摘要
针对风积沙作为混凝土骨料使用时粒径小、比表面积大、吸水性强的问题，采用水泥胶结与表面疏水改性的方法，制备了大粒径表面疏水型再生风积沙骨料.结果表明：经硅烷偶联剂配合有机硅树脂改性的再生风积沙骨料，其吸水率明显降低，改性剂配比对再生风积沙骨料吸水率的影响较小；疏水改性不会降低再生风积沙骨料的强度以及再生风积沙骨料与水泥石间的黏结强度；使用表面改性再生风积沙骨料制备混凝土，其力学性能和工作性能明显改善；疏水改性可以优化再生风积沙骨料表面的微观结构，增大其表面浸润角.
风积沙分布广泛，流动性强，既破坏耕地，又是扬尘的重要成
为降低无机材料表面的吸水性或增强无机、有机材料界面间的相容性，无机材料的表面改性处理是目前经常使用的技术手
为解决风积沙级配不良、比表面积大和吸水性强的问题，本研究尝试采用水泥胶结与表面疏水改性的方法制备大颗粒表面疏水型再生风积沙骨料，探究改性后再生风积沙骨料和再生风积沙骨料混凝土的物理性能变化规律及相关作用机制，为风积沙在建筑材料领域的资源化利用提供参考.
水泥采用金隅冀东牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，Ⅱ级粉煤灰取自呼和浩特市金桥电厂；细骨料为河砂，细度模数为2.8；减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率（质量分数，文中涉及的减水率、水灰比等除特别说明外均为质量分数或质量比）为16%；拌和水为自来水；硅烷偶联剂采用γ‑丙基三甲氧基硅烷；有机硅树脂采用甲基苯基聚硅氧烷树脂；风积沙取自内蒙古库布其沙漠，其粒径小于1 mm，不均匀系数为5，属级配严重不良的骨料，粒径分布如
图1 风积沙的粒径分布
Fig.1 Particle size distribution of aeolian sand
采用水泥固化风积沙的方式制备普通再生风积沙骨料，具体过程如下：首先，制备水泥净浆（水灰比0.5）；随后，加入风积沙（胶砂比1：4）并搅拌均匀，将拌和物装入模具内振捣密实，脱模后在标准养护条件下（（20±2） ℃、相对湿度95%）养护28 d后脱模；最后，将水泥固化风积沙试件打碎，筛选出粒径约5 mm的固化颗粒，即普通再生风积沙骨料.
在制备出普通再生风积沙骨料的基础之上，采用硅烷偶联剂和有机硅树脂对普通再生风积沙骨料进行改性处理，以制备表面疏水再生风积沙骨料.使用以上2种改性材料原因在于：再生风积沙骨料属于无机材料，有机硅树脂属于疏水性的有机材料，无机与有机材料之间的很难形成牢固的化学键；为此，需要硅烷偶联剂作为2类材料之间的媒介.硅烷偶联剂遇水后，一端的烷氧基水解成硅羟基，硅羟基能与风积沙、水泥石表面的羟基发生缩聚反应，形成牢固的氢键及Si—O—Si共价键；硅烷偶联剂的另一端可与有机硅树脂反应形成共价
此外，考虑到硅烷偶联剂用量小时，骨料表面与有机硅树脂之间缺少连接媒介，可能导致有机硅树脂无法将骨料表面完全包裹；而硅烷偶联剂用量过大时，包裹层过厚可能影响骨料与胶凝材料之间的黏结强度.为此，在疏水改性处理中，以硅烷偶联剂溶液中有效成分（γ‑丙基三甲氧基硅烷）的质量分数（5%、10%、15%）为控制变量，对应试件编号为OR5、OR10、OR15，普通再生风积沙骨料试件编号记为OR0，天然河沙骨料试件编号记为S.再生风积沙骨料表面疏水改性处理的具体过程如下：首先，将普通再生风积沙骨料在硅烷偶联剂溶液中浸渍3 h；随后，放入有机硅树脂中浸泡12 h，在实验室条件下等待骨料表面改性剂自然固化.
为测试再生风积沙骨料对混凝土工作性能和力学性能的影响，制备了再生风积沙骨料混凝土.试件的配合比如
| Specimen | Cement | Water | Fly ash | Recycled aeolian sand aggregate | Ordinary aggregate | Water reducer |
|---|---|---|---|---|---|---|
| S | 310.0 | 155.0 | 80.0 | 0 | 900.0 | 7.8 |
| OR0 | 310.0 | 155.0 | 80.0 | 900.0 | 0 | 7.8 |
| OR5 | 310.0 | 155.0 | 80.0 | 900.0 | 0 | 7.8 |
| OR10 | 310.0 | 155.0 | 80.0 | 900.0 | 0 | 7.8 |
| OR15 | 310.0 | 155.0 | 80.0 | 900.0 | 0 | 7.8 |
采用推出法测试再生风积沙骨料与水泥石的黏结强
| （1） |
式中：Fmax为最大荷载，N；X为再生风积沙材料与水泥石的相对位移，mm；D为试件直径，mm；H为再生风积沙材料与水泥石的接触面高度，mm.
图2 推出法测试再生风积沙材料与水泥石的黏结强度
Fig.2 Push‑out method for testing the bond strength of recycled aeolian sand material with cement paste
图3 试件的吸水率
Fig.3 Water absorption of specimens
图4 试件的压碎值
Fig.4 Crushing index of specimens
图5 再生风积沙骨料与水泥石的黏结强度
Fig.5 Bond strength between recycled aeolian sand and cement stone
疏水改性对再生风积沙骨料与水泥石界面之间的黏结强度主要存在两方面的影响：一方面，经疏水改性后，再生风积沙骨料与水泥石之间的化学结合性降低，从这一角度考虑，疏水化性不利于提升再生风积沙骨料与水泥石之间的黏结强度；另一方面，疏水改性后，再生风积沙骨料表面的孔隙被疏水改性剂填充、覆盖，降低了其表面对水泥浆体中水分的吸收能力，保障了水泥浆体硬化过程中对水分的需求，提升了界面处水泥石的水化质量，进而提高了界面黏结强度.结合黏结强度可以看出，以上两方面影响中，后者起主要作用，前者起次要作用.
图6 试件的摊铺直径
Fig.6 Extended diameter of specimens
| Specimen | Compressive strength | 28 d flexural strength | |
|---|---|---|---|
| 7 d | 28 d | ||
| S | 33.5 | 36.6 | 4.2 |
| OR0 | 22.6 | 25.3 | 2.8 |
| OR5 | 31.7 | 34.3 | 3.5 |
| OR10 | 28.5 | 31.2 | 2.8 |
| OR15 | 25.0 | 27.8 | 2.4 |
图7 骨料的表面浸润角
Fig.7 Surface contact angle of aggregate
图8 骨料的表面微观形貌
Fig.8 Surface micromorphology of aggregate
从再生风积沙表面浸润角和微观结构可以看出，表面疏水再生风积沙骨料混凝土之所以表现出相对良好的工作性能与力学性能，主要原因在于：首先，改性剂（硅烷偶联剂配合有机硅树脂）提高了再生风积沙骨料表面的疏水性（见
（1）在不降低再生风积沙骨料自身强度的前提下，硅烷偶联剂配合有机硅树脂可以显著提升再生风积沙骨料的疏水性.疏水化改性后，再生风积沙骨料的吸水率由5.01%下降至约1.00%，硅烷偶联剂溶液中有效成分含量的变化对再生风积沙骨料吸水率的影响较小.疏水改性处理不会影响再生风积沙骨料自身的强度.经5%硅烷偶联剂配合有机硅树脂处理后，再生风积沙骨料与水泥石之间的黏结强度可提升约45%.
（2）相比普通再生风积沙骨料混凝土，采用表面疏水再生风积骨料制备的混凝土的工作性能、力学性能明显改善，其流动性接近天然河砂骨料混凝土，抗压强度、抗折强度明显高于普通再生风积沙骨料混凝土.其中采用经5%硅烷偶联剂配合有机硅树脂处理后的再生风沙骨料配置的混凝土，其抗压强度、抗折强度相较普通再生风积沙骨料混凝土提高了约40%和25%.
（3）经硅烷偶联剂配合有机硅树脂疏水改性后，再生风积沙骨料表面的浸润角增大.硅烷偶联剂与有机硅树脂形成的凝胶状物质能够紧密包裹再生风积沙骨料，改善骨料表面的微观结构，降低表面孔隙率.
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