單寧酸改性再生骨料廢液對(duì)砂漿性能的影響研究

韋于彪 王 亮,2,3 劉志強(qiáng) 王 浩 葛 巖

(1. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院, 安徽 淮南 2320012. 安徽理工大學(xué) 環(huán)境工程博士后流動(dòng)站, 安徽 淮南 2320013. 淮北礦業(yè)股份有限公司博士后工作站, 安徽 淮北 235000)

0 前 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，新的建設(shè)工程項(xiàng)目持續(xù)增加，優(yōu)質(zhì)砂石骨料資源短缺的問(wèn)題日益突出[1]。將廢棄混凝土進(jìn)行破碎，篩分成適當(dāng)粒徑，可作為再生骨料制作再生混凝土，既可節(jié)約資源，又可減少環(huán)境污染，符合可持續(xù)發(fā)展的要求[2]。

大量研究表明，再生骨料具有吸水率高、孔隙率高、顆粒密度低、壓碎值高等缺點(diǎn)[3]，其性能不如天然骨料混凝土。國(guó)內(nèi)外的研究者們提出了針對(duì)再生骨料的強(qiáng)化方法，主要包括酸液浸泡法、加熱打磨法、涂層改性法、機(jī)械打磨法、碳化法等[4]。其中，酸液浸泡法具有能耗低、易操作等優(yōu)勢(shì)。Tam等人采用酸液預(yù)浸法去除再生骨料中殘留的水泥砂漿，預(yù)處理后的再生骨料混凝土吸水率顯著降低，力學(xué)性能得到顯著改善[5]。陳美祝等人認(rèn)為水泥水化產(chǎn)物與鹽酸反應(yīng)后溶解，可使再生骨料孔隙率降低、吸水率減小[6]。Wang等人發(fā)現(xiàn)再生細(xì)骨料與單寧酸(tannic acid,TA)反應(yīng)而生成的納米顆粒會(huì)沉積在再生細(xì)骨料表面，可改善再生細(xì)骨料與水泥之間的黏結(jié)性能[7]。事實(shí)上，在酸液對(duì)再生骨料提質(zhì)的過(guò)程中，若選取合適的酸性溶液，不僅能夠提升再生骨料的質(zhì)量，還可以從廢液中提取高附加值的產(chǎn)物[4,7]。

本次研究以TA溶液浸泡再生細(xì)骨料所產(chǎn)生的過(guò)程廢液為研究對(duì)象，提出了使用過(guò)程廢液作為拌合水制備砂漿試件。通過(guò)對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度、孔結(jié)構(gòu)、抗氯離子滲透性和混凝土中鋼筋抗銹蝕性等性能的表征，綜合分析了廢液作拌合水對(duì)水泥砂漿性能的影響，以達(dá)到對(duì)廢液進(jìn)行利用的目的。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用膠凝材料為海螺牌P·O 42.5硅酸鹽水泥。所用細(xì)骨料為淮河河砂，細(xì)度模數(shù)為2.56，表觀密度為2 550 kg/m3。所用水為自來(lái)水。所用再生骨料為同一配合比的廢棄混凝土，粒徑為4.75 mm以下。所用單寧酸為分析純。

本次研究TA溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%、1.0%，分別以1.5∶1的固液比浸泡再生細(xì)骨料。浸泡2 h后，利用抽濾裝置和真空泵對(duì)浸泡溶液進(jìn)行抽濾處理，得到清澈廢液，并分別將其編號(hào)為0.1%TA、0.3%TA、0.5%TA、1.0%TA，未加入TA溶液的編號(hào)為Control。

1.2 砂漿試件制備與配合比設(shè)計(jì)

對(duì)于所有砂漿組別，水與膠凝材料的質(zhì)量比均為0.45，砂漿配合比如表1所示。首先，將水泥和砂在機(jī)械攪拌鍋中攪拌2 min；然后，將水或廢液加入干混合物中，再攪拌2 min；最后，將砂漿澆入50 mm×50 mm×50 mm的立方體模具中，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30 s，以去除砂漿拌合物中的氣泡，試件編號(hào)與廢液編號(hào)相同。砂漿試件在溫度為23 ℃±2 ℃、相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，將脫模后的試件浸泡在飽和Ca(OH)2溶液中，繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期。

表1 砂漿配合比

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 測(cè)試抗壓強(qiáng)度

將砂漿試件分別養(yǎng)護(hù)至3、7、28和90 d后，對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

1.3.2 計(jì)算氯離子滲透性

制作直徑為100 mm、高度為50 mm的圓柱體砂漿試件，在溫度為23 ℃±2 ℃、相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d后，對(duì)其進(jìn)行氯離子滲透實(shí)驗(yàn)。將試件固定在電通量測(cè)定儀的2個(gè)極板之間，電位差為60 V，一端浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的NaCl溶液中，另一端浸泡在摩爾濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液中。每組取3個(gè)試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取其平均值作為測(cè)定結(jié)果。通過(guò)每個(gè)試件的總電通量計(jì)算方法如式(1)所示：

Q=900(I0+2I30+2I60+…+2It+…+

鄭丹丹[8]在其文中指出，根據(jù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展形勢(shì)和退役安置中存在的問(wèn)題，現(xiàn)階段我國(guó)需要不斷完善退役運(yùn)動(dòng)員保障政策，要結(jié)合實(shí)際情況，通過(guò)多樣化的資金來(lái)源使得運(yùn)動(dòng)員保障經(jīng)費(fèi)投入進(jìn)一步加大，利用多媒體資源，擴(kuò)大宣傳，形成多途徑、多手段、多樣化的就業(yè)服務(wù)平臺(tái)，充分利用互聯(lián)網(wǎng)和新媒體資源，提高安置效率。

2I300+2I330+I360)

(1)

式中：Q為總電通量,C；I0為初始電流，A；It為時(shí)間t(min)的電流，A。

2.3.3 分析鋼筋抗銹蝕性

采用電化學(xué)腐蝕的方法對(duì)廢液砂漿中鋼筋的腐蝕行為進(jìn)行表征，鋼筋電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。首先，將廢液砂漿澆入直徑為100 mm，高度為200 mm的圓柱形模具中；然后，將鋼筋嵌入廢液砂漿中。砂漿試件硬化后脫模，在溫度為23 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d后，對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)。當(dāng)試件出現(xiàn)貫通裂紋時(shí)，電流會(huì)突然上升，記錄此時(shí)間，以評(píng)價(jià)廢液砂漿中鋼筋的抗銹蝕性。

圖1 鋼筋電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.3.4 測(cè)定孔結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同養(yǎng)護(hù)齡期砂漿試件的抗壓強(qiáng)度如圖2所示。TA廢液使早齡期砂漿試件的抗壓強(qiáng)度降低，且TA質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其降低作用越顯著。這是因?yàn)閺U液中殘留的TA抑制了早期水泥的水化，當(dāng)砂漿試件養(yǎng)護(hù)齡期為3、7 d時(shí)，其抗壓強(qiáng)度變化情況如表2所示。

圖2 不同養(yǎng)護(hù)齡期砂漿試件的抗壓強(qiáng)度

隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，TA砂漿試件的抗壓強(qiáng)度顯著提高。其中，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，0.3%TA砂漿試件的抗壓強(qiáng)度最大，1.0%TA砂漿試件的抗壓強(qiáng)度略低于Control組，但其在90 d的抗壓強(qiáng)度最大。這表明TA廢液對(duì)砂漿后期抗壓強(qiáng)度具有一定的提升作用。

表2 砂漿試件抗壓強(qiáng)度變化情況

2.2 氯離子滲透性

砂漿試件的氯離子電通量如圖3所示。廢液砂漿試件的抗氯離子滲透能力優(yōu)于Control組，且隨著TA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，通過(guò)砂漿的總電荷量逐漸減少。這主要是因?yàn)閺U液中殘留的TA能與水泥漿中的Fe3+和Al3+等金屬離子配位絡(luò)合[2]，形成化學(xué)鍵，增強(qiáng)了界面的密實(shí)度和硬度，使砂漿試件的抗氯離子滲透性能提高。

圖3 砂漿試件的氯離子電通量

2.3 鋼筋抗銹蝕性

隨著外加電流的持續(xù)增加，鋼筋與砂漿界面處的銹蝕產(chǎn)物不斷增多，砂漿內(nèi)部逐漸產(chǎn)生裂縫，從而導(dǎo)致砂漿的滲透阻力降低。當(dāng)貫通裂縫形成時(shí)，砂漿試件遭到破壞，此時(shí)電流急劇增加，故將接通電流至電流突變的時(shí)間作為砂漿鋼筋抗銹蝕能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。砂漿試件的鋼筋銹蝕電流曲線如圖4所示。Control、0.3%TA和1.0%TA砂漿試件的電流突變時(shí)間分別為96.1 h、113.4 h和79.4 h。1.0%TA砂漿試件銹蝕電流急劇上升時(shí)間較早，這是由于TA廢液抑制了水泥水化，砂漿內(nèi)部極限抗拉應(yīng)力較小，所以內(nèi)部裂縫通道形成較早。0.3%TA砂漿試件內(nèi)部極限抗拉應(yīng)力最大，且初始的氯離子滲透量較小，因此，銹蝕電流急劇上升的時(shí)間最遲。這表明0.3%TA砂漿試件中鋼筋抗銹蝕能力較強(qiáng)。

圖4 砂漿試件的鋼筋銹蝕電流曲線

2.4 砂漿孔徑分布

砂漿試件的孔徑分布和累計(jì)孔體積曲線如圖5所示，各砂漿試件的孔徑主要集中在10～1 000 nm。當(dāng)孔徑大于2 000 nm時(shí)，砂漿孔結(jié)構(gòu)分布具有一致性。Control、0.1%TA、0.3%TA、0.5%TA、1.0%TA砂漿試件的最可幾孔徑分別為56.2、47.8、52.7、49.3和52.8 nm。與對(duì)照組相比，最可幾孔徑向小孔徑方向移動(dòng)。這是因?yàn)門A廢液中含有的納米顆?？梢蕴畛渖皾{的空隙，為水泥水化提供了更多的成核位點(diǎn)，有效改善了砂漿的孔結(jié)構(gòu)。此外，TA中的鄰苯二酚基團(tuán)與Ca2+有很強(qiáng)的黏附力和親和力，可與水泥水化產(chǎn)生的CH發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生更多的C—S—H，加速了后期水泥的水化，改善了砂漿的孔結(jié)構(gòu)分布。1.0%TA砂漿試件的孔隙率較高，這可能是因?yàn)閺U液中殘余的TA過(guò)多，抑制了水泥的水化。

3 結(jié) 語(yǔ)

TA改性再生骨料廢液作拌合水降低了砂漿早期的抗壓強(qiáng)度，但對(duì)砂漿的后期抗壓強(qiáng)度具有一定的提升作用，當(dāng)TA質(zhì)量濃度為0.3%時(shí)，其28 d抗壓強(qiáng)度提高了14.34%。TA廢液能提高砂漿的抗氯離子滲透能力，且TA質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其提高作用越顯著。當(dāng)TA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，能有效提高砂漿中鋼筋的抗銹蝕能力。TA廢液促進(jìn)了C—S—H的生成，有效填充了砂漿中的毛細(xì)孔以及微孔，改善了砂漿的孔結(jié)構(gòu)，提高了砂漿的抗壓強(qiáng)度和耐久性。

圖5 砂漿試件的孔徑分布和累計(jì)孔體積