煅燒納米凹凸棒土對(duì)再生混凝土劈拉、抗折強(qiáng)度影響研究

閻 杰,陸 超,柏永清,于旭濤,謝 軍*,王甫麗,劉興隆

(1.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,張家口 075000)(2.河北省高校綠色建材與建筑改造應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心,張家口 075000)

隨著現(xiàn)代化城市的不斷發(fā)展,資源消耗的不斷增長(zhǎng),建筑垃圾也日益增多,為了使資源可以重新利用,合理處理建筑垃圾,再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)技術(shù)的完善和推廣迫在眉睫.然而將再生骨料直接取代天然骨料制備的再生混凝土,其力學(xué)性能及耐久性明顯較普通混凝土差.這是因?yàn)樵偕橇媳砻骛じ揭粚优f砂漿,使其具有孔隙率大、壓碎指標(biāo)高和吸水率較大等缺陷[1-2],因此阻礙了再生混凝土的應(yīng)用.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生骨料和再生混凝土性能的強(qiáng)化進(jìn)行了大量研究,再生骨料的強(qiáng)化技術(shù)主要采用物理方法和化學(xué)方法,再生混凝土的性能強(qiáng)化可通過(guò)摻入納米材料、纖維材料或礦物摻合料等[3]來(lái)實(shí)現(xiàn).一般納米材料的超細(xì)顆粒比普通材料活性高,對(duì)水泥基性能改善較為明顯,是目前強(qiáng)化再生混凝土的研究熱點(diǎn).文獻(xiàn)[4]研究發(fā)現(xiàn)納米MgO可以顯著提升混凝土對(duì)孔隙和裂縫的抑制能力,從而提高其耐久性能;文獻(xiàn)[5]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)適量的納米CaCO3對(duì)再生混凝土的工作性能和力學(xué)性能均有改善效果;文獻(xiàn)[6]通過(guò)掃描電鏡觀察納米TiO2再生混凝土,發(fā)現(xiàn)摻入納米TiO2的混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了大量的C-S-H凝膠,將內(nèi)部孔隙和裂縫粘結(jié)在一起;文獻(xiàn)[7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)碳納米管可以提高再生混凝土強(qiáng)度;文獻(xiàn)[8]通過(guò)研究納米SiO2和粉煤灰單摻及復(fù)摻對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)納米SiO2對(duì)再生混凝土劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度等均有顯著提高;文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)納米礦渣可以顯著提高混凝土抗壓強(qiáng)度.目前常用于水泥基材料性能的納米材料分別有碳納米管、納米Fe2O3、納米稻殼灰、納米高嶺土、納米Al2O3、納米SiO2、納米CaCO3、氧化石墨烯、水玻璃和納米TiO2等.盡管納米材料有較多優(yōu)越的性能,但是制作工藝復(fù)雜性和造價(jià)問(wèn)題限制了納米材料在水泥基材料中的應(yīng)用,所以尋找廉價(jià)且性能相對(duì)優(yōu)越的納米新材料是急待解決的問(wèn)題.

凹凸棒石(nanometer attapulgite,NAT)本身是具有納米通道的礦物材料,有較大的比表面積和離子交換性,其活化活性較高[10],而且在我國(guó)其儲(chǔ)量也極為豐富.文獻(xiàn)[11]研究發(fā)現(xiàn),NAT能促進(jìn)水泥砂漿的水化反應(yīng)生成更多的水化硅酸鈣(C-S-H),使得水泥砂漿的孔隙減少,結(jié)構(gòu)更加密實(shí);文獻(xiàn)[12]研究得出煅燒NAT其火山灰活性更高,可以提高混凝土力學(xué)性能;文獻(xiàn)[13]通過(guò)試驗(yàn)得出,NAT摻入可以降低混凝土破壞時(shí)的裂縫寬度,與普通水泥砂漿相比減小了33%;文獻(xiàn)[14]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)500 ℃煅燒的NAT對(duì)水泥基材料水化活性的提高效果最佳.綜上所述,NAT可以提高水泥基材料活性,減少水泥砂漿孔隙,提高混凝土力學(xué)性能,然而NAT對(duì)RAC性能的影響還缺乏系統(tǒng)性研究.

本試驗(yàn)采用500 ℃煅燒NAT摻入RAC中,以煅燒NAT摻量、再生粗骨料(recycled aggregate,RA)取代率為變量,探究其對(duì)RAC劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響.通過(guò)比表面積及孔徑分析儀測(cè)試納米再生混凝土的比表面積及孔徑分布特征;利用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察煅燒NAT對(duì)RAC內(nèi)部破壞面微觀結(jié)構(gòu)的影響,旨在揭示煅燒NAT對(duì)RAC劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響關(guān)系和改善機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)水泥采用金隅牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥.天然粗骨料和再生粗骨料物理性能見(jiàn)表1.細(xì)骨料采用水洗中級(jí)河砂,細(xì)度模數(shù)為2.69.納米凹凸棒土為常州某公司生產(chǎn),礦源為江蘇盱眙縣,主要化學(xué)成分見(jiàn)表2.

表1 粗骨料物理性能

表2 納米凹凸棒土主要化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

為了探討煅燒NAT對(duì)RAC劈拉、抗折強(qiáng)度的影響,本試驗(yàn)采用固定水灰比0.45,以煅燒NAT摻量、RA取代率為控制參數(shù).其中,煅燒NAT等質(zhì)量取代水泥,設(shè)計(jì)摻量分別為2%、4%、6%、8%;RA等質(zhì)量取代天然粗骨料,設(shè)計(jì)取代率為30%、50%、100%.基于上述兩種控制參數(shù),共進(jìn)行20組RAC配合比試驗(yàn),各組再生混凝土配合比見(jiàn)表3,其中,NNC表示納米普通混凝土、NRC表示納米再生混凝土.NRC2-50表示既有再生骨料又有納米凹凸棒土的納米再生混凝土(簡(jiǎn)稱(chēng)NRC),其中2表示NAT摻量為2%、50表示RA取代率為50%.

表3 NRC配合比設(shè)計(jì)

1.2.2 試件制作

各組再生混凝土的具體做法嚴(yán)格按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行,試塊制作后1 d進(jìn)行拆模,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn).劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊,抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊,強(qiáng)度測(cè)試均按照據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行.

1.2.3 試驗(yàn)方法

(1) 選用1 000 ℃快速升溫節(jié)能式電爐KL-10進(jìn)行高溫煅燒,將NAT裝入匣缽內(nèi),采用500 ℃溫度對(duì)NAT進(jìn)行煅燒[15],以10 ℃/min加熱至設(shè)定溫度,然后恒溫煅燒120 min關(guān)閉電爐,待爐膛溫度冷卻至室溫取出待用.

(2) 結(jié)合3H-2000PSI比表面積及孔徑分析儀對(duì)試塊孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析;采用SEM對(duì)試塊內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,分析納米凹凸棒土對(duì)再生混凝土的改善機(jī)理.

1.2.4 試驗(yàn)照片

圖1為試件和試驗(yàn)過(guò)程照片.

圖1 試驗(yàn)照片

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煅燒納米凹凸棒土對(duì)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由不同摻量的NAT、不同RA取代率制得的NRC試件標(biāo)養(yǎng)28 d后取出.試驗(yàn)所得劈拉強(qiáng)度值如圖2.

圖2 煅燒NAT摻量與劈裂抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

由圖2可知,當(dāng)未摻煅燒NAT時(shí),NRC劈拉強(qiáng)度值隨RA取代率的增加而逐漸減小,分別降低了5.8%、12.9%和27.9%.將一定量的煅燒NAT摻入普通混凝土后,混凝土的劈拉強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì).當(dāng)煅燒NAT摻量為4%時(shí),NNC劈拉強(qiáng)度達(dá)到峰值,較未摻煅燒NAT提高10.8%,此時(shí)RA取代率為30%、50%和100%的NRC劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了12.2%、12.9%和17.9%,說(shuō)明煅燒NAT對(duì)再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度改善效果更好,且RA取代率越高,提高幅度越大.當(dāng)RA取代率分別為30%、50%時(shí),隨煅燒NAT摻量的增加,再生混凝土劈拉強(qiáng)度也呈先增加后降低的趨勢(shì),此時(shí)當(dāng)煅燒NAT摻量為6%時(shí),NRC劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值,較未摻煅燒NAT分別提高11.1%、14.4%;當(dāng)RA取代率為100%時(shí),NRC劈拉強(qiáng)度隨煅燒NAT含量增加呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢(shì),但增大的幅度在逐漸減小.

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是,一部分煅燒NAT參與水化物反應(yīng),形成更加穩(wěn)定的硅酸鹽凝膠,并且填充水泥基質(zhì)中的孔隙,增強(qiáng)了混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度;另一部分均勻分散后填充混凝土中的微觀孔隙和裂縫改善了混凝土的密實(shí)性[16].普通混凝土的內(nèi)部孔隙較少,填充孔隙僅需少量煅燒NAT,剩余部分會(huì)形成團(tuán)聚體,導(dǎo)致混凝土中出現(xiàn)局部孔洞或空隙[17],降低混凝土的劈拉強(qiáng)度.而再生混凝土的孔隙率較高,需要更多的煅燒NAT來(lái)填充孔隙.另外,再生骨料本身就存在孔隙和微裂紋,因此還需要一定量的煅燒NAT來(lái)改善再生骨料性能.因此,隨著RA取代率的增加,混凝土達(dá)到最大的劈拉強(qiáng)度,需要的煅燒NAT的摻量也會(huì)相應(yīng)地增加.

2.2 煅燒納米凹凸棒土對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度的影響

圖3為再生骨料取代率、煅燒NAT摻量與再生混凝土抗折強(qiáng)度的關(guān)系.

圖3 煅燒NAT摻量與抗折強(qiáng)度的關(guān)系

從圖3中可以看出,在煅燒NAT各摻量下,抗折強(qiáng)度均隨再生骨料取代率的增加而減小,這與文獻(xiàn)[18]研究結(jié)論相一致.當(dāng)未摻煅燒NAT時(shí),RAC抗折強(qiáng)度隨RA取代率的增加而逐漸減小,較普通混凝土分別降低了4.8%、12.0%和23.9%.對(duì)于普通混凝土,隨著煅燒NAT摻量增加,普通混凝土的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì),在煅燒NAT摻量為4%時(shí),抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值,較未摻煅燒NAT試件提高了9.6%,此時(shí)RA取代率為30%、50%和100%的NRC抗折強(qiáng)度分別提高了10.4%、11.0%和13.7%,說(shuō)明煅燒NAT對(duì)再生混凝土的抗折強(qiáng)度改善效果更好,且RA取代率越高,提高幅度越大.當(dāng)再生骨料取代率分別為30%、50%時(shí),隨著煅燒NAT摻量增加,抗折強(qiáng)度也表現(xiàn)為先增大后減小,不同的是煅燒NAT摻量為6%時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到峰值,試件抗折強(qiáng)度分別為8.59 MPa和8.37 MPa,較未摻煅燒NAT試件分別提高了11.7%和14.7%;當(dāng)再生骨料取代率為100%時(shí),抗折強(qiáng)度隨煅燒NAT摻量的增加而增加,但增大的幅度在逐漸減小,煅燒NAT摻量為8%時(shí),較未摻煅燒NAT提高了20.3%.抗折強(qiáng)度變化規(guī)律與劈裂抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律相一致,原因與2.1節(jié)所述相同.

綜上,煅燒NAT普通混凝土和RA取代率為30%、50%的再生混凝土強(qiáng)度影響規(guī)律一致,均是隨著煅燒NAT摻量的增加,劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),但對(duì)再生混凝土的提高幅度更大.對(duì)于普通混凝土,煅燒NAT摻量為4%時(shí)劈拉和抗折強(qiáng)度最高;對(duì)于再生混凝土,當(dāng)RA取代率為30%、50%時(shí),煅燒NAT摻量為6%時(shí)性能最好,當(dāng)煅燒NAT摻量超過(guò)6%時(shí),力學(xué)性能開(kāi)始下降;100%再生混凝土中,煅燒NAT摻量為8%時(shí)仍可提升劈拉和抗折性能,但提高幅度較小.

3 煅燒納米凹凸棒土對(duì)再生混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響

為了從孔結(jié)構(gòu)的角度分析煅燒NAT對(duì)RAC的影響,本節(jié)試驗(yàn)采用3H-2000PSI比表面積及孔徑分析儀.對(duì)不同RA取代率(0%、30%、100%)和RA取代率為30%的再生混凝土(強(qiáng)度較高)在不同煅燒NAT摻量(2%、4%、6%)下的試件作為測(cè)量試樣,利用BET多點(diǎn)法研究在RA取代率和煅燒NAT摻量從2%增加至6%的RAC的比表面積變化情況,并以BJH法分析了其孔徑(d)分布特征.孔體積-孔徑微分積分分布曲線如圖4.

圖4 孔體積-孔徑微分積分分布曲線

由圖4可知,不同RA取代率(0%、30%、100%)和不同煅燒NAT摻量(2%、4%、6%)的混凝土孔結(jié)構(gòu)分布規(guī)律基本一致,從圖中孔體積-孔徑微分分布曲線可知,NC和NRC大部分孔徑處于小于80 nm的范圍內(nèi),且孔體積-孔徑微分分布曲線均在3.5～4 nm處達(dá)到峰值,說(shuō)明在結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在較多孔徑為3.5～4 nm的孔隙;RAC較NC和NRC的孔體積-孔徑微分分布曲線峰值范圍變大,在3～5 nm處達(dá)到峰值,說(shuō)明隨著RA取代率的增加,混凝土內(nèi)部的孔徑增大,孔隙增多.

由圖4中的孔體積-孔徑積分分布曲線可知,吸附氣體體積隨RA取代率的增加而增多,隨煅燒NAT摻量的增加而減少.為了更直觀的反應(yīng)RA取代率和煅燒NAT摻量對(duì)孔隙的影響,將2～50 nm的中孔體積分別占總孔體積的比例和大于50 nm的大孔體積分別占總孔體積的比例繪制成圖5、圖6,其中圖5為RAC的各孔徑占比,圖6為RA取代率為30%的NRC各孔徑占比.

圖5 不同RA取代率下的RAC孔隙分布

圖6 不同煅燒NAT摻量下的RAC孔隙分布

從圖5中可以非常清晰地看到,隨著RA取代率的提高RAC孔體積不論是總孔體積還是大孔、中孔體積,均在不斷增加,當(dāng)RA取代率為100%時(shí),較普通混凝土總孔體積增加了38.8%,其中2～50 nm的中孔體積和大于50 nm的大孔體積分別增加了10.8%、150%.說(shuō)明RA主要對(duì)混凝土中大孔體積影響較大,而大孔體積又是影響混凝土性能的主要原因之一,在試驗(yàn)中表現(xiàn)為隨著RA取代率的提高,大孔體積不斷增加,造成RAC的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均下降.

從圖6中可以看到,隨著煅燒NAT摻量的增加NRC孔體積不論是總孔體積還是大孔、中孔體積,均在不斷降低,當(dāng)煅燒NAT摻量為6%時(shí),較未摻煅燒NAT的試件,總孔體積減少了35.7%,其中2～50 nm的中孔體積和大于50 nm的大孔體分別減少了26.8%、57.3%.這表明,煅燒NAT的摻入可以填充再生混凝土中的微觀孔隙和裂隙,從而降低其孔隙率,增加再生混凝土密實(shí)性,進(jìn)而提高再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度.

4 煅燒納米凹凸棒土對(duì)再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響

本節(jié)試驗(yàn)采用SEM對(duì)NRC內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,在SEM下試樣的內(nèi)部微觀形貌如圖7.圖7(a)、(b)為普通混凝土和RA取代率為100%的再生混凝土試件的SEM圖,從圖中可以看到,與普通混凝土相比再生混凝土內(nèi)部的孔隙明顯增多,孔徑增大,出現(xiàn)了貫通孔,生成的C-S-H凝膠減少,導(dǎo)致混凝土的劈拉和抗折強(qiáng)度下降.

圖7 在SEM下試件的內(nèi)部微觀形貌

圖7(c)、(e)為再生骨料取代率為30%,煅燒納米凹凸棒土摻量為4%的再生混凝土,從圖中可以看到,硬化水泥砂漿中有較多形貌為片狀六邊形的Ca(OH)2(CH),水化產(chǎn)物之間存有大量裂縫和孔隙,且水化產(chǎn)物之間的連接較為疏松,裂縫內(nèi)存在未反應(yīng)完全的的C-S-H凝膠;圖7(d)、(f)為再生骨料取代率30%,煅燒納米凹凸棒土摻量為6%的再生混凝土,從圖中可以看到,硬化水泥砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)形貌整體更為密實(shí),存在大量網(wǎng)狀的C-S-H凝膠,還形成了較多呈顆粒狀的C-S-H凝膠,使得骨料與硬化水泥砂漿之間存在較好的粘結(jié)力,進(jìn)一步填充了混凝土內(nèi)部孔隙.通過(guò)對(duì)比圖7(e)、(f)可以看到在煅燒NAT摻量從4%增加至6%時(shí),RAC內(nèi)部孔隙和裂縫得到填充,且通過(guò)水化反應(yīng)生成的C-S-H凝膠增多[19],凝膠發(fā)育良好且呈顆粒狀堆積,水化產(chǎn)物之間連接緊密,骨料與砂漿之間的粘結(jié)力得以提高,使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部更為密實(shí),該結(jié)論同圖5、圖6的檢測(cè)結(jié)果相吻合.

綜上所述,再生骨料導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的孔隙增多,孔徑變大.煅燒NAT可以改善再生混凝土內(nèi)部孔隙,改善作用主要?dú)w因于:① 煅燒NAT具有填充效應(yīng),顆粒會(huì)隨著水分流向新舊砂漿內(nèi)部填充孔隙和裂縫;② 煅燒NAT具有火山灰效應(yīng),煅燒NAT中活性的SiO2和Al2O3與硬化水泥石中CH晶體水化反應(yīng)生成更多的C-S-H(或C-A-H)凝膠,消耗了新舊砂漿CH晶體的含量,使其轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度較高的凝膠;③ 煅燒NAT具有表面效應(yīng),活性物質(zhì)顆粒粒徑較小,表面原子數(shù)增加,形成較多的不飽和鍵,與其他原子穩(wěn)定結(jié)合成非自發(fā)水化反應(yīng)的結(jié)晶核[20],從而形成以煅燒NAT活性物質(zhì)為中心的C-S-H晶體.所以,再生混凝土中摻入適量的煅燒NAT可以填充新舊砂漿及再生骨料表面孔隙和裂縫,生成更多凝膠,使混凝土更加密實(shí),從而提高RAC的劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度.

5 結(jié)論

(1) 再生混凝土的劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度,隨RA取代率增加而降低,隨煅燒NAT摻入的增加呈先提高后降低的趨勢(shì).對(duì)于普通混凝土,煅燒NAT摻量為4%時(shí)劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度提升效果最好;當(dāng)再生骨料取代率為30%、50%,煅燒NAT摻量為6%時(shí),NAT的劈拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最高點(diǎn);再生骨料取代率為100%時(shí),煅燒NAT摻量為9%,混凝土強(qiáng)度仍在提高,但提高幅度較小.

(2) 隨著RA取代率的增加,混凝土達(dá)到最大的劈拉強(qiáng)度,需要的煅燒NAT的摻量也會(huì)相應(yīng)地增加.普通混凝土的內(nèi)部孔隙較少,填充孔隙僅需少量煅燒NAT,而再生混凝土的孔隙率較高,需要更多的煅燒NAT來(lái)填充孔隙.另外,再生骨料本身就存在孔隙和微裂紋,因此還需要一定量的煅燒NAT來(lái)改善再生骨料性能.

(3) 隨著RA取代率的增加,混凝土內(nèi)大孔數(shù)量增多,而煅燒NAT摻入,細(xì)化了RAC的孔隙結(jié)構(gòu),使得構(gòu)件內(nèi)部大孔比例減少,中孔比例增加,同時(shí)促進(jìn)二次水化反應(yīng)生成更多的C-S-H凝膠,增強(qiáng)骨料之間的粘結(jié)力,填充再生混凝土內(nèi)部的微觀孔洞和裂縫,改善結(jié)構(gòu)密實(shí)度,提高混凝土強(qiáng)度.