納米硅溶膠改性混合再生骨料混凝土的力學(xué)性能

元成方,李好飛,郭稼祥

(1.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 鄭州 450001；2.西部綠色建筑國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/西安建筑科技大學(xué),陜西 西安 710055)

1 前 言

當(dāng)前我國年混凝土的使用量已接近20億立方米,與此同時(shí)我國每年建筑垃圾的產(chǎn)生量已占城市垃圾總量的30%～40%,并且每年以10%的速度增長[1-2],結(jié)合住建部公布的新規(guī)劃,我國建筑垃圾產(chǎn)生量到2020年將到達(dá)一個(gè)峰值,預(yù)計(jì)會(huì)突破30億噸。但是,我國建筑垃圾綜合利用率僅為5%[3-4]。因此對建筑垃圾進(jìn)行資源化利用是我國實(shí)現(xiàn)綠色建筑與可持續(xù)發(fā)展的迫切要求。

再生骨料與天然骨料相比性能不足,如強(qiáng)度低、微裂紋多、表觀密度低、吸水率高等[5-7],使得再生混凝土在抗壓強(qiáng)度、耐久性等性能上存在劣勢[8-11],一定程度上限制了再生混凝土的推廣使用。研究發(fā)現(xiàn),通過再生骨料整形[12-14]、采用納米材料[15-16]或優(yōu)質(zhì)礦物摻合料[17-18]對再生骨料進(jìn)行預(yù)先處理后使用,可有效提高再生骨料性能、優(yōu)化水泥漿體與骨料過渡區(qū),從而改善再生混凝土的性能。此外,城市建筑垃圾往往以廢棄黏土磚和廢棄混凝土混合物的形式出現(xiàn),其中廢磚占比約為30%～50%[19],由于將建筑垃圾經(jīng)過篩選、分離為單一骨料后進(jìn)行使用的困難較大,所以混合再生骨料及用其制備的混凝土的相關(guān)研究具有較高價(jià)值。目前關(guān)于改性混合再生骨料混凝土的研究相對較少,研究還主要集中于混合再生骨料的制備及材料性能[20]、混合再生骨料混凝土基本力學(xué)性能[21-22]。

本試驗(yàn)擬設(shè)計(jì)制備砼磚體積比7∶3的混合再生骨料,采用納米硅溶膠對骨料進(jìn)行改性強(qiáng)化處理,并使用改性處理后的骨料制備混凝土,開展相關(guān)的力學(xué)性能試驗(yàn),研究分析納米再生混凝土(RCS)立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律,建立力學(xué)指標(biāo)間的定量關(guān)系,并利用電子掃描顯微鏡(SEM)探討納米硅溶膠對再生混凝土的改性機(jī)理。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 原材料

選取某公司實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)度等級為C30～C50的廢棄混凝土試塊作為本試驗(yàn)使用的廢棄混凝土,廢棄黏土磚的抗壓強(qiáng)度為MU10～MU25,取自于城市拆遷房屋。采用破碎、篩選的方法獲得粒徑為4.75～19.0 mm再生骨料,并將其以連續(xù)級配的方式制備,基本性能指標(biāo)如表1所示。采用濃度2%的納米硅溶膠溶液連續(xù)浸泡2 d對再生骨料進(jìn)行改性。改性后的混合再生骨料物理性能指標(biāo)見表1。納米硅溶膠(實(shí)驗(yàn)選用NS-30型)是無定型膠體SiO2粒子在水中均勻分散的膠體溶液,具有吸附性強(qiáng)、親水性好、比表面積大、穩(wěn)定性高等特點(diǎn),其技術(shù)指標(biāo)見表2。天然骨料采用粒徑為4.75～19.0 mm 的連續(xù)級配碎石、細(xì)度模數(shù)2.6的天然中砂。水泥為P·O42.5普通硅酸鹽水泥。外加劑為FDN-1型聚羧酸系高性能減水劑。

表1 再生骨料性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of recycled aggregate

表2 NS-30型納米硅溶膠技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical specifications of NS-30 nanometer silica sol

2.2 配合比設(shè)計(jì)

以天然骨料混凝土作為基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C50。參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011),使用等體積置換的方法,將再生砼骨料與再生磚骨料以體積比7∶3的方式混合后對天然骨料進(jìn)行全取代,再進(jìn)行再生混凝土的制備?；炷恋男阅苁芩冶鹊挠绊戄^大,而再生骨料自身具有的吸水特性,會(huì)造成拌合物的實(shí)際水灰比發(fā)生改變。因此,拌制再生混凝土和納米再生混凝土前,以預(yù)吸水的方式對再生骨料進(jìn)行處理,并使其達(dá)到飽和面干狀態(tài),然后使用再生骨料進(jìn)行拌制。具體配合比見表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix ratio kg/m3

2.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容,采用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體,作為測試立方體抗壓強(qiáng)度的試件與劈裂抗拉強(qiáng)度的試件?？拐蹚?qiáng)度試件和軸心抗壓強(qiáng)度的試件均為棱柱體,但尺寸不同,分別為:100 mm×100 mm×400 mm、100 mm×100 mm×300 mm。分別按照普通混凝土(NC)、再生混凝土(RC)、納米再生混凝土(RCS)配合比澆筑,為保證混凝土的性能,混凝土拌合物的成型過程中各項(xiàng)操作均應(yīng)符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081ˉ2019),分別對三種混凝土養(yǎng)護(hù)至四個(gè)齡期(3,7,14和28 d)的試件進(jìn)行各項(xiàng)基本力學(xué)指標(biāo)測試。采用試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù),參照標(biāo)準(zhǔn)中的公式,分別計(jì)算得到立方體抗壓強(qiáng)度fcc,劈裂抗拉強(qiáng)度fts,抗折強(qiáng)度ff和軸心抗壓強(qiáng)度fcp。

3 結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能

NC、RC和RCS的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of mechanical properties of concrete

3.2 力學(xué)性能指標(biāo)隨齡期的變化規(guī)律

NC、RC和RCS的立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律如圖1所示。從圖可見,三種混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)均隨齡期逐漸增長,NC的各項(xiàng)強(qiáng)度始終高于RC和RCS。RCS的28 d立方體抗壓強(qiáng)度較未改性的RC 的立方體抗壓強(qiáng)度提高了13.3%。RC 和RCS的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到3.02和3.15 MPa,分別為同齡期NC的劈裂抗拉強(qiáng)度的77.0%和80.3%,RCS的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度較未改性的RC 提高了4.3%。RCS 的28 d抗折強(qiáng)度較未改性的RC 提高了2.1%,RC 和RCS的抗折強(qiáng)度差異不大。RC 和RCS的28 d軸心抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到39.8和44.3 MPa,分別為同齡期NC強(qiáng)度的76.0%和84.5%,采用納米改性骨料的RCS的軸心抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)RC提高了11.3%。

圖1 混凝土力學(xué)指標(biāo)隨齡期的變化規(guī)律Fig.1 Time-dependent variation of mechanical indexes of concrete (a)time-dependent variation curves of cubic compressive strength；(b)time-dependent curves of split tensile strength；(c)time-dependent variation curves of flexural strength；(d)time-dependent curves of axial compressive strength

綜上所述,納米硅溶膠對于再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的提升效果較好,而對劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度的提升作用并不明顯。

3.3 納米硅溶膠對混合再生骨料混凝土的改性機(jī)理

采用納米硅溶膠對再生骨料進(jìn)行改性處理后的制備再生混凝土,其基本力學(xué)指標(biāo)均得到不同程度的提升,表現(xiàn)出更為接近普通混凝土的受荷性能。采用TSM-7500F型SEM 對經(jīng)過處理的包含改性前后再生磚、砼骨料的試樣進(jìn)行微觀形貌觀察,如圖2所示。

圖2 改性處理前(a)、后(b)的再生混凝土微觀形貌圖像Fig.2 SEM images of recycled concrete before(a)and after(b)treatment

再生骨料特別是再生磚骨料不僅強(qiáng)度低且疏松多孔,同時(shí)再生骨料表面附著有老舊砂漿,致使新舊砂漿的粘結(jié)較差,形成了較多孔隙,成為再生骨料混凝土的薄弱區(qū)域(見圖2(a))。在荷載作用下,再生磚骨料基體以及薄弱的界面區(qū)往往先于水泥石開裂,進(jìn)而導(dǎo)致混凝土的破壞。采用納米硅溶膠對再生骨料進(jìn)行預(yù)處理后,大量的納米SiO2顆粒殘留于改性再生骨料表面,這些顆粒的作用體現(xiàn)在:骨料周圍的新拌水泥砂漿孔隙以及骨料表面附著的老舊砂漿孔隙得到填充,從而對砂漿及新-舊砂漿界面的密實(shí)度起到改善作用；參與二次水化反應(yīng),消耗了Ca(OH)2及自由水,生成的團(tuán)絮狀C-S-H 凝膠對原本疏松多孔的區(qū)域進(jìn)行有效填充(見圖2(b)),增強(qiáng)了再生骨料與凝膠之間結(jié)合,優(yōu)化了混凝土的孔隙結(jié)構(gòu),新舊砂漿的整體性得到改善,提高了再生混凝土的整體性和密實(shí)度。

3.4 混凝土力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性分析

作為混凝土最為重要力學(xué)性能指標(biāo),立方體抗壓強(qiáng)度能夠與混凝土其他力學(xué)指標(biāo)建立起相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。采用回歸分析的方法分析RCS的力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系,分別建立方體抗壓強(qiáng)度fcu與軸心抗壓強(qiáng)度fc、劈裂抗拉強(qiáng)度fts、抗折強(qiáng)度ff的定量關(guān)系。

由圖3、表5可見,RCS的力學(xué)指標(biāo)間具有較好的相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)均不小于0.96。RCS的軸心強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度符合線性函數(shù)關(guān)系,RCS的劈裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度符合冪函數(shù)關(guān)系。

圖3 混凝土力學(xué)指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系擬合曲線Fig.3 Fitting curve of correlation between mechanical indexes of concrete (a)f c—f cu；(b)f ts—f cu；(c)f f—f cu

對于普通混凝土,軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值在0.76～0.80之間。從表5可見,較之普通混凝土,RCS的軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度更為接近,其主要原因還是由再生骨料自身硬度低、再生骨料混凝土強(qiáng)度低導(dǎo)致的,當(dāng)RCS進(jìn)行受壓測試時(shí),由于再生磚骨料自身較低的強(qiáng)度以及再生骨料附近界面形態(tài)的更加復(fù)雜性,其破壞過程更快,加載時(shí)長縮短,加之在試塊兩端壓力試驗(yàn)機(jī)沒有能夠產(chǎn)生明顯的“環(huán)箍”作用,最終,相對于單軸受壓條件下的強(qiáng)度值,試塊的立方體抗壓強(qiáng)度值增幅有限。

表5 納米再生混凝土力學(xué)指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlation between Mechanical Indexes of RCS

4 結(jié) 論

改性處理后,28 d齡期時(shí),相較于RC,RCS的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)均有提升,其中立方體抗壓強(qiáng)度與軸心抗壓強(qiáng)度均有較明顯的提高,但抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度提升則較少,分別較RC 的強(qiáng)度值提升了13.3%、19.4%、4.3%、2.1%。

納米硅溶膠改性處理對再生砼骨料以及再生砼骨料-砂漿過渡區(qū)微觀形態(tài)影響較大,而對再生磚骨料和其周邊的砂漿過渡區(qū)微觀形態(tài)影響較小。改性處理后,有效提高了新舊砂漿的整體性及密實(shí)性。

RCS的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)間有良好的相關(guān)性,軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度符合線性函數(shù)關(guān)系,劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度符合冪函數(shù)關(guān)系；其軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值接近于1,即立方體抗壓強(qiáng)度接近于單軸抗壓強(qiáng)度。