纳米硅溶胶改性混合再生骨料混凝土的力学性能

2022-08-25元成方李好飞郭稼祥

材料科学与工程学报 2022年4期

元成方,李好飞,郭稼祥

(1.郑州大学土木工程学院,河南郑州 450001；2.西部绿色建筑国家重点实验室/西安建筑科技大学,陕西西安 710055)

1 前言

当前我国年混凝土的使用量已接近20亿立方米,与此同时我国每年建筑垃圾的产生量已占城市垃圾总量的30%～40%,并且每年以10%的速度增长[1-2],结合住建部公布的新规划,我国建筑垃圾产生量到2020年将到达一个峰值,预计会突破30亿吨。但是,我国建筑垃圾综合利用率仅为5%[3-4]。因此对建筑垃圾进行资源化利用是我国实现绿色建筑与可持续发展的迫切要求。

再生骨料与天然骨料相比性能不足,如强度低、微裂纹多、表观密度低、吸水率高等[5-7],使得再生混凝土在抗压强度、耐久性等性能上存在劣势[8-11],一定程度上限制了再生混凝土的推广使用。研究发现,通过再生骨料整形[12-14]、采用纳米材料[15-16]或优质矿物掺合料[17-18]对再生骨料进行预先处理后使用,可有效提高再生骨料性能、优化水泥浆体与骨料过渡区,从而改善再生混凝土的性能。此外,城市建筑垃圾往往以废弃黏土砖和废弃混凝土混合物的形式出现,其中废砖占比约为30%～50%[19],由于将建筑垃圾经过筛选、分离为单一骨料后进行使用的困难较大,所以混合再生骨料及用其制备的混凝土的相关研究具有较高价值。目前关于改性混合再生骨料混凝土的研究相对较少,研究还主要集中于混合再生骨料的制备及材料性能[20]、混合再生骨料混凝土基本力学性能[21-22]。

本试验拟设计制备砼砖体积比7∶3的混合再生骨料,采用纳米硅溶胶对骨料进行改性强化处理,并使用改性处理后的骨料制备混凝土,开展相关的力学性能试验,研究分析纳米再生混凝土(RCS)立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、轴心抗压强度的经时变化规律,建立力学指标间的定量关系,并利用电子扫描显微镜(SEM)探讨纳米硅溶胶对再生混凝土的改性机理。

2 实验

2.1 原材料

选取某公司实验室的强度等级为C30～C50的废弃混凝土试块作为本试验使用的废弃混凝土,废弃黏土砖的抗压强度为MU10～MU25,取自于城市拆迁房屋。采用破碎、筛选的方法获得粒径为4.75～19.0 mm再生骨料,并将其以连续级配的方式制备,基本性能指标如表1所示。采用浓度2%的纳米硅溶胶溶液连续浸泡2 d对再生骨料进行改性。改性后的混合再生骨料物理性能指标见表1。纳米硅溶胶(实验选用NS-30型)是无定型胶体SiO2粒子在水中均匀分散的胶体溶液,具有吸附性强、亲水性好、比表面积大、稳定性高等特点,其技术指标见表2。天然骨料采用粒径为4.75～19.0 mm 的连续级配碎石、细度模数2.6的天然中砂。水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥。外加剂为FDN-1型聚羧酸系高性能减水剂。

表1 再生骨料性能指标Table 1 Performance indicators of recycled aggregate

表2 NS-30型纳米硅溶胶技术指标Table 2 Technical specifications of NS-30 nanometer silica sol

2.2 配合比设计

以天然骨料混凝土作为基准混凝土进行配合比设计,设计强度等级为C50。参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011),使用等体积置换的方法,将再生砼骨料与再生砖骨料以体积比7∶3的方式混合后对天然骨料进行全取代,再进行再生混凝土的制备。混凝土的性能受水灰比的影响较大,而再生骨料自身具有的吸水特性,会造成拌合物的实际水灰比发生改变。因此,拌制再生混凝土和纳米再生混凝土前,以预吸水的方式对再生骨料进行处理,并使其达到饱和面干状态,然后使用再生骨料进行拌制。具体配合比见表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix ratio kg/m3

2.3 试验方法

依据试验内容,采用试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体,作为测试立方体抗压强度的试件与劈裂抗拉强度的试件。抗折强度试件和轴心抗压强度的试件均为棱柱体,但尺寸不同,分别为:100 mm×100 mm×400 mm、100 mm×100 mm×300 mm。分别按照普通混凝土(NC)、再生混凝土(RC)、纳米再生混凝土(RCS)配合比浇筑,为保证混凝土的性能,混凝土拌合物的成型过程中各项操作均应符合规范标准要求。

依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081ˉ2019),分别对三种混凝土养护至四个龄期(3,7,14和28 d)的试件进行各项基本力学指标测试。采用试验测得的数据,参照标准中的公式,分别计算得到立方体抗压强度fcc,劈裂抗拉强度fts,抗折强度ff和轴心抗压强度fcp。

3 结果及分析

3.1 力学性能

NC、RC和RCS的力学性能试验结果如表4所示。

表4 混凝土力学性能试验结果Table 4 Test results of mechanical properties of concrete

3.2 力学性能指标随龄期的变化规律

NC、RC和RCS的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和轴心抗压强度随龄期的变化规律如图1所示。从图可见,三种混凝土的强度指标均随龄期逐渐增长,NC的各项强度始终高于RC和RCS。RCS的28 d立方体抗压强度较未改性的RC 的立方体抗压强度提高了13.3%。RC 和RCS的28 d劈裂抗拉强度分别达到3.02和3.15 MPa,分别为同龄期NC的劈裂抗拉强度的77.0%和80.3%,RCS的28 d劈裂抗拉强度较未改性的RC 提高了4.3%。RCS 的28 d抗折强度较未改性的RC 提高了2.1%,RC 和RCS的抗折强度差异不大。RC 和RCS的28 d轴心抗压强度分别达到39.8和44.3 MPa,分别为同龄期NC强度的76.0%和84.5%,采用纳米改性骨料的RCS的轴心抗压强度较基准RC提高了11.3%。

图1 混凝土力学指标随龄期的变化规律Fig.1 Time-dependent variation of mechanical indexes of concrete (a)time-dependent variation curves of cubic compressive strength；(b)time-dependent curves of split tensile strength；(c)time-dependent variation curves of flexural strength；(d)time-dependent curves of axial compressive strength

综上所述,纳米硅溶胶对于再生骨料混凝土抗压强度的提升效果较好,而对劈裂抗拉和抗折强度的提升作用并不明显。

3.3 纳米硅溶胶对混合再生骨料混凝土的改性机理

采用纳米硅溶胶对再生骨料进行改性处理后的制备再生混凝土,其基本力学指标均得到不同程度的提升,表现出更为接近普通混凝土的受荷性能。采用TSM-7500F型SEM 对经过处理的包含改性前后再生砖、砼骨料的试样进行微观形貌观察,如图2所示。

图2 改性处理前(a)、后(b)的再生混凝土微观形貌图像Fig.2 SEM images of recycled concrete before(a)and after(b)treatment

再生骨料特别是再生砖骨料不仅强度低且疏松多孔,同时再生骨料表面附着有老旧砂浆,致使新旧砂浆的粘结较差,形成了较多孔隙,成为再生骨料混凝土的薄弱区域(见图2(a))。在荷载作用下,再生砖骨料基体以及薄弱的界面区往往先于水泥石开裂,进而导致混凝土的破坏。采用纳米硅溶胶对再生骨料进行预处理后,大量的纳米SiO2颗粒残留于改性再生骨料表面,这些颗粒的作用体现在:骨料周围的新拌水泥砂浆孔隙以及骨料表面附着的老旧砂浆孔隙得到填充,从而对砂浆及新-旧砂浆界面的密实度起到改善作用；参与二次水化反应,消耗了Ca(OH)2及自由水,生成的团絮状C-S-H 凝胶对原本疏松多孔的区域进行有效填充(见图2(b)),增强了再生骨料与凝胶之间结合,优化了混凝土的孔隙结构,新旧砂浆的整体性得到改善,提高了再生混凝土的整体性和密实度。

3.4 混凝土力学指标的相关性分析

作为混凝土最为重要力学性能指标,立方体抗压强度能够与混凝土其他力学指标建立起相应的函数关系。采用回归分析的方法分析RCS的力学指标间的相关关系,分别建立方体抗压强度fcu与轴心抗压强度fc、劈裂抗拉强度fts、抗折强度ff的定量关系。

由图3、表5可见,RCS的力学指标间具有较好的相关关系,相关系数均不小于0.96。RCS的轴心强度与抗压强度符合线性函数关系,RCS的劈裂强度、抗折强度与抗压强度符合幂函数关系。

图3 混凝土力学指标间的相关关系拟合曲线Fig.3 Fitting curve of correlation between mechanical indexes of concrete (a)f c—f cu；(b)f ts—f cu；(c)f f—f cu

对于普通混凝土,轴心抗压强度与立方体抗压强度的比值在0.76～0.80之间。从表5可见,较之普通混凝土,RCS的轴心抗压强度与立方体抗压强度更为接近,其主要原因还是由再生骨料自身硬度低、再生骨料混凝土强度低导致的,当RCS进行受压测试时,由于再生砖骨料自身较低的强度以及再生骨料附近界面形态的更加复杂性,其破坏过程更快,加载时长缩短,加之在试块两端压力试验机没有能够产生明显的“环箍”作用,最终,相对于单轴受压条件下的强度值,试块的立方体抗压强度值增幅有限。