納米碳酸鈣對再生混凝土性能影響研究

衛(wèi)益辰WEI Yi-chen

（武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢430074）

0 引言

隨著混凝土回收再次利用的不斷發(fā)展，提升再生骨料制得的再生混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能及工作性能得到了很多學(xué)者的重視。因由再生骨料自身的缺陷包括骨料表面裹附部分砂漿、內(nèi)部孔隙率和微小裂縫、吸水率大等，這都導(dǎo)致了再生混凝土的強(qiáng)度達(dá)不到規(guī)范指標(biāo)，無法應(yīng)用到實(shí)際工程中去[1~3]。李恒[4]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，將再生骨料部分取代天然骨料后，再生混凝土的各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度均有不同程度的下降。于是很多學(xué)者開始考慮在再生混凝土中摻入外摻劑來提升再生混凝土力學(xué)性能。

常見的外摻劑包括纖維材料、納米材料、聚合物等，這些材料都能從不同角度增強(qiáng)再生混凝土的各項(xiàng)性能，使得再生混凝土有機(jī)會(huì)被運(yùn)用到更多實(shí)際工程當(dāng)中。其中納米材料由于其自身的微集料效應(yīng)、尺寸效應(yīng)、高火山灰活性和晶核效應(yīng)等，將納米材料摻入再生骨料混凝土中能夠改善其工作性能及力學(xué)強(qiáng)度[5]。曲成平等[6]通過向再生混凝土中摻入納米碳酸鈣發(fā)現(xiàn)，低摻量納米碳酸鈣的摻入能夠提升再生混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能。苗生龍等[7]通過向高溫后摻入納米碳酸鈣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米碳酸鈣的摻入能能夠提升混凝土力學(xué)性能及耐高溫性能。刁目爽等[8]通過試驗(yàn)及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，向混凝土中摻入納米碳酸鈣的最佳摻量為2%，此時(shí)混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能達(dá)到最大值。此外，納米材料的摻入能夠改善混凝土基體微觀結(jié)構(gòu)，王沖[9]通過向硅酸鹽水泥中摻入納米碳酸鈣，發(fā)現(xiàn)了納米碳酸鈣能夠提高水泥的水化放熱效率，并能夠加速水泥水化。戎志丹[10]通過向再生混凝土中摻入納米材料發(fā)現(xiàn)，摻入納米材料能夠明顯改善混凝土早期強(qiáng)度，促進(jìn)水化產(chǎn)物（C-S-H 凝膠）生成，降低機(jī)體內(nèi)部微觀尺寸缺陷。馬彬[11]通過向地聚物中摻入納米碳酸鈣發(fā)現(xiàn)，適量的納米碳酸鈣能夠充分發(fā)揮晶核作用，改善凝膠生長方式，提高凝膠的粘結(jié)能力，填充作用則使得試樣孔隙減少，提升材料整體密實(shí)度。由于納米碳酸鈣的成本較其他納米材料更加低廉，且制備、儲存方便，對環(huán)境友好，因此更易于被應(yīng)用與實(shí)際工程當(dāng)中。本文基于前人的研究繼續(xù)深入，為以后納米材料改性再生混凝土的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

①水泥：采用P.042.5 級普通硅酸鹽水泥；

②細(xì)骨料：中間商品混凝土公司提供，天然河沙，粒徑0-4.75mm；

③天然粗骨料：中間商品混凝土公司提供，級配碎石，骨料粒徑4.75-25mm，吸水率0.8%；

④再生粗骨料：湖北省武漢市某再生資源公司提供，骨料粒徑4.75-25mm，吸水率5.8%；

⑤納米碳酸鈣：白色粉末狀固體，粒徑范圍20-80nm，純度99.9%；

⑥減水劑：聚羧酸高效減水劑，淡黃色液體，減水率15%；

⑦水：武漢市自來水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中，基準(zhǔn)混凝土水膠比為0.48，配合比設(shè)計(jì)根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程（JGJ55-2011）》中規(guī)定的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，確定試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比，其中再生骨料取代率設(shè)為定值30%；納米碳酸鈣的摻入采用等量替代法，替代同等質(zhì)量的水泥，摻量分別為水泥質(zhì)量的1%、2%、3%、4%。因再生骨料具有較強(qiáng)吸水性，吸水率較天然粗骨料大5%，在計(jì)算試驗(yàn)用水時(shí)，需計(jì)算自由水及附加水之和。試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)如表1 所示。

表1 混凝土配合比

1.3 試件制作

試塊制作，尺寸大小選擇與試驗(yàn)操作均參照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、操作。抗壓強(qiáng)度試塊使用100mm×100mm×100mm 非標(biāo)準(zhǔn)試塊，抗折強(qiáng)度使用100mm×100mm×400mm非標(biāo)準(zhǔn)試塊，每組3 塊。SEM 電鏡試樣需將試塊切割，打磨，經(jīng)由噴金處理后，使用電鏡對其進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察。

為了保證各種材料能夠均勻分布，試塊制作時(shí)，先將天然粗骨料、再生粗骨料、砂、水泥和納米碳酸鈣倒入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌3-5min，同時(shí)將減水劑在水中攪拌均勻，待骨料攪拌完成后倒入攪拌機(jī)內(nèi)繼續(xù)攪拌3-5min，磨具刷油后將漿體倒入，振搗密實(shí)，表面整平。待24h 后脫模置入溫度（20±2）℃、相對濕度95%以上養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28d。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工作性能分析

試驗(yàn)室測試混凝土砂漿坍落度如圖1 所示。圖2 顯示了摻加不同摻量納米碳酸鈣之后對再生混凝土坍落度的影響。由圖可知，隨著納米碳酸鈣的摻量增加，再生混凝土的坍落度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并在納米碳酸鈣摻量為2%時(shí)，再生骨料混凝土砂漿的坍落度達(dá)到最大值，此時(shí)坍落度為210mm，在之后增加納米碳酸鈣摻量則會(huì)導(dǎo)致坍落度降低，在摻量為4%時(shí)，坍落度達(dá)到最低值，為153mm。由上述現(xiàn)象表明，適量的納米碳酸鈣摻入后能夠明顯改善再生混凝土的工作性能，但是過量摻入則會(huì)產(chǎn)生反向影響。這是由于納米碳酸鈣摻入之后，納米碳酸鈣的微集料效應(yīng)填充在砂漿孔隙之中替換出了一部分水，增加了坍落度；但是當(dāng)超過最佳摻量時(shí)，由于納米碳酸鈣比表面遠(yuǎn)大于砂漿中其他物質(zhì)，因此納米碳酸鈣表面會(huì)結(jié)合更多的水分子，在此情況下，和水泥反應(yīng)水化反應(yīng)的水分子也相應(yīng)減少，這都導(dǎo)致了砂漿流動(dòng)性顯著下降。

圖1 試驗(yàn)室測試坍落度

圖2 不同摻量碳酸鈣再生混凝土坍落度

2.2 力學(xué)強(qiáng)度分析

按照試驗(yàn)配合比制備再生混凝土，通過力學(xué)性能測試，得到了不同摻量納米碳酸鈣再生混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，如圖3、圖4 所示，并計(jì)算折壓比如圖5 所示。

如圖3 所示，隨著納米碳酸鈣摻量的增加，再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，當(dāng)納米碳酸鈣摻量為2%時(shí)，此時(shí)再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)抗壓強(qiáng)度為34.13MPa，相比于對照組試塊，抗壓強(qiáng)度提升約2.9%。之后增加納米碳酸鈣摻量會(huì)對再生混凝土抗壓強(qiáng)度造成負(fù)向影響，當(dāng)納米碳酸鈣摻量為4%時(shí)，立方體抗壓強(qiáng)度為29.93MPa，相比于對照組下降約9.7%。

圖3 不同摻量納米碳酸鈣抗壓強(qiáng)度變化

圖4 顯示了不同摻量納米碳酸鈣再生混凝土的抗折強(qiáng)度變化，由圖可知，當(dāng)納米碳酸鈣摻量為2%時(shí)，再生混凝土抗折強(qiáng)度得到顯著提升，相比于未強(qiáng)化的再生混凝土，提升了7.4%，之后增加摻量，抗折強(qiáng)度則開始下降。折壓比作為衡量混凝土韌性的指標(biāo)，從圖5 能夠看出，摻加了納米碳酸鈣后，再生混凝土的韌性呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢，說明本試驗(yàn)范圍內(nèi)納米碳酸鈣摻量能夠有效提升再生混凝土的韌性，且折壓比均高于對照組。

圖4 不同摻量納米碳酸鈣抗折強(qiáng)度變化

圖5 不同摻量納米碳酸鈣折壓比變化

適量的納米碳酸鈣能夠提升再生混凝土的原因如下：納米碳酸鈣替代了部分水泥，由于納米級的粒徑和較大的比表面積，這使得納米碳酸鈣能夠填充在砂漿中的微小孔隙之中，提升了再生混凝土的密實(shí)度；由于再生骨料的表面粗糙且不規(guī)則，使得納米碳酸鈣擁有更多的水化反應(yīng)附著面，增強(qiáng)了再生骨料與水泥砂漿的結(jié)合能力；納米碳酸鈣能夠促進(jìn)水泥的水化，消耗C3S 和C2S，促進(jìn)鈣礬石的生成，提升再生混凝土強(qiáng)度[12]。當(dāng)納米碳酸鈣摻量過大時(shí)，則會(huì)消耗更多的水分子，導(dǎo)致水泥水化不充分；納米團(tuán)聚現(xiàn)象的產(chǎn)生等導(dǎo)致再生混凝土力學(xué)性能下降。

2.3 微觀性能分析

圖6 為2%納米碳酸鈣摻量下7d 和28d 的再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)放大1000 倍圖像。對最佳摻量的納米碳酸鈣再生混凝土進(jìn)行SEM 電鏡觀察分析，由圖6（a）水化7d 的微觀形貌圖中能夠觀察到，摻入納米碳酸鈣之后，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然存在裂縫，還能夠明顯觀察到一些針狀的鈣礬石晶體，但已經(jīng)存在成塊的水化產(chǎn)物，整體微觀形貌也趨于平整。

由圖6（b）水化28d 的微觀形貌能顧觀察到，相較于7d 的試樣，28d 試樣中水化產(chǎn)物明顯增多，且整體結(jié)構(gòu)更加的密實(shí)；骨料與砂漿交界處存在大量的C-S-H 凝膠，改善了界面過渡區(qū)的微觀形貌，使得骨料與砂漿結(jié)合更加緊密；可見納米碳酸鈣的填充效應(yīng)和晶核作用發(fā)揮充分，再生混凝土內(nèi)部微觀形貌得到了改善，致使宏觀力學(xué)性能得到提升。

圖6 不同摻量納米碳酸鈣折壓比變化

3 結(jié)論

①納米碳酸鈣的摻入能夠改善再生混凝土的工作性能。適量的納米碳酸鈣摻入后，再生混凝土砂漿流動(dòng)性增強(qiáng)，這是納米碳酸鈣填充效應(yīng)影響下，砂漿內(nèi)部自由水增加的結(jié)果。②納米碳酸鈣的摻入能夠改善再生混凝土的力學(xué)強(qiáng)度。抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度得到了提升，在本試驗(yàn)中，當(dāng)納米碳酸鈣摻量為2%時(shí)，再生混凝土力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到了最大值，之后增加摻量，力學(xué)性能降低。③納米碳酸鈣摻入再生混凝土中，通過自身的微粒子效應(yīng)，能夠很好的改善再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，更好的將骨料與水泥砂漿結(jié)合起來，提升水泥砂漿密實(shí)度，增強(qiáng)宏觀力學(xué)性能。