纳米SiO2和粉煤灰复掺对再生混凝土性能的影响

2020-01-14肖建庄陈祥磊薛松涛段珍华

建筑科学与工程学报 2020年1期

肖建庄，陈祥磊，李标，薛松涛，段珍华

(同济大学土木工程学院，上海 200092)

0 引言

相比天然粗骨料，再生粗骨料表面附着大量残余老砂浆，由其制备的再生骨料混凝土的各项力学和耐久性能均劣于普通混凝土(NAC)[1-2]。随着纳米技术的发展，纳米材料在土木工程领域的应用受到越来越多的关注[3]，主要有纳米SiO2[4]，CaCO3[5]和TiO2[6]等。Singh等[7]认为纳米材料及其二次水化的产物能够有效填充再生粗骨料表面老砂浆的孔隙和微裂缝，同时纳米颗粒的成核效应能够进一步促进水化，从而改善界面过渡区并提高早期强度。Salkhordeh等[8]在自密实再生混凝土中使用纳米SiO2取代了10%(质量分数)的水泥，早期抗压强度得到明显提高，且28 d强度提高了约64.86%，甚至超过了NAC。Hosseini等[9-10]研究发现，3%掺量的纳米SiO2取代水泥有助于提高再生混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能。纳米SiO2对水泥基材料的早期水化有十分明显的促进效果，然而Hou等[11]研究发现，纳米SiO2的水化产物会包裹并阻止砂浆中水泥颗粒的水化，从而阻碍砂浆的后期强度发展。同时，由于纳米SiO2的表面能大，颗粒周围大量存在的不饱和键易吸附自由水，导致新拌混凝土中自由水减少，使得混凝土的工作性显著降低[12]。

粉煤灰为混凝土中常用的一种矿物掺合料，当粉煤灰取代率为30%时，再生混凝土的7 d抗压强度有所降低，但其长期性能会持续发展，甚至超过基准值[13]。Kou等[14]研究发现，高掺量(55%)的粉煤灰不仅有利于提高再生混凝土的长期抗压强度和弹性模量，而且能够改善其抗氯离子渗透能力。此外，粉煤灰可以改善再生混凝土的工作性能[15-16]。

不难看出，纳米SiO2或粉煤灰在混凝土中的单掺使用尽管有助于改善再生混凝土的部分性能，但同时有可能会导致其他性能的劣化。两者的结合使用或许会解决这个难题，但当前极少有关纳米SiO2和粉煤灰复掺对再生混凝土性能影响的研究报道。因此，本文将分析不同掺量的纳米SiO2和粉煤灰在单掺或复掺情况下分别对再生混凝土工作性能和力学性能的影响。

1 试验方案

1.1 试验材料

水泥采用P.C 32.5复合硅酸盐水泥，粉煤灰为二级粉煤灰，其化学成分列于表1。由于纳米SiO2胶体溶液相比于纳米SiO2粉体颗粒有更好的分散性，其对水泥基材料的改善效果一般更加明显[17]，因此试验采用纳米SiO2胶体溶液，详细参数列于表2。再生粗骨料各项性能按照《普通混凝土用砂、石质量及检测方法标准》(JGJ 52—2006)的规定进行测试，结果列于表3。细骨料采用河砂，表观密度为2.606 g·cm-3，细度模数为3.37，属于粗砂。

1.2 配合比设计

基准组混凝土设计强度为C20，水胶比取0.50，粗骨料使用天然粗骨料，记为NAC。试验组混凝土水灰比和胶凝材料用量不变，采用体积取代法，用再生粗骨料100%取代天然粗骨料。由于再生粗骨料吸水率远大于天然粗骨料，本文采用添加附加水的方法控制有效水灰比，其中附加水的用量除了根据再生粗骨料吸水率和含水率计算，还需扣除纳米SiO2溶液中的含水量。纳米SiO2和粉煤灰的掺量作为变量，使用质量取代法取代水泥，掺量分别为0%，1%，2%和0%，30%。

表1 粉煤灰与水泥化学成分Tab.1 Chemical Component of Fly Ash and Cement %

表2 纳米SiO2溶液性能Tab.2 Properties of Nano-SiO2 Colloidal

表3 再生粗骨料物理性能指标Tab.3 Physical Properties of Recycled Coarse Aggregate

本文中将所有试验组统一称为再生混凝土，未掺纳米SiO2和粉煤灰的再生混凝土记为RAC；单掺纳米SiO2组记为S，后跟数字代表掺量；单掺粉煤灰组记为F，后跟数字代表掺量；复掺组记为S+F，分别后跟数字代表掺量。

为了探究纳米SiO2和粉煤灰单掺或复掺情况下对混凝土工作性能的影响，每组配合比的初始减水剂用量保持为1.9 kg·m-3，完成坍落度测试后，调整减水剂用量以确保所有配合比的坍落度均维持在(120±10) mm范围内。混凝土配合比见表4。

表4 混凝土配合比Tab.4 Mix Proportion of Concrete kg·m-3

1.3 混凝土搅拌方式

使用纳米SiO2改性再生混凝土的方式分为2种：直接掺入和预浸泡[18]。在直接掺入搅拌的过程中，大部分的纳米SiO2与砂浆混合在一起，起到强化砂浆的作用，只有小部分填充了再生粗骨料表面老砂浆的孔隙和微裂缝[19]；预浸泡则将所有的纳米SiO2用于填充老砂浆的孔隙和微裂缝。Shaikh等[18]通过对比研究认为预浸泡对RAC的提升效果更加显著。由于预浸泡的过程繁琐，耗时长且操作困难，为了简化搅拌方式，同时尽可能多地将纳米SiO2用于填充老砂浆孔隙和微裂缝，基于现有的搅拌法，通过适当调整，提出新的两阶段搅拌法，具体步骤如下：①将纳米SiO2与附加水混合，使用超声波清洗机进行分散；②将分散的纳米溶液与再生粗骨料搅拌2 min；③加入砂、水泥和粉煤灰搅拌2 min；④加入配合比中水充分搅拌。附加水与纳米SiO2溶液混合，其中的含水量等于配合比中再生粗骨料吸水量与含水量的差。由于再生粗骨料的吸水速率快，在第1步的基础上，通过第2步的搅拌使得更多的纳米SiO2颗粒能够被再生粗骨料吸收用于填补老砂浆孔隙和微裂缝。

1.4 试块制作与测试方法

新拌混凝土工作性能依照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)进行坍落度测试。参照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081—2016)，混凝土抗压试块采用非标准尺寸100 mm×100 mm×100 mm浇筑，每种配合比9个试块分成3组，每组3个试块分别用于测试7，28，90 d抗压强度，加载速率控制为0.3 MPa·s-1。28 d抗折强度试块采用非标准尺寸100 mm×100 mm×400 mm，每种配合比有3个试块，使用四点加载，加载速率为0.03 MPa·s-1。28 d劈裂抗拉强度的测试不单独浇筑试块，使用抗折测试折断试块替代100 mm×100 mm×100 mm劈裂抗拉非标准试块进行试验。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

表5给出了所有配合比新拌混凝土坍落度和力学性能试验结果。

表5 混凝土坍落度和力学性能试验结果Tab.5 Slump and Mechanical Properties of Concrete Experimental Results

2.2 工作性能

新拌混凝土的坍落度测试结果如图1所示。从图1可以看出，在相同的配合比及减水剂用量情况下，由于RAC配合比中使用了附加水，其坍落度略高于NAC。这是由于附加水在短时间内无法被再生粗骨料老砂浆中孔隙全部吸收，使得新拌混凝土中自由水多于相同配合比的天然骨料。同时，由于试验所用再生粗骨料经2道破碎工艺加工，骨料颗粒饱满利于流动。

图1 新拌混凝土坍落度Fig.1 Slump of Fresh Concrete

在相同减水剂掺量的情况下，随着纳米SiO2掺量的增加，新拌混凝土的坍落度逐渐降低。这可能是由于纳米材料粒径小，具有较强的表面能，能够吸附新拌混凝土中的自由水。同时，纳米SiO2周围有大量的不饱和键，不饱和键对水分子有很强的吸引能力，能够在水分子间形成牢固的化学键，进一步减少新拌混凝土中的自由水，最终导致坍落度大幅度下降[12]。坍落度测试结果表明，在搅拌过程中纳米SiO2并未全部被老砂浆吸收，部分离开再生粗骨料表面进入砂浆中。纳米材料的掺入给混凝土工作性能带来严重的问题，是推进纳米材料在混凝土中应用的一大阻碍。

在所有试验组中，F30拥有最大的坍落度。这是因为粉煤灰颗粒表面光滑，在新拌混凝土中起到润滑的作用，同时化学结构特殊，水化速度慢于水泥，减少了前期水化消耗的结合水，从而增加了自由水，提高了再生混凝土的坍落度。

2.3 抗压强度

图2为单掺SiO2和粉煤灰情况下再生混凝土的抗压强度。RAC的各龄期抗压强度相较于NAC均有20%～30%的下降。这与Xiao等[20]对再生粗骨料取代率对混凝土抗压强度影响的研究结果十分相近，说明再生粗骨料表面老砂浆的存在对再生混凝土力学性能产生显著的影响，寻找强化手段十分必要。在粉煤灰对再生混凝土性能影响的研究中，虽然Kou等[14]研究认为粉煤灰能够强化再生混凝土1年及以上龄期的长期强度，但是F30的试验结果显示，在早期的表现中抗压强度有明显的下降，直到90 d龄期才逐渐接近RAC。在再生粗骨料降低混凝土强度的基础上，使用粉煤灰导致的进一步降低必然给混凝土结构的建造和使用带来未曾遇到的问题。单独使用纳米SiO2对再生混凝土改性的结果显示，纳米SiO2能够有效提升再生混凝土的抗压强度，单掺2%纳米SiO2的再生混凝土28 d抗压强度相对RAC提高了24.5%。提升效果在早期最为显著，后期增长速度相比于RAC明显下降，且随着纳米SiO2掺量的增加，强度的强化逐渐提升。这一特性也得到了Mukharjee等[21]的证实，纳米SiO2能够填补再生粗骨料表面老砂浆的孔隙和微裂缝，从而改善再生混凝土中新老砂浆的界面过渡区，提升再生混凝土强度。

图2 单掺纳米SiO2或粉煤灰对再生混凝土抗压强度的影响Fig.2 Effect of Nano-SiO2 or Fly Ash on Compressive Strength of RAC

纳米SiO2对粉煤灰掺量为30%的再生混凝土的影响如图3所示。在粉煤灰再生混凝土中添加纳米SiO2有效强化了再生混凝土的各龄期强度。掺量为1%时，纳米SiO2完全弥补了粉煤灰引起的7 d和28 d强度的降低，甚至在90 d龄期相对于RAC提升了3 MPa，且随着纳米SiO2掺量的增加，强度提升幅度增大。Shaikh等[22]研究了纳米SiO2和粉煤灰对砂浆与混凝土的影响，其中在40%粉煤灰掺量的砂浆中掺入纳米SiO2能够提升砂浆的7 d和28 d强度，相应混凝土的强度也在各龄期得到提升。由此认为，粉煤灰再生混凝土中掺入纳米SiO2除了能改善混凝土中界面过渡区强度，还能强化混凝土中粉煤灰砂浆的强度，从而增加粉煤灰再生混凝土的抗压强度。对比纳米SiO2对粉煤灰再生混凝土和普通再生混凝土的影响规律发现，普通再生混凝土掺入纳米SiO2在28 d龄期后强度增长缓慢，然而粉煤灰再生混凝土在28 d龄期后强度增长幅度显著高于前者，且大于普通再生混凝土的增长幅度。分析认为两者间产生差异的原因是在再生混凝土中掺入了粉煤灰。粉煤灰能够增强混凝土的长期性能，从而使得粉煤灰再生混凝土掺入纳米SiO2后强度还有较长期的发展。

图3 纳米SiO2对粉煤灰再生混凝土抗压强度的影响Fig.3 Effect of Nano-SiO2 on Compressive Strength of Fly Ash RAC

通过将S1F30和S2F30的坍落度与单掺纳米SiO2的再生混凝土对比发现，在1%和2%纳米掺量的情况下掺入30%的粉煤灰，坍落度分别提升了100%和550%，且十分接近NAC。这说明再生混凝土中掺入粉煤灰带来自由水的增加和润滑作用能够有效地降低纳米SiO2对再生混凝土工作性能的不利影响。根据2种材料对再生混凝土工作性能的影响规律，通过调整掺量能够满足不同施工中不同工作性能的需求。

图4 粉煤灰对纳米SiO2再生混凝土抗压强度的影响Fig.4 Effect of Fly Ash on Compressive Strength of Nano-SiO2 RAC

图4给出了纳米SiO2掺量为1%与2%情况下，掺入粉煤灰对再生混凝土的抗压强度影响。由图4可以看出，在纳米SiO2再生混凝土中加入30%的粉煤灰，7 d和28 d龄期混凝土的抗压强度都有所下降，但是在90 d龄期复掺组的抗压强度则超过了单掺纳米SiO2的再生混凝土。可见虽然粉煤灰会降低纳米SiO2改性再生混凝土的早期性能，但是能够弥补纳米SiO2改性再生混凝土后期强度发展不足的缺陷。

综合可知，在再生混凝土中复掺纳米SiO2和粉煤灰，能够在降低粉煤灰对早期强度影响的同时弥补纳米SiO2带来的后期强度发展不足的缺陷。分析认为：纳米SiO2拥有高火山灰活性和化学成核效应，在早期强度发展过程中起促进水化作用；粉煤灰由于早期活性低，水化较慢，在后期强度发展到一定程度时才逐渐水化，不断致密砂浆基体。因此，在再生混凝土养护的早期与后期均有可观的水化反应在进行，从而提升其强度。

2.4 抗折强度

图5 混凝土抗折强度Fig.5 Flexural Strength of Concrete

图5(a)中由于再生粗骨料物理性能低于天然骨料，RAC中的老砂浆和新老砂浆界面过渡区成为薄弱点，导致RAC的抗折强度相对于NAC大幅度下降。随着纳米SiO2的掺入，RAC的抗折强度逐渐提高，且效果显著。原因在于，纳米SiO2改善了RAC的界面过渡区，增强了新老砂浆的强度，从而提高了RAC的抗折强度。当再生混凝土中掺入30%粉煤灰时，抗折强度小幅度下降，说明粉煤灰对再生混凝土抗折强度有不利影响。此时复掺纳米SiO2能够提升再生混凝土的抗折强度，且随着纳米SiO2掺量的增加而逐渐上升，S2F30相对于F30提高了19.46%。

对比图5(b)中RAC，S1，S1F30和RAC，S2，S2F30的抗折强度发现，当粉煤灰与纳米SiO2复掺时，抗折强度并未像抗压强度一样有进一步的提升，而是相对于单掺纳米SiO2有所下降，但是相对于RAC，复掺情况下抗折强度有明显提升。S2F30相对于F30提高了19.46%；虽然28 d龄期S1F30和S2F30的抗折强度分别低于S1和S2，参考抗压强度的增长趋势，复掺情况下RAC在28 d龄期之后还拥有较强的强度增长趋势，反而S1和S2组却并无太大的增长空间。随着龄期的增长，预计S1F30和S2F30的抗折强度会超越S1和S2。

2.5 劈裂抗拉强度

图6 混凝土劈裂抗拉强度Fig.6 Splitting Tensile Strength of Concrete

由图6(a)可以看出，再生粗骨料对混凝土的劈裂抗拉强度产生不利影响。在再生混凝土内部，老砂浆与新老砂浆界面过渡区制约了其抗拉强度。由图6(a)还可以看出，纳米SiO2能够改善再生混凝土的劈裂抗拉强度，并随掺量的增加，再生混凝土劈裂抗拉强度逐渐接近NAC的劈裂抗拉强度。这说明纳米SiO2能够强化RAC界面过渡区和老砂浆部分，增强砂浆和骨料之间的胶结力，从而提高RAC的劈裂抗拉强度。在再生混凝土中掺入30%的粉煤灰，发现粉煤灰能够提高再生混凝土的劈裂抗拉强度。在此基础上通过掺入纳米SiO2，再生混凝土的抗折强度有进一步的提升，且随掺量的增加逐渐增加。

由图6(b)可以看出，S1F30和S2F30的劈裂抗拉强度分别相对于S1和S2均有所提升。由此说明，在纳米SiO2对再生混凝土劈裂抗拉强度增强的基础上，粉煤灰能够进一步增强劈裂抗拉强度。不过纳米SiO2掺量为1%时，掺入粉煤灰提升了8.7%的劈裂抗折强度，掺量为2%时仅提升了3%。由此说明，纳米SiO2掺量越大时，复掺粉煤灰对再生混凝土劈裂抗拉强的提升越小。