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利用建筑拆除废弃物破碎、筛分、洗涤后获得的再生粗骨料生产再生骨料混凝土不仅可以缓解混凝土用碎石原料短缺的问题,还能促进废混凝土的回收利用,具有广阔的应用前景
[1]。然而,较天然粗骨料而言,再生粗骨料表面粗糙,棱角较多,表观密度较小,吸水率较高且界面过渡区较多
[2]。因此,利用再生骨料部分或全部替换天然骨料而得到的再生骨料混凝土性能与天然骨料混凝土相比较差
[3‒5]。针对这一问题,研究者们提出了各种物理和化学加固方法来改善再生粗骨料性能,以及尝试添加一些高水化活性材料来改善再生混凝土的性能。
纳米材料(如SiO
2、CaCO
3、TiO
2等)因其独特的表面、尺寸和界面等效应已被成功应用于提升水泥基材料的性能
[6‒8]。其中,纳米二氧化硅(nano-SiO
2,NS)因具有较强的火山灰活性、填充效应和成核效应而备受关注。近年来,国内外研究者在采用NS溶胶浸泡预处理再生粗骨料增强其物理力学性能和将NS内掺入混凝土中改善其微观界面结构等方面开展了大量研究
[9‒12]。这些研究一致认为,NS的加入不仅能显著增大水泥浆体的黏度及增强骨料裹浆能力,还能参与二次水化反应,可有效改善混凝土中的界面过渡区和孔隙结构
[13‒16],有利于增强再生骨料混凝土力学性能和耐久性能
[17‒19]。在关于NS内掺入混凝土研究的基础上,高国华等
[20]提出了纳米NS增强骨料裹浆技术,其研究表明骨料裹浆工艺可使NS的定向纳米增强和整体纳米改性作用协同互补,因此采用骨料裹浆工艺制备的混凝土性能更优。此外,有研究
[21‒24]同样表明,从改进搅拌工艺入手,通过给骨料“造壳”,可有效改善混凝土中的孔隙结构,并优化界面过渡区;多步搅拌可使得胶凝材料充分水化和均匀分散,有利于进一步改善混凝土的骨料包裹性和均质性,提升水泥基质和界面过渡区的密实度。目前,尽管NS和多步搅拌工艺在改善混凝土性能方面均已取得一定的成功,但有关水化活性材料和骨料裹浆技术结合使用对再生骨料混凝土性能影响研究仍鲜有报道。
基于上述问题,本文采用普通搅拌工艺和NS增强骨料裹浆搅拌工艺制备了9组不同NS含量的再生混凝土,测试了其工作性能、抗压强度、电通量值和抗冻性能,并利用NMR和SEM试验分析了不同NS含量和搅拌工艺对再生骨料混凝土界面过渡区和孔结构的影响,旨在揭示NS含量和搅拌工艺对再生骨料混凝土性能的影响机理和规律,以期为再生粗骨料在混凝土工程中的安全和高效应用提供依据。
1 试 验
1.1 试验材料
水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥(P·O 42.5),其主要性能指标见
表1;二氧化硅采用气相亲水型NS,比表面积为375 m
2/g,二氧化硅含量大于99.8%;P·O 42.5与NS主要化学成分占比见
表2。
表2中,LOSS为烧失量,细骨料为普通河砂,细度模数为2.89,级配曲线符合二区中砂要求。粗骨料采用5~25 mm连续级配再生骨料,含水率为4.4%,24 h吸水率为6.6%。减水剂采用聚羧酸高性能减水剂,减水率为28%;水为普通自来水。
1.2 裹浆搅拌方法和配合比
再生骨料吸水率高且吸水较快,因此其拌合用水量除净用水量外还应考虑附加用水量,即再生骨料在混凝土拌合物中吸收的水量,按再生骨料吸水达到饱和面干状态时的90%取值
[25]。由于本文不同配合比所采用的再生骨料类型和质量相同,净用水量与附加用水量在配合比中统一表示。在保持混凝土配合比不变的前提下,采用NS增强再生骨料裹浆搅拌工艺和普通搅拌工艺分别制备4种不同NS掺量(水泥质量的0.4%、0.8%、1.2%和1.6%)的再生骨料混凝土。两种搅拌工艺的操作流程对比如
图1所示。
混凝土配合比见
表3。
表3中,PC为普通搅拌配制的NS再生混凝土,GC为NS增强再生骨料裹浆搅拌配制的再生混凝土。
在搅拌之前须先将亲水型NS和减水剂倒入试验用水中配制成NS溶胶,普通搅拌工艺中NS溶胶一次性加入,NS增强再生骨料裹浆搅拌工艺中NS溶胶分批加入。NS增强再生骨料裹浆搅拌方法的操作流程如下:首先,将再生粗骨料倒入搅拌锅中,接着将20%的NS溶胶加入并搅拌1.0 min,使再生骨料润湿并充分吸附NS。然后,倒入20%的水泥并搅拌1.0 min,使再生骨料被水泥充分包裹。紧接着,将细骨料和剩余水泥倒入搅拌锅中并搅拌1.0 min。最后,将剩余的NS溶胶倒入搅拌锅中混合至均匀(约1.5 min),并进行试件成型、脱模和养护。可以看出,在上述两种搅拌工艺中,NS增强再生骨料裹浆搅拌方法比普通搅拌方法用时多出1.0 min,用于完成再生骨料的裹浆操作。该过程将NS溶胶的20%添加到了再生骨料中,可使得NS溶胶在再生骨料表面更为均匀地分散,有利于在后续搅拌过程中增加再生骨料表面裹浆层厚度和裹浆的黏度,改善混凝土的骨料包裹性和均质性。
1.3 试验方法
1.3.1 拌合物工作性测试
按照标准《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GB/T 50080—2016)
[26]规定,用坍落度和扩展度试验方法对拌合物和易性进行测量,坍落度、扩展度试验采用坍落度试验桶。在进行试验时,应同时对混凝土拌合物流动性、黏聚性和保水性进行观察。
1.3.2 力学性能测试
采用《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)
[27]中规定的方法进行不同配合比混凝土的抗压强度测试,所用试件为100 mm×100 mm×100 mm立方体试件。
1.3.3 抗渗性和抗冻性测试
待养护龄期达到28 d后,根据标准
[27]中规定的快冻法和电通量法测试混凝土的抗冻性和抗氯离子渗透性能。抗冻试件为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件,所用设备为SF‒300型混凝土快速冻融试验机。电通量试件为高50 mm、直径100 mm的圆柱体试件,测试主要仪器为CABR‒BSY型混凝土真空饱水仪和CABR‒RCMP6型混凝土电通量测定仪。
1.3.4 NMR试验
核磁共振(NMR)测试采用核磁共振微观结构分析系统(型号:MacroMR12-150H-I),试件为100 mm×100 mm×100 mm立方体试件。在达到养护龄期后,采用CABR‒BSY型混凝土真空饱水仪对样品进行真空负压保水处理,然后将样品包裹在塑料薄膜中进行NMR测试。
1.3.5 SEM试验
在抗压强度测试完成后的试件上截取0.5 cm×0.5 cm左右的试样,立即放入无水乙醇中终止水化7 d,然后放入(60±5) ℃的真空干燥箱中烘干至恒重,将真空干燥的样品表面喷金后进行测试。采用TESCAN CLARA超高分辨率场发射扫描电子显微镜(SEM)对混凝土试样的微观形貌进行分析,电子图像分辨率为0.9 nm,加速电压为30~200 kV。
2 结果与讨论
2.1 工作性能分析
表4为不同NS掺量及搅拌工艺配制的混凝土工作性能记录。由
表4可以看出,当控制减水剂用量调节混凝土坍落度值较为相近时,随着NS掺量的增加,再生混凝土的减水剂用量明显增加。其原因为,NS的表面能作用和高比表面积增加了混凝土体系的需水量
[13],导致水泥浆体中的自由水减少,混凝土体系的用水量增大。此外,从
表4还可以看出,适量NS的加入对再生骨料裹浆能力的提升有积极作用,可有效改善混凝土的保水性和流动性;但过量NS会导致其黏聚性变差。这是因为NS的表面能效应和高比表面积作用使其易于吸附在水泥或骨料颗粒表面,可有效促进骨料和水泥颗粒的结合。但同时NS的增黏作用和较大的比表面积会导致混凝土的拌和用水量增大,对混凝土工作性能产生不利影响,这也是再生混凝土扩展度随NS掺量的增加先增大后降低的原因。总体来看,适量的NS加入可以提升再生骨料裹浆层的质量,使得再生骨料之间的相对滑动能力增强,再生混凝土工作性能改善
[28]。但是,过多的NS加入会导致混凝土体系的蓄水量增加和浆体的流动性变差,进一步导致再生骨料填充层与裹浆层的水泥浆体分布不均匀,再生混凝土工作性能变差。
GC组试样与PC组试样表现出相同的变化规律,其需水量均随着NS掺量的增加而提高,拌和物的扩展度随NS掺量的增加先增大后降低。区别在于,相同减水剂用量情况下,GC组混凝土试样的坍落度和扩展度略高于PC组试样。分析其原因为,裹浆搅拌工艺使得NS可以在再生骨料表面吸附得更多且更为均匀,可以更有效地降低骨料之间的咬合效应,增强骨料间的相对滑动能力,提高混凝土体系的流动性。
2.2 抗压强度分析
图2为不同NS掺量及搅拌工艺配制的混凝土抗压强度对比。从
图2可以看出,尽管NS的加入使不同龄期PC和GC试样的抗压强度均有明显增加,但早期强度比后期强度的增加更为明显。这是因为NS较高的火山灰活性能促进水泥水化反应的进行,NS在早期可以充分发挥填充效应、化学作用和填充作用。尽管水化后期NS的填充效应同样可以使水泥石基体更加致密,但水化反应已基本完成,NS的填充效应和化学作用使混凝土强度的提升受到限制。此外,当NS掺量不超过0.8%时,再生混凝土强度随着NS掺量的增加明显增加;但当NS掺量超过0.8%后,再生混凝土强度变化趋于稳定。这是因为NS到达一定掺量后其填充效应和填充作用同样会趋于饱和,对再生混凝土抗压强度的增强效果趋于稳定。另外,NS掺量过多极易引发团聚,容易在混凝土中形成孔洞等缺陷,不利于混凝土强度的发展
[1,6,20],这可能是NS掺量超过0.8%后再生混凝土试样抗压强度降低的主要原因。
对比
图2(a)和(b)可以看出,当NS掺量相同时,GC试样的强度要明显高于PC试样,这说明NS增强骨料裹浆搅拌工艺可使得再生骨料混凝土抗压强度提升更多。这归因于裹浆搅拌工艺可使NS预先充分吸附在再生骨料表面,使得再生骨料表面和新界面过渡区内的NS含量远高于水泥浆体中的NS含量,NS的火山灰反应消耗了新老界面过渡区中的氢氧化钙并填充其孔隙,进一步增加了界面区域的致密度。致使NS对混凝土体系新界面过渡区及再生骨料中的旧界面过渡区的改善效果更为明显,使得GC混凝土试样强度提高更为明显。
2.3 抗渗性分析
图3为不同混凝土试样的28 d电通量值测试结果。当NS掺量分别为0.4%、0.8%、1.2%和1.6%时,PC试样电通量值分别比C0低10.0%、37.0%、41.6%和40.6%;GC试样电通量值分别比C0低25.6%、47.5%、48.4%和45.2%。从
图3可以看出,随着NS掺量的增加,PC试样和GC试样的抗氯离子渗透性能均表现为先提高后趋于平稳(GC试样甚至出现略微降低),且PC试样电通量值均大于GC试样。数据表明,当NS掺量不超过0.8%时,NS的加入有利于改善混凝土的抗氯离子渗透性能。其原因主要有以下两个:第一,NS与砂浆(包括再生骨料表面老砂浆和新砂浆)中的Ca(OH)
2反应生成C‒S‒H凝胶,对氯离子起吸附作用,可以在很大程度上降低氯离子通过率;第二,NS的成核效应和填充效应细化了新砂浆孔隙、老砂浆孔隙和微裂缝,提高了混凝土的密实度,降低了混凝土体系中微小孔的联通概率,对氯离子的迁移起到一定阻滞效果。当NS掺量超过0.8%后,一方面,其化学效应、成核效应和填充效应趋近于饱和;另一方面,过多掺量的NS极易引发团聚,容易在混凝土中形成孔洞,这就导致其对混凝土抗渗性能的提升效果不再显著甚至有所降低。
2.4 抗冻性能分析
一般情况下,可通过冻融循环前后的质量变化和相对动弹性模量衡量各混凝土试样的抗冻性能。质量损失越大表明混凝土的抗冻性能越差;相对动弹性模量越小则混凝土的损伤越严重。
图4为不同混凝土试样质量损失率随冻融循环次数的变化情况。从
图4可以看出,冻融后再生混凝土的质量损失率随着NS掺量的增加逐渐减小。当NS掺量超过0.8%后,尽管可以看到GC试样的质量损失率略低于PC试样,但相同搅拌方式配制的混凝土试样的质量损失随NS掺量的变化几乎不太明显。这说明适量的NS能提高混凝土的抗冻性能,降低混凝土冻融循环后的质量损失率;但过量NS的加入不会再继续提高混凝土抗冻性能。此外,NS含量相同时,GC试样的质量损失率明显低于PC试样,说明采用裹浆搅拌工艺配制的混凝土质量损失更小,抗冻性能更优,这与上述力学性能与抗渗性能的变化规律一致。
各混凝土试样相对动弹性模量随冻融循环次数的变化如
图5所示。从
图5可以看出,NS的加入可有效降低再生混凝土的动弹性模量损失。当NS掺量不超过0.8%时,PC试样与GC试样的动弹性模量损失均随其掺量的增加明显减小。当NS掺量超过0.8%后,尽管PC试样动弹性模量损失随着NS掺量的增加仍略有减小,但降低幅度并不明显。与此同时,GC试样动弹性模量损失随NS掺量变化不明显。总体来看,混凝土冻融后的相对动弹性模量随纳米NS掺量的增加而增加;但当NS掺量超过0.8%后,其相对动弹性模量的变化规律不明显。这一现象与质量损失和强度的变化规律一致,其原因为适量NS加入可以充分发挥其高活性、火山灰效应和填充效应,可以有效改善混凝土体系的孔隙结构和界面过渡区,提高其抗冻性能。然而,当NS达到某一含量后,其火山灰反应和填充效应已趋向于饱和,其掺量对混凝土孔隙结构的影响趋于稳定,甚至NS的团聚现象会不利于其力学性能与耐久性能的发展。
值得注意的是,与质量损失规律相似,NS增强骨料裹浆搅拌方法配制的混凝土比普通搅拌方法配制的混凝土表现出更低的动弹性模量损失。数据表明前者的抗冻性能更好,其冻融后的动弹性模量损失更小。这是因为NS增强骨料裹浆搅拌方法不仅能有效改善再生混凝土的新界面过渡区和孔隙结构,而且NS增强骨料裹浆搅拌方法还可以使得混凝土体系的结构分布更加均匀和致密,有利于再生混凝土抗冻性能的进一步增强。
2.5 NMR分析
NMR试验结果以
T2谱曲线表示,
T2谱面积与孔隙水含量呈线性相关
[29‒31]。横向弛豫时间越长,孔隙半径越大;纵向信号强度越高,孔隙数量越多。
图6为不同混凝土试样的
T2谱曲线。
随着纳米NS掺量的增加,PC试样与GC试样的
T2谱面积均出现了明显减小,且峰值有所左移。这说明NS的加入可以有效优化混凝土体系的孔隙结构,因为在部分NS增强再生混凝土界面过渡区的同时,剩余NS还可以有效改善水泥基体的孔隙结构,降低混凝土体系的孔隙率。此外,当NS含量超过0.8%后,
T2谱曲线的变化并不明显,这一现象与上述力学性能和耐久性能的测试结果相吻合(NS含量超过0.8%后强度、电通量和抗冻性的差异并不显著)。其主要原因为NS达到某一含量后其火山灰反应和填充效应已趋向于饱和,其掺量对混凝土孔隙结构的影响趋于稳定。对比
图6(a)和(b)可以看出,NS含量小于0.8%时GC试样的
T2谱面积均小于PC试样。数据表明,NS含量相同时,GC试样孔隙率更小。因为裹浆搅拌工艺不仅可以更好地改善再生混凝土中(新和老)界面过渡区和孔隙结构,还能使得再生骨料表面的裹浆层更为密实和均匀,从而使得混凝土体系的分布更加均匀和致密;这也是GC混凝土试样力学性能和耐久性能优于PC试样的原因。
2.6 SEM分析
图7为C0、PC3和GC3试样的新界面过渡区和孔结构SEM图像。
由
图7可以看出,C0混凝土的界面过渡区较为松散,界面过渡区和硬化水泥浆中存在较多和较大的孔洞,混凝土体系的孔隙结构较差。与普通再生混凝土C0相比,加入NS的再生料混凝土PC3中界面过渡区得到了明显的改善,界面区域内C‒S‒H的生成更为密集,界面过渡区和硬化水泥浆中孔洞数量和尺寸有明显减小。其原因为,NS的填充作用和填充效应有利于优化混凝土的孔隙结构,降低混凝土体系的孔隙率;另一方面,NS的火山灰反应可以消耗Ca(OH)
2并生成C‒S‒H凝胶,同样有利于降低混凝土体系的孔隙率。
此外,对比PC3和GC3试样可以发现,尽管两组试样的孔隙结构和界面过渡区结构均优于C0试样,但GC3试样中再生骨料与基质的结合则更为紧密。其原因为,NS裹浆搅拌工艺不仅可使得再生骨料的裹浆层厚度进一步增加,还能使裹浆层更为均匀和致密,有助于更好地改进再生混凝土体系的界面过渡区和孔隙结构。可以确定,与普通搅拌工艺相比,对界面过渡区的改善是NS裹浆搅拌工艺能够有效提高再生混凝土抗压强度、抗氯离子渗透性能和抗冻性的主要原因。
3 结 论
本文结合新型纳米材料和骨料裹浆技术,分别采用普通搅拌工艺和NS增强骨料裹浆搅拌工艺制备了不同NS含量的再生混凝土;系统开展了搅拌工艺及其在不同NS含量条件下的室内混凝土宏观力学性能试验,并结合扫描电镜和核磁共振等测试手段分析了NS含量和搅拌工艺对再生骨料混凝土的微观作用机理,得出以下主要结论:
1)在NS于拌和水中可以良好分散的前提下,NS可显著增加浆体黏度。NS的加入可以增强再生粗骨料的裹浆能力,改善混凝土的黏聚性和保水性,但同时会增加混凝土的用水量。
2)无论是裹浆工艺还是普通搅拌工艺,NS的掺量为0.8%时,再生混凝土的工作性能、强度、抗渗性和抗冻性能可同时达到最优;但更高的NS掺量可能会导致其部分性能降低。
3)微观分析表明,适量NS的加入不仅能有效改善混凝土界面过渡区的微观结构,还有利于基体的致密化和孔隙率的下降。但NS掺量超过0.8%后,其对再生混凝土界面和孔隙结构的影响趋于稳定,且会导致部分孔隙结构的劣化。
4)裹浆搅拌工艺可使NS的定向纳米增强作用和整体纳米改性作用协同互补。当NS掺量相同时,NS裹浆再生骨料搅拌工艺制备的再生混凝土力学性能和耐久性能均优于普通搅拌工艺制备的再生混凝土。
陕西省教育厅青年创新团队建设科研攻关项目(22JP098)