含防水劑的再生混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究★

薛 斌，康玉梅，魏夢(mèng)琦，宋旨健，谷 今，朱富恩

(1.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819； 2.中鐵九局集團(tuán)第四工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110005)

隨著房屋建筑行業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，我國(guó)每年的混凝土需求量高達(dá)13億m3，占世界混凝土總需求量的46%左右。同時(shí)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，建筑生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量破碎廢棄混凝土[1-3]。眾所周知，在混凝土的原材料中，骨料約占75%，而骨料主要來(lái)源于人們對(duì)巖石開(kāi)挖再加工，以及對(duì)河中砂、卵石和礫石的直接挖掘，不僅嚴(yán)重破壞了自然環(huán)境，同時(shí)也阻撓建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，對(duì)廢棄混凝土的再生利用研究顯得尤為重要，不僅能夠帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益，還可以實(shí)現(xiàn)建筑資源的高效利用[4-5]。

破碎廢棄混凝土得到的再生骨料表面被大量舊混凝土水泥砂漿包裹，具有棱角多、吸水率大的特點(diǎn)，因此使用這種再生骨料所制備的再生混凝土力學(xué)性能較差[6]。針對(duì)這種情況，國(guó)內(nèi)外大多采用物理強(qiáng)化或化學(xué)強(qiáng)化方法對(duì)再生骨料進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)再生混凝土性能的提升[7-8]，然而這類(lèi)方法造價(jià)高昂，在我國(guó)不具有普適性。文獻(xiàn)[9-12]表明摻入粉煤灰、礦渣等礦物質(zhì)能夠有效填補(bǔ)再生混凝土的內(nèi)部細(xì)小孔洞，增強(qiáng)再生混凝土的內(nèi)部密實(shí)性，提高其力學(xué)性能[13]?？紤]到防水劑的摻入同樣可通過(guò)活性物質(zhì)催化結(jié)晶，充分填堵混凝土內(nèi)部本身的毛細(xì)孔，提高混凝土的力學(xué)性能[14]。本文采用防水劑對(duì)再生混凝土進(jìn)行改性試驗(yàn)，研究了不同摻量的防水劑與再生粗骨料對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)合掃描電鏡試驗(yàn)分析防水劑與再生粗骨料作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料及配合比

水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.56的天然河砂，最大粒徑為4.75 mm；粗骨料選用粒徑為5 mm～31.5 mm的天然碎石；再生粗骨料采用顎式破碎機(jī)破碎廢棄混凝土，篩分后粒徑為5 mm～31.5 mm，其物理指標(biāo)如表1所示；防水劑為鄭州賽諾建材公司生產(chǎn)的賽諾牌YYK防水劑。經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)防水劑的添加對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間影響小于2%，對(duì)水泥安定性無(wú)影響，可以滿足使用要求。

表1 再生粗骨料各個(gè)物理指標(biāo)的測(cè)定值

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[15]，經(jīng)過(guò)多次試配得到C25混凝土的配合比(質(zhì)量比)為W∶C∶S∶G=200∶250∶780∶1 170。將防水劑設(shè)為水泥摻量的0%，0.4%，0.8%，1.5%，再生粗骨料對(duì)粗骨料進(jìn)行等質(zhì)量取代。試驗(yàn)設(shè)置不同摻量的防水劑，每種摻量為一組，每組各摻入0%，25%，50%，75%的再生粗骨料，共計(jì)16組，編號(hào)為FθRε，其中θ為防水劑摻量；ε為再生粗骨料摻量，普通混凝土(F0R0)為基準(zhǔn)組，具體配合比見(jiàn)表2。

表2 再生混凝土配合比

1.2 試件制備及試驗(yàn)方法

按照配合比將骨料、砂和70%的水混合攪拌10 s～20 s后，加入所有的水泥攪拌30 s，再加入剩余的30%的水?dāng)嚢?0 s將混凝土拌合物澆入長(zhǎng)寬高為100 mm×100 mm×100 mm試件模具內(nèi)并振搗密實(shí)，24 h后脫模將其放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，室內(nèi)溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度在95%以上。

按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]測(cè)試混凝土的坍落度；按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]測(cè)試混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度；使用掃描電子顯微鏡(Ultra-plus SEM)觀察試件破壞后的界面形貌，測(cè)試前在試件表面進(jìn)行噴金處理，加速電壓為15 kV。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 坍落度

再生混凝土坍落度如圖1所示，基準(zhǔn)組F0R0坍落度為45 mm，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土坍落度逐漸降低，F(xiàn)0R25,F0R50,F0R75的坍落度與基準(zhǔn)組F0R0相比分別降低了2.2%,15.6%,20%，原因在于再生骨料與天然骨料相比，表面粗糙多孔、吸水率更高，從而降低了坍落度。當(dāng)再生粗骨料取代率為75%，F(xiàn)0R75坍落度為36 mm，此時(shí)再生混凝土有較好的黏聚性，摻入防水劑后，F(xiàn)0.4R75,F0.8R75,F1.5R75與F0R75相比分別提高了2.7%,33.3%,41.7%，由此可知，防水劑的加入使得混凝土流動(dòng)性變好，坍落度增大。

2.2 抗壓強(qiáng)度

立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用長(zhǎng)寬高為100 mm×100 mm×100 mm試件，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度如圖2所示。如圖2可知，相同防水劑摻量的情況下，隨著再生粗骨料取代率的增大，再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。再生粗骨料取代率在0%～50%范圍內(nèi)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)再生粗骨料取代率為50%，防水劑摻量為0.8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，與基準(zhǔn)組F0R0相比抗壓強(qiáng)度提升32.6%；當(dāng)再生粗骨料取代率在50%～75%范圍內(nèi)時(shí)，抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)減小的變化趨勢(shì)，再生粗骨料取代率為75%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度為27 MPa，與F0.8R0相比降低8.1%。試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入適量再生粗骨料會(huì)使抗壓強(qiáng)度升高，而過(guò)量再生粗骨料的摻入反而會(huì)降低再生混凝土的強(qiáng)度，原因在于再生粗骨料作為再生混凝土的骨架支撐，其強(qiáng)度小于天然骨料，適量的再生骨料的加入可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但過(guò)量的再生骨料的加入將使混凝土的抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。

相同再生粗骨料摻量情況下，摻入防水劑，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度基本呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)。當(dāng)防水劑摻量為0.4%時(shí)，不同摻量再生粗骨料的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為23.35 MPa,27.83 MPa,29.84 MPa,22 MPa；而防水劑摻量增加到0.8%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度為29.36 MPa,31.61 MPa,33.03 MPa,27 MPa，與防水劑摻量0.4%時(shí)相比分別提升25.7%,13.6%,10.7%,22.7%，且當(dāng)防水劑摻量繼續(xù)增大到1.5%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度為23.44 MPa，比F0.8R0降低25.3%，說(shuō)明防水劑摻量因素對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響與再生粗骨料摻量因素的影響相似，摻入適量防水劑會(huì)使抗壓強(qiáng)度升高，過(guò)量摻入防水劑則無(wú)法繼續(xù)提升再生混凝土抗壓強(qiáng)度，反而會(huì)導(dǎo)致再生混凝土吸水率過(guò)低，配合比失衡，水化反應(yīng)不充分，進(jìn)而使再生混凝土抗壓強(qiáng)度變低。當(dāng)再生粗骨料摻量為50%，防水劑摻量為0.8%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，試驗(yàn)效果最佳。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

劈裂抗拉試驗(yàn)采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，隨著再生粗骨料摻量的增大，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。摻入防水劑后，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度基本呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)，防水劑的摻量為0.8%，不同再生粗骨料摻量混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為3.12 MPa,3.36 MPa,3.62 MPa,2.84 MPa。再生粗骨料摻量在0%～50%范圍內(nèi)逐漸增大時(shí)，與F0.8R0相比，F(xiàn)0.8R50的劈裂抗拉強(qiáng)度提升了16%，再生粗骨料摻量超過(guò)50%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度逐步減?。辉偕止橇蠐搅繛?5%時(shí)，與F0.8R50相比，F(xiàn)0.8R75的劈裂抗拉強(qiáng)度降低了27.5%，說(shuō)明適量的再生骨料的加入可以提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，但少量或過(guò)量的再生粗骨料的加入將使混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)。防水劑摻量因素對(duì)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響與再生粗骨料摻量因素的影響相似。當(dāng)再生粗骨料摻量為50%，防水劑摻量為0.8%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值。

2.4 防水劑與再生粗骨料作用機(jī)理分析

對(duì)防水劑摻量為0.8%，不同再生粗骨料摻量的混凝土進(jìn)行SEM觀測(cè)，結(jié)果如圖4～圖7所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)僅摻入防水劑混凝土試樣的骨料與水泥石界面疏松多孔，存在未完全水化的水泥顆粒及微裂縫，隨著再生粗骨料摻量的增加，微裂縫逐漸減少，但再生粗骨料摻量過(guò)多時(shí)仍存在多條裂縫。再生粗骨料摻量為25%時(shí)，界面處主要的水化產(chǎn)物為C-S-H凝膠晶體與層片狀的Ca(OH)2晶體，粗骨料與水泥漿體的結(jié)合處較為緊密，四周存在較大孔隙；當(dāng)再生粗骨料摻量為50%時(shí)，界面處已經(jīng)富集大量的針刺狀鈣礬石晶體，且伴有少量層片狀的Ca(OH)2晶體，此時(shí)能夠觀測(cè)到的大孔隙較少，說(shuō)明針刺狀鈣礬石晶體、層片狀的Ca(OH)2晶體及高度絮凝化C-S-H凝膠晶體的共同作用下填充了大孔隙，改善了孔結(jié)構(gòu)，使整個(gè)水泥石結(jié)構(gòu)更為致密；當(dāng)再生粗骨料摻量為75%時(shí)，界面處周?chē)苊黠@觀測(cè)到堆積層片狀的Ca(OH)2晶體，且伴隨著多條微裂縫的存在，說(shuō)明再生粗骨料的過(guò)量摻入后，加入防水劑也無(wú)法有效改善再生混凝土的界面過(guò)渡區(qū)形貌。對(duì)比再生粗骨料摻量為0%,50%與75%的電鏡切片，發(fā)現(xiàn)能夠觀測(cè)到的微裂縫較少的原因是在水化反應(yīng)已經(jīng)足夠充分的條件下，防水劑的摻入能夠明顯改善再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)形貌，促進(jìn)針刺狀鈣礬石晶體與層片狀的Ca(OH)2晶體填充孔結(jié)構(gòu)，使界面過(guò)渡區(qū)更為致密，實(shí)現(xiàn)對(duì)再生混凝土性能的提升，而過(guò)量再生粗骨料的摻入后，摻入防水劑也無(wú)法對(duì)再生混凝土實(shí)現(xiàn)改性。

3 結(jié)論

1)隨再生粗骨料摻量的增加再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，各組在F0R50,F0.4R50，F(xiàn)0.8R50，F(xiàn)1.5R50時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，分別為32.14 MPa,29.84 MPa,33.03 MPa,30.89 MPa，較基準(zhǔn)組F0R0的24.91 MPa提升29%,19.8%,32.6%,24%，防水劑摻量為0.8%，再生粗骨料摻量50%為最優(yōu)摻量。2)隨防水劑摻量的增加再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，各組在F0R50,F0.4R50,F0.8R50,F1.5R50時(shí)，抗拉強(qiáng)度最大，分別為3.32 MPa,3.14 MPa,3.62 MPa,3.39 MPa，較基準(zhǔn)組F0R0的2.66 MPa提升24.8%,18%,36.1%,27.4%，其最優(yōu)摻量與再生混凝土抗壓強(qiáng)度相同。3)僅摻入防水劑時(shí)，混凝土內(nèi)部存在未完全水化的水泥顆粒，隨著再生粗骨料摻量的逐漸增加，水化反應(yīng)逐漸深化，摻入的防水劑能夠促進(jìn)結(jié)晶體的生成，針刺狀鈣礬石晶體、片狀的Ca(OH)2晶體與C-S-H凝膠的共同作用對(duì)裂縫起到填充作用，進(jìn)而有效改善界面過(guò)渡區(qū)。