超聲分散處理的納米再生混凝土基本性能

延永東，徐鵬飛，姚嘉誠，陸春華，袁天軍

(1.江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中交四公局第三工程有限公司，北京 100123)

0 引 言

再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)采用處理后的廢棄混凝土作為粗骨料，可以將廢棄混凝土進(jìn)行有效的回收利用[1]，既可以減少固體廢棄物對環(huán)境的破壞，又能節(jié)約砂石等資源，是混凝土行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。然而，由于再生骨料表面附著大量的水泥砂漿，使得原本就是混凝土最薄弱的界面過渡區(qū)(Interfacial Transition Zone，ITZ)的性能再次降低，導(dǎo)致再生混凝土的質(zhì)量低于普通混凝土[2-3]。采用一定的技術(shù)手段來提高再生混凝土界面過渡區(qū)和漿體內(nèi)的密實(shí)度對再生混凝土的充分利用有重要意義。

納米材料粒徑極小，且具有表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和界面效應(yīng)，已有研究表明，采用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵浼尤牖炷量梢愿纳苹炷恋奈⒂^結(jié)構(gòu)，提高其力學(xué)性能[4]。張津踐[5]將再生骨料直接浸泡在納米溶液中，發(fā)現(xiàn)1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的納米CaCO3溶液能快速滲透并填充再生混凝土的界面過渡區(qū)和微裂縫中；李文貴等[6]通過將不同納米材料以分散液的形式加入混凝土攪拌機(jī)中，發(fā)現(xiàn)納米硅溶膠能夠很好地改善RAC界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)；朱從進(jìn)等[7]將0.2%的納米Al2O3先與減水劑和部分水混合之后攪拌，制成納米氧化鋁混合液，然后直接倒入混凝土攪拌機(jī)中，改善了混凝土界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)；Palla等[8]直接在大摻量粉煤灰混凝土中添加納米SiO2，使得混凝土的界面過渡區(qū)更加密實(shí)，抗壓強(qiáng)度提高了25%左右；李媛媛[9]將制備的納米CaCO3膠體以噴灑加攪拌的方式使得強(qiáng)化漿液均勻地附著在再生細(xì)骨料的表面，較好地提高了再生混凝土的干燥收縮性能。目前國內(nèi)外學(xué)者在不同納米材料種類及強(qiáng)化方法上對再生混凝土界面過渡區(qū)和微裂縫的填充效應(yīng)以及抗壓強(qiáng)度方面的研究結(jié)果存在差異甚至相互沖突。因此，有必要針對再生混凝土界面過渡區(qū)的特點(diǎn)選擇最為有效的納米材料，并制定更為有效的納米強(qiáng)化方法。

本文選擇了4種常用的納米材料來配置再生混凝土，并在制備納米強(qiáng)化漿液時采用超聲分散來克服納米材料在混凝土內(nèi)的團(tuán)聚現(xiàn)象，然后分別采用SEM電鏡掃描、EDS能譜分析、抗壓強(qiáng)度測試等方式對納米強(qiáng)化再生粗骨料混凝土的基本性能進(jìn)行了研究，以期得出超聲分散技術(shù)及納米材料種類對再生混凝土性能的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計及試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料：水泥采用鶴林牌普通硅酸鹽水泥P.O42.5；粗骨料采用粒徑為5.0～25.0 mm連續(xù)級配的天然碎石；再生粗骨料取自校內(nèi)建筑拆除后的廢棄混凝土，使用年限已達(dá)20年，破碎篩分成5.0～25.0 mm連續(xù)級配；細(xì)骨料采用河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7；水為自來水；采用中科行的科研專用納米材料和上海啟臣的聚羧酸高性能減水劑，參數(shù)如表1，2所示。

表1 納米材料參數(shù)

表2 聚羧酸高性能減水劑性能

1.2 納米強(qiáng)化再生粗骨料的制備

考慮到減水劑及納米材料在水中難以溶解，易形成團(tuán)簇狀難溶物[10]。因此使用230T型超聲波分散儀，將混有減水劑(摻量為水泥質(zhì)量的1%)和納米材料(摻量為水泥質(zhì)量的0.2%)的混合液超聲乳化，以此來充分發(fā)揮減水劑對納米材料的分散作用。待母液制備完成之后按水灰比0.5添加水泥，并充分拌合，制得納米強(qiáng)化漿液，隨后將通過骨料篩分去除多余雜質(zhì)的再生粗骨料浸泡于納米漿液中，改性30 min之后將骨料和漿液分離并晾曬風(fēng)干，完成再生骨料的納米強(qiáng)化。為了比較超聲法的強(qiáng)化效果，以同樣的配比制備了未超聲分散的對比組。工藝流程如圖1所示。

圖1 納米強(qiáng)化再生骨料制備的工藝流程

1.3 混凝土配合比設(shè)計

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)和《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 240—2011)進(jìn)行配合比設(shè)計，設(shè)計的混凝土編號及配合比如表3所示。表3中NAC為天然骨料混凝土(Nature Aggregate Concrete,NAC)，RAC，NRAC和MRAC分別為骨料取代率為50%的普通再生混凝土和納米強(qiáng)化再生混凝土以及未超聲分散的對比組；混凝土類型中的分子式表示的是納米強(qiáng)化漿液或納米材料的種類；每組制備3個邊長為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊。通過減水劑的調(diào)整，各組混凝土均獲得較好的和易性。普通再生混凝土的坍落度比天然骨料混凝土降低了17%，這是由于再生粗骨料表面附著大量的水泥砂漿及破碎時產(chǎn)生不規(guī)則棱角所致[11]；納米強(qiáng)化技術(shù)能夠?qū)⒃偕炷恋牧鲃有蕴岣?5.2%左右，有效提升了再生混凝土的工作性能。

表3 混凝土配合比

1.4 試驗(yàn)設(shè)備及方法

首先利用納米強(qiáng)化后的骨料制備再生混凝土試塊，將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間達(dá)7，14，28 d時，取出試塊，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行不同齡期試塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。然后在完成抗壓試驗(yàn)的試塊上，用BJQF型裂縫測寬儀對納米強(qiáng)化再生混凝土界面過渡區(qū)的厚度進(jìn)行觀察和測量。隨后破碎立方體試塊，選取包含ITZ的試驗(yàn)樣品(面積5 mm2左右，厚度小于10 mm)。放入無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗，以去除附著于樣品表面的雜質(zhì)，取出試樣噴金處理后進(jìn)行電鏡掃描。最后使用高性能X射線能譜儀(Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy)對樣品中特定的區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 再生骨料強(qiáng)化結(jié)果分析

天然骨料(NA)、再生骨料(RA)以及納米強(qiáng)化再生骨料(超聲分散組NRA和未超聲分散組MRA)的表面形態(tài)如圖2所示?？梢钥闯?，天然骨料與未強(qiáng)化的再生骨料相比，再生骨料的表面更加粗糙，棱角分明且包裹著舊砂漿，舊砂漿與骨料的界面比較明顯，而且再生骨料由于人工破碎存在微裂縫和新的破碎面。經(jīng)過納米強(qiáng)化漿液改進(jìn)之后的再生骨料，可以明顯地看出其表面包裹了一層較薄的灰色物質(zhì)，這一包裹層主要是粗骨料在浸泡過程中，納米強(qiáng)化漿液附著在其表面，經(jīng)水泥水化、風(fēng)干之后形成。此物質(zhì)不僅覆蓋了舊水泥石和骨料的界面，而且填充了再生骨料的微裂縫。未超聲分散組納米強(qiáng)化再生骨料與超聲分散組納米強(qiáng)化再生骨料的表面形態(tài)基本相同。

圖2 天然骨料、再生骨料以及納米強(qiáng)化再生骨料的表面形態(tài)

納米強(qiáng)化漿液不僅從宏觀上改善了再生骨料的性能，而且在微觀上對水泥水化反應(yīng)起到了不同程度的影響。研究表明適量納米SiO2和納米CaCO3均能有效地促進(jìn)C-S-H凝膠的生成，并填充水泥基的微孔從而增加其密實(shí)度[4,12]；納米Al2O3與水泥具有天然的相容性，能夠有效提高水泥硬化漿體的密實(shí)程度[7]；納米GNP片層上的含氧基團(tuán)對水泥水化產(chǎn)物的形成具有模板效應(yīng)與填充作用，能夠優(yōu)化水化產(chǎn)物的形狀[13]。因此下文進(jìn)一步研究納米強(qiáng)化漿液對再生骨料界面過渡區(qū)的影響。

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3，4所示。從圖3中可以看出：①配合比相同的情況下，50%骨料取代率的再生混凝土7，14，28 d的抗壓強(qiáng)度均比普通混凝土高出7%左右，可能是此時2種粗骨料形成更優(yōu)的級配[14],但目前關(guān)于產(chǎn)生強(qiáng)度突變的取代率及原因仍存在分歧，并沒有統(tǒng)一的結(jié)論，因此還需要結(jié)合骨料的粒徑、級配和微觀結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)一步分析[15-16]；②從不同齡期的強(qiáng)度來看，納米強(qiáng)化技術(shù)可使普通再生混凝土7 d和28 d抗壓強(qiáng)度最大分別提高7%和24.3%，可見隨著齡期增加，納米強(qiáng)化技術(shù)對再生混凝土的抗壓強(qiáng)度提升愈加顯著；③從不同納米強(qiáng)化漿液對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響來看，納米SiO2漿液強(qiáng)化效果最佳，其28 d抗壓強(qiáng)度比普通混凝土提高了33.1%，比再生混凝土提高了24.3%，納米Al2O3強(qiáng)化漿液提升效果最弱，僅僅提高了11.2%。

圖3 不同種類納米強(qiáng)化再生混凝土抗壓強(qiáng)度

從圖4中可以看出：①納米材料的添加阻礙了再生混凝土早期強(qiáng)度的形成，但納米CaCO3卻能有效提高再生混凝土的早期強(qiáng)度，這是因?yàn)榧{米CaCO3消耗一定量的水泥水化產(chǎn)物C3A，從而加速水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)式為CaCO3+12H2O+3CaO·Al2O3→3CaO·Al2O3·CaCO3·12H2O，然而隨著齡期的增長這一優(yōu)勢被納米SiO2所取代；②未采用超聲分散技術(shù)的納米強(qiáng)化再生混凝土的抗壓強(qiáng)度提高率均小于使用超聲分散技術(shù)的再生混凝土，28 d差值最大的為納米SiO2改性再生混凝土，提高率可達(dá)19.83%，因此將超聲分散技術(shù)應(yīng)用于納米SiO2材料中的效果最顯著。由于未使用超聲分散技術(shù)的強(qiáng)化效果有限，因此下文不再對其進(jìn)行討論。

圖4 相對抗壓強(qiáng)度提高率(以RAC為基準(zhǔn))

2.2.2 抗壓破壞形態(tài)

再生混凝土的抗壓破壞形態(tài)如圖5所示?？梢钥闯觯孩貼AC，RAC和NRAC的破壞形式基本相同，混凝土貫通裂縫大都是沿著受壓方向生長，同時由于壓力試驗(yàn)機(jī)上涂抹潤滑劑的原因，因此并未出現(xiàn)典型的倒“八”字裂紋[17]，如圖5(a),(c)所示；②混凝土內(nèi)部的非穩(wěn)定裂縫首先在粗骨料的界面過渡區(qū)產(chǎn)生，隨后擴(kuò)展到細(xì)骨料的界面過渡區(qū)，其中部分貫通裂縫明顯繞過了納米強(qiáng)化再生骨料的界面過渡區(qū)，甚至出現(xiàn)了貫通骨料的裂縫，如圖5(b),(d)所示(其他納米強(qiáng)化再生混凝土也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象)；③對抗壓破壞后的試塊進(jìn)行裂縫類型和數(shù)目的統(tǒng)計分析(表4)，并忽略表層無法判別的裂縫類型，結(jié)果顯示納米SiO2強(qiáng)化漿液改性之后，骨料貫穿裂縫達(dá)到32%，分別為NAC和RAC的6倍和10倍左右，從一定程度上說明納米SiO2強(qiáng)化漿液改性后的界面過渡區(qū)不再是混凝土最薄弱的區(qū)域[4,18-19]。

表4 再生混凝土裂縫類型統(tǒng)計分析結(jié)果

圖5 納米強(qiáng)化再生混凝土抗壓破壞形態(tài)

2.3 再生混凝土細(xì)微觀試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 細(xì)觀組成分析

納米強(qiáng)化再生混凝土細(xì)觀實(shí)物圖如圖6所示。可以看出,再生骨料被納米強(qiáng)化漿液包裹，隔斷了其與新砂漿之間的接觸，降低了其對ITZ的不利影響，因此將非100%再生骨料取代率的納米強(qiáng)化再生混凝土看作是由再生骨料、再生骨料和舊砂漿的界面過渡區(qū)(ITZ1)、舊砂漿、納米漿液包裹層、納米漿液包裹層和新砂漿的界面過渡區(qū)(ITZ2)、新砂漿、新砂漿和天然骨料的界面過渡區(qū)(ITZ3)、天然骨料組成的八相復(fù)合材料；或者再生骨料取代率為100%的六相復(fù)合材料，即沒有天然骨料和ITZ3，而非傳統(tǒng)的四相復(fù)合材料[20]或五相復(fù)合材料[21]組成。

圖6 納米強(qiáng)化再生混凝土細(xì)觀實(shí)物圖

2.3.2 微觀形貌檢測及元素分析

通過電鏡掃描得到的不同納米強(qiáng)化漿液增強(qiáng)混凝土界面過渡區(qū)的微觀形貌如圖7所示，其中虛線區(qū)域?yàn)镋DS能譜分析區(qū)域?？梢钥闯觯孩儆捎跇悠分苽溥^程中存在機(jī)械壓力，NAC，RAC和NRAC-Al2O3樣品沿著界面過渡區(qū)產(chǎn)生了1條微裂縫[圖7(a),(b),(d)]，但NRAC-SiO2，NRAC-CaCO3和NRAC-Cn的界面過渡區(qū)并未產(chǎn)生裂縫，可見超聲分散方法對納米SiO2、納米CaCO3和納米GNP界面過渡區(qū)的強(qiáng)度有所提升；②由于再生骨料比普通骨料的吸水率大，導(dǎo)致普通再生混凝土界面過渡區(qū)的水化產(chǎn)物減少，大量的六方板狀CH晶體成層片狀堆疊在一起，其界面過渡區(qū)的孔隙明顯多于普通混凝土[9]，如圖7(b)所示；③與普通再生混凝土相比，納米SiO2和納米CaCO3強(qiáng)化漿液改性的再生混凝土界面過渡區(qū)的水化產(chǎn)物更豐富，如針棒狀A(yù)Ft晶體相互搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并有部分C-S-H凝膠填充于孔隙骨架結(jié)構(gòu)中，使得界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，如圖7(c),(e)所示，另外從圖7(d)可見，納米Al2O3漿液雖然促進(jìn)了水泥水化產(chǎn)物的生成，但是針棒狀的AFt晶體搭接并不緊密，CSH凝膠產(chǎn)量稀少，降低了界面過渡區(qū)的密實(shí)度；④摻加納米GNP漿液的再生混凝土內(nèi)生成了較粗大的針棒狀A(yù)Ft晶體，晶體之間僅有少量的C—S—H凝膠填充，其界面過渡區(qū)存在較大的孔隙，說明納米GNP漿液對水泥水化產(chǎn)物的生長形態(tài)和數(shù)量分布有一定的影響，如圖7(f)所示。

圖7 不同混凝土界面過渡區(qū)微觀形貌

為了更準(zhǔn)確地分析界面過渡區(qū)微觀形貌的成因，對SEM圖中用虛線標(biāo)記的位置進(jìn)行EDS能譜分析，結(jié)果如表5所示。通過EDS能譜分析，可以判斷出物質(zhì)的元素組成，其中C—S—H凝膠是由Ca，Si，H，O等元素組成，但也摻雜著少量的Al，S，F(xiàn)e等元素，這說明C—S—H與AFt/AFm和CH交錯生長[22]；Ca，Si，Al等元素在界面過渡區(qū)的含量異常提高，說明超聲分散方法能夠有效地將納米材料分散到ITZ2中，且部分納米材料可填充到水化產(chǎn)物的孔隙結(jié)構(gòu)中，從而改善了界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)。

表5 混凝土界面過渡區(qū)樣品點(diǎn)元素分布

3 結(jié) 語

(1)采用超聲分散后的納米漿液浸泡再生骨料，可使納米材料有效地包裹于再生骨料的表面，修補(bǔ)再生骨料的微裂縫。

(2)納米強(qiáng)化漿液浸泡粗骨料的方式能有效地提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度；其中浸泡于0.2%納米SiO2強(qiáng)化漿液、取代率為50%的納米強(qiáng)化再生混凝土抗壓強(qiáng)度最高，分別比未強(qiáng)化的再生混凝土和普通混凝土提高24.3%，33.1%。

(3)不同納米材料對水泥水化產(chǎn)物的生成產(chǎn)生了不同程度的影響，其中納米SiO2對抗壓強(qiáng)度的改性效果最為顯著，促使水泥水化產(chǎn)物形成更加致密均勻的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時部分納米材料填充了混凝土的內(nèi)部孔隙，提高了再生混凝土的密實(shí)度。