement methodon compressive strength of recycled concrete127d抗折强度28d抗折强度1086420图8 黄河砂界面增强方法对再生混凝土抗折强度的影响Fig.8 Effect of Yellow River sand interface enhancement methodon flexural strength of recycled concrete经界面增强处理后，黄河砂制备的再生混凝土试件7 d和2 8 d抗折强度均有所提升，但总体抗折强度水平不高。这是由于黄河砂的圆度较低且黄河砂的粒径相较于石英砂等传统细骨料较小，因此采用黄河砂替换时其抗折强度有所下降。3应用经济性分析与生态评价该研究采用标准化成本指数(SCI)来评估项目的成本效益,其计算公式为：(实际成本/标准成本)调整因子。使用1m3再生混凝土作为原材料成本，调整因子取行业平均值，计算标准化成本指数来评价黄河砂再生混凝土的经济性。黄河砂替代率对再生混0A8再生混凝土试件ROOA8再生混凝土试件WM25WM25PVA10PVA10S10S10第8 期凝土性能、工程成本和能源消耗的影响如图9所示。标准化成本指数变化率30%20%10%再生混凝土0%一次能源消耗量-10%0变化率20%30%40%-50%再生细骨料吸水能力变化率图9黄河砂替代率对再生混凝土性能、工程成本和能源消耗的影响Fig.9 Effect of the replacement rate of Yellow River sand on theperformance,engineering cost and energy consumption of由图9可以看出，随着黄河砂替代率的增加，再生混凝土标准化成本指数逐渐下降。这是因为用黄河砂替代传统石英砂来制备再生混凝土，能够降低建造成本、节约建材资源，并且黄河砂和黄河沿线旧建筑拆除产生的建筑固废协同制备的再生混凝土具有工艺简单、运距短和绿色环保等特点，其强度能达到JC/T8992016混凝土路缘石中规定的曲线形及直线形截面L状等路缘石C.30抗压强度标准，在黄河沿线市政工程中可以得到充分利用。该研究通过计算制备1m3再生混凝土过程中可能使用到的一次能源如煤炭、焦炭、原油、石油和天然气等的消耗量，并计算其碳排放，来评价黄河砂再生混凝土的生态友好性。其中碳排放量计算公式为：总排放=直接燃烧十生产过程排放十外购热力电力排放。由图9还可以看出，随黄河砂替代率提高，再生混凝土一次能源消耗量在逐渐降低，而抗压强度并没有明显的减少。这是因为黄河砂作为天然砂，资源丰富、取材简单，其经过化学试剂浸泡处理即可达到混凝土细骨料选择要求，而石英砂则需要经过破碎加工而成，此过程不仅浪费能耗而且在破碎的过程中容易产生大量粉尘，对环境造成污染。杜晓瞳等：黄河砂制备再生混凝土的界面增强方法研究再生混凝土再生混凝土28d抗压强度变化率再生混凝土28d抗折强度变化率水泥砂浆拌合物流动度变化率黄河砂替代率：10.210.4recycled concrete1014结论针对黄河砂用作细骨料制备再生混凝土的缺点，采用草酸溶液、PVA溶液、硅烷偶联剂溶液和防水砂浆溶液对黄河砂进行界面增强处理，通过粗糙度、圆度、流动度、抗压强度、抗折强度和吸水率技术指标研究不同界面增强剂对再生混凝土性能的影响，主要得到以下结论：1)界面增强处理可显著增强黄河砂再生混凝土的界面强度，排序为10%硅烷偶联剂溶液 10%PVA溶液 2 5%防水砂浆溶液 8%草酸溶液。在宏观层面上，经8%草酸溶液浸洗后再使用10%硅烷偶联剂溶液和10%PVA溶液处理的黄河砂作为再生细骨料，可提升混凝土的抗压强度和使用寿命，使其达到市政道路工程中路缘石所采用的C.30混凝土设10.610.81.0计标准。在微观层面上，经8%草酸浸洗后再使用10%硅烷偶联剂溶液和PVA溶液处理后的黄河砂与C-S-H的界面微观联结增强,其制备的再生混凝土在2 8 d时的抗压强度可分别提升2 3.5%和11.8%。2)界面增强处理可提升黄河砂再生混凝土的和易性,排序为10%PVA溶液 10%硅烷偶联剂溶液25%防水砂浆溶液 8%草酸溶液。经8%草酸溶液浸洗后再使用10%硅烷偶联剂溶液和10%PVA溶液处理的黄河砂吸水性降低，可分别减少用水量12%和14.8%，且处理后的黄河砂更接近于圆形，表现出较好的流动性和施工和易性。3）推荐采用经8%草酸溶液浸洗后再使用10%硅烷偶联剂溶液浸泡的方式对黄河砂进行界面增强处理并与建筑固废协同制备再生混凝土，能够显著降低市政工程中路缘石等非高强度混凝土结构试件的生产成本,具有一定的经济效益。此外,黄河砂的资源化利用，不仅可以减少黄河砂的淤积，保证行洪安全，还可增加沿线水利工程的库容，具有重要的社会和生态意义。MET参考文献1王静，刘晶晶，宋子秋，等.黄河流域高质量发展的生态保护与国土空间利用策略J.自然资源学报，2 0 2 2,37(11：2 930-2945.(WANG J,LIU J J,SONG Z Q,et al.Strategies of ecosys-tem protection and territory spatial utilization for high-qualitydevelopment in the Yellow River basinJ.Journal of natural re-sources,2022,37(11):2930-2945.)2 YAN J,ZHONG S,CHEN S N,et al.Study on the application of102sediment-based embankment building and Ultra-High-Perfor-mance Concrete(UHPC)preparation in the resource utilizationof Yellow River sedimentJ.Materials,2022,15(16):1-20.3 谢尚锦，张金星，袁静，等.装修垃圾再生骨料混凝土砖基本性能试验研究J.混凝土,2 0 2 0,37 3（11)：137-140.（XIESJ,ZHANG J X,YUAN J,et al.Experimental study on basic perfor-mance of decoration 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