《Journal of Building Engineering》：Preparation of Water-Resistant Wrap-Shell Lightweight Aggregates and Its Water Absorption Property
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提高濕度環境下疏浚土壤基包裹殼輕質骨料（WSLAs）結構穩定性的研究，通過摻入有機硅（OSI）、乳化瀝青（ESI）和聚氨酯（PSI）三種防水劑，系統研究防水劑類型、摻量及浸水時間對骨料吸水率、軟化系數和單顆粒承載力的影響，結合XRD、FT-IR和SEM分析揭示機理，發現OSI-WSLAs在0.08%摻量下吸水率降低46.74%，軟化系數和承載力分別提升83.67%和93%，其疏水膜在阻止水分滲透的同時不影響水化反應，顯著提升鹽凍融循環下的質量穩定性。
張鵬琪|胡安琪|霍阿熙|吳強|吳妍|鞠成功|彭曉|張新月|康婷婷
天津科技大學化學工程與材料科學學院，中國天津市經濟技術開發區第13大道29號，300457
摘要
為了提高基于疏浚沉積物的包裹殼輕質骨料（WSLAs）在潮濕環境中的結構穩定性，將三種防水劑——有機硅（OSI）、乳化瀝青（ESI）和聚氨酯（PSI）加入殼層中，成功制備了新型防水包裹殼骨料。系統研究了防水劑類型、用量和浸泡時間對骨料吸水率、軟化系數和單顆粒承載能力的影響。利用X射線衍射（XRD）、傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）和掃描電子顯微鏡（SEM）闡明了其改性機制。結果表明，三種防水劑的最佳用量為0.08%。其中，OSI-WSLAs在早期防水性能方面表現最為突出：浸泡24小時后，其吸水率比未經處理的骨料（U-WSLAs）降低了46.74%；浸泡1小時后，軟化系數和單顆粒承載能力分別提高了83.67%和93%。微觀分析顯示，OSI在孔壁上形成的疏水膜既防水又透氣，有效防止了液態水的滲透，同時不影響殼層的水化過程，從而保證了骨料的結構強度。相比之下，ESI和PSI主要通過物理包裹和孔隙填充機制起作用，這抑制了水化反應并限制了強度的發展。此外，防水處理還有效提高了骨料在鹽凍條件下的質量穩定性。所制備的防水WSLAs結合了高強度特性和內部固化潛力，為疏浚沉積物的資源利用提供了高性能解決方案。
引言
隨著全球建筑業的發展，對各種磚塊和混凝土產品的需求急劇增加，導致沙子和礫石等不可再生資源的過度開采以及生態破壞[1]。同時，中國的疏浚項目每年產生數億噸疏浚沉積物，給其妥善處理帶來了挑戰。傳統的疏浚土壤處理方法包括填埋和農業利用[2]，這不可避免地造成了一些資源浪費。通過非燒結方法將疏浚土壤用于建筑材料是解決建筑行業中不可再生資源供需不平衡問題的有效且安全的解決方案[2]。目前，已成功從處理過的疏浚沉積物中開發出了包裹殼輕質骨料（WSLAs）[3]，近年來其應用范圍擴展到非燒結磚、混凝土塊和人造卵石等領域[4]、[5]。基于WSLAs的人造混凝土試件或非燒結磚的強度已經達到甚至超過了天然碎石[5]。目前，在建筑材料行業中，已通過使用WSLAs實現了部分替代天然石材材料。
與水泥基混凝土類似，WSLAs由于其多孔結構（包含大量孔隙、微孔和微通道）而具有親水性[6]。這一特性促進了水和氯化物、硫酸根離子等侵蝕性離子的侵入[7]。水的滲透會加速水化過程，導致干燥收縮和裂縫形成[8]。此外，水分滲透是導致凍融損傷和化學侵蝕的關鍵因素[9]。值得注意的是，主要由疏浚沉積物組成的WSLAs核心在水侵入時容易發生塌陷。因此，過度吸水會降低WSLAs的機械強度和耐久性[10]。因此，對WSLAs進行防水處理對于延長其使用壽命和促進其在建筑材料行業的應用至關重要。
為了解決水泥結構因受潮而導致的劣化問題，采用了多種防水劑（WRs）[11]、[12]。一般來說，防水劑的作用包括涂層[13]、孔隙堵塞[14]、[15]和孔隙內襯[16]。最常用的防水劑包括乳化瀝青[17]、聚氨酯[18]和有機硅化合物[19]。據報道，經過適當改性后，基于瀝青的防水涂層在不同地理環境條件下具有良好的適應性[11]、[20]。聚氨酯可以顯著減少孔隙的連通性，調節孔徑分布，填充微裂紋，并與水泥內部的水化產物交織在一起，從而降低混凝土的吸水率和強度保持性[21]、[22]。對于有機硅化合物，研究表明它們可以輕松滲透到混凝土的孔隙和裂縫中，附著在內部表面形成疏水層，防止水分滲透到混凝土中[23]，使混凝土的抗壓強度高于對照組[24]。然而，防水處理可分為兩類：外部防水處理和整體防水處理[25]，其中前者由于表面隨時間磨損和剝落，難以保持疏水性[11]。
骨料在混凝土材料中起著關鍵作用。研究表明，吸水結構可以緩解碳化[26]或水化[27]過程中的早期干燥收縮，從而提高混凝土的機械強度。輕質和粗骨料已被用作內部固化添加劑，以減少傳統混凝土的自收縮[28]、[29]、[30]。我們團隊開發的WSLAs具有多孔結構，是潛在的內部固化材料。然而，關于它們在混凝土中的吸水及釋放特性的研究仍然有限。此外，盡管這些骨料通常作為犧牲組分使用[30]，但僅將其用于內部固化會浪費其高強度特性（這些特性與天然石材相當）。因此，研究應用環境對WSLAs的影響至關重要。
本研究開發了核殼結構的WSLAs。采用了一種將防水劑直接混合到水泥殼基質中的改性方法。所得骨料分別稱為有機硅殼摻雜WSLAs（OSI-WSLAs）、乳化瀝青殼摻雜WSLAs（ESI-WSLAs）和聚氨酯殼摻雜WSLAs（PSI-WSLAs）。系統研究了防水劑的用量和類型對骨料吸水率、軟化系數和單顆粒承載能力的影響。在最佳用量條件下，研究了這些性質在浸泡過程中的變化。為了闡明其改性機制，使用紅外光譜和XRD分析了防水劑對骨料殼層水化的影響，同時使用SEM評估了它們對骨料形態的影響。基于這些發現，提出了一種機制來解釋防水劑如何增強骨料的防水性能。此外，還對不同水灰比的混凝土塊進行了凍融實驗和“吸水及釋放”測試，以評估處理后骨料的抗鹽凍性能以及混凝土環境對其應用的影響。
材料與方法
本研究中使用的疏浚沉積物來自中國無錫的太湖。本研究使用的波特蘭水泥42.5R由安徽海洛水泥有限公司提供。實驗中使用的其他材料如下：石灰（靈壽縣德亨礦物制品加工廠）、透氣有機硅（上海牛源工貿有限公司）、陰離子乳化瀝青（臨沂凱澳化工有限公司）、水性聚氨酯（廣州亨辛克新材料有限公司）
24小時吸水率和1小時軟化系數的結果
測量了四種WSLAs的24小時吸水率和1小時軟化系數，結果如圖2所示。與U-WSLAs相比，OSI-WSLAs的24小時吸水率隨著有機硅含量的增加而降低。當有機硅含量從0%增加到0.08%時，24小時吸水率有所下降；但當有機硅含量超過0.08%時，24小時吸水率僅略有下降。結論
使用疏浚沉積物作為主要殼組分制備了核殼結構的WSLAs。將三種防水劑——有機硅、乳化瀝青和聚氨酯——摻入殼層中，得到了三種類型的WSLAs：OSI-WSLAs、ESI-WSLAs和PSI-WSLAs。研究了防水劑的用量和浸泡時間對這三種WSLAs防水性能的影響。
未來展望與潛在應用
所開發的防水WSLAs，特別是OSI-WSLAs，在多種土木工程應用中具有巨大潛力。它們獨特的“透氣”疏水膜和高軟化系數使其成為高性能輕質混凝土的理想選擇，適用于要求苛刻的結構，并可作為超高性能混凝土（UHPC）中的內部固化劑，以減少自收縮。增強的抗濕性能也支持其在海洋和沿海環境中的使用。
CRediT作者貢獻聲明
張新月：寫作 – 審稿與編輯。
康婷婷：寫作 – 審稿與編輯。
張鵬琪：寫作 – 原稿撰寫、軟件使用、方法設計、數據整理、概念構思。
胡安琪：數據可視化、實驗研究。
霍阿熙：數據驗證、軟件使用。
鞠成功：軟件使用、方法設計、概念構思。
彭曉：寫作 – 審稿與編輯。
吳強：數據驗證、軟件使用。
吳妍：項目監督
利益聲明
作者聲明沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
競爭利益聲明
作者聲明沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
本工作得到了國家自然科學基金（編號：22309132）的財政支持。感謝天津科技大學為這項工作提供了必要的設施。
