外加剂与强化骨料对再生砂浆干缩值的影响

糜人杰　 潘钢华　 李　阳

(东南大学材料科学与工程学院， 南京 211189)(东南大学江苏省土木工程材料重点实验室， 南京 211189)(东南大学江苏省协同创新中心， 南京 211189)

再生细骨料(recycled fine aggregates, RFA)具有高吸水率与高微粉含量等缺点，其制备的再生砂浆(recycled aggregate mortars, RAM)性能较差，难以在实际工程中得到广泛的应用[1-3].RFA的高吸水率导致RAM在制备过程中需要大量的水，但是只有一部分水参与水泥的水化反应，而另一部分水存在于RFA的裂缝和孔隙中，对RAM的收缩产生不利的影响[4]，且RFA的多孔结构导致水分子在水泥水化过程中的扩散变得容易，进而增大了RAM的干缩值[5].此外，与天然砂相比，RFA中的微粉(粒径小于0.075 mm)含量高达20%，主要由未水化的水泥、附着水泥石的天然砂、水泥石和泥土等在破碎过程中产生的微粉组成[6].这些微粉会对砂浆的干缩造成2方面的影响：① 影响水泥的水化反应，从而增大了水泥浆体的孔隙率，使水分子在浆体中的扩散变得容易；② 微粉会在RFA表层形成包裹层，增大了界面过渡区(ITZ)的孔隙率，使水分子在ITZ中的扩散变得容易.

近年来，为了获得高性能的RFA，学者们采用了不同的强化方式，主要有物理强化、化学强化、物理-化学复合强化、CO2养护强化、湿处理等[7-10].但以上强化方式的处理周期复杂，不利于工程应用.为了便于工程应用，潘钢华等[11]采用木质素磺酸钠(SL)、六偏磷酸钠(SH)和柠檬酸(CA)混合制成了粉状外加剂(SSC)，克服了RFA的高微粉含量对RAM强度与工作性能的不利影响.

同时采用外加剂与强化骨料可以克服RFA的高微粉含量与高吸水率对RAM干缩性能的不利影响，但是并未见相关报道.本文采用外加剂(SSC)与强化骨料(intensified aggregates, IA)制备了RAM，研究了RAM的干缩值(εat)与龄期(T=2～91 d)之间的关系，提出了三段式的εat-T曲线，建立了相应的数学模型，并进行了误差分析.探讨了取代率(R=30%，50%，70%，100%)对εat的影响，对比了RAM与RAM+SSC+IA的干缩值.

1　原材料与试验方法

1.1　原材料

采用江苏鹤林水泥厂的P·O 42.5硅酸盐水泥，其性能及矿物组成符合《通用硅酸盐水泥》 (GB175—2007)中的要求，性能参数见表1.采用镇江市80年代拆迁房的建筑垃圾制备RFA，河砂采用天然砂(NFA).采用镇江谏壁电厂提供的Ⅱ级粉煤灰，自来水作为拌合水.SSC由SL，SH和CA按质量比2∶6∶1混合而成，其分别由上海云哲新材料科技有限公司、天津市恒兴化学试剂制造有限公司与国药集团化学试剂有限公司提供，SSC按照胶凝材料的0.75%掺加.采用镇江建筑科学研究院提供的稠化粉和南京市蓝天液化气有限公司提供的CO2(纯度大于99%)气体.

表1　P·O 42.5硅酸盐水泥性能参数

1.2　配合比与试验方法

1.2.1砂浆性能试验方法

砂浆的配合比如表2所示.成型后的试块放入养护室，1 d拆模，放入干缩室，砂浆的εat按照规范《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(GJ/T 70—2009)进行，在试验进行2～13 d与17～18 d中每天测试试块的长度，33～53 d与60～90 d每隔5 d测试试块的长度.

表2　基准砂浆每立方米配合比

1.2.2IA的制备方法

由于采用废弃多年的建筑垃圾，以其制备的RFA的Ca(OH)2含量很低(1.57%)，但CaCO3含量高达9.32%.为了增强碳化效果，本文采用加钙碳化的方法，步骤如下：① 采用Ca(OH)2溶液浸泡RFA(0.01 mol Ca(OH)2溶液浸泡1 kg的RFA)，充分搅拌均匀，使RFA表面达到湿润状态.② 放入温度为60 ℃的干燥箱中烘干，保证其初始含水率为5%.③ 将烘干的RFA放入CO2浓度为70%、相对湿度为50%和温度为25 ℃的碳化箱内养护，保证RFA充分碳化后取出.判别RFA是否充分碳化的方法为：将RFA研磨成粉，均匀摊开并滴加酚酞指示剂，样品不变红则为完全碳化.

1.3　误差分析

建立数学模型时，采用平均相对误差δ与相对标准误差er进行模型的误差分析，δ与er的计算式为

(1)

(2)

2　结果与讨论

2.1　干缩-龄期曲线

RAM与RAM+SSC+IA的干缩-龄期实测数据如图1所示.采用EXCEL数学分析软件经过系统的分析，建议RAM与RAM+SSC+IA的干缩-龄期曲线分为急缩段(2～7 d)、缓缩段(7～21 d)与稳缩段(21～90 d)3段.其中，急缩段采用二次多项式函数，缓缩段与稳缩段采用指数函数，即

εat=A1T2+B1T+C

(3)

εat=A2lnT+B2

(4)

式中，A1，B1，C，A2，B2为参数.RAM与RAM+SSC+IA的干缩-龄期拟合曲线如图1所示.参数及误差分析如表3和4所示.

砂浆种类R/%参数A1/10-6B1/10-4C/10-4误差分析r2±δ/%er/%RAM30-6．171．3595-0．99340．99980．530．70RAM50-6．741．4956-1．54850．99871．822．40RAM70-4．321．1090-0．17250．99910．610．88RAM100-5．771．4993-1．58970．99931．562．03RAM+SSC+IA30-9．861．6070-1．88020．99891．522．05RAM+SSC+IA50-9．011．4604-0．72850．99960．610．70RAM+SSC+IA70-8．431．4783-0．83380．99891．201．38RAM+SSC+IA100-10．011．7610-2．00720．99941．111．53注：r为相关系数．

表4干缩-龄期曲线缓缩段与稳缩段的数学模型参数及其误差分析

砂浆种类R/%参数A2/10-6B2/10-4误差分析r2±δ/%er/%T/dRAM302131．550．98001．031．397～21RAM502491．050．97551．321．637～21RAM702191．360．98211．081．407～21RAM1002411．730．94591．882．297～21RAM+SSC+IA301212．290．97780．771．097～21RAM+SSC+IA501352．580．96551．121．457～21RAM+SSC+IA701243．040．97650．951．137～21RAM+SSC+IA1001602．620．88792．333．047～21RAM3025．07．2800．82770．560．7021～90RAM5033．47．5090．89710．630．7721～90RAM7024．67．1330．93040．440．7121～90RAM10047．67．3930．89930．871．2021～90RAM+SSC+IA3038．54．8580．83571．121．2921～90RAM+SSC+IA5040．75．4650．94860．510．6621～90RAM+SSC+IA7023．06．2150．93350．340．3921～90RAM+SSC+IA10041．76．0980．90370．811．1021～90注：r为相关系数．

2.2　SSC与IA对RAM干缩性能的影响

2.2.1急缩段

RAM与RAM+SSC+IA在急缩段内干缩值的对比如图2所示.由图可知，当取代率R=30%时，RAM+SSC+IA在急缩段的干缩值小于RAM在急缩段的干缩值.这是因为：① SSC中的SL与SH释放了由微粉约束的絮凝水，这些絮凝水参与水泥的水化反应，提高了水泥浆体的密实度，进而阻碍了水分子在水泥浆体内的扩散.另一方面，SL与SH具有保水作用，减少了自由水分子的数量.② SSC中的SH和CA与水泥浆体中的Ca2+发生络合作用，阻碍了水分子在水泥浆体内的扩散.③ SSC中SL与SH的分散作用降低了ITZ上的微粉含量，提高了水泥浆体与骨料之间的黏结强度，阻碍了水分子在ITZ内的扩散.④ 经过碳化强化后，IA的吸水率比RFA的吸水率降低了41.6%(见表5)，这是因为，一方面减少了毛细孔水的数量，另一方面强化产物(CaCO3) 阻碍了水分子在骨料内的传输；此外IA的微粉含量小于RFA的微粉含量，所以微粉对水泥浆体和ITZ的不利影响也相应地降低.

当R=50%时，RAM+SSC+IA在第2～6天之间的干缩值大于RAM的干缩值，但在第7天RAM+SSC+IA的干缩值小于RAM的干缩值.当R=70%时，RAM+SSC+IA在第2～4天之间的干缩值比RAM的干缩值大，但在第5～7天RAM+SSC+IA的干缩值小于RAM的干缩值.当R=100%时，RAM+SSC+IA在第2～7天之间的干缩值均小于RAM的干缩值.由上可知：当R=50%～100%时，低取代率的RAM+SSC+IA在急缩段前期的干缩值均大于RAM的干缩值，但随着R的增大，RAM+SSC+IA在急缩段后期的干缩值逐渐小于RAM的干缩值.这是因为：RFA是由80年代的建筑垃圾制成，这些垃圾暴露在空气中长达30年之久，其内部的残余Ca(OH)2与空气中的CO2反应，产物CaCO3填充在这些垃圾内部的孔隙和裂缝中.在实验室中对RFA进行强化时，强化产物CaCO3不能有效地填充在RFA的剩余裂缝中，只能附着在RFA的表面，导致IA与NFA混合时，骨料的级配发生变化，密实度降低，进而水分子在骨料和ITZ内的扩散变得更容易.因此，RAM+SSC+IA的干缩值增大，且高于RAM的干缩值.但随着R的增大，IA与NFA的比例发生变化，级配效应降低，RAM+SSC+IA的密实度增大，其干缩值又小于RAM的干缩值.

(a) R=30%

(b) R= 50%

(c) R=70%

(d) R=100%

2.2.2稳缩段与缓缩段

在稳缩段与缓缩段，RAM+SSC+IA的干缩值小于RAM的干缩值，这说明SSC与IA可以有效地降低RAM在稳缩段与缓缩段的干缩值，且随着取代率的增大，RAM+SSC+IA的干缩值逐渐增大.这是因为：随着取代率的增大，孔隙率越大，一方面增大了毛细孔水的数量，另一方面水分子在骨料、ITZ与水泥浆体内的扩散越来越容易.

由图1可知，RAM在第23天的干缩值小于第21天的干缩值，这说明RAM在第23天发生膨胀.当R=50%，70%，100%时，RAM的膨胀率依次为0.8%，1.6%与1.9%，且随着取代率的增大，膨胀率逐渐增大.这是因为：大部分的毛细孔基本完全脱水，毛细孔力的作用下降，相应的各向受压也减小，由于固体骨架的弹性恢复，使得水泥石体积膨胀.而在23 d后，曲线又呈增长的趋势.这种微膨胀现象导致RAM处于一种疲劳状态，在收缩后膨胀，会破坏RAM的内部结构，进而影响RAM的质量.但RAM+SSC+IA在R=50%,70%,100%的膨胀率为-0.7%，-1.6%与1.2%.这说明SSC与IA可以有效地消除R=50%,70%时RAM的微膨胀反应，降低R=100%时RAM发生的微膨胀反应.这是因为：① SSC中的SL，SH与SA均具有保水作用，毛细孔中的水分没有完全失去，阻止了骨架的变形.② 由于SSC中的SL与SH释放了絮凝水，水泥浆体得以充分地水化，在收缩变形时，水泥提供了较高的抗拉强度，阻碍了水泥浆体的变形.③ SSC中的SL与SH对ITZ表面微粉的分散作用，加强了水泥浆体与骨料的黏结力，阻碍了ITZ的变形.

3　结论

1) 建议RAM与RAM+SSC+IA的干缩-龄期曲线分为3段：2～7 d为急缩段，7～21 d为缓缩段，21～90 d为稳缩段.急缩段约占总收缩的62.0%～74.8%，随着龄期的延长，砂浆急剧收缩，建议采用二次多项式函数.缓缩段约占总收缩的19.5%～33.0%；收缩速率急缩段降低，建议采用指数函数.稳缩段约占总收缩的2.5%～9.5%，收缩速率基本保持不变，建议采用指数函数.

2) 在急缩段：当R=30%时，RAM+SSC+IA的干缩值小于RAM在急缩段的干缩值；当R=50%时，RAM+SSC+IA在2～6 d之间的干缩值大于RAM的干缩值，但在第7天的干缩值小于RAM的干缩值；当R=70%时，RAM+SSC+IA在2～4 d之间的干缩值比RAM的干缩值大，但在5～7 d之间的干缩值小于RAM的干缩值；当R=100%时，RAM+SSC+IA在2～7 d内的干缩值均小于RAM的干缩值.在稳缩段与缓缩段：RAM+SSC+IA的干缩值小于RAM的干缩值，随着取代率的增长，RAM+SSC+IA的干缩值逐渐增大.

3) SSC与IA可以消除R=50%,70%时RAM发生的微膨胀反应，降低R=100%时RAM发生的微膨胀反应.

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