納米SiO2強(qiáng)化改性建筑垃圾再生骨料混凝土性能分析

摘要：使用再生骨料制備混凝土是一種環(huán)保且經(jīng)濟(jì)的方法，但再生骨料存在的多種缺陷限制了其廣泛應(yīng)用。基于此，文章探索了一種再生骨料的強(qiáng)化改性方法。首先，以建筑垃圾再生骨料為研究對(duì)象，分析了納米SiO2溶液在不同浸泡濃度（1%、1.5%、2%、2.5%、3%）、浸泡時(shí)間（24 h、48 h、72 h）以及浸泡環(huán)境（常壓與負(fù)壓）下對(duì)再生骨料改性效果的影響。其次，探究了改性再生骨料在混凝土中的不同取代率對(duì)混凝土力學(xué)特性及應(yīng)力應(yīng)變行為的影響。研究結(jié)果表明：隨著納米SiO2溶液濃度的提升和浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，建筑垃圾再生骨料的表觀密度顯著增大，而吸水率和壓碎值則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表觀密度的最大值達(dá)到2 476.0 kg/m3，吸水率和壓碎值最低分別降至5.8%和18.8%；與采用未改性骨料制備的混凝土相比，使用改性骨料制備的混凝土試樣在抗壓、抗折和劈裂抗拉強(qiáng)度上分別提高了1.7～7.8 MPa、0.3～0.5 MPa和0.2～0.4 MPa；天然骨料制備的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的初始斜率較大，峰值較高，而摻有改性再生骨料的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的初始斜率較小，峰值較低；采用改性再生骨料制備的混凝土彈性模量高于采用未改性再生骨料制備的混凝土。

關(guān)鍵詞：納米SiO2；再生骨料；再生混凝土；力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：U444" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）09-0056-05

0 引言

水泥混凝土是土木工程領(lǐng)域中重要的基礎(chǔ)材料，被廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中。在常規(guī)的混凝土配比中，骨料占總體積的60%～75%［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全球水泥年產(chǎn)量為4.7億噸，2020年增至50億噸，預(yù)計(jì)到2027年達(dá)到80億噸。如此龐大的生產(chǎn)規(guī)模加劇了對(duì)天然石材的消耗。一方面，隨著自然資源的日益枯竭，國(guó)家出臺(tái)多項(xiàng)政策限制資源開(kāi)采，增加了混凝土原材料獲取的難度和成本。另一方面，過(guò)度開(kāi)采砂石對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。因此，尋找合適的替代材料，以減輕對(duì)天然石材的過(guò)度依賴(lài)，已迫在眉睫。與此同時(shí)，城市化進(jìn)程的加速也帶來(lái)了嚴(yán)峻的建筑垃圾處理問(wèn)題。利用再生骨料替代部分天然骨料制備混凝土，不僅可以解決建筑垃圾問(wèn)題，而且還可以減少對(duì)自然資源的開(kāi)采。然而，再生骨料因其具備表觀密度低、孔隙率高、表面粗糙、吸水率高及微裂紋多等特性，導(dǎo)致再生骨料混凝土在制備過(guò)程中耗水量大、收縮率高，并且在力學(xué)性能和耐久性方面存在明顯不足［2］，限制了其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

針對(duì)上述問(wèn)題，眾多學(xué)者已開(kāi)展了大量研究工作，開(kāi)發(fā)出多種旨在提升再生骨料和再生骨料混凝土性能的技術(shù)。馮春花等［3］綜述了建筑垃圾再生骨料的強(qiáng)化方法，將其歸納為兩類(lèi)，即去除黏附砂漿和強(qiáng)化黏附砂漿。葛鵬等［4］采用甲基丙烯酸甲酯對(duì)建筑垃圾再生粗骨料進(jìn)行強(qiáng)化，并分析了改性后骨料的微觀結(jié)構(gòu)變化。趙增豐等［5］利用加速碳化法對(duì)再生骨料進(jìn)行改性，歸納了影響CO2強(qiáng)化效果的因素，并對(duì)其改善效果進(jìn)行了系統(tǒng)分析。王亞松等［6］介紹了物理強(qiáng)化、化學(xué)強(qiáng)化和微生物礦化技術(shù)等改性方法的效果和作用機(jī)理，為再生骨料在混凝土制備中的合理應(yīng)用提供了參考。盡管如此，關(guān)于納米SiO2強(qiáng)化改性建筑垃圾再生骨料混凝土性能的研究仍相對(duì)較少。鑒于此，本文開(kāi)展了納米SiO2強(qiáng)化改性建筑垃圾再生骨料混凝土的性能分析工作，探討納米SiO2在不同浸泡方式下對(duì)再生骨料基本特性的影響，并研究骨料替代率和骨料粒徑對(duì)再生骨料混凝土力學(xué)特性及應(yīng)力應(yīng)變行為的影響。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原材料

（1）建筑垃圾再生料：本研究采用的建筑垃圾原始再生骨料來(lái)自成都市某建筑垃圾回收廠(chǎng)，其主要構(gòu)成包括天然碎石、廢舊混凝土碎塊及廢舊砂漿塊等。經(jīng)過(guò)篩分、分揀及雜質(zhì)去除流程后，獲得實(shí)驗(yàn)所需的建筑垃圾再生骨料。

（2）水泥：選用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其比表面積為2 350 m2/kg。

（3）粗骨料：選用5～31.5 mm的連續(xù)級(jí)配天然碎石，其表觀密度為2 730 kg/m3。

（4）細(xì)骨料：選用成都地區(qū)出產(chǎn)的河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.9。

1.2 再生骨料強(qiáng)化過(guò)程

本研究采用納米SiO2對(duì)建筑垃圾再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化改性。納米SiO2主要通過(guò)兩種機(jī)制實(shí)現(xiàn)改性效果：一是納米SiO2顆粒填充再生骨料表面的孔隙與裂縫；二是納米SiO2與骨料中的氫氧化物反應(yīng)生成C-S-H（水化硅酸鈣）凝膠，加速水化進(jìn)程。具體的強(qiáng)化過(guò)程如下：首先，將固體納米SiO2按預(yù)設(shè)的質(zhì)量比例稀釋成水溶液，并利用超聲波分散儀器對(duì)其進(jìn)行30 min的分散處理。其次，將建筑垃圾再生骨料浸入納米SiO2溶液中，確保溶液充分包裹再生骨料；在浸泡期間，每間隔6 h攪拌一次混合溶液，保證再生骨料與納米SiO2充分接觸；達(dá)到預(yù)定的浸泡時(shí)間后，分批取出再生骨料，并在自然條件下進(jìn)行風(fēng)干處理，最終獲得改性再生骨料。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究不同改性因素對(duì)建筑垃圾再生骨料強(qiáng)化的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了包含5種浸泡濃度（1%、1.5%、2%、2.5%、3%）、3種浸泡時(shí)間（24 h、48 h、72 h）以及2種浸泡環(huán)境（常壓與負(fù)壓）的變化因素組合。為了全面評(píng)估改性建筑垃圾再生骨料混凝土的性能，試驗(yàn)設(shè)置了0%、33%、66%及100%的再生骨料取代率，并據(jù)此制備了相應(yīng)的改性混凝土試樣，其中以0%取代率的試樣作為對(duì)照組。鑒于再生骨料和天然骨料在吸水率方面存在的差異，本試驗(yàn)在設(shè)計(jì)混合比例時(shí)，采用了飽和表面干燥狀態(tài)下的粗骨料。此外，為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，各組混凝土中減水劑的用量均統(tǒng)一為水泥含量的2%。改性混凝土的配合比見(jiàn)表 1。

2.2 試驗(yàn)方法

本研究依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3432—2024），對(duì)納米SiO2改性后的建筑垃圾再生骨料進(jìn)行了壓碎值、吸水率、表觀密度等基本指標(biāo)的測(cè)試，以全面評(píng)價(jià)其改性效果。選取改性效果最佳的骨料用于制備混凝土試樣，并根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420—2020）對(duì)改性建筑垃圾再生骨料混凝土進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)試內(nèi)容包括再生骨料混凝土7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度，測(cè)試試樣為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體；測(cè)試方法采用雙點(diǎn)加載法，在0.06 MPa/s的加載速率下測(cè)定再生骨料混凝土的抗折強(qiáng)度。此外，進(jìn)行了彈性模量試驗(yàn)，所用試樣為100 mm×100 mm×300 mm的混凝土棱柱體。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 再生骨料的基本特性

圖1為SiO2強(qiáng)化改性再生骨料基本特性測(cè)試結(jié)果。由圖1（a）可知，隨著納米SiO2濃度的提升，改性建筑垃圾再生骨料的表觀密度逐漸增大。同時(shí)，表觀密度也隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，并且在負(fù)壓浸泡條件下的改性效果更好。改性前，骨料的表觀密度為2 403.2 kg/m3，而在1%、1.5%、2%、2.5%、3%的納米SiO2濃度和負(fù)壓的條件下浸泡72 h后，其表觀密度分別提升至2 430.6 kg/m3、2 445.8 kg/m3、2 455.7 kg/m3、2 464.8 kg/m3和2 476.0 kg/m3。改性再生骨料表觀密度增大的原因是納米SiO2顆粒具有極小的粒徑，能有效填充再生骨料中的微孔隙和裂縫，并與骨料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成致密的硅酸鹽層，進(jìn)而增強(qiáng)了再生骨料與水泥漿體之間的界面黏結(jié)力。

圖1（b）顯示，隨著納米SiO2濃度的提升，改性建筑垃圾再生骨料的吸水率逐漸降低。吸水率同樣隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)而減少，并且在負(fù)壓浸泡狀態(tài)下改性效果更佳。在1%、1.5%、2%、2.5%、3%的納米SiO2濃度和負(fù)壓的條件下浸泡72 h后，改性再生骨料的吸水率分別降低至11.6%、8.6%、7.5%、6.7%和5.8%。吸水率降低歸因于納米SiO2顆粒的填充效應(yīng)降低了骨料內(nèi)部的孔隙率，阻礙了水分進(jìn)入骨料內(nèi)部的通道。此外，納米SiO2改性使骨料表面變得更為平滑、致密，降低了表面粗糙度和孔隙率。

圖 1（c）表明，隨著納米SiO2濃度的增加，改性建筑垃圾再生骨料的壓碎值逐漸降低。壓碎值同樣隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)而減少，并且在負(fù)壓浸泡狀態(tài)下的改性效果更優(yōu)。在1%、1.5%、2%、2.5%、3%的納米SiO2濃度和負(fù)壓的條件下浸泡72 h后，改性再生骨料的壓碎值分別降低至24.9%、21.7%、19.9%、19.0%和18.8%。壓碎值降低歸因于納米SiO2顆粒的填充效應(yīng)使骨料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，提高了骨料的整體強(qiáng)度。同時(shí)，納米SiO2與水泥漿體中的鈣離子反應(yīng)生成C-S-H凝膠，增強(qiáng)了再生骨料與水泥基體之間的黏結(jié)強(qiáng)度。

3.2 抗壓強(qiáng)度

使用改性和未改性再生骨料制備的混凝土的抗壓強(qiáng)度的對(duì)比情況見(jiàn)圖2。由圖2可知，使用改性骨料制備的混凝土抗壓強(qiáng)度高于使用未改性骨料制備的混凝土，但兩者在不同取代率下的抗壓強(qiáng)度下降趨勢(shì)相似。再生骨料取代率為33%時(shí)，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度下降較為顯著，隨著取代率的增大，抗壓強(qiáng)度逐步下降。與不含再生骨料的對(duì)照組相比，當(dāng)骨料替代率為 33%、66% 和 100% 時(shí)，使用改性骨料制備的混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的下降率分別為 30%、41%和 52%，而使用未改性骨料制備的混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的下降率分別為 35%、50%和56%。此外，使用改性骨料制備的混凝土試樣抗壓強(qiáng)度比使用未改性骨料制備的試樣高1.7～7.8 MPa?？箟簭?qiáng)度降低歸因于再生骨料表面附著的多孔泥漿削弱了再生骨料本身的強(qiáng)度。普通天然骨料混凝土的破壞主要由粗骨料顆粒的斷裂引起，而再生骨料混凝土的破壞則主要受到附著砂漿質(zhì)量的影響。因此，改性建筑垃圾再生骨料混凝土的破壞可能源于粗骨料內(nèi)部及其周?chē)^弱的界面過(guò)渡區(qū)（ITZ）。

3.3 抗折強(qiáng)度

使用改性（粒徑為4.75～9.5 mm）和未改性（粒徑為9.5～26.5 mm）再生骨料制備的混凝土的抗折強(qiáng)度對(duì)比情況見(jiàn)圖3。由圖3可知，混凝土的抗折強(qiáng)度隨著再生骨料取代率的提高而降低。同時(shí)，采用小粒徑骨料制備的混凝土，其抗折強(qiáng)度略高于使用大粒徑骨料制備的混凝土。當(dāng)取代率為33%時(shí)，抗折強(qiáng)度的下降較為顯著。隨著取代率的逐漸提高，再生骨料混凝土的抗折強(qiáng)度逐步下降，并且下降程度基本保持穩(wěn)定，直至取代率達(dá)到100%。與不含再生骨料的對(duì)照組相比，當(dāng)骨料替代率分別為 33%、66%和100% 時(shí)，使用改性骨料制備的混凝土試樣的抗折強(qiáng)度下降率分別為14.1%、14.9%和11.5%，而使用未改性骨料制備的混凝土試樣的抗折強(qiáng)度下降率分別為16.2%、12.9% 和 12.1%。此外，使用改性骨料制備的混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度比使用未改性骨料制備的混凝土試樣高出0.3～0.5 MPa?？拐蹚?qiáng)度降低歸因于再生骨料與水泥漿體之間的ITZ區(qū)域相較于天然骨料更為薄弱。再生骨料表面的舊砂漿和微裂縫使得ITZ區(qū)域易形成微裂紋，這些微裂紋在應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展，從而導(dǎo)致混凝土抗折強(qiáng)度降低。此外，再生骨料在破碎過(guò)程中可能產(chǎn)生較多的細(xì)小顆粒，這些顆粒會(huì)影響混凝土的骨料級(jí)配，提高了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻性，進(jìn)而影響抗折強(qiáng)度。

3.4 劈裂抗拉強(qiáng)度

使用改性和未改性再生骨料制備的混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度對(duì)比情況見(jiàn)圖4。劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)出與抗壓強(qiáng)度相似的變化趨勢(shì)，即骨料粒徑越小，劈裂抗拉強(qiáng)度越高。在不同的再生骨料取代率下，使用小粒徑骨料和大粒徑骨料制備的再生骨料混凝土試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度之間的差異較小，差值不超過(guò)5%。此外，使用改性骨料制備的混凝土試樣抗壓強(qiáng)度比使用未改性骨料制備的試樣高出0.2～0.4 MPa。隨著再生骨料取代率的提升，試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度有所降低。與對(duì)照組相比，再生骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的下降率最高可達(dá)65%。然而，在再生骨料為100%取代率的情況下，抗拉強(qiáng)度的下降率相較于抗壓強(qiáng)度的下降率并不顯著。這可能是由于再生骨料的粗糙表面及其黏附的多孔性砂漿在一定程度上對(duì)界面過(guò)渡區(qū)起到了改善作用，從而減緩了混凝土抗拉強(qiáng)度的降低趨勢(shì)。

3.5 應(yīng)力應(yīng)變

圖5為使用不同粒徑再生骨料制備混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。由圖5可知，天然骨料制備的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)具有較大的初始斜率（即具有較高的彈性模量）和較高的峰值（即抗壓強(qiáng)度）。相比之下，摻有改性再生骨料的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的初始斜率較小，其峰值也較低。隨著再生骨料取代率的提升，混凝土的彈性模量逐漸減小。此外，使用再生骨料制備的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的下降段相較于使用天然骨料制備的混凝土更為陡峭，表明再生骨料混凝土的裂紋發(fā)展較快，脆性較大。同時(shí)，使用改性再生骨料制備的混凝土的彈性模量高于使用未改性再生骨料制備的混凝土。

4 結(jié)論

本文針對(duì)納米SiO2強(qiáng)化改性建筑垃圾再生骨料混凝土的性能進(jìn)行了深入分析，研究了納米SiO2在不同浸泡方式下對(duì)再生骨料基本特性的影響，并探討了再生骨料替代率及骨料粒徑對(duì)再生骨料混凝土力學(xué)特性及應(yīng)力應(yīng)變行為的影響，所得結(jié)論如下。

（1）隨著納米SiO2溶液濃度的提升和浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，建筑垃圾再生骨料的表觀密度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而吸水率和壓碎值則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中，表觀密度實(shí)現(xiàn)了2 476.0 kg/m3的最大改性效果，吸水率和壓碎值分別降至5.8%和18.8%的最低水平。

（2）混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均隨著再生骨料取代率的提升而逐漸減小。在相同的取代率下，使用改性再生骨料制備的混凝土強(qiáng)度高于使用未改性再生骨料制備的混凝土。具體而言，使用改性骨料制備的混凝土試樣在抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度上分別比使用未改性骨料制備的混凝土高出1.7～7.8 MPa、0.3～0.5 MPa及0.2～0.4 MPa。

（3）天然骨料制備的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)具有較大的初始斜率和較高的峰值，而摻有改性再生骨料的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)則表現(xiàn)出較小的初始斜率和較低的峰值。此外，改性再生骨料制備的混凝土在彈性模量上同樣優(yōu)于未改性再生骨料制備的混凝土。

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*中國(guó)智慧工程研究會(huì)職業(yè)素養(yǎng)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)重點(diǎn)課題“公路路基路面的試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)實(shí)施要點(diǎn)研究”（ZHGC85032）。

【作者簡(jiǎn)介】朱文源，男，廣西河池人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：道路工程。

【引用本文】朱文源.納米SiO2強(qiáng)化改性建筑垃圾再生骨料混凝土性能分析［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（9）：56-59，67.