納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對再生骨料自密實混凝土力學性能與耐久性的影響*

武 亞,夏 芬,揭雙全,陳蘭生,邵 帥,馬 聰

(1.深圳市建安(集團)股份有限公司,廣東 深圳 518040; 2.深圳大學,廣東 深圳 518060)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷加快,大量舊建筑物被拆除,由此每年產生的建筑垃圾(主要是廢混凝土)總量達4.8億t[1-2]。如此大量的廢混凝土不僅占用大量土地,且已引起嚴重的環(huán)境問題。對混凝土進行循環(huán)再利用,即再生混凝土技術,通常被認為是解決廢混凝土問題最有效的措施[3-6]。但目前再生混凝土技術在實際工程中的應用較少。這主要是因為,與天然骨料相比,再生骨料(RCA)存在表觀密度低、孔隙率高、表面粗糙、吸水率高、壓碎值高和微裂縫多等缺點,因此導致再生混凝土的拌合用水量大、體積收縮大、力學性能差和耐久性差[7-11],從而限制了其在工程中的應用。

目前國內外研究人員采用不同的物理化學技術改善RCA性能,主要是增強RCA表面性能,從而增強水泥砂漿與RCA間的界面過渡區(qū)(TZE)[12-14]。這主要包括采用機械法、酸浸泡法、微波加熱法去除RCA表面舊砂漿,使用火山灰材料包裹RCA,利用聚合物和硅酸鈉溶液來增強RCA性能[15-19]。這些傳統(tǒng)處理方法不僅能耗大、成本高,且對強度和耐久性的改善程度有限。因此迫切需更有效且環(huán)保的方法來增強RCA的性能。

納米復合材料CSH-PCE是由聚羧酸減水劑(PCE)處理人工合成的納米水化硅酸鈣晶體(CSH)得到的具有高分散性的納米CSH-PCE晶核溶液[20]。CSH-PCE可作為CSH理想的成核基質,現(xiàn)有研究表明[21],低摻量的CSH-PCE(1%左右)可顯著提高水泥早期水化反應,且對粉煤灰和礦渣等礦物摻合料的二次水化也有一定促進作用,同時還能提高混凝土的長期性能,文獻[22-23]表明,在混凝土中摻入水泥質量1%的納米CSH-PCE溶液可明顯提高混凝土的抗氯離子滲透性,降低毛細吸水率,同時碳化深度和抗凍性也有明顯提高。因此使用CSH-PCE處理RCA,可顯著提高RCA表面CSH的成核位點,從而使RCASCC的TZE顯著增強,強度和耐久性得以提升。此外CSH-PCE使用量低,具有較大的經濟優(yōu)勢。

自密實混凝土(SCC)組成材料與傳統(tǒng)混凝土相同,但由于其含有大量石灰石粉和粉煤灰等礦物摻合料,減水劑用量較大,最大粗骨料粒徑更小,使SCC比普通混凝土有更好的工作性能[24-26]。目前對SCC的研究主要集中在增強SCC工作性能和提升其自收縮性能,且研究較完善;但對于再生骨料自密實混凝土(RCASCC)的性能研究較少。利用納米CSH-PCE溶液強化RCA制備自密實混凝土,不僅能實現(xiàn)廢混凝土的循環(huán)利用,降低自密實混凝土成本,且還能提高自密實混凝土自收縮性能,因此RCASCC具有廣闊的應用前景。

為探究納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對再生骨料自密實混凝土力學性能與耐久性的影響,使用納米CSH-PCE溶液處理RCA,制備再生骨料自密實混凝土,測試其抗壓強度、抗氣體滲透性、抗氯離子滲透性、毛細吸水性能、抗凍融性,并結合掃描電鏡(SEM)分析強化再生骨料對再生骨料自密實混凝土性能的影響機理。研究結果可為再生骨料自密實混凝土的應用提供參考。

1 試驗設計

1.1 原材料

水泥(C)采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,細骨料(S)采用細度模數(shù)為2.4的河砂。再生粗骨料級配如表1所示,再生骨料選用連續(xù)級配的破碎廢混凝土塊,廢混凝土塊取自深圳市某工地舊建筑物拆除的舊混凝土,其經顎式破碎機2次破碎后再經人工篩分得到再生骨料(見圖1),其表觀密度為 1 500kg/m3, 壓碎值為14.34,吸水率為3.33%。礦物摻合料采用高級粉煤灰(FA)及石灰石粉(LP),表觀密度為2 630kg/m3,比表面積為573m2/kg,中值粒徑為6.77μm。納米CSH-PCE溶液平均粒徑為24.8nm,濃度為20%,為白色懸濁液。聚羧酸高效減水劑(SP)的減水率33%,拌合水為純凈自來水。

圖1 試驗所用廢棄混凝土再生骨料Fig.1 Waste concrete recycled aggregate used in the test

表1 再生粗骨料級配Table 1 Regenerated coarse aggregate gradation

1.2 混凝土配合比及制備

為研究納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對再生骨料自密實混凝土性能的影響,本試驗使用不同濃度納米CSH-PCE溶液處理的RCA取代天然骨料制備再生骨料自密實混凝土,參考JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術規(guī)程》進行配合比設計,通過試驗調整,最終確定的 RCASCC配合比如表2所示。試驗中使用的納米CSH-PCE溶液濃度為1%,3%,5%,7%,10%,15%和20%。將濃度為20%納米CSH-PCE溶液使用實驗室自來水進行稀釋,將稀釋后的納米CSH-PCE溶液均勻噴灑到樣品的表面,對照組噴灑試驗室自來水。首先將噴頭固定在再生骨料上方,每次噴霧后,輕輕轉動樣品,以使每次噴霧均勻地散布在再生粗骨料表面(見圖2)。噴灑在再生粗骨料上的液體質量為再生骨料的吸水值。為使噴灑在再生骨料表面的納米CSH-PCE溶液被充分吸收,噴灑后的再生骨料在溫度為20℃,濕度為40%的試驗室靜置24h,然后澆筑RCASCC。

圖2 納米CSH-PCE溶液噴灑再生粗骨Fig.2 CSH-PCE solution sprayed to regenerate coarse aggregate

表2 再生骨料自密實混凝土配合比設計Table 2 Mix proportions of RCASCC

1.3 測試方法

1.3.1RCASCC工作性能測試

參考《自密實混凝土應用技術規(guī)程》,對不同濃度納米CSH-PCE溶液處理的RCA制備的RCASCC試件進行工作性能測試,測試指標分別為坍落擴展度、擴展時間T50、V形漏斗流出時間TV。

1.3.2RCASCC抗壓強度測試

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》要求,分別在 1d 和 28d 時進行抗壓強度試驗,試件尺寸為 100mm×100mm×100mm,加載速度為 0.15mm/min。

1.3.3氣體滲透性測試

試件進行標準養(yǎng)護28d后,根據(jù)JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規(guī)程》,在(20±1)℃,(60±2)% RH的空氣介質下,對經60℃干燥3d的φ100×50圓柱體試件進行氣體滲透性測試,以3塊混凝土測試值作為結果,其余測試細節(jié)可見文獻[23-24]。氣體滲透系數(shù)G計算如下:

(1)

式中:V為氣室與管道總體積;td為透氣時間;L為試件厚度,值為0.05m;A為滲透面積,值為7.85×10-3m2。

1.3.4RCASCC抗氯離子滲透性測試

根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》,使用快速遷移法試驗評估抗氯離子滲透能力,快速遷移試驗是通過外部電場加速氯離子滲透的非穩(wěn)態(tài)遷移試驗,采用φ100×50圓柱體進行抗氯離子滲透試驗。試件在標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至28d齡期取出后,在真空狀態(tài)下浸泡在Ca(OH)2溶液中。根據(jù)初始電壓為30V,調整試驗施加電壓。整個試驗過程中,試件底面浸沒在10%的氯化鈉溶液中,試件表面浸沒在0.3mol/L的NaOH溶液中,待試驗持續(xù)時間為24h后,將試樣通過壓力試驗機劈裂,一分為二后,立即在試件斷口表面噴灑0.1mol/L 的 AgNO3溶液。約15min后,測定氯離子的滲透深度。

1.3.5RCASCC毛細吸水測試

根據(jù) ASTM C1585 進行毛細吸水測試,試件尺寸為φ100×50。達到28d齡期的試件經60℃干燥至恒重后,用石蠟密封試件側面,測試其接觸水后質量增量占干質量的百分比,共有以下浸水齡期:0min,1min,5min,10min,30min,1h,2h,3h,4h,5h,6h,1d,2d,4d,5d,6d,7d,8d。吸附系數(shù)S計算如下:

(2)

式中:i為流入面單位面積吸水量(mm3/mm2); Δw為吸水質量(g);A為吸水面積;ρw為水的密度,998.206 3kg/m3;b為截距;t為浸泡時間;S為吸附系數(shù)(mm3/mm2/s1/2)。

1.3.6RCASCC抗凍融試驗

快速凍融試驗依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進行。試件尺寸為100mm×100mm×400mm ,試件達到齡期的前4d,將試件從標準養(yǎng)護室中取出,浸入水中浸泡4d,使其飽和,測量初始質量和彈性模量。試驗過程中,將試樣放入加水的橡膠箱中,凍融機循環(huán)溫度為(-18±2)℃～(5±2)℃,采用凍融前后的質量變化和相對動態(tài)彈性模量(Erd)評價試件的抗凍融性能。

1.3.7掃描電鏡(SEM)

取標準養(yǎng)護28d混凝土內部片狀硬化混凝土漿體進行SEM(Quanta FEG 250)形貌觀察。

2 結果與討論

2.1 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC工作性能的影響

不同濃度納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料對RCASCC的坍落擴展度、TV,T50的影響如圖3所示。由圖3可知,經處理的再生骨料制備的RCASCC坍落擴展度、TV,T50均能滿足《自密實混凝土應用技術規(guī)程》對二級自密實混凝土工作性能的要求。與對照組C0相比,納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料對RCASCC的坍落擴展度影響并不明顯。對照組坍落擴展度為660mm,7%濃度的納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料對RCASCC的坍落擴展度影響最大,但僅使其下降了1.5%。納米CSH-PCE顆粒能提高RCASCC的塑性黏度,但RCASCC的TV,T50并未隨著納米CSH-PCE濃度提高而發(fā)生明顯變化,這可能是因為CSH-PCE的用量較少,因此對漿體塑性黏度影響有限。綜合來說,納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料對RCASCC的工作性能影響并不明顯,本試驗RCASCC的各項工作性能指標均能滿足規(guī)范要求。

圖3 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC坍落擴展度、TV,T50的影響Fig.3 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with the solution on the extensibility, TV and T50 of RCASCC

2.2 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC力學性能的影響

RCASCC齡期為1d和28d的抗壓強度值如圖4所示。與對照組(未使用納米CSH-PCE溶液處理)相比,可知一定濃度范圍內納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料可明顯提高RCASCC 1d和28d的抗壓強度。隨著納米CSH-PCE溶液濃度從1%增加到20%,RCASCC 1d和28d的抗壓強度均先增大后減小,其中C7組混凝土的抗壓強度值最大,1d和28d強度分別提高了45%和12.8%。納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC的早期強度提升更明顯。當納米CSH-PCE溶液濃度從 1%增加到7%,RCASCC強度增長率從27%提高到了45%。這主要是因為分布于再生骨料表面的納米CSH-PCE溶液可為水泥水化提供大量的成核位點,從而促進水泥的早期水化,同時納米CSH-PCE也具有較好的填充效果,可增強RCASCC的界面過渡區(qū),使其力學性能明顯提高。

圖4 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC抗壓強度的影響Fig.4 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with a solution on compressive strength of RCASCC

但處理再生骨料的CSH-PCE溶液濃度不宜過高,當溶液濃度超過 7%時,RCASCC 1d 和28d的抗壓強度提高幅度均略有降低。當溶液濃度過高時,可能使大比表面積的納米CSH-PCE溶液中晶核顆粒易發(fā)生團聚,從而不能在再生骨料與新漿體之間的界面處發(fā)揮其作為晶核的作用,達不到增強再生骨料與新漿體之間界面過渡區(qū)的作用。

2.3 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC耐久性影響

2.3.1氣體滲透性

處理再生骨料納米CSH-PCE溶液濃度對RCASCC氣體滲透性的影響如圖5 所示。由圖5可知,與對照組相比,C1,C3,C5,C10,C15和C20的氣體滲透系數(shù)分別降低了7.3%,17.8%,24.0%,48.9%,43.7%,42.6%和39.3%。其中處理再生骨料納米CSH-PCE溶液濃度為7%時,RCASCC的氣體滲透系數(shù)降低幅度最大。經納米CSH-PCE溶液處理過的再生骨料可有效降低RCASCC的氣體滲透性,這主要是納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料和新水泥漿之間的界面過渡孔結構得到了細化,提高了RCASCC的密實度,從而不利于氣體在RCASCC基體中的滲透性。這表明,CSH-PCE溶液處理再生骨料能有效提高RCASCC的抗氣體滲透性能。

圖5 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC氣體滲透性的影響Fig.5 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with a solution on gas permeability of RCASCC

2.3.2氯離子滲透性

對28d齡期的RCASCC進行RCM試驗,探究納米CSH-PCE溶液濃度對RCASCC氯離子擴散的影響,結果如圖6所示。由圖6可知,與對照組相比,C1,C3,C5,C7,C10,C15和C20的氯離子擴散系數(shù)分別降低了5.9%,10.9%,13.9%,42.5%,40.7%,34.5%和16.2%,其中處理再生骨料納米CSH-PCE溶液濃度為7%時,RCASCC氯離子擴散系數(shù)降低幅度最大。經納米CSH-PCE溶液處理的再生粗骨料能有效降低RCASCC的氯離子擴散系數(shù),原因可能是經納米CSH-PCE溶液處理的再生粗骨料,促進了再生骨料和新水泥漿體之間界面過渡區(qū)的水泥水化,增強了再生骨料和新水泥漿體之間的界面過渡區(qū),改變了氯離子在混凝土中擴散的途徑,降低了RCASCC氯離子擴散系數(shù)。

圖6 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC氯離子擴散性的影響Fig.6 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with the solution on the diffusion of chloride ions in RCASCC

2.3.3毛細吸水性

對28d 齡期的RCASCC 進行毛細吸水試驗,探究處理納米CSH-PCE溶液濃度對RCASCC的毛細吸水量和毛細水吸附系數(shù)的影響,結果如圖7所示。由圖7可知,納米CSH-PCE溶液濃度從0%增加到20%,RCASCC毛細吸水量和毛細吸附系數(shù)均先降低再增大;與對照組相比,C1,C3,C5,C7,C10,C15和C20毛細吸水量分別降低了16.4%,22.4%,28.6%,55.4%,49.0%,42.7%和35.6%;其中納米CSH-PCE溶液濃度為7%時,RCASCC毛細吸水量和毛細吸附系數(shù)降低幅度最大。經納米CSH-PCE溶液處理的再生粗骨料可有效降低再生混凝土的毛細吸水量和毛細吸附系數(shù),這可能是因為納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料和新漿體間界面過渡區(qū)的孔結構得到細化,提高了RCASCC的密實度,從而有效阻礙了毛細水的滲透途徑,降低了RCASCC的毛細吸水量和毛細吸附系數(shù),從而提高了其耐久性。

圖7 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC毛細吸水量和毛細吸附系數(shù)的影響Fig.7 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with the solution on capillary absorption and capillary adsorption coefficient of RCASCC

2.3.4抗凍融性

混凝土凍融過程中的質量損失率和相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖8所示。試驗結果表明,納米CSH-PCE 溶液處理的再生骨料能有效降低RCASCC在凍融循環(huán)過程中的質量損失和相對動彈性模量損失,說明納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料能有效提高RCASCC的抗凍融性能。其中處理再生骨料的納米CSH-PCE 溶液濃度為 7%時,降低RCASCC凍融循環(huán)過程質量損失率和相對動彈性模量損失最顯著。經納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料制備的RCASCC的抗凍性能得到改善,這可能是因為經納米CSH-PCE 溶液處理的再生骨料能促進再生骨料與新水泥漿體之間界面處水化產物的形成,孔結構得到細化,孔隙率降低,增強了RCASCC中的薄弱部位和密實度,從而使RCASCC能經受凍融循環(huán)過程中產生的應力應變,提高了RCASCC的抗凍性能。

圖8 RCASCC質量損失率及相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化Fig.8 Variation of the mass loss rate and relative dynamic elastic modulus of RCASCC with the number of freeze-thaw cycle

2.4 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC影響機理分析

C0,C5,C7,C10的再生骨料與新水泥漿體間的界面SEM圖如圖9所示。由圖9可知,對照組C0的SEM圖可明顯觀察到再生骨料與新漿體間的連結存在較大的孔隙,而C5,C7和C10的再生骨料與新漿體之間雖也存在孔隙,但與對照組的孔隙相比,孔隙大小得到了明顯改善。C7的SEM圖可明顯觀察到再生骨料與新水泥漿體間最緊密,經納米CSH-PCE 溶液處理過的再生骨料與新水泥漿體間的孔隙結構得到細化,再生骨料與新漿體之間連結更緊密,增強了再生混凝土的密實性。

圖9 SEM圖Fig.9 SEM image

3 結語

1)本文試驗中通過對再生骨料噴灑納米CSH-PCE 溶液,由經處理的再生骨料制備的RCASCC工作性能均能滿足相關規(guī)范對自密實混凝土各項參數(shù)的要求,且力學性能和耐久性均得到了提高。

2)處理再生骨料納米CSH-PCE 溶液濃度從1%增加至 20%,RCASCC的抗壓強度先增大后減小,當納米CSH-PCE 溶液濃度為 7%時,RCASCC的抗壓強度提高幅度最大,C7組再生混凝土1d和28d抗壓強度分別提高了45%和12.8%。

3)處理再生骨料納米CSH-PCE 溶液的濃度不宜過高或過低。當處理再生骨料的納米CSH-PCE 溶液濃度過高時,晶核顆粒易發(fā)生團聚,從而不能在再生骨料與新漿體之間發(fā)揮其作為晶核的作用,起不到增強再生骨料與新漿體間界面過渡區(qū)的作用;當納米CSH-PCE 溶液濃度過低,水化產物的成核位點少,起不到增強再生骨料與新漿體之間界面過渡區(qū)的作用。

4)納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料可顯著提高RCASCC的抗壓強度,主要是CSH-PCE處理的再生骨料,在與新漿體接觸的界面提供成核位點,促進水泥水化生成更多的水化產物,從而提高RCASCC的抗壓強度。且晶核顆粒粒徑較小,能填充再生骨料與新漿體之間界面過渡區(qū)的孔隙,使基體更密實,增強了再生骨料與新水泥漿體之間的界面過渡區(qū),從而提高了RCASCC的抗壓強度和耐久性能。