納米二氧化硅對再生骨料混凝土性能影響的研究

劉俊輝,劉炳岳,歐思華,關淑鴻,馮萬輝,2,3*

（1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院城鄉(xiāng)建設學院，廣東廣州 510225；2. 廣東省嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠色建筑工業(yè)化工程技術研究中心，廣東廣州510225；3. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院建筑節(jié)能可持續(xù)發(fā)展研究所，廣東廣州510225）

近年來，隨著城市化進程的不斷發(fā)展，我國的建筑垃圾日漸增加，平均每年產(chǎn)生的建筑垃圾高達3.5×105t［1］。在建筑廢棄物排放量中，廢棄混凝土是最主要的廢棄物排放來源［2］。對建筑垃圾進行篩選、回收和利用，不僅可以緩解當前資源的緊缺問題，還能對生態(tài)環(huán)境起到保護作用，是科學有效解決資源和環(huán)境問題的方法之一［3-4］。將原本廢棄的混凝土，經(jīng)過破碎等工藝回收利用形成再生骨料，用再生骨料代替天然骨料運用到混凝土生產(chǎn)中，一方面可以變廢為寶，減少資源浪費，另一方面還能起到保護環(huán)境的效果，十分契合當代社會可持續(xù)發(fā)展的需求。然而，與天然粗骨料相比，再生粗骨料孔隙率較大、吸水率較高、密度較小、骨料強度較低，同時其表面往往殘留一定的老舊砂漿，這些缺陷的存在導致再生混凝土與普通混凝土的各項性能差距較大［5-6］。

納米材料是新興的材料，在混凝土中使用納米材料是近年的研究趨勢［7］。早先從宏觀和微觀方面都已開展了納米二氧化硅改性對早齡期混凝土界面過渡區(qū)力學行為影響的研究［8］。納米二氧化硅粒徑極小，并且具有極強的火山灰活性、微集料填充效應和晶核作用，摻入適量納米二氧化硅后會使混凝土內(nèi)部結構更加致密，使混凝土的強度和耐久性得到提高，從而滿足混凝土工程的要求［9］。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當二氧化硅納米粉體的摻入量（相對于水泥質(zhì)量的百分比）為4%時，不同齡期養(yǎng)護條件下混凝土的抗折強度和抗壓強度都能達到最大［10］。納米二氧化硅作為輔助膠凝材料，可以提升混凝土的強度和耐久性能［11］。與傳統(tǒng)硅灰相比，摻入納米二氧化硅可提高混凝土的早期強度，同時還能改善混凝土的和易性等工作性能［12］。相對于粉煤灰和火山灰等其他常用輔助膠凝材料，納米二氧化硅的粒徑更小、活性更高、比表面積更大［13-14］。此外，納米二氧化硅還具有填充作用，可使混凝土的微觀結構更為致密［15］。研究表明［16-17］：隨著納米二氧化硅摻量的增加，混凝土早期自收縮應變的增長速率也隨之加快，混凝土拌和物的抗壓強度和彈性模量均先提高后降低，在納米二氧化硅摻量為5%時達到最高值。侯學彪等［16］采用坍落度來表征混凝土的工作性能，結果表明納米二氧化硅對混凝土拌和物的坍落度有明顯影響，隨著納米二氧化硅摻量越高，混凝土拌和物坍落度下降越多，其黏稠度增加。雖然納米二氧化硅可以增強再生骨料混凝土的力學性能，但是目前的研究僅針對普通混凝土，而對納米二氧化硅用于改性再生骨料混凝土的研究較少。同時，再生骨料由于其自身缺陷，摻入混凝土中將會影響其力學性能?；谏鲜霈F(xiàn)狀，根據(jù)納米二氧化硅的特性，開展了對再生骨料混凝土的改性研究，并對改性后的力學性能進行探討。

1 試驗部分

1.1 原材料

試驗采用廣州石井牌P. O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，其中水泥的化學成分列于表1。

表1 水泥的化學成分與力學性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of cement

試驗的細骨料采用普通連續(xù)級配河砂，河砂為中砂，細度模數(shù)為2.62，最大粒徑為5 mm。試驗所采用的粗骨料有兩種，分別是天然粗骨料和再生粗骨料。天然粗骨料為普通花崗巖碎石，粒徑為5~31.5 mm，連續(xù)級配。再生粗骨料取自深圳市某建筑工地，為同一工地同一批次的廢棄混凝土經(jīng)破碎處理后所得，經(jīng)篩分處理后，再生粗骨料符合一類再生粗骨料要求，其粒徑為5~31.5 mm，連續(xù)級配。再生粗骨料的要求參照了GB/T 25177-2010 混凝土用再生粗骨料［18］，其各項物理性能列于表2。

表2 粗骨料的物理性能Table 2 The physical properties of coarse aggregate

試驗所采用的納米二氧化硅為上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)，其為白色粉末狀固體，其SiO2純度為99.8%，粒徑為7~40 nm，比表面積為230 m2·g?1。試驗所采用的減水劑為江門市強力建材科技有限公司生產(chǎn)的QC-PL2 緩凝型聚羧酸高效減水劑，其減水率為25%。

1.2 配合比

納米二氧化硅分散性差、吸水率高，澆筑混凝土過程中存在坍落度低、混合不均勻等缺點。因此，在配合比設計中，高效減水劑的用量（占膠凝材料質(zhì)量的1.2%、1.5%、2.5%和3.5%）主要由納米二氧化硅的用量（0%、1%、2%和3%）決定，隨著納米二氧化硅用量的增加，高效減水劑的用量逐漸增加。此外，再生骨料以等體積替換天然骨料的方式摻入混凝土，再生骨料摻量固定為100%。由于再生骨料的吸水率高，因此需要根據(jù)吸水率添加額外的水?；炷恋呐浜媳攘杏诒?，其中NAC 代表天然骨料混凝土，RAC 代表再生骨料混凝土，NS 代表納米二氧化硅摻量，J 代表高效減水劑的劑量。為了在后續(xù)分析中消除減水劑對試件力學性能的影響，額外設置了不含納米二氧化硅僅改變減水劑含量的對照組。由于納米二氧化硅的分散性差，在水中容易團聚，因此在攪拌混凝土前需對納米二氧化硅進行預攪拌，具體操作為使用高速攪拌棒使其與部分水和高效減水劑攪拌60 s。

表3 混凝土配合比匯總Table 3 Summary of concrete mix proportions

1.3 方法

1.3.1 立方體抗壓強度及劈裂抗拉強度

試樣在標準條件（20±2 ℃，95%相對濕度）下分別養(yǎng)護3、7 和28 天后進行力學性能測試。根據(jù)GB/T 50081-2019 混凝土物理力學性能試驗方法標準［19］，對立方體試樣進行抗壓強度及劈裂抗拉強度試驗。使用意大利Matest C088-01 萬能試驗機，以0.5 MPa·s?1的加載速率對邊長為150 mm 立方體試樣進行壓縮，以確定試樣立方體的抗壓強度fcu。同理，使用萬能試驗機與配套的劈裂試驗夾具，對邊長為150 mm 立方體試樣進行劈裂拉伸，其加載速率為0.05 MPa·s?1，以確定試樣立方體的劈裂抗拉強度ft。每組測試三個立方體，以確保數(shù)據(jù)離散性不超過15%（每個試樣的強度不超過中間值的15%），并計算平均值。

1.3.2 微觀形貌分析

使用S-3400N 電子顯微鏡觀察試樣的表面形態(tài)。為了提高樣品的導電性，在離子濺射裝置中噴金，擴大并觀察水泥砂漿區(qū)域和界面過渡區(qū)。此外，使用D8 Advance X 射線衍射儀獲得樣品的衍射圖，以分析其晶體結構。

2 試驗結果與分析

2.1 減水劑對力學性能的影響

由于混凝土的硬化主要發(fā)生在早期養(yǎng)護階段，因此僅探討高效減水劑含量對混凝土早期強度的影響，其結果列于表4。由表4 可知：隨著高效減水劑用量的增加，RAC 的坍落度增大；在3 天和7 天齡期內(nèi)，隨著高效減水劑含量的增加，RAC 的抗壓強度變化較?。ㄐ∮?%）。表明，在不同養(yǎng)護齡期，高效減水劑的用量對RAC 的抗壓強度沒有顯著影響。因此，在后續(xù)分析中將忽略高效減水劑對混凝土強度的影響。

表4 減水劑對力學性能及工作性能的影響結果Table 4 Results of the effects of water reducer on mechanical property and workability

2.2 工作性能

在不添加任何添加劑（R100-J0）的情況下，RAC 的坍落度僅為33 mm，流動性差，這是由于再生骨料的高吸水率，導致拌合物中自由水含量降低。各試樣的工作性能列于表5。從表5 可知，在RAC中直接添加納米二氧化硅也會降低其流動性，這對RAC 的工程應用極為不利。這一現(xiàn)象與文獻［20］的研究結果相似，即添加納米二氧化硅會降低混凝土的流動性。此外，由于采取了對納米二氧化硅進行預拌，并且按照納米二氧化硅含量調(diào)整高效減水劑的用量，故表5 中每組試樣的坍落度均能滿足工程應用和運輸?shù)囊蟆?/p>

表5 工作性能結果Table 5 Results of the workability

2.3 抗壓性能

混凝土抗壓性能試驗結果列于表6。由表6 可知：當不含納米二氧化硅時，100%再生骨料摻量下的RAC 在3、7 及28 天齡期的抗壓強度分別比NAC低37%，40%和24%，表明再生骨料替換率是影響再生骨料混凝土強度的重要因素；此外，納米二氧化硅在早養(yǎng)護齡期（3 天和7 天）提高了RAC 的抗壓強度，但在28 天齡期時納米二氧化硅的提升效果較小。這是因為納米二氧化硅主要促進早養(yǎng)護齡期（小于3 天）水泥的水化反應，從而提高RAC 在早齡期的抗壓強度；而在后期，納米二氧化硅粉末僅填充內(nèi)部孔隙，因而抗壓強度的增加不明顯。

表6 抗壓性能試驗結果Table 6 Experimental results of the compressive properties

2.4 抗拉性能

混凝土抗拉性能試驗結果列于表7。由表7 可知：抗拉強度的總體趨勢與抗壓強度相似，再生骨料的摻入降低了混凝土的強度，100%再生骨料摻量下的RAC 在3、7 和28 天齡期的抗拉強度分別比NAC 低28%、19%和14%；隨著納米二氧化硅含量的增加，抗拉強度也隨之提高，當納米二氧化硅摻量為2%時抗拉強度達到最高，接近傳統(tǒng)天然骨料混凝土強度。這是因為混凝土作為脆性材料，其內(nèi)部孔洞或微裂紋較多，使抗拉強度較低，而納米二氧化硅的粒徑較小在后期反應完成后起到填充作用，使得再生骨料混凝土內(nèi)部結構致密。結果表明，齡期越長，納米二氧化硅對抗拉強度的提升越明顯。

表7 抗拉性能試驗結果Table 7 Experimental results of the splitting tensile properties

2.5 微觀分析

用掃描電鏡觀察了齡期28 天后試樣的一些典型碎片，其結果如圖1 所示。從圖1 可見，納米二氧化硅可填充再生骨料和砂漿之間的間隙。填充效果可以分為物理填充和化學填充。由于納米二氧化硅粒徑較小，可以填充再生骨料表面舊砂漿層及攪拌過程中水泥水化反應產(chǎn)生的孔隙，這進一步增強了水泥砂漿的內(nèi)部孔隙結構，提高了RAC 的密實度。此外，由于納米二氧化硅具有高活性，作為激發(fā)劑加速了水泥的水化反應，改變了氫氧化鈣在界面過渡區(qū)中的形成過程；納米二氧化硅可與氫氧化鈣反應，形成低密度的水化硅酸鈣凝膠而填充孔隙，使內(nèi)部結構致密。

圖1 試樣微觀形貌Fig. 1 Morphologies of RAC-NS0 and RAC-NS3

對28 天齡期的RAC-NS0 和RAC-NS3 試樣進行XRD 測試，獲得的衍射圖如圖2 所示。從圖2 可知，納米二氧化硅的摻入使再生骨料混凝土中的二氧化硅含量增加。由于納米二氧化硅具有良好的火山灰效應，可與氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應，增加水化硅酸鈣凝膠的生成，這是納米二氧化硅提升再生骨料混凝土強度的原因。

圖2 RAC-NS0 及RAC-NS3 的XRD 圖譜Fig.2 XRD patterns of RAC-NS0 and RAC-NS3

3 結論

（1）納米二氧化硅的摻入，顯著降低了再生骨料混凝土的工作性能。在工程應用中，建議采用高效減水劑和預攪拌的方法，改善納米二氧化硅改性再生骨料混凝土的工作性能。

（2）再生骨料由于自身存在一定的缺陷，使得再生骨料混凝土比傳統(tǒng)天然骨料混凝土強度低。然而，當摻入一定量的納米二氧化硅后，再生骨料混凝土的強度得到了提升。納米二氧化硅對再生骨料混凝土的早期抗壓性能提升明顯，主要是其促進了水泥的水化反應。此外，納米二氧化硅對混凝土后期抗拉性能提升明顯，主要是納米二氧化硅顆粒尺寸較小，填充了再生骨料的微裂紋和孔隙，從而降低了再生骨料混凝土的脆性。

（3）納米二氧化硅具有良好的火山灰效應，可與氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應，促進了水化硅酸鈣凝膠的生成，從而使得混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)結構更加致密，從而抑制了微裂紋的發(fā)展，提高了試樣的承載能力。

（4）單獨往再生骨料混凝土中摻入納米二氧化硅，無法獲得最優(yōu)的性能提升效果，建議其與粉煤灰等復摻，以更好發(fā)揮協(xié)同效應。