再生改性（共7篇）
再生改性 篇1
0 引言
伴随着城市建设的快速发展, 混凝土的需求量也迅猛增长, 而生产混凝土所消耗的能源、资源量逐渐增加。据不完全统计, 我国每年生产混凝土所消耗的天然骨料高达80亿t。近年来生产混凝土所用的砂、石等天然资源逐渐出现枯竭, 大量的开采也对自然环境产生了严重的破坏。另一方面, 我国建筑垃圾的产量十分惊人。据统计, 我国城市中建筑垃圾比例已占城市垃圾总量的40%~50%, 在1万m2的建筑工程中会产生500 t左右的建筑废弃物, 对建筑垃圾的综合利用也越来越受到人们的重视。而将建筑垃圾中的废弃混凝土经处理后制成再生骨料, 替代混凝土生产中使用的天然砂石骨料是解决上述问题的有效办法。但是, 由于再生骨料存在吸水率高、压碎值大、堆积密度低、颗粒形状不理想等问题, 制约着其在混凝土中的应用。因此, 应对再生骨料进行物理、化学等方法的强化, 改善再生骨料的性能, 使之更好地应用于混凝土的生产中。
1 试验原材料及方法
1.1 试验原材料
水泥:海南华盛天涯水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥, 其性能指标以及化学组成见表1和表2。
粉煤灰:海南恒盛兆业环保有限公司生产的符合GB/T 1596-2005标准的Ⅱ级粉煤灰。
粗骨料:海口利源料场提供的5~25 mm碎石, 简单破碎的5~25 mm建筑废弃物骨料。
改性剂:水性环氧基聚合物单体, 引发剂A, 促进剂B, 交联剂C。
细骨料:海口上屯砂场提供的符合JGJ 52-2006标准的Ⅱ区中砂。
外加剂:海南太和科技有限公司提供的聚羧酸高效减水剂。
水:自来水。
1.2 试验方法
将水性环氧基聚合物单体溶于水, 制成质量分数为10%的溶液。设计L9 (34) 正交试验, 研究不同引发剂A、促进剂B以及交联剂C的掺量情况下对再生骨料的改性作用, 正交试验各因素水平见表3。测试出改性后再生骨料的压碎值、吸水率等物理性能指标, 并将改性后的再生骨料分别用于强度等级为C30混凝土试样的制备中, 试样配合比见表4, 测试混凝土的7 d和28 d强度, 以确定改性后再生骨料对混凝土性能的影响规律。
2 试验结果及分析
将经过改性的骨料和未经改性的骨料进行压碎值和吸水率测定, 将处理后的骨料按照《普通混凝土力学性能试验方法标注》GB/T 50081-2002进行试样的成型与测试。
为了便于对上述实验数据的分析, 每个因素在不同水平变化对骨料及混凝土性能影响的结果见图1。
根据图1和表5和中的数据分析不同因素水平对再生骨料性能的影响, 可以得出:
(1) 引发剂A:对于再生骨料的吸水率和压碎值来说, 引发剂取2最好。
(2) 促进剂B:对于再生骨料的吸水率来说, 促进剂取3最好。对于再生骨料的压碎值来说, 促进剂取1或者3较好。
(3) 交联剂C:对于再生骨料的吸水率和压碎值来说, 交联剂取5最好。
另外可以看出, 在各因素对再生骨料的吸水率和压碎值的影响中, 引发剂A和交联剂C两个因素的极差较促进剂B的极差大很多, 是影响试验结果的主要因素。虽然引发剂A和交联剂C对再生骨料的吸水率和压碎值的影响作用大小不同, 但两个试验中都是取同一水平为最优。综合考虑, 对再生骨料性能影响的最好试验方案是A3B3C3。此方案没有出现在上述的试验中, 考虑到B因素对试验的影响很小, 这里选取A3B1C3为最优试验组合, 且从试验结果中可以看出, A3B1C3试验中的吸水率和压碎值指标都是最好的。
对未处理的再生骨料以及7号、8号和9号中处理后的再生骨料进行SEM分析, 结果见图2。
从图2中可以看出, 未经处理的再生骨料表面附着很多混凝土碎渣, 这些碎渣不仅影响再生骨料的吸水率, 更会影响再生骨料与混凝土的结合性能, 导致再生骨料配制的混凝土力学性能以及耐久性能的下降。经过处理后的再生骨料表面被环氧基聚合物紧紧包围, 不仅改善了再生骨料自身的性能, 也使改性后再生骨料配制的混凝土和易性更好, 耐久性改善。另外, 随着交联剂用量的增加, 明显可以看出7号试样中再生骨料表面环氧基聚合物成膜性最好, 不仅可以有效地降低再生骨料的吸水率, 而且随着交联剂用量的增加, 环氧基聚合物聚合后, 更好地填充了再生骨料表面的空隙, 使再生骨料的压碎值明显改善。
根据图1和表5中的数据分析不同因素水平对再生骨料性能的影响, 可以得出:
(1) 引发剂A:对于再生骨料配制的混凝土7 d强度来说, 引发剂取2最好;对于28 d强度来说, 引发剂取1最好。
(2) 促进剂B:对于再生骨料配制的混凝土7 d和28 d强度来说, 促进剂取3最好。
(3) 交联剂C:对于再生骨料配制的混凝土7 d和28 d强度来说, 交联剂取5最好。
另外可以看出, 引发剂A的极差最大, 对强度试验的影响最大, 对于7 d强度来说引发剂A取3水平较好, 对于28 d强度来说, 引发剂A取2水平较好。交联剂C的极差及对强度试验的影响较引发剂A小, 交联剂C取3水平为好。促进剂B的极差最小, 对强度试验的影响最小, 促进剂B取3水平为好。又因本实验在研究混凝土的强度试验时, 在7 d强度和28 d强度都较空白样好的基础上, 应更重视混凝土后期强度的改善, 所以综合考虑, 最好的试验方案应该是A2B3C3。此方案没有出现在上述的试验中, 考虑到B因素对试验的影响很小, 这里选取A2B2C3为最优试验组合, 且从试验结果中可以看出, A2B2C3试验中混凝土的28 d强度最高。
3 结论
(1) 再生骨料改性后, 其吸水率和压碎值都有明显的改善, 最优试验组合为A3B1C3。未改性的再生骨料吸水率和压碎值为6.3%和26.6%, 最优试验组合的再生骨料吸水率和压碎值为1.4%和18.8%。
(2) 再生骨料经水性环氧基聚合物改性过程中, 不同的助剂添量对骨料的改性效果影响较大。通过SEM分析可以看出, 交联剂的掺量对改性后再生骨料表面性能的改善影响最大, 交联剂掺量为水性环氧聚合物的5%时, 改性后再生骨料表面性能最好。
(3) 再生骨料改性后, 配制的混凝土强度有明显改善, 最优试验组合为A2B2C3。未改性的再生骨料配制混凝土的7 d和28 d强度为19.6 MPa和28.6 MPa, 最优试验组合的再生骨料配制混凝土的7 d和28 d强度为26.2 MPa和36.6 MPa。但是再生骨料改性后吸水率、压碎值试验与混凝土强度试验的最优组合不同, 这有待于对试样的进一步微观测试与分析。
参考文献
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[2]古松, 雷挺, 陶俊林.再生混凝土配合比设计及早期强度试验研究[J].工业建筑, 2012, (4) :3.
再生粗骨料改性的试验研究 篇2
再生骨料混凝土(RAC)是指将废弃的混凝土块破碎后清洗分级作骨料,部分或全部代替天然骨料(砂、石),按一定配合比配制成的混凝土。在我国,每年仅施工建设所产生的废弃混凝土有1.36×107 t[1],因此,利用再生骨料是当今世界众多国家可持续发展战略追求目标之一,也是发展绿色混凝土主要措施。
目前再生骨料的应用范围还很窄,主要用来配制中低强度的混凝土或作为降低混凝土制造成本的填充材料。存在于混凝土中的骨料不仅构成了混凝土的骨架,而且在很大程度上还决定着混凝土拌合物的工作性、硬化混凝土的力学性能和混凝土构筑物的耐久性能。为了深入探索比较实用的再生骨料强化技术,本文对再生粗骨料的改性进行了研究。
1 试验
1.1 原材料
水泥:四川双马42.5R普通硅酸盐水泥,密度3.07 g/cm3,80μm筛筛余4.8%,比表面积417.9 m2/kg,标准稠度27%,凝结时间及强度见表1。
有机硅防水剂:四川眉山市永和科技发展有限公司生产。
盐酸:浓度为30%,市购。
水玻璃:模数为3.2,自制。
微膨胀高效抗裂防水剂:绵阳三三科技有限公司产品。
硅灰(SF):遵义铁合金厂产,其中Si O2含量92.1%,平均粒径0.1μm,比表面积20 000 m2/g,密度2.22 g/cm3,松散堆积密度0.21 g/cm3。
减水剂:四川晶华生产的萘系高效减水剂。
细骨料:河砂,细度模数2.5,含泥量2.3%。
天然粗骨料(NA):碎石,粒径5~25 mm,性能指标见表2。
再生粗骨料(RA):废弃路面混凝土,经破碎、清洗、分级后制得,其性能指标见表2。
再生粗骨料棱角多,表面粗糙,且仍有少量硬化水泥砂浆和小石屑嵌附在其表面,砂浆体中水泥石本身孔隙率较大,且在破碎过程中其内部会产生大量微细裂缝。因此与天然粗骨料相比,再生粗骨料的含水率和吸水率大得多。同样由于再生粗骨料表面残留的水泥砂浆和微细裂缝的存在,其表观密度和坚固性都比天然粗骨料低,空隙率增加。另外,由于采集再生骨料与天然骨料的操作环境不同,经破碎后获得的再生粗骨料除非进行水洗处理,否则因含有较多的泥土和泥块,这也会增加其含水率和吸水率[2]。
1.2 试验方法
1.2.1 再生粗骨料物理性能试验
再生骨料颗粒级配、压碎指标、表观密度、堆积密度、空隙率、含水率与吸水率的测试均按天然骨料的测试方法进行[3]。
1.2.2 再生粗骨料的改性试验
(1)盐酸对再生粗骨料的改性:量取适量盐酸,将其稀释至浓度为3%,把再生粗骨料倒入调配好的溶液中,浸泡1 h后,捞出并晾干,备用。
(2)有机硅防水剂对再生粗骨料的改性:将有机硅防水剂用5~6倍水稀释,把再生粗骨料倒入稀释的有机硅溶液中,浸泡24 h后,捞出并晾干,备用。
(3)水玻璃对再生粗骨料的改性:将水玻璃用水稀释至浓度为5%,把再生粗骨料倒入配制好的水玻璃溶液中,浸泡1 h后,捞出并晾干,备用。
(4)水泥外掺硅灰浆液对再生粗骨料的改性:按照m(水泥)∶m(硅灰)=1∶1,水胶比1∶1配制浆液,把再生粗骨料倒入配制好的浆液中,浸泡24 h后,捞出并晾干,备用。
(5)微膨胀高效抗裂防水剂对再生粗骨料的改性:将微膨胀高效抗裂防水剂配制成10%的浆液,把再生粗骨料倒入配制好的浆液中,浸泡24 h后,捞出并晾干,备用。
1.2.3 再生粗骨料混凝土性能试验
再生粗骨料混凝土的配合比参照JGJ 55—2000《普通混凝土配合比设计规程》设计。混凝土的新拌工作性能采用坍落度筒法测试[4,5];抗压强度按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》测试,试件成型后,在实验室静置24 h后拆模,标准养护,试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。
2 试验结果与讨论
2.1 改性方法对再生粗骨料基本性能的影响(见表3)
从表3可以看出,各种改性措施对于再生粗骨料的基本性能都有一定的改善。改性后的再生粗骨料吸水率都有所降低,压碎指标下降。盐酸改性是所有改性处理中效果最好的。这是因为盐酸与包裹在再生粗骨料表面的水泥砂浆中水化产物Ca(OH)2反应,破坏和改善再生粗骨料颗粒表面,从而改善再生骨料的性能。
改性效果仅次于盐酸的是有机硅防水剂。有机硅防水剂的主要成分是甲基硅醇钠和高沸硅醇钠,是一种小分子水溶性混合物,在空气中的二氧化碳和水的作用下,能生成甲基硅酸钠,然后进一步缩合成网状甲基硅树脂防水膜。它是一种憎水物质且具有较强的渗透能力,能渗透进入再生粗骨料表面一定深度,使再生粗骨料表面与水的接触角增大或对部分孔隙进行封堵,从而降低吸水率。从表3可知,有机硅防水剂处理后的再生粗骨料吸水率和压碎指标较未改性的明显降低,表明有机硅防水剂对再生骨料强化效果显著。
利用水泥外掺硅灰浆液以及水玻璃进行改性处理也有不错效果,微膨胀高效抗裂防水剂的改性效果相对较弱。水泥外掺硅灰浆液和水玻璃都具有胶体的性质,能直接作用于再生骨料的孔隙。用水泥掺硅灰浆液对再生粗骨料进行浸泡时,作为高活性超细矿物的硅灰能直接填充再生粗骨料的孔隙,或与粗骨料中某些成分(如原混凝土中水泥水化生成物Ca(OH)2、3Ca O·2Si O2·3H2O等)反应的产物填充孔隙,同时浆液能将再生粗骨料本身的微细裂纹粘合,从而改善再生粗骨料孔隙结构,解决再生破碎过程中粗骨料受力后存在的一些微裂纹而导致粗骨料强度低的问题;水玻璃则在硬化时析出硅酸凝胶,堵塞再生骨料的毛细孔,且水玻璃能与骨料表面水泥砂浆中的水化产物反应,生成水硬性硅酸钙胶体填充再生骨料的孔隙而使骨料的密实度和强度提高。由膨胀防水组份、减缩组份、减水组份、抗蚀组份、气密剂等无机物和有机物配制而成的微膨胀高效抗裂防水剂,充分填充再生粗骨料的孔隙,能起到防水抗渗的作用,但对再生粗骨料的基本性能改变不大。
2.2 改性方法对再生粗骨料孔结构的影响
与天然骨料不同,再生粗骨料具有多孔性。本试验采用压汞法对改性前后再生粗骨料的孔结构进行了分析。不同改性措施对再生粗骨料孔结构的影响见图1和表4。
由图1和表4可以看出,通过不同的改性处理,再生粗骨料的孔隙率有所下降,孔径的分布有较大变化。从孔径的分布看,未改性的再生粗骨料的孔径主要集中在0.5~3μm;经过盐酸和有机硅防水剂改性的再生骨料的孔径仍主要集中在该范围内,但3μm以上的孔在减少,0.5~3μm孔在增加;经过水泥外掺硅灰浆液改性的再生粗骨料的孔主要集中在10~50 nm。
盐酸对再生粗骨料的改性主要是通过破坏颗粒表面达到改性目的,而有机硅防水剂对再生粗骨料的改性是使颗粒表面的孔隙部分被封堵,使再生粗骨料的孔隙率降低,但是都只对大孔(大于3μm)有较好的改进效果。
水泥外掺硅灰浆液改性,再生粗骨料许多更小的孔隙被充分填充,且各组分反应生成物将微细裂纹粘合,从而大幅度降低再生粗骨料的孔隙率,抑制大孔(大于3μm)和中孔(0.05~3μm)的产生,有效改善微孔结构。
2.3 改性方法对再生混凝土抗压强度的影响
利用不同改性方法处理后的再生粗骨料取代60%的天然粗骨料,配制C40再生混凝土,每立方米混凝土配比为:水泥445 kg、水168 kg、砂702 kg、再生粗骨料627 kg、天然粗骨料415 kg、减水剂4.5 kg,改性方法对再生混凝土抗压强度的影响见表5。
注:(1)全部使用天然粗骨料的混凝土。
未改性再生粗骨料中部分再生骨料由于表面附着水泥砂浆,或少量的硬化砂浆单独成块,增加骨料表面的粗糙度、孔隙率,从而影响了新拌混凝土的工作性能。由表5可见,盐酸改性和水泥外掺硅灰浆液改性对新拌再生混凝土的工作性能改善效果最显著,坍落度比未改性分别提高了90 mm和130mm,但未改性混凝土的后期坍落度损失快。另外,水玻璃和有机硅防水剂改性虽然也能降低再生骨料的吸水率,但对于提高新拌再生混凝土的工作性能效果不明显,坍落度仅为60mm和90 mm。
由表5还可以看出,由于未改性再生粗骨料表面微裂缝的存在使新的水泥颗粒容易被吸入,接触区的水化更加完全,能形成致密的界面结构。另外,解体破碎的过程增加了棱角效应[6,7],也使得因再生骨料强度较低而导致的再生混凝土性能的劣化会得到一定程度的补偿。故此,未改性再生混凝土其7d、28 d抗压强度仍分别能达到40.2、45.6 MPa。
针对再生混凝土强度的影响因素,Travakoli和Soroushian强调其关键是再生骨料的强度、粒径分布和吸水率[8]。Amnon Katz认为再生骨料的性能及其对混凝土的影响与轻骨料和轻骨料混凝土有着类似的规律,尤其在强度和弹性模量方面[9]。根据表5的结果可看出,由于改性处理的作用,改性后的再生粗骨料其孔隙率、孔结构分布、表面微裂缝、自身强度、吸水率等方面情况都得到了或多或少的改善。这使得改性后的再生混凝土强度都有一定程度的提高。其中,盐酸改性和水泥掺硅灰浆液改性对再生混凝土的强度提高效果最佳,7d和28 d强度都有较大幅度的增长。水玻璃改性对再生混凝土的早期强度提高有较好效果,7 d抗压强度可达到45.7MPa,但是后期增长并不显著,28 d强度仅比7 d提高1.9MPa。这可能是水玻璃溶液在渗入再生骨料的孔隙、裂缝中的同时也包裹了骨料的表面,即使在表干的状态下当与水泥浆接触时,骨料表面以及骨料孔中已水解的改性剂的产物(含水硅胶)能与水泥矿物水解产生的Ca(OH)2反应生成难溶水化硅酸钙[10],从而加速水泥的水化凝结。有机硅防水剂改性后的再生混凝土强度几乎没有提高。该现象的出现是由于包覆在骨料表面或填塞于骨料孔隙的固化防水材料阻止了接触区水泥的水化,使得界面结合相对薄弱,从而导致混凝土强度不高。
总的来说,经过改性处理后的再生粗骨料,由于其基本性能的改善使其所配制的混凝土的工作性有较大提高,强度也有一定提高,但普遍不大。
3 结论
(1)再生粗骨料较天然粗骨料的表观密度小、吸水率高、强度低、压碎指标高。
(2)经过一定的改性处理,再生粗骨料的基本性能有所改善。处理后的再生骨料吸水率有所降低,强度有所提高,压碎指标值下降。
(3)各改性剂中改性效果最好的是浓度3%的盐酸,其后依次是有机硅防水剂、水泥外掺硅灰浆液、水玻璃、微膨胀高效抗裂防水剂。
(4)再生粗骨料的改性处理对新拌再生混凝土的工作性能有一定的改善。其中盐酸和水泥外掺硅灰浆液的改性效果较明显,水玻璃和有机硅防水剂的改善效果不明显。
(5)再生粗骨料的改性处理对再生混凝土的强度有改善作用。盐酸和水泥外掺硅粉浆液进行改性再生混凝土强度增加较为明显;水玻璃改性使再生混凝土早期强度提高较大,但增长速度很缓慢;有机硅防水剂改性对混凝土强度的发展影响不大。
参考文献
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再生改性 篇3
沥青在生产、贮存、运输、施工及路面长期使用过程中, 经受较高温度、光照、雨水以及交通荷载等多种因素的作用下发生了一系列物理、化学变化, 如挥发、氧化、缩合等, 这些反应使得沥青内部分子结构和化学组分发生变化, 沥青发生老化。为了提升SBS改性沥青抗老化性质和再生效果, 本文通过沥青老化前后化学组分和物理性质两方面的对比, 从理论上解释SBS改性沥青老化机理。
1.1 化学组分方面
沥青是由多种复杂的化学组分混合而成的多组分混合物, 从化学组分上看, 沥青老化过程中除少量轻质油分的挥发外, 最主要是其在紫外线照射、热氧化条件下所引发的氧化、缩合反应, 即生成极性含氧官能团的氧化反应和生成大分子物质的聚合反应, 这使得沥青化学组分发生变化, 沥青性质发生变化。氧化反应生成了含有羟基和亚矾的极性含氧基团, 而极性较强的基团容易聚集, 表现为沥青粘度增大;而沥青聚合反应产生大分子物质, 沥青质的含量增加, 表现为沥青变得脆硬, 低温性能降低。在沥青发生氧化缩合反应时, 沥青混合料中的矿质集料起到了化学催化剂的作用, 促使高分子化合物的快速生成。根据沥青胶体理论, 沥青质是分散体系中的分散相, 油分是分散介质, 胶质具有使高度聚合的沥青质分散在油分中的能力。混合料中伴随着沥青的老化, 饱和酚、芳香酚的分子量较小, 由于沥青的氧化缩合作用, 使得沥青中芳香酚分子量不断增大, 转化为胶质;胶质又不断聚合向沥青质转化, 最终沥青四组分中芳香酚的含量逐渐减小, 而沥青质的含量不断增大。因此由沥青四组分理论可以将基质沥青老化的过程看做是沥青化学组分移行的过程, 沥青组分的移行转化愈明显, 沥青老化程度愈高。图1为沥青组分转化趋势图。
改性沥青是在基质沥青的基础上添加大分子聚合物改性剂混合而成的, SBS 加入到基质沥青中, SBS 微粒受到沥青中饱和酚、芳香酚的作用发生溶胀, 均匀分散在沥青中, 使沥青的组分构成比例发生变化, 从而使改性沥青体系的路用性能得到大幅度的提高。梁乃兴[6]等指出沥青用SBS改性后, 沥青的组分含量发生变化, 饱和分减少, 胶质和沥青质含量增加, 沥青组分重新分配, 沥青的胶体结构由溶胶—凝胶型向凝胶型方向转化。SBS与沥青之间没有发生化学作用, 只是一种分子间作用力。M.S.Cortizo[7]、庞凌[8]、王志涛[9]等采用红外光谱法对老化基质沥青与老化改性沥青进行分析, 结果表明, 改性沥青老化过程中生成的羟基和亚矾的量少于基质沥青, 说明改性沥青氧化反应被抑制。Daranga[10]、Xiaohu Lu[11]等采用凝胶色谱仪对老化前后的改性沥青做了试验研究, GPC研究结果显示, 改性沥青老化过程中所生成的大分子物质的量少于基质沥青, 改性沥青聚合反应也被抑制。可见, 由于SBS改性沥青中添加SBS改性剂使改性沥青老化过程中的两种主要的反应都得到抑制, 这是SBS改性沥青抗老化性能优于基质沥青的主要原因。
基质沥青的老化过程符合自由基反应原理, 在光和热的双重作用下沥青分子裂解产生最初的自由基, 自由基与氧结合生成的过氧化物自由基和沥青分子间的自由基构成链式反应, 从而使化学反应不断进行下去[2]。SBS改性沥青加工过程中, SBS高分子聚合物被剪切成微小颗粒或均匀分散在基质沥青中, 或与基质沥青分子发生交联, 这使得SBS改性剂有机会参与基质沥青的自由基反应。由于SBS改性剂中的丁二烯链段具有较高的活性, 能够夺取基质沥青中的自由基使其自身发生反应, 通过牺牲自身抑制了基质沥青的老化链式反应, 从而起到了抗老化剂的作用。
1.2 物理性质方面
从直观的物理力学性质来看, 沥青路面的老化表现为沥青逐渐老化而硬化, 最终路面出现开裂而破坏。从回收沥青指标可以看出沥青针入度增大、软化点提高、延度大幅度降低、粘度增大、脆性增强。这主要是由于基质沥青使用过程中的芳香族的有氧官能团在自然条件下与氧结合形成极性或者两性的基团, 增强沥青分子间的相互作用, 使得沥青物理性能表现为变硬、劲度增大, 基质沥青发生老化。
SBS改性沥青由基质沥青与SBS改性剂混合而成, 在改性沥青加工过程中, SBS聚合物吸收基质沥青中的小分子化合物, 同时SBS形成网状交联结构, 增大了改性沥青的粘度和粘弹性。SBS改性沥青的老化存在于基质沥青和改性剂这两种物质老化效应的相互叠加, 一方面基质沥青的氧化聚合反应形成分子量较大的结构化亚结构, 导致其粘度增大;另一方面SBS聚合物的降解对其整体则起到了相反的作用。这是由于SBS聚合物降解成小分子物质, 同时初期构成的网状交联结构被破坏, 其改性作用逐渐丧失, 对整体的增粘作用也下降, 从而一定程度上降低了SBS改性沥青整体粘度的增大, 使得SBS改性沥青表现出较好的耐久性质。而改性沥青的老化程度不仅取决于两者各自的老化程度, 还与SBS改性沥青中改性剂的添加比例有直接关系, 这是SBS改性沥青在不同的老化状态下老化程度有时变化较大的主要原因。
2 SBS改性沥青再生机理
对于沥青粘结料的认识有两种不同的观点, 一种认为沥青具有一系列胶体性质, 按照沥青胶体结构理论, 由于沥青化学组分的不同, 形成不同的胶体结构, 在宏观上表现为不同的流变性质。沥青再生就是调整沥青化学组分使其表现出好的沥青流变学性质。另外一种观点即沥青相容性理论, 沥青材料的老化是因为沥青在氧化和聚合过程中引起了沥青化学结构的变化, 使作为溶剂的软沥青质和作为溶质的沥青质之间的溶度参数发生变化, 破坏了他们的相容性, 造成沥青性质的恶化。沥青再生就是采取措施来改善沥青的相容性。对两种理论的沥青再生机理分析得出同一结论, 老化沥青的再生可以通过添加低粘度油分, 尤其是芳香族油分的方法来实现。对于改性沥青再生机理的研究主要是将基质沥青再生机理的研究成果与改性沥青的特点相结合, 分析改性沥青再生机理。
2.1 组分调节理论
石油沥青是由多种化合物组成的混合物, 成分极其复杂。研究结果表明沥青的性能与其化学组分的含量密切相关, 沥青的针入度、粘度指标与沥青组分成对数关系, 对沥青组分相当敏感, 很小的组分变化就会使其发生很大变化。其中改性沥青中各组分对其性能的影响见表1所示。
由沥青胶体理论可知, 只有当沥青中各种化学组分的相对含量与其性质相匹配时, 沥青的胶体体系才能处于稳定状态, 因此只有沥青中所含轻质油分、胶质、沥青质的量符合一定比例的关系时, 沥青才能显出良好的路用性能。
由沥青老化机理可知, 沥青老化是由沥青的组分变化引起的。沥青的再生实质是通过调整沥青各组分之间的比例关系恢复沥青的路用性能。根据组分调和原理, 在老化沥青中加入富含芳香酚的再生剂或者标号较高的新沥青进行调配, 使得老化后的沥青恢复原有的路用性能。所以, 从这一角度来看再生后的沥青实际上就是一种调和沥青。
分析沥青材料在老化过程中的流变行为的变化规律, 可以得到再生沥青的过程就是老化沥青恢复到适当的流变状态的过程。从流变学的观点来看, 旧沥青再生的方法可以归结为以下两点:
(1) 将旧沥青的流变指数予以适当提高, 使旧沥青重新获得良好的流变性质。
(2) 将旧沥青的粘度调节到所需要的粘度范围内。
SBS改性沥青与基质沥青相比, 在沥青生产过程中添加高聚合改性剂, 随着改性沥青的老化, SBS聚合物大分子裂解老化。在改性沥青再生过程中, 不仅需要再生基质沥青, 还需要通过调整有效改性剂的比例来恢复改性剂的性能。
本文设计一组对比试验, 通过沥青相关指标来评价再生剂对改性剂性能的影响。所用旧沥青是由基质沥青和SBS改性沥青进行旋转薄膜烘箱短期老化后得到的, 分别加入5%的再生剂。进行沥青常规试验检验, 结果如表2:
注:其中粘度指标采用粘度比值的倒数进行比较即基质沥青∶改性沥青=1.30∶1.92。
从表2可以得出加入再生剂后改性沥青指标变化幅度均较大, 故再生剂对改性沥青再生效果更为明显。由相容性理论可知, 再生后的沥青轻质油组分含量较多, 使得原有沥青中的一部分改性剂分子发生溶胀, 可以说改性剂在一定程度上也得到“再生”。
2.2 相容性理论
沥青再生的“相容性理论”是从化学热力学出发, 认为沥青老化的原理是沥青胶质物系中各组分相容性较低, 导致组分间溶度参数差增大, 致使其化学组成失去了应有的配伍性。如能掺入一定的再生剂使其溶解度参数减小, 则沥青即能恢复到甚至超过原来性能。当旧沥青中加入再生剂时, 由于再生剂中含有部分缩和度高的芳烃, 旧沥青中沥青质、胶质对它们的吸附溶解趋势大于原旧沥青中的小分子芳香分和饱和分, 由此削弱了小分子芳烃和饱和烃分子所受引力场的影响。那么, 必然存在着旧沥青与再生剂间化学组分的重新分配, 从而改善沥青四组分之间的配伍关系。认为掺入一定的再生剂使其溶度参数差减小, 沥青即能恢复原来的性质[14]。
掺加再生剂或软质沥青后, 一方面可使沥青质的相对含量降低, 从而提高沥青质在软沥青质中的溶解度;另一方面, 掺加再生剂后又可提高软沥青质对沥青质的溶解能力, 使软沥青质与沥青质的溶度参数差值降低, 从而改善沥青的相容性。
综上所述, 按照上述两种理论, 废旧沥青的再生就是把富含芳烃的软组分按一定比例调和到旧沥青中, 使之建立新的沥青组分, 并使其匹配的更合理, 即将沥青质借助于胶质更好地分散在芳香分、饱和分中, 形成稳定的胶体结构, 从而改变沥青的流变性能, 使沥青性能达到质量指标的要求。
3 结论
由于SBS改性剂特殊的分子结构, 使得SBS改性沥青老化再生机理有其复杂性, 本文通过总结国内外研究前沿成果, 结合试验得出如下结论:
(1) 改性沥青老化过程中, 改性剂与基质沥青组分均发生不同程度老化, 但两者之间相互保护作用, 使得改性沥青表现出良好的耐久性。
(2) 改性沥青老化过程中, 基质沥青的聚合作用生成大分子, 而改性剂的裂解作用使得其分解为较小分子。沥青老化程度由两者共同决定。
(3) 本文从理论 (组分调和理论) 、试验两方面证实, 改性沥青再生过程中添加再生剂可以在一定程度上实现改性剂的“再生”, 传统再生技术适用于改性沥青的再生利用。
(4) 本研究通过相容性理论进一步解释沥青再生理论的科学性、可行性。
摘要：分析SBS改性沥青老化再生研究的重点、难点, 通过对比沥青老化前后化学组分与物理性质变化, 结合国内外研究成果, 总结SBS改性沥青老化机理, 归纳沥青老化理论;而后依靠组分调节理论与相容性理论, 指出SBS改性沥青再生的方向, 通过试验和理论两方面证实传统沥青再生技术适合于改性沥青再生利用。
再生改性 篇4
关键词：再生细骨料,防水砂浆,表面改性,微观结构,抗渗压力
将建筑垃圾中的废弃混凝土、废弃砂浆经破碎、清洗、分级等工艺制得再生骨料, 用于替代天然骨料制备再生混凝土、再生胶砂[1,2], 可有效利用建筑垃圾。建筑废弃混凝土、砂浆经机械破碎后制得的再生骨料表面粗糙, 增大了再生胶砂的摩擦阻力, 提高了再生胶砂保水性和粘聚性, 但是造成砂浆的和易性差, 搅拌困难[3,4]。由于再生骨料的孔隙、裂缝较多, 其吸水率较大, 使得再生胶砂的力学性能、抗渗性能较差[5,6]。由此来看, 对再生骨料进行改性, 降低再生骨料的吸水率, 提高水泥砂浆的性能, 对实现建筑垃圾的再生资源化, 减轻环境负荷具有重大意义。
国内外学者对再生骨料的研究主要集中在再生混凝土方面, 针对再生粗骨料对天然砂石的不同取代率, 不同搅拌、改性方式, 不同水灰比等进行研究, 再生粗骨料可以配制高标号的混凝土[7]。然而废弃混凝土经破碎后, 再生细骨料约占总重量的一半, 现今我国的建筑砂浆等主要利用的仍是天然河砂, 对再生细骨料应用于建筑砂浆的研究相对较少[8]。本文主要通过对再生细骨料进行化学浆液改性, 研究不同的改性方法对再生胶砂性能的影响。
1 试验
1.1 试验原材料
水泥采用山水集团有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥, 符合GB175-2007标准要求, 其物理力学性能如表1所示;矿渣微粉, 购自济南市化工市场, 符合GB/T 18046-2008《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》标准要求;水泥、矿渣微粉的主要化学成分和物理性能如表2所示。再生细骨料由某混凝土公司提供来源相同的建筑废弃混凝土, 经机械破碎制得, 符合GB/T 25176-2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》标准要求, 细度模数2.86, Ⅱ区级配见图1, 主要物理性能指标如表3所示。水玻璃, 模数2.7, 工业纯, 购于济南市化工市场。减水剂为萘系减水剂。实验用水为普通自来水。
1.2 试验方法与测试手段
1.2.1 再生细骨料改性
采用矿渣浆液和水玻璃溶液浸泡再生细骨料对其进行改性。据前期实验结果, 矿渣、水玻璃的浓度应分别控制在20%、10%以内。具体改性方法为, 分别配制一定质量浓度的矿渣浆液、水玻璃溶液, 将再生细骨料分别置于其中浸泡24 h, 取出风干后制得试样B2~B3;将再生细骨料试样B2在水玻璃溶液中浸泡24 h, 取出风干后, 制得试样B4, 试验配比如表4所示。
1.2.2 水泥砂浆试样的配比与制备
水泥砂浆试样配比包括基准水泥砂浆试样H0、未改性再生细骨料水泥砂浆试样H1、改性再生细骨料水泥砂浆试样H2~H4, 如表5所示。实验固定灰砂比为1:3, 水灰比为0.52, 减水剂掺量为2.0 wt%。砂浆搅拌参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》标准进行, 在尺寸为40 mm×40 mm×160 mm砂浆三联模中成型试样, 并在标准条件下养护至规定龄期。
1.2.3 再生细骨料吸水率与水泥砂浆性能测试
再生细骨料吸水率试验方法参照GB/T14684-2011《建筑用砂》标准进行。水泥砂浆试样力学性能测试参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法 (ISO法) 》标准进行, 试样先进行抗折强度试验, 折断后每截再进行抗压强度试验。水泥砂浆稠度、吸水率、抗渗性能测试均参照JGJ/T 70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行。再生胶砂试样标准养护28 d, 烘干至恒重, 置于水槽中, 48 h后测其吸水率。砂浆抗渗性能测试用砂浆渗透仪, 以每组6个试样, 从0.2 MPa开始加压, 恒压2 h后增至0.3 MPa, 以后每隔1 h增加0.1 MPa的步骤进行抗渗性能试验。
1.2.4 再生细骨料微观形貌观察与分析
改性前后的再生细骨料试样, 取断面中心骨料与水泥石共存部分制成约1 cm3的薄片状试样在无水乙醇中浸泡1 h后晾干, 放入干燥箱烘干至恒重, 喷金镀膜处理后, 采用QUANTA FEG 250型扫描电子显微镜观察样品的微观形貌。
2 结果与讨论
2.1 改性前后再生细骨料的性能
2.1.1 再生细骨料吸水率
不同骨料的饱和面干吸水率, 如图2所示。由图2看出再生细骨料的吸水率明显高于天然河砂。与未改性再生细骨料试样B1相比, 采用矿渣浆液和水玻璃溶液对再生细骨料改性后其吸水率明显下降, 复合改性再生细骨料试样B4的吸水率为2.8%, 较未改性的试样降低了73.6%。
2.1.2 再生细骨料改性机理分析
改性前、后的再生细骨料微观形貌扫描电镜图片, 如图3所示。未改性再生细骨料试样B1如图3 (a) , 由图看出其表面存在较大的微裂纹, 孔隙较多, 结构疏松。水玻璃溶液改性再生细骨料试样B3如图3 (b) , 由图看出水玻璃固化生成的凝胶能够在其表面形成一层粘结膜, 使表面结构致密[9]。矿渣和水玻璃复合改性再生细骨料试样B4如图3 (c) , 其首先经适当浓度的矿渣浆液改性, 由于矿渣微粉水化产物能够对微裂纹、孔隙等缺陷形成有效填充, 骨料结构致密[10];进而用水玻璃溶液进行改性, 水玻璃不但能够进一步激发矿渣微粉的火山灰活性, 促进水化产物生成[11], 同时对微裂纹、孔隙等缺陷进一步填充并在骨料表面包裹一层水玻璃粘结膜, 减缓了微裂纹的应力扩展。因此, 矿渣和水玻璃复合改性再生细骨料改善了其吸水率高的缺点, 提高了再生骨料致密度。
2.2 改性前后再生胶砂稠度
再生胶砂稠度值, 如图4所示。由图4看出, 未改性再生胶砂稠度值明显低于天然河砂水泥砂浆。与未改性再生胶砂试样H1相比, 采用矿渣浆液和水玻璃溶液对再生细骨料改性后其稠度值明显提高, 复合改性再生胶砂H4的稠度为61 mm, 较未改性的试样提高了27.1%。
2.3 改性前后再生胶砂吸水率
再生胶砂的吸水率, 如图5所示。由图5看出, 未改性再生胶砂吸水率明显低于天然河砂水泥砂浆。与未改性再生胶砂试样B1相比, 采用矿渣浆液和水玻璃溶液对再生细骨料改性后, 再生胶砂其吸水率降低, 复合改性再生胶砂H4的吸水率为8.0%, 较未改性的试样降低了35.5%。
2.3 改性前后再生胶砂力学性能
再生胶砂试样的抗折强度 (σF) 、抗压强度 (σC) 以及相应的28 d压折比 (σC/σF) , 如表6所示。由表6看出再生细骨料经改性后, 再生胶砂的力学性能得到了提高, 采用矿渣和水玻璃复合改性的再生细骨料对其力学性能的增强效果较明显。与未改性试样H1相比, H4的28 d抗折强度提高26.8%, 抗压强度提高25.3%。另外, 试样H4的28 d压折比较H0降低了7.6%, 说明矿渣和水玻璃复合改性再生细骨料有助于降低水泥砂浆的脆性, 提高其柔韧性。
2.4 改性前后再生胶砂抗渗性能
再生胶砂试样的渗透压力, 如图6所示。由图6看出再生细骨料经改性后, 再生胶砂的抗渗性能得到提高, 采用矿渣和水玻璃复合改性的再生细骨料对其抗渗性能的增强效果明显。与未改性试样H1相比, 采用矿渣浆液和水玻璃溶液对再生细骨料改性后, 再生胶砂其抗渗透压力提高, 复合改性再生胶砂H4的抗渗透压力为1.75 MPa, 较未改性试样提高了75.0%。
3 结论
采用20wt%矿渣浆液、10wt%水玻璃溶液对再生细骨料复合改性时效果最佳。矿渣和水玻璃复合改性后, 再生细骨料试样的吸水率为2.8%, 较未改性试样降低73.6%。与未改性试样相比, 复合改性再生胶砂试样其吸水率降低了35.5%, 相同水灰比时砂浆稠度提高了27.1%, 再生胶砂试样其28 d抗折、抗压强度分别提高了26.8%、25.3%, 抗渗透压力提高了75%。
矿渣和水玻璃复合改性后, 改性物质的水化产物有效填充于再生细骨料表面微裂纹、孔隙中, 且再生细骨料表面包裹水玻璃粘结膜, 降低了其吸水率, 提高了其致密度, 使得再生胶砂中再生细骨料—水泥石其界面结合性能增强, 进而提高了水泥砂浆的力学性能和防水抗渗性能。
参考文献
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再生改性 篇5
我国的天然砂多为细砂,四川、河南、上海、黑龙江、山东、北京、内蒙古、宁夏、新疆、广东、广西等地都产特细砂[1]。工程实践表明,由于特细砂比表面积大、含泥量高,单独用其配制的砂浆和混凝土强度低、易开裂,往往不能满足工程要求。开封地处黄河下游,天然骨料资源主要为特细砂。由于技术方面的原因,目前开封地区建筑工程中混凝土用砂皆为中粗砂,本地特细砂资源得不到充分利用。
另一方面,据统计,全世界每天排放的城市固体废弃物达2700万t,年产量约100亿t[2]。其中,我国陶瓷废料的年产量估计在1000万t以上,另外还有大量因建筑物拆除、装修和日常生活等过程中产生的废陶瓷。“垃圾是放错了地方的财富”,毫无疑问,实现废弃物资源化,是人类社会得以协调发展的必要趋势。
目前,我国对再生骨料的研究主要集中在废旧混凝土和废砖方面,与我国陶瓷大国的国情不符。相关研究表明,废旧陶瓷具许多优良的性能,具有再生利用的可行性。将废旧陶瓷用于建材行业,既可以处理建筑垃圾、保护环境,又可以解决天然优质骨料资源枯竭的问题,可谓一举两得。
本文在分析陶瓷材料和特细砂特点的基础上,探讨了废陶瓷再生砂在特细砂中合理掺量的确定方法,以期为不同地区、不同材性骨料的掺配使用提供参考。
1 原材料
通过对两种材料基本性能的试验研究与分析,发现陶瓷再生砂与天然砂主要差别在于:(1)粒型不同:天然砂颗粒一般比较圆润光滑;而陶瓷再生砂是破碎而成,一般具有棱角。(2)吸水率不同:天然砂较为致密,吸水率较小;陶瓷再生砂由于其多孔性,因而吸水率较大。根据以上这些差异和经济性要求,结合特细砂的特点,确定了将废陶瓷破碎成较粗颗粒,部分取代特细砂的基本思路。两种砂的外形分别如图1和图2所示,其筛分试验结果如表1所示。
注:陶瓷再生粗砂用室内装修过程中产生的废瓷砖,经清洗、晒干后由颚式破碎机破碎为0.15mm~4.75mm的颗粒。
2 陶瓷再生粗砂合理掺量的确定
再生粗砂和特细砂有一个合理掺量范围,在达到砂浆、混凝土各项性能的同时,可减少水泥与水的用量,节约成本,提高混凝土的经济性和耐久性。
2.1 按细骨料技术指标确定掺量范围
由陶瓷再生粗砂和特细砂配成的陶瓷再生混合砂,首先应符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[3]中规定的技术要求。相同情况下,影响砂浆、混凝土强度的主要是骨料与水泥石的界面薄弱区和水泥石的强弱,细骨料对砂浆和易性的影响主要为砂的颗粒形状、表面状态、粗细程度以及砂的级配。合理掺量的确定主要考虑砂的粗细程度以及级配。
2.1.1 按细度模数确定掺量范围
已知特细砂和陶瓷再生粗砂的细度模数和筛分结果,按一定比例掺配,使陶瓷再生混合砂的细度模数满足中砂要求。再生混合砂的细度模数计算方法[4]如下:将已测两种砂的分计筛余百分率按照其混合比例进行加权计算,得到再生混合砂的分计筛余百分率和累计筛余百分率,再根据细度模数公式计算出混合砂的细度模数,计算公式如下:
式中,a1,a2,a3,a4,a5,a6—4.75mm,2.36mm,1.18mm,0.6mm,0.3mm,0.15mm筛的分计筛余百分率,%;
air—第r种砂与i对应各筛上的分计筛余百分率,%;
pr—第r种砂掺配量占再生混合砂总量的质量百分比;
A1,A2,A3,A4,A5,A6—4.75mm,2.36mm,1.18mm,0.6mm,0.3mm,0.15mm筛累计筛余百分率,%;
Mx—再生混合砂的细度模数。
根据中砂细度模数上下限(3.0,2.3),确定陶瓷再生粗砂掺量的上、下限,结果见表2。
即:根据细度模数要求确定的陶瓷再生粗砂的掺量范围为35%~58%。
2.1.2 按颗粒级配确定掺量范围
砂细度模数的大小反映的是其整体粗细程度,但并不能反映其级配的优劣。细度模数相同的砂,级配可能差别很大。所以,确定陶瓷再生混合砂的最佳掺量必须同时考虑砂的颗粒级配。根据JGJ52—2006第3.1.2条中关于Ⅱ区中砂的级配要求,计算陶瓷再生粗砂掺量上限、下限,计算过程见表3。
由表3可见,下限为51.9%,上限为43.2%,但按规定除4.75mm和0.6mm筛的累计筛余百分率不能超过Ⅱ区上下限外,其他筛累计筛余百分率可略有超出,但超出总和不能超过5%。所以,当掺量取51.9%时:57.87×0.519=30,满足超出量之和≤5%;当掺量取44%时:98.62×0.44+39.17×0.56=65.3,满足超出量之和≤5%。所以,根据Ⅱ区上下限要求,可确定陶瓷再生粗砂的掺量范围为44%~51.9%。陶瓷再生粗砂不同掺量时对应级配曲线见图3。
2.2 按假定填满原则确定合理掺量[5]
混凝土配合比中的合理砂率是指在流动性不变的前提下,所需水泥浆总体积为最小的砂率。或在用水量和水灰比一定的前提下,砂子填满石子空隙并有一定的富余量,能和水泥浆一起在石子间形成一定厚度的砂浆层,以减少粗骨料间的摩擦阻力,使混凝土流动性达最大值的砂率。如果将较粗的陶瓷再生粗砂看作混凝土中的碎石,将较细的特细砂看作混凝土中的细骨料,可以类似地提出再生混合砂的假定填满原则:假定特细砂填满陶瓷再生粗砂空隙并有一定富余量,能和水泥浆一起在其间形成一定厚度的特细砂浆层,以减少陶瓷再生粗砂间的摩擦阻力,使砂浆流动性达最大值。
1—特细砂(T);2—陶瓷再生粗砂(R);3—50%R+50%T;4—44%R+56%T;5—51.9%R+48.1%T;6—Ⅱ区下限;7—Ⅱ区上限
根据假定填满原则:
将式(5)代入式(4)可得:
其中:故:
整理得式(8),陶瓷再生混合砂掺量可按式(8)计算。
以上各式中,Vt′,Vz′分别为1m3混凝土中特细砂、陶瓷再生粗砂的堆积体积,m3;λ为砂的剩余系数,又称拨开系数,一般取1.1~1.4[6];Pz′为陶瓷再生粗砂的空隙率,%;ρt′,ρz′分别为特细砂、陶瓷再生粗砂的堆积密度,kg/m3(分别为1452kg/m3、1058kg/m3);ρz为陶瓷再生粗砂的表观密度,kg/m3(为2492kg/m3);mt,mz分别为1m3砂浆中特细砂、陶瓷再生粗砂的质量,kg。
将ρt′=1452kg/m3,ρz′=1058kg/m3,ρz=2492kg/m3,λ=1.2代入式(5)可得:陶瓷再生粗砂最佳掺量为51.4%。
2.3 根据富勒最大密度曲线理论确定合理掺量
设计混凝土配合比时,砂、石应有最密实的堆积。获得最密实堆积的经典方法是著名的富勒(Fuller)氏连续级配理论,即固体颗粒按粒度大小,有规则地组合排列,粗细搭配,可以得到密度最大、空隙最小的混合料,其方程式为:
式中,Pi—孔径为di(mm)的筛子的通过百分率,%;各号筛的通过百分率等于100减去该号筛的累计筛余百分率,准确至0.1%,即:Pi=100-Ai;
di—骨料各级粒径,mm;
D—混合料的最大粒径,mm;
n—试验指数。
泰波(Talbol)将富勒曲线指数0.5改成n,认为指数不应该是一个常数,而应该是一个变数。研究认为,沥青混合料中用n=0.6时,密度最大(水泥混凝土中用n=0.25~0.45时施工和易性较好)。式(9)就是最大密度理想曲线的级配组成计算公式。根据这个公式,可以计算出矿质混合料最大密度时各种颗粒粒径的通过量。
再生混合砂中陶瓷再生粗砂粒径较粗,可视为混凝土骨料中的粗骨料,而将特细砂视为混凝土骨料中的细骨料,根据富勒最大密度曲线理论可以确定陶瓷再生粗砂的掺量,从而得到密度最大、空隙最小的混合砂。综合前述的细度模数和级配要求,最佳掺量范围为44%~51.9%,而根据假定填满准则,陶瓷再生粗砂最佳掺量为51.4%。根据富勒最大密度曲线理论求得通过百分率和最大密实级配曲线见表4和图4。
由图4可见,对现有两种骨料筛分结果而言,陶瓷再生粗砂掺量为51.9%时最接近最大密实级配区。当然,在特细砂粗细和级配固定的情况下,可以通过适当调整颚式破碎机的颚板间距,得到更理想的陶瓷再生粗砂级配,从而找出陶瓷再生粗砂的最佳掺量范围,使掺配后混合砂级配完全落在富勒最大密度曲线区间内。
注:n为试验指数。
3 试验验证
由以上计算分析可知,针对上述两种骨料筛分结果,陶瓷再生混合砂中陶瓷再生粗砂合理掺量范围为44%~51.9%,通过假定填满原则方法确定的最佳掺量为51.4%,其结果也基本符合富勒最大密度曲线理论。
现取陶瓷再生粗砂掺量为50%,分别以特细砂、陶瓷再生粗砂、陶瓷再生混合砂(50%陶瓷再生粗砂与50%特细砂)和级配良好的天然中砂为细骨料配制砂浆,测试不同骨料砂浆性能作对比试验,结果见表5。
由表5可见,陶瓷再生粗砂掺量为50%时,在砂浆稠度相近,均满足砂浆工作性的情况下,表中陶瓷再生混合砂砂浆各项性能均优于特细砂砂浆和陶瓷再生粗砂砂浆,其28d抗压强度与级配良好的天然中砂砂浆28d抗压强度相近,后期抗压强度和抗折强度、干缩率均优于级配良好的天然中砂砂浆的相应性能。
4 结论
(1)通过将废陶瓷破碎为再生粗砂与粒度过细且级配不良的特细砂掺配,可以对特细砂按所需要求进行改性,掺配出符合JGJ 52—2006中规定技术要求的再生细骨料。
(2)按规范中规定的对细骨料的技术要求(细度模数和颗粒即配)、最小空隙率和密度最大等提出的计算方法,通过计算确定的陶瓷再生粗砂的合理掺量具有较好的一致性。
(3)根据现有级配和粗细的特细砂与废陶瓷再生粗砂确定的废陶瓷再生粗砂较优掺量为50%左右。对不同地区、不同级配和粗细的特细砂,可以通过调整废陶瓷再生粗砂的粗细和级配,按前述计算方法确定相应的较优掺量。
摘要：以废弃陶瓷破碎为颗粒较粗的细骨料,即陶瓷再生粗砂,利用其与本地特细砂掺配使用以达到对特细砂改性的目的。针对两种砂的不同特点,通过计算确定了陶瓷再生粗砂的合理掺量范围和最佳掺量。
关键词：废陶瓷,特细砂,再生混合砂,合理掺量
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再生改性 篇6
随着塑料工业制品的飞速发展, 塑料制品在人们的生产和生活中越来越多的出现, 但是大量塑料制品的使用伴随着大量废旧塑料的产生。塑料难以降解, 这将对环境造成严重的污染并将危害人类的健康。因此, 将废旧塑料再利用是人们面临的一项课题。目前, 塑料废弃物的再利用技术可以分为两类[1]:一类是直接在再利用, 另一类是改性再利用。第二种方法越来越受到人们的关注[2]。本试验将三种不同掺量的再生ABS/PC塑料颗粒取代部分细骨料掺入普通混凝土当中, 然后对该改性混凝土试件进行立方体抗压强度试验, 轴心抗压强度试验, 抗折强度试验。研究了不同的再生塑料颗粒掺量对混凝土各项力学性能的影响。
2 试验概况
2.1 试验原材料
⑴水泥采用广州越堡水泥厂生产的P·O普通硅酸盐水泥, 强度等级为32.5R。
⑵水采用普通自来水。
⑶砂为普通河砂, 中砂, 连续级配, 表观密度为2.53g/cm3。
⑷粗骨料为花岗岩碎石, 粒径为10~20mm, 石质新鲜, 没有软弱颗粒。
⑸再生塑料采用ABS/PC塑料颗粒。形状为粒径1~2mm, 高度2~3mm的短柱型颗粒, 密度1.1g/cm3。如图1所示。
⑹外加剂为L-2萘系高效减水剂, 浓度为30%, 减水率达到20%。
2.2 试验配合比
所有试件均以C35普通混凝土为基准混凝土, 塑料颗粒作为骨料等体积替代了一部分细骨料, 替代的体积百分比为5%、10%、15%。减水剂材料用量为胶凝材料用量的2%, 配合比中所有其他要素没有改变。本试验采用的配合比如表1所示, 其中MCRP表示再生塑料改性混凝土, 数字表示塑料颗粒的体积替代掺量。
3 再生塑科颗粒改性混凝土力学性能试验研究
3.1 密度
再生塑料改性混凝土标准养护28d, 从养护地取出, 擦干净表面后, 拿到电子秤称取重量, 通过计算, 得到再生塑料改性混凝土的密度, 其变化如图2所示。
可以看出, 随着塑料颗粒掺量的增加, 改性混凝土的重量及密度均出现不同程度的降低。未掺塑料颗粒的混凝土重量为8.24kg, 密度为2441kg/m3。当掺量达到15%时, MCRP的重量为7.82kg, 密度为2317kg/m3。重量降幅为5.10%, 密度降幅为5.08%。这是由于塑料颗粒的密度小于砂的密度引起的, 砂的表观密度为2530kg/m3, 而塑料颗粒的密度仅为1100kg/m3。
3.2 立方体抗压强度
在混凝土的诸多强度指标中, 抗压强度是混凝土最基本及最重要的力学性能指标, 根据塑料颗粒掺量的不同, 本次试验共有4组, 每组包含3个试件。28d标准养护立方体抗压强度的试验结果如表2所示。
从表中可以看出, 随着再生塑料颗粒掺量的增加, MCRP的抗压强度先增加后减少, 掺量为5%时达到最大值55.5MPa。掺入再生塑料颗粒后的改性混凝土, 抗压强度均比普通混凝土高, 增幅为0.9%~19.6%, 当掺量为5%时达到最大值, 强度变化如图3所示。
混凝土立方体抗压强度与质量的比值为强质比, 强质比随掺量的变化如图4所示。从图中可以看出, 随着碎料颗粒掺量增加, 混凝土强质比先增加后降低, 但掺塑料后的强质比均比普通混凝土高, 最大为掺量5%时的6.87MPa/kg, 增大范围为6.0%~21.8%。
3.3 轴心抗压强度
为了与混凝土的实际工作状态一致, 常用棱柱体来反应混凝土的实际抗压强度。根据文献[3], 本次试验采用150mm×150mm×300mm的标准试件, 标准养护28天, 试验机为C888pn100 Matest, 试验结果如图5所示。
3.4 抗折强度
抗折试验采用抗折试验采用了100mm×100mm×400mm的非标准试件, 标准养护28天, 试验机为C888pn100 Matest, 测试方法参照参考文献[5], 试验结果曲线如图6所示。从图中可以看出, 掺入塑料改性的混凝土的抗折强度比普通混凝土的高, 强度增加1.9%~20.5%。掺量为5%时抗折强度最高, 为5.75MPa。
4 结论
⑴随着再生塑料颗粒掺量的增加, 改性混凝土的密度降低。这是由于再生ABS/PC塑料颗粒的密度小于砂的密度引起的。
⑵28天标准养护立方体抗压强度、强质比、轴心抗压强度以及抗折强度, 掺入塑料颗粒后强度均比普通混凝土高;随着再生塑料颗粒掺量的增加, 强度先增加后减少, 当强度为5%时达到最大值。
摘要：本试验将三种不同掺量 (5%, 10%, 15%) 的再生ABS/PC塑料颗粒作为一种添加成分取代部分细骨料掺入普通混凝土当中, 然后对该改性混凝土试件进行立方体抗压强度试验, 轴心抗压强度试验, 抗折强度试验。研究不同的再生塑料颗粒掺量对混凝土各项力学性能的影响。实验结果表明, 将再生塑料颗粒掺入普通混凝土当中, 能够改善混凝土的部分力学性能, 同时实现了对塑料废弃物的再利用。
关键词：再生塑料颗粒,改性混凝土,力学性能
参考文献
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再生改性 篇7
氟是人体必需的微量元素之一,缺氟易患龋齿病,但长期饮用氟质量浓度高于1.5 mg/L的水则会引起氟斑牙病,饮水中氟浓度为3.0~6.0 mg/L时会导致氟骨病[1,2]。研究表明饮用水中氟的适宜浓度为0.5~1.0 mg/L[3]。中国大陆属饮水型地氟病高发区,从分布特征来看,饮水型地氟病重点区域包括内蒙古和宁夏大部,青海、甘肃、陕西的中北部,河北南部和山东西北部,以及吉林和黑龙江的西部地区,涉及人口约7 700万人,这其中近500万人的饮用水中含氟量超过5.0 mg/L[4],并且氟化物污染地下水已成为世界范围内严重问题之一[5],因此,地下水降氟处理客观要求突出。
目前对于小区域的饮用水除(降)氟常用吸附法处理,因其除氟效果较好,且设计操作简单,成本也较低[6]。吸附剂主要有活性氧化铝、稀土氧化物、沸石等[7],其中氧化铝吸附降氟处理是USEPA推荐的最佳适用技术(BAT,Best Available Technology)。活性氧化铝具有除氟选择性高和再生较为容易等优点,但吸附容量小、反复再生后吸附容量下降快也是其使用过程中的主要缺陷[8]。鉴于地下水降氟处理的实际需求,全球范围内为探寻新型高效除氟材料的努力持之恒久。在地球化学领域有关地下水中离子成分的分析表明,氟离子浓度与Ca2+、Mg2+离子浓度呈负相关性[9],即Ca2+、Mg2+离子的存在抑制了氟离子的迁移。受到这一研究成果的启发,基于可以获得较高氟吸附容量之一目标,在现有研究成果基础上,本文在同一种氧化铝材料表面进行钙、镁涂层改性处理,以硫酸铝活化处理氧化铝为参比,通过对比试验研究了改性处理提高氟吸附能力的效果与机理,同时对不同改性处理对应的再生方法进行了试验分析,以期为新型除氟材料的研发提供新的技术思路。
1 实验部分
1.1 改性氧化铝的制备
试验采用商用氧化铝,粒径为1.6~1.8 mm。采用浸渍法进行氧化铝涂层处理,具体过程如下。
(1)钙涂层氧化铝颗粒(以下表示为Ca-AA)。
将50 g氧化铝用去离子水冲洗干净后,置于锥形瓶中,加入50 mL 3M氯化钙溶液。放入摇床震荡12 h,不倒掉溶液直接放入烘箱100 ℃干燥8 h,后置于马弗炉中450 ℃焙烧12 h。去离子水冲洗三遍放入烘箱中烘干备用[10]。
(2)镁改性氧化铝颗粒(以下表示为Mg-AA)。
向50 g氧化铝中加入与其等体积的4M氯化镁溶液,再加入1 mol/L NaOH 使pH升至9.5。室温静置30 min后放入烘箱110 ℃干燥8 h,置于马弗炉中450 ℃焙烧2 h。自然降温后用去离子水冲洗三遍烘干备用[11]。
(3)硫酸铝活化(以下表示为AA)。
向氧化铝中加入与其等体积的2.5%硫酸铝溶液,加入1 mol/L NaOH,放入摇床3 h。放入烘箱110 ℃干燥8 h。置于马弗炉中450 ℃焙烧2 h。自然降温后用去离子水冲洗三遍烘干备用。
1.2 表面特征表征
对制备的改性氧化铝进行扫描电镜(美国FEI 公司,Quanta600F 场发射扫描仪)观察和表面晶型测定(日本理学公司, D/max-2400 型 X射线衍射仪)以及比表面积测定(V-sorb 2800P 比表面积及孔径分析仪)。对制备的改性氧化铝进行X射线光电子能谱(K-Alpha)分析表面涂量。
1.3 氟吸附静态试验
采用改性后的活性氧化铝进行氟吸附静态吸附试验。将一定量的活性氧化铝颗粒投入200 mL水样中,在恒温振荡器以150 r/min的转速震荡。采用离子选择电极检测氟离子浓度[12]。人工配制含氟地下水,采用HCl和NaOH调节pH=7.0,采用NaHCO3调节原水至西安地下水电导率。
1.4 再生试验
活性氧化铝除氟能力耗尽后,使用NaOH、Al2(SO4)3和H2SO4对活性氧化铝进行对比再生试验。
2 结果与讨论
2.1 表面特性表征
2.1.1 X射线衍射(XRD)分析
AA、Mg-AA以及Ca-AA颗粒X射线衍射图谱见图1,测定条件:Cu阳极,2θ在3°~90°,间隔0.02,46 kV、100 mA。在2θ为28.80°、37.52°、47.10°、67.18°附近出现4个强度较高的特征衍射峰。与PDF卡片库对照表明,三种颗粒均为吸附性能良好的γ型氧化铝。
2.1.2 SEM图像分析
AA、Ca-AA以及Mg-AA的SEM(放大5 000倍)如图所示。从图2中更可以看出,与AA相比,Ca-AA以及Mg-AA的表面更加粗糙,尤其Ca-AA,不规则地分布着不同大小和不同形状的孔隙,发达的孔隙结构预示了较高的吸附能力。并且表面生成大量氧化钙结晶。
2.1.3 XPS定量分析
以光电子的动能为横坐标,相对强度(脉冲/s)为纵坐标可做出光电子能谱图,从而获得待测物组成(如图3所示)。根据能谱图中光电子谱线强度(光电子峰的面积)反应原子的含量或相对浓度。
根据能谱图分析可得AA表面仅由Al2O3组成。Ca-AA 表面Ca的含量为8.04%、Mg-AA表面Mg的含量为6.04%。由元素结合能分析可知,Ca-AA表面钙的存在形式为CaO, Mg-AA表面为MgO。
2.1.4 比表面积测定
通过BET分析测定,AA的比表面积为154.62 m2/g,
Ca-AA为198.82 m2/g,Mg-AA为202.80 m2/g。改性处理增大了氧化铝的比表面积,钙、镁改性处理对氧化铝比表面积影响的强度差异不大。
2.2 不同方法改性活性氧化铝后除氟
试验条件:2.0 g吸附剂投入200 mL模拟含氟水中,25 ℃恒温振荡器150 r/min震荡24 h。AA、Ca-AA和Mg-AA 3种材料的氟吸附量比较见表1。
在试验氟浓度条件下,钙、镁涂层处理后,氧化铝的氟吸附容量均有所增加。试验中3种吸附剂处理后的水中氟离子浓度无法满足[F-]≤1.0 mg/L的处理要求,考虑到对比试验条件所限,此结果不具备实际处理指导意义,仅作为对比参考。
2.3 氟吸附动力学试验
称取3种吸附剂各1.0 g,投入到氟离子浓度为5.0 mg/L的200 mL水样中,放入25 ℃恒温振荡器150 r/min震荡,定时取样分析。在原水pH值=7.0条件下,3种吸附剂的氟吸附试验结果见图4。
图4显示,Ca-AA和Mg-AA均在6 h达到吸附平衡,未改性活性氧化铝需12 h。并且改性后AA吸附量明显高于未改性活性氧化铝。
在吸附理论研究中,常用的吸附速率模型包括Langergren一级反应速率模型和二级反应速率模型,将试验数据用以上两种模型拟合后的分析结果见表2。
表中表征氟吸附过程的速率常数k1越大,k2值越小,吸附速率越快。试验结果表明3种活性氧化铝中,Mg-AA氟吸附速率最快,Ca-AA其次,AA最慢。这与Ca-AA和MgO-AA内部存在大量的空隙结构有关。拟合相关性显示,二级反应速率模型可以用来较好的描述三种活性氧化铝氟吸附过程。
如图5,按照扩散速率模型分析,结果表明3种活性氧化铝吸附氟离子的速率均同时受到空隙内扩散和颗粒外表面的制约。
2.4 氟吸附能力的再生
2.4.1 再生方法的选择
2.4.1.1 再生剂类型
分别使用0.2 mol/L硫酸、0.4 mol/L硫酸铝、0.25 mol/L氢氧化钠进行氟饱和氧化铝再生。硫酸与硫酸铝再生后,废液中几乎不存在氟离子,即无解吸作用,其再生实际为后续的水洗作用。氢氧化钠再生后废液中含氟量高,表明存在着氟的解吸过程。多次再生后结果如图6和图7。可见氢氧化钠的再生效果明显优于其他两种试剂。故选择氢氧化钠为再生剂。
2.4.1.2 再生处理条件的确定
称取2.0 g钙改性活性氧化铝,加入200 mL 5.68 mg/L氟化钠溶液除氟至平衡,得到氟吸附量为0.37 mg/g的失效Ca-AA。
(1) 氢氧化钠浓度对再生效果的影响。采用0.1、0.25、0.40、0.80 mol/L 4种不同浓度的氢氧化钠对活性氧化铝进行再生,再生时间为1 h,采用0.2 mol/L的硫酸随后中和,中和的时间为0.5 h。试验结果如图8所示。从图8可知,氢氧化钠浓度为0.25 mol/L时,再生效果最好。
(2)氢氧化钠再生时间对吸附效果的影响。图9所示,采用浓度为0.25 mol/L的强氧化钠溶液对失效的Ca-AA进行再生处理,再生时间分别为:0.5、1.0、2.0、3.0 h。再生后采用0.2 mol/L的硫酸溶液进行中和,时间为0.5 h。从图9可知,3 h再生后除氟量最高,为0.30 mg/g,1 h次之,为0.28 mg/g。但3 h能耗大,铝溶损失量大,故综合考虑1 h为最佳再生时间。
2.4.2 再生性能对比
以上述确定的最佳再生方法,分别对氟吸附平衡后失效的Ca-AA、Mg-AA及AA进行多次除氟再生循环的试验,结果见图10。
第一次再生处理导致Ca-AA、Mg-AA的氟吸附量显著减小,其原因可能是氧化铝表面Ca、Mg的流失,Ca遇NaOH的淋融作用无法避免,而镁的流失可以通过能谱线扫描得到验证,见图11。
后续几次再生处理对于Mg改性、Ca改性、未改性3种氧化铝氟吸附,氟吸附容量在整体表现为降低趋势的同时,后两种氧化铝呈非线性变化。3种氧化铝的4次平均再生氟吸附容量相对衰减率D分别为:DMg=11.6%,DCa=4.3%,DAA=13.5%。从这一指标来看,Ca-AA的优势明显,Mg改性后的氧化铝吸附容量衰减有所缓解。
3 结 语
活性氧化铝经过氯化钙、氯化镁涂层处理,在颗粒表面形成氧化钙、氧化镁涂层,可以提高活性氧化铝颗粒表面的比表面积,电镜观察显示涂层后活性氧化铝的表面更加粗糙,发达的孔隙结构表明其有较高的吸附能力。Ca-AA、Mg-AA氟吸附过程中,反应速率遵循Langergren二级反应速率模型;影响氟吸附速率的因素包括氟离子在氧化铝的内扩散和颗粒外表面扩散。
Ca-AA、Mg-AA的饱和吸附量皆远远大于未改性活性氧化铝,并具有较好的再生性能。尤其Ca-AA,展现了良好的吸附再生性能。除氟能力耗尽后,选用0.25 mol/L的氢氧化钠对Ca-AA、Mg-AA进行再生效果最好,再生的最佳时间为1 h。
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