橡膠粉復(fù)摻納米SiO2再生混凝土抗壓、抗?jié)B性能研究

孫 杰,彭金龍,王厚安,廖海峰

(1.武漢科技大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖北 武漢 430065;2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北 武漢 430074)

近年來,我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅速,但也不可避免的產(chǎn)生了建筑垃圾。實(shí)現(xiàn)建筑垃圾回收利用,將建筑垃圾破碎后替代天然骨料,既可以減少砂石類資源的需求,也減少了處理建筑垃圾所消耗的能源,是促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,解決建筑垃圾再利用的有效途徑[1]。廢棄橡膠在自然條件下難降解,因此對(duì)其進(jìn)行合理回收與利用對(duì)于環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源具有重要意義[2],當(dāng)前對(duì)這類垃圾的處理方法主要是制作再生橡膠、輪胎翻新、熱裂解和膠粉生產(chǎn),相較于其他處理方法,膠粉生產(chǎn)有著生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、能源消耗低、再利用率高和適用范圍廣的優(yōu)勢(shì)[3-4]。

利用廢棄混凝土生產(chǎn)再生骨料混凝土可以減少天然骨料的消耗,促進(jìn)建筑垃圾的有效消耗和利用[5],但由于老舊砂漿和骨料中裂縫的存在,再生粗骨料表現(xiàn)出了相對(duì)于天然骨料較差的物理性能,影響其在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。

在再生混凝土中摻入膠粉,能夠?qū)ζ洳糠治锢硇阅艿娜毕葸M(jìn)行彌補(bǔ),實(shí)現(xiàn)建筑垃圾和廢舊輪胎的回收利用和可持續(xù)發(fā)展,但橡膠的摻入也會(huì)對(duì)混凝土的部分性能帶來負(fù)面影響,這對(duì)于橡膠混凝土的實(shí)際應(yīng)用造成了重大阻礙。龔亦凡研究表明[6],在摻入一定含量的橡膠粉時(shí),可以強(qiáng)化再生混凝土的部分力學(xué)性能。針對(duì)再生混凝土性能較差的問題,已有文獻(xiàn)開展了納米SiO2改性再生混凝土的研究[7],因?yàn)樵偕橇媳旧泶嬖诹鸭y較多,新老界面粘結(jié)性差等缺點(diǎn),現(xiàn)有研究表明,用納米SiO2對(duì)再生骨料直接改性,通過填充效應(yīng)、化學(xué)活性、晶核作用、優(yōu)化界面過渡區(qū)等[8]方式更加有助于提升再生混凝土的強(qiáng)度[9]。Liu Xiaoyan等[10]通過對(duì)納米SiO2混凝土斷層掃描發(fā)現(xiàn)納米SiO2降低了砂漿的孔隙率,X射線衍射和掃描電鏡進(jìn)一步表明,納米SiO2的存在可以消除再生骨料帶來的不利影響。

屠艷平等[11]對(duì)納米SiO2復(fù)摻橡膠粉再生混凝土的坍落度和抗壓性能進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示,納米SiO2能夠?qū)饺胂鹉z粉帶來的負(fù)面影響進(jìn)行彌補(bǔ)。Adamu Musa等[12]運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)摻入了納米SiO2的橡膠混凝土力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性。

鑒于此,在再生混凝土中單獨(dú)摻入納米SiO2和橡膠粉對(duì)混凝土的部分性能會(huì)有所提升,但對(duì)其他性能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。本文將納米SiO2和橡膠粉摻入再生混凝土,研究在復(fù)摻情況下混凝土的抗壓、抗?jié)B性能的變化,并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 試驗(yàn)材料及配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

①水泥:P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。②粗骨料:再生粗骨料由廢棄混凝土試塊經(jīng)破碎、篩分后得到,粒徑為5.0 mm～26.5mm,天然粗骨料采用連續(xù)級(jí)配的天然碎石,各項(xiàng)指標(biāo)具體見表1。③細(xì)骨料:武漢市天然河砂,烘干后篩分,細(xì)度模數(shù)為2.6,密度2.64 g/cm3,屬Ⅱ區(qū)中砂。④水:采用武漢市自來水。⑤納米SiO2:外觀為白色粉末,粒徑為20 nm,比表面積為280 m2/g,SiO2含量大于等于99.6%。⑥橡膠粉:40目、100目的廢舊輪胎橡膠粉,呈黑色粉末狀,外表光滑,具有憎水性,用濃度為5%的NaOH溶液進(jìn)行浸泡改性。⑦高性能減水劑:聚羧酸高效減水劑,減水率為26%,為粘稠狀透明液體。

表1 粗骨料的基本性能

1.2 試驗(yàn)方案及配合比

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整。再生粗骨料取代率為30%,40目和100目橡膠粉取代率均為0%、3%、6%、9%,納米SiO2取代率為0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%。采用預(yù)攪拌的方式,先加入再生骨料與納米SiO2和附加水?dāng)嚢鑳煞昼姾笤偌尤胩烊还橇?、砂、水、摻和料進(jìn)行攪拌制得混凝土,實(shí)驗(yàn)過程中具體配合比見表2。

表2 再生混凝土的配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知,隨著納米SiO2摻量的增加,再生混凝土的抗壓強(qiáng)度提高。在納米SiO2取代率為1%、1.5%、2%、2.5%、3%時(shí),抗壓強(qiáng)度分別增加了11.7%、21.2%、25.1%、28.0%、29.8%,抗壓強(qiáng)度提升明顯。其原因在于:1)納米SiO2活性高,在水泥的早期水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣的過程中起到了促進(jìn)作用,促進(jìn)未完全水化的水泥顆粒二次水化反應(yīng),有利于改善粗骨料與舊砂漿、新砂漿與舊砂漿之間的界面過渡區(qū)[13-14],2)納米SiO2可以對(duì)混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂縫進(jìn)行填充,提高粗骨料和新砂漿、舊砂漿和新砂漿、再生骨料和舊砂漿之間的界面過渡區(qū)的密實(shí)度,增強(qiáng)再生混凝土的強(qiáng)度[15]。

表3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

橡膠粉摻和對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響如圖1所示。在1.5%的納米SiO2再生混凝土中分別摻入40目和100目橡膠粉后再生混凝土抗壓強(qiáng)度的變化。在分別摻入3%、6%、9%的40目橡膠粉后,再生混凝土抗壓強(qiáng)度下降了8%、13.6%、19.4%。摻入100目橡膠粉后,再生混凝土抗壓強(qiáng)度下降了5.8%、8.8%、15.1%。這是因?yàn)橄鹉z粉具有憎水性,與水泥砂漿粘結(jié)不夠緊密,且其彈性模量低于天然骨料[16],進(jìn)而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。相比于100目橡膠粉,40目橡膠粉粒徑更大,對(duì)混凝土內(nèi)部裂隙的填充效果更差,且多余的橡膠粉分布在混凝土內(nèi)部也會(huì)影響水泥砂漿的粘結(jié)性,因此40目橡膠粉再生混凝土的抗壓強(qiáng)度較100目橡膠粉的再生混凝土抗壓強(qiáng)度更低[17]。在橡膠粉摻量不多于6%時(shí),復(fù)摻納米SiO2和橡膠粉的再生混凝土強(qiáng)度明顯高于天然混凝土,說明摻入納米SiO2可以有效彌補(bǔ)橡膠粉帶來的強(qiáng)度損失。

圖1 橡膠粉取代率對(duì)納米SiO2再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

2.2 抗?jié)B性能結(jié)果分析

混凝土材料屬于多孔材料,在骨料之間的界面過渡區(qū)含有大量的孔隙和微裂縫,通道越多,材料的抗?jié)B能力越弱[18]。再生混凝土抗?jié)B性能較差,其原因?yàn)?一是再生骨料表面的舊砂漿粘結(jié)性差,更容易產(chǎn)生滲水通道。二是再生骨料在破碎過程中易產(chǎn)生裂縫,密實(shí)性較差,為界面的滲水通道的形成提供了有利條件。

所有試件劈裂之后觀察通道斷面基本相同,唯有滲透高度的差別,內(nèi)部結(jié)構(gòu)完整未出現(xiàn)滲透破壞,基本滲透概況有如下兩種:一是試件滲透高度高,滲透區(qū)域分布較均勻,如圖2(a)所示。二是試件滲透高度較高,滲透區(qū)域多集中于試件周邊,中心部位滲透高度較高,如圖2(b)所示?？?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖2 試塊滲水高度

表4 抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知,在再生混凝土中摻入納米SiO2,可顯著增強(qiáng)再生混凝土的抗?jié)B性能,當(dāng)納米SiO2摻量為1%、1.5%、2%、2.5%、3%時(shí),再生混凝土相對(duì)滲透系數(shù)降低了21.6%、35.6%、50.7%、57.0%、59.5%。這種現(xiàn)象的原因?yàn)?1)是納米SiO2在混凝土早期的水化反應(yīng)中具有促進(jìn)作用,未水化的水泥顆粒在后期會(huì)與裂縫中的水分生成水化產(chǎn)物,對(duì)裂縫進(jìn)行填充密實(shí)[19]。2)是裂縫處的Ca(OH)2與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng),形成CaCO3,與分散在砂漿中的納米SiO2一起填充孔隙和微裂縫[20]。

橡膠粉的摻和對(duì)混凝土相對(duì)滲透系數(shù)的影響如圖3所示。由圖3可知,雙摻納米SiO2/40目(100目)橡膠顆粒情況下,再生混凝土的抗?jié)B性能比單摻納米SiO2更優(yōu)異,在分別摻入3%、6%、9%的40目橡膠粉時(shí),再生混凝土相對(duì)滲透系數(shù)降低了32.6%、43.5%、46.9%,在摻入100目橡膠粉時(shí),混凝土相對(duì)滲透系數(shù)降低了36.0%、67.8%、65.8%。橡膠顆粒對(duì)混凝土中孔隙和微裂縫的形成起到了阻礙作用,難以形成大量連續(xù)互通的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[21]。相比于40目橡膠粉,100橡膠粉對(duì)孔隙和微裂縫的填充效果更好,因此抗?jié)B性能更好。其次,橡膠顆粒也具有易吸附氣體的特性,在混凝土澆筑過程中會(huì)將氣體帶入,在水泥砂漿內(nèi)部形成大量獨(dú)立的微型氣泡,對(duì)水分在混凝土內(nèi)部的滲入起到了阻礙作用[22],相比于40目橡膠粉,100目橡膠粉粒徑更小,帶入的氣泡更細(xì)密,在水泥砂漿內(nèi)分布更加均勻,抗?jié)B性能更優(yōu)異。在100目橡膠粉摻量從6%增加至9%時(shí),再生混凝土相對(duì)滲透系數(shù)增大,說明6%的100目橡膠粉對(duì)滲水通道已基本填充效果完畢,摻量增加至9%時(shí)多余的橡膠粉分散在混凝土內(nèi)部,使得混凝土密實(shí)度降低,抗?jié)B性能下降。

圖3 橡膠粉取代率對(duì)納米SiO2再生混凝土相對(duì)滲透系數(shù)的影響

2.3 三摻下各因素影響程度分析

三摻下再生混凝土抗壓性能如表5所示,根據(jù)正交理論,極差R值越大的因素,說明該因素對(duì)所測(cè)指標(biāo)造成影響大,根據(jù)表極差分析結(jié)果分析可得:影響混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的因素主次順序是A>C>B>D,即水膠比>40目橡膠粉>納米SiO2>100目橡膠粉,說明水膠比對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響最大,其次是40目橡膠粉,最后是納米SiO2、100目橡膠粉。A的K1值較大,因素B的K1值較大,因素C的K2值較大,因素D的K1值較大,所以各因素的優(yōu)化組合為A1B1C2D1,即水膠比為0.35,納米SiO2摻量為1%,40目橡膠粉為6%,100目橡膠粉為3%。

表5 三摻下再生混凝土抗壓性能

三摻下再生混凝土抗?jié)B性能如表6所示。根據(jù)表極差分析結(jié)果可得:影響混凝土抗?jié)B性能因素的主次順序是A>B>D>C,即水膠比>納米SiO2>100目橡膠粉>40目橡膠顆粒,說明水膠比對(duì)混凝土抗?jié)B影響最大,其次是納米SiO2摻量,然后是100目橡膠粉、40目橡膠顆粒摻量。A的K1值較小,因素B的K3值最小,因素C的K2值最小,因素D的K2值最小,所以各因素的優(yōu)化組合為 A1B3C2D2, 即水膠比為0.35,納米SiO2摻量為3%,40目橡膠顆粒為6%,100目橡膠粉為6%。

表6 三摻下再生混凝土抗?jié)B性能

根據(jù)表5和表6的結(jié)果,再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能均受水膠比影響最大,在水膠比增大時(shí),抗壓強(qiáng)度增大,抗?jié)B性能降低。在摻入40目和100目橡膠粉時(shí),再生混凝土表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度降低,抗?jié)B性能提高的趨勢(shì),在摻入納米SiO2時(shí),再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能均提高。摻入兩種不同的材料均可以提高抗?jié)B性能,但對(duì)抗壓強(qiáng)度影響相反的原因在于納米SiO2可以促進(jìn)水化反應(yīng)和填充混凝土內(nèi)部的微裂縫,使混凝土更加密實(shí),而橡膠粉本身具有憎水性,且在澆筑過程中會(huì)帶入氣泡,影響混凝土內(nèi)部的密實(shí)度。在應(yīng)用中,可采取同時(shí)摻入橡膠粉和納米SiO2,能夠在不對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響的同時(shí),顯著提高混凝土的抗?jié)B性能。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

利用MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱中的newff函數(shù)搭建一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),隱含層的傳輸函數(shù)通常選擇‘tansig’,輸出層的傳輸函數(shù)選擇‘purelin’。網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)選擇‘trainlm’。本文采用4×8×1的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),即輸入層有4個(gè)節(jié)點(diǎn),隱含層有8個(gè)節(jié)點(diǎn),輸出層有1個(gè)節(jié)點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值的總個(gè)數(shù)為40個(gè),閾值的總個(gè)數(shù)為9個(gè)[23-24]。輸入層分別代表試驗(yàn)水膠比、納米SiO2摻量、40目橡膠顆粒摻量和100目橡膠粉摻量;隱含層包括8個(gè)神經(jīng)元;輸出層即為橡膠粉復(fù)摻納米SiO2再生混凝土的預(yù)測(cè)抗壓強(qiáng)度。

3.2 結(jié)果與分析

將不同階段輸出數(shù)據(jù)結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,見表7。圖4為訓(xùn)練結(jié)果及誤差,圖5為預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差。由圖中對(duì)比可見,訓(xùn)練和預(yù)測(cè)模型中各樣本的輸出值與試驗(yàn)值分布基本一致?；?00組數(shù)據(jù)訓(xùn)練的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)25組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖4 訓(xùn)練結(jié)果與誤差分布

表7 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

從預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出,NFH6組預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最小為0.12%。最大的相對(duì)誤差是N1F3組達(dá)7.86%,平均誤差2.48%,表明該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè)結(jié)果良好,對(duì)再生混凝土28 d的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值具有較好的吻合度。

采用該BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)屠艷平等[11]試驗(yàn)的12組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,其配合比見表8。將前8組數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,對(duì)后4組數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表8 12組混凝土配合比

從表9的中可以看出,前8組數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值平均相對(duì)誤差為2.57%,后4組預(yù)測(cè)值與實(shí)際值平均相對(duì)誤差為2.21%。表明BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)納米SiO2復(fù)摻橡膠再生混凝土的抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)是有效的,誤差較小,可以用于優(yōu)化配合比設(shè)計(jì),較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度,減少試驗(yàn)齡期。

表9 12組預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 納米SiO2預(yù)攪拌法能有效改性再生混凝土抗壓、抗?jié)B性能,當(dāng)納米SiO2摻量在0%～3%時(shí),混凝土抗壓、抗?jié)B性能均隨納米SiO2摻量的增加而提高。

(2) 在納米SiO2再生混凝土中摻入40目橡膠粉,再生混凝土抗壓性能下降,在40目橡膠粉摻量在0%～6%時(shí),再生混凝土抗壓強(qiáng)度高于天然混凝土,在摻量為9%時(shí)略微低于天然混凝土。在摻入0%～9%的100目橡膠粉時(shí),抗壓強(qiáng)度均高于天然混凝土,說明納米SiO2可以有效彌補(bǔ)橡膠粉帶來的強(qiáng)度損失。在摻入40目和100目橡膠粉時(shí),再生混凝土抗?jié)B性能均顯著提高,隨著40目橡膠粉摻量從0%增加至9%,抗?jié)B性能逐漸增強(qiáng),100目橡膠粉摻量為6%時(shí),抗?jié)B性能最佳。

(3) 通過對(duì)三摻試驗(yàn)的極差分析結(jié)果可知:影響混凝土抗壓性能的因素主次順序?yàn)樗z比>40目橡膠粉>納米SiO2>100目橡膠粉,影響混凝土抗?jié)B性能的因素主次順序?yàn)樗z比>納米SiO2>100目橡膠粉>40目橡膠顆粒。在選用最優(yōu)配合比時(shí),再生混凝土的抗壓、抗?jié)B性能均有所提高。

(4) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)橡膠粉復(fù)摻納米SiO2再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)具有較好的吻合度,且相對(duì)誤差變化較為穩(wěn)定,所以可以用來優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)混凝土長(zhǎng)期強(qiáng)度,減少試驗(yàn)齡期。