納米SiO2改性再生混凝土抗氯離子的滲透性能實(shí)驗(yàn)

林騰瑋，劉孫濤，羅素蓉，劉鈺煜

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

隨著我國生產(chǎn)力水平的提高，許多混凝土建筑面臨改建拆遷或因耐久性問題提前退出服役. 《中國城市環(huán)境衛(wèi)生行業(yè)發(fā)展研究報(bào)告(2015—2016)》[1]指出： 我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾總量約為15.5～24億t，占據(jù)城市垃圾約30%～40%的比例，2015年建筑垃圾產(chǎn)生量超過15億t, 至2020年左右，我國建筑垃圾產(chǎn)生量可能達(dá)到峰值. 現(xiàn)今我國處理廢棄混凝土的方式以填埋場填埋、 堆填棄置、 用做路基材料或者場地回填料為主，更有甚者非法棄置[2]，不僅資源利用率低，對土地環(huán)境更是造成巨大的破壞. 在此形勢下，再生骨料混凝土的概念應(yīng)運(yùn)而生.

使用再生骨料制備而成的混凝土稱為再生混凝土，其運(yùn)用可有效降低混凝土產(chǎn)業(yè)對環(huán)境的影響[3]. 相關(guān)研究表明，再生骨料混凝土與同配合比普通混凝土相比，強(qiáng)度和抗氯離子侵蝕性能降低. 文獻(xiàn)[4]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度比普通混凝土低8%～24%，文獻(xiàn)[5]通過NEL法測出再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土氯離子滲透系數(shù)較普通混凝土增加了104%. 文獻(xiàn)[6]發(fā)現(xiàn)隨著再生粗骨料取代率的提高，再生混凝土中氯離子侵蝕所致的鋼筋銹蝕開裂時(shí)間加快. 由此可見再生骨料的取代率對再生混凝土的影響較大，如何改良骨料性能，將再生骨料更大比例地應(yīng)用到新拌混凝土中具有重大的意義. 21世紀(jì)初，納米改性材料作為一種具有納米尺寸的超細(xì)材料逐漸受到人們的關(guān)注. 文獻(xiàn)[7]采用納米SiO2浸漬再生骨料的方式對再生骨料進(jìn)行了改性處理，發(fā)現(xiàn)經(jīng)納米SiO2改性處理后的再生骨料混凝土力學(xué)性能明顯改善，其強(qiáng)度與變形性能甚至與普通預(yù)拌混凝土相當(dāng). 可見通過研究納米材料對骨料的改性從而改善再生混凝土的耐久性能在當(dāng)下具有重大的意義. 本研究配制3組不同質(zhì)量濃度(2%、 4%、 6%)納米SiO2溶液將再生骨料浸漬不同時(shí)間(24、 36、 48、 60和72 h)，從而得出納米SiO2強(qiáng)化效果的最優(yōu)濃度和時(shí)間，并分析不同再生骨料取代率下Cl-擴(kuò)散系數(shù)情況，得到納米SiO2溶液對混凝土抗氯離子滲透性能方面具有強(qiáng)化作用.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為357 m2·kg-1，密度3 246 kg·m-3. 所用拌和水為福州市自來水. 細(xì)骨料采用福建省閩江細(xì)砂，表觀密度為2 719 kg·m-3，細(xì)度模數(shù)為2.14. 減水劑為聚羧酸系高效減水劑，符合《混凝土外加劑(GB 8076—2008)》[8]和《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(GB 50119—2013)》[9]的相關(guān)要求.

天然粗骨料為5～20 mm連續(xù)級配的碎石，經(jīng)檢測符合《建設(shè)用卵石、 碎石(GB/T 14685—2011)》[10]規(guī)范要求； 再生骨料來源于路面廢棄混凝土，經(jīng)破碎篩分為5～20 mm連續(xù)級配的再生骨料. 天然骨料及再生骨料性能指標(biāo)見表1，可見再生粗骨料的表觀密度、 堆積密度明顯降低，壓碎指標(biāo)、 吸水率明顯上升. 實(shí)驗(yàn)中納米SiO2溶液采用有機(jī)硅溶膠和水按一定比例調(diào)配，配制濃度為2%、 4%、 6%的納米SiO2溶液.

1.2 再生混凝土配合比設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程(JGJ 55—2011)》[11]、 《混凝土用再生粗骨料(GB/T 25177—2010)》[12]和《普通混凝土長期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082—2009)》[13]，以配制出實(shí)際強(qiáng)度達(dá)C30的混凝土試塊為目標(biāo)，保持粗骨料總占比不變，改變其中再生骨料和天然骨料的比例，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì). 混凝土配合比及28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度見表2，其中NC表示普通混凝土，RAC50表示再生粗骨料取代率為50%的再生混凝土，其余同理.

表2 混凝土配合比和28 d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度

1.3 納米SiO2溶液浸漬強(qiáng)化再生骨料實(shí)驗(yàn)

納米SiO2溶液浸漬強(qiáng)化再生骨料實(shí)驗(yàn)采用3組骨料與3組不同濃度納米SiO2溶液混合，完全浸沒狀態(tài)下浸泡24 h. 浸泡完畢后，骨料過篩篩除多余的粘稠納米SiO2溶液. 在溫度(20±2)℃、 相對濕度(64±5)%的條件下，骨料平鋪在潔凈干燥處風(fēng)干3 d，期間定時(shí)翻動，至再生骨料處于自然均勻風(fēng)干狀態(tài).

骨料強(qiáng)化風(fēng)干后，按照規(guī)范《建設(shè)用卵石、 碎石(GB/T 14685—2011)》[9]測出各組骨料的吸水率、 表觀密度、 壓碎指標(biāo)、 氯離子含量. 將處理前后再生粗骨料進(jìn)行性能比較，確定強(qiáng)化處理最優(yōu)濃度對再生粗骨料強(qiáng)化的影響程度及規(guī)律，得到納米SiO2浸漬最優(yōu)濃度. 再次配制最優(yōu)濃度的SiO2溶液，對再生骨料分別進(jìn)行浸漬24、 36、 48、 60和72 h的重復(fù)實(shí)驗(yàn)得出再生粗骨料的最優(yōu)強(qiáng)化時(shí)間.

1.4 NEL法測定再生混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用NEL法，研究三種再生粗骨料取代率(50%、 70%、 100%)對再生混凝土氯離子滲透性的影響. NEL法是基于離子擴(kuò)散和電遷移的一種飽和電導(dǎo)率法[14]. 本研究選用砂率40%，考慮再生骨料吸水率較高，采用逐級增加減水劑用量，在用水量和坍落度不變的情況下，分散水泥顆粒，改善混凝土拌合物的流動性. 圓柱體試件澆筑成型，按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件將試件養(yǎng)護(hù)28 d齡期后脫膜，用實(shí)驗(yàn)室切割機(jī)切成扁圓柱體試件，試件規(guī)格為直徑100 mm，厚度50 mm. 實(shí)驗(yàn)取圓柱體試件中間部分的3塊截面平整部分，采用三塊一組，共五組. 試件放置到NELD-CCM型水泥砂漿智能真空飽水機(jī)中加入配制好并靜置1 d的4 mol·L-1NaCl溶液，真空條件下飽鹽24 h后，使混凝土試件中僅有氯離子作為導(dǎo)電離子.

將飽鹽后的試件固定在NEL-PDU型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定儀上測定氯離子擴(kuò)散系數(shù). 將試件固定在兩個(gè)紫銅電極之間，在1～10 V的外加直流電場下對試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，短時(shí)間(10～15 min)內(nèi)可測得試件兩端的電壓和流過試件的電流，計(jì)算出混凝土試件的電導(dǎo)率[5]. NEL法實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.

圖1 NEL-PDU型氯離子擴(kuò)散系數(shù)測定儀Fig.1 NEL-PDU type chlorine ion diffusion coefficient meter

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 納米SiO2溶液浸泡再生骨料最優(yōu)濃度

不同濃度處理的骨料壓碎指標(biāo)和吸水率以及表觀密度情況見表3. 經(jīng)過質(zhì)量濃度為2%、 4%、 6%的納米SiO2溶液浸泡24 h后，吸水率分別較未處理再生粗骨料降低了5.6%、 10.6%、 7.5%，可見經(jīng)納米SiO2溶液強(qiáng)化處理后，再生粗骨料的吸水率均有所降低，并隨著納米SiO2溶液的濃度增加，呈明顯的先下降后上升的趨勢，強(qiáng)化溶液濃度為4%時(shí)效果最優(yōu). 就壓碎指標(biāo)而言，RCA骨料經(jīng)濃度為2%和6%的納米SiO2溶液浸泡24 h后，較強(qiáng)化處理前分別升高了6.7%、 0.8%，而經(jīng)濃度4%納米SiO2溶液處理后，壓碎指標(biāo)降低了2.5%，呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，在溶液濃度為4%時(shí)壓碎指標(biāo)最小，骨料抵抗碎裂能力最強(qiáng).對于氯離子含量，隨著納米SiO2溶液的強(qiáng)化濃度的增加，呈明顯的先下降后上升的趨勢，其自由氯離子含量較未強(qiáng)化處理再生粗骨料分別降低了53.1%、 54.7%、 54%. 對于表觀密度，RCA骨料經(jīng)不同濃度納米SiO2溶液浸泡處理后，表觀密度分別降低了0.49%、 0.41%、 0.68 %，考慮到再生骨料本身的表觀密度基數(shù)大，表觀密度在強(qiáng)化前后數(shù)據(jù)差別不大，不能很明顯地反映強(qiáng)化效果.

綜合比較分析可知，使用濃度為4%的溶液強(qiáng)化效果較好. 原因在于納米硅溶膠能使再生骨料混凝土界面過渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)變得更加致密[15]，而高濃度納米SiO2溶液由于分子尺寸較小容易發(fā)生團(tuán)聚效應(yīng)，導(dǎo)致粒子性質(zhì)發(fā)生改變[16]. 再者，考慮到納米SiO2溶液的造價(jià)較高，選取4%濃度的該溶液作為本研究強(qiáng)化的最優(yōu)濃度.

表3 不同濃度納米SiO2溶液處理后骨料的物理性能指標(biāo)

注： RCA-S4-24中RCA表示再生粗骨料，S4表示納米SiO2溶液濃度為4%，24表示浸泡處理的時(shí)間為24 h，NA為天然骨料，余同

2.2 納米SiO2溶液浸泡再生骨料最優(yōu)浸漬時(shí)間

不同時(shí)間納米SiO2溶液處理后骨料的物理性能指標(biāo)見表4，骨料的表觀密度隨納米SiO2溶液浸泡的時(shí)間增加呈現(xiàn)下降趨勢，但變化范圍不大，最低減少34 kg·m-3. 吸水率隨著浸泡時(shí)間的增加先呈現(xiàn)下降趨勢，隨后又轉(zhuǎn)為上升趨勢，在24、 36 h兩組吸水率分別較未處理再生粗骨料降低了10.6%、 12.5%，而48、 60和72 h組吸水率分別增加了0.6%、 8.6%、 5.8%，故在處理時(shí)間為36 h時(shí)為吸水率最佳組. 就壓碎指標(biāo)而言，納米SiO2溶液強(qiáng)化后，降低了骨料的壓碎指標(biāo)，隨著浸泡時(shí)間的增加先呈現(xiàn)下降趨勢，隨后又轉(zhuǎn)為上升趨勢，在24、 36、 48、 60和72 h的納米SiO2溶液處理下，壓碎指標(biāo)分別降低了2.5%、 5.9%、 4.1%、 3.3%和0.8%，降低最顯著的為RA-S4-36，36 h組為最優(yōu)壓碎指標(biāo)組. 在骨料的氯離子含量隨著浸泡時(shí)間的增加先呈現(xiàn)下降趨勢，骨料中的自由氯離子含量分別降低了55.2%、 59.2%、 59.6%、 59.6%、 59.7%，降低最顯著的為RA-S4-36. 說明隨著處理時(shí)間的進(jìn)一步增長，納米SiO2溶液對骨料的強(qiáng)化作用由強(qiáng)到弱，60 h后強(qiáng)化效果改善并不顯著，甚至吸水率指標(biāo)反而大于未經(jīng)處理的再生粗骨料. 這是由于在骨料強(qiáng)化前期，骨料的原始缺陷，內(nèi)部孔隙較多，結(jié)構(gòu)疏松，納米SiO2溶液可以較容易地進(jìn)入孔隙中； 浸泡強(qiáng)化后期，內(nèi)部孔隙急劇減少，溶液內(nèi)納米SiO2分子難以繼續(xù)滲透到骨料內(nèi)部，導(dǎo)致后期強(qiáng)化效果降低.

綜上對表觀密度、 吸水率、 壓碎指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，36 h為最優(yōu)的納米SiO2溶液處理時(shí)間.

表4 不同時(shí)間納米SiO2溶液處理后骨料的物理性能指標(biāo)

注： RCA-S4-24中RCA表示再生粗骨料，S4表示納米SiO2溶液濃度為4%，24表示浸泡處理的時(shí)間為24 h，NA為天然骨料，余同

2.3 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

由表5可知，RAC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨再生骨料取代率的增大而增大，相比再生骨料取代率為0的天然骨料混凝土，當(dāng)再生骨料為50%、 70%、 100%時(shí)，氯離子滲透系數(shù)分別增長到112.1%、 114.2%、 121.7%. 經(jīng)納米SiO2浸漬強(qiáng)化后的全再生骨料混凝土比天然骨料混凝土增長20%，相比骨料未經(jīng)強(qiáng)化處理的再生骨料混凝土抗氯離子滲透系數(shù)增長100%[5]，增幅下降顯著. 納米SiO2溶液填補(bǔ)了再生骨料的空隙和裂縫，改善了再生骨料界面結(jié)構(gòu)和密實(shí)性以及抗氯離子滲透性能.

表5 再生混凝土不同取代率下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)情況

3 結(jié)論

1) 再生骨料表面附裹老砂漿，具有較差的體積穩(wěn)定性，其各項(xiàng)物理指標(biāo)均不及天然骨料，納米SiO2溶液浸漬再生骨料可提高再生骨料的物理力學(xué)性能.

2) 納米SiO2溶液的強(qiáng)化作用有限，過低的濃度和過短的時(shí)間無法達(dá)到浸漬強(qiáng)化效果，過高的濃度和過長的時(shí)間則會降低強(qiáng)化作用. 浸漬時(shí)間過長可能導(dǎo)致浸漬前后吸水率不降反升. 本研究得到的最佳處理方式為4%濃度下浸漬強(qiáng)化36 h.

3) 由于再生粗骨料的缺陷，再生混凝土的強(qiáng)度下降，未經(jīng)強(qiáng)化處理的再生混凝土的強(qiáng)度對比天然骨料混凝土有大幅度下降，但通過一定濃度和時(shí)間的納米SiO2溶液浸漬強(qiáng)化后，可以顯著改善其抗壓性能，最多可提高46.6%，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度且?guī)缀跖c天然骨料混凝土的強(qiáng)度接近.

4) 再生混凝土的抗氯離子滲透性能不如天然骨料混凝土. 氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨取代率逐漸增大. 再生混凝土由于再生骨料自身老砂漿孔隙疏松和破碎整型過程中機(jī)器振動造成骨料內(nèi)部微裂縫的增加以及新老砂漿間連接不緊密，導(dǎo)致氯離子滲透路徑增加，抗?jié)B性能下降. 經(jīng)過納米SiO2溶液改性后，抗氯離子滲透性能有一定程度的提高，最高可達(dá)21%.