辅助胶凝材料对再生混凝土性能影响的研究

徐美贞，张道明

辅助胶凝材料对再生混凝土性能影响的研究

徐美贞1，张道明2

（1.诚邦生态环境股份有限公司，杭州 310008；2.齐齐哈尔大学 建筑与土木工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

再生混凝土力学性能较差，无法广泛应用，在预先浸泡再生骨料的基础上，将辅助胶凝材料纳米硅溶胶（1%, 3%, 5%）与粉煤灰（10%, 15%, 20%）复合掺入再生混凝土中制备了改性再生混凝土。通过抗压强度、劈裂抗拉强度、坍落度试验探究了辅助胶凝材料对再生混凝土综合使用性能的影响；并在微观层次上揭示了辅助胶凝材料对再生混凝土性能影响的作用机理。结果表明，两种材料复合掺入后的协同作用使再生混凝土的力学性能、工作性能得到了全面提升，经试验测得纳米硅溶胶与粉煤灰的最佳复掺量分别为3%, 15%，其90d抗压强度和劈裂抗拉强度最多提升50.5%, 73.6%，坍落度保持在165mm左右。微观表征显示复掺两种材料加快了水泥水化反应，降低了水泥浆体的钙硅比，并由此增加了C-S-H凝胶含量；絮凝状C-S-H凝胶紧密包裹着水化产物，填充了混凝土内部的孔隙和裂缝，优化了界面过渡区结构，再生混凝土的强度得到显著提升。

再生混凝土；辅助胶凝材料；纳米硅溶胶；粉煤灰；力学性能

随着国内基础建设的蓬勃发展，道路翻新和建构筑物拆除后产生的废弃混凝土已成为阻碍建筑材料可持续发展的难点问题[1]。据统计，我国每年因拆除建构筑物产生的固体废弃物已超过20000亿吨，由此产生的大量废弃混凝土被堆积在郊区空地，对周边环境造成了极大污染，也不利于建筑材料的循环利用[2-4]。将废弃混凝土收集起来经破碎、冲洗、筛选等制成再生骨料并制备再生混凝土是解决废弃混凝土大量堆积的有效方案[5-6]，但再生骨料表面附着了大量旧水泥砂浆，表面孔隙及裂缝较多，界面过渡区（ITZ）薄弱，孔隙率和吸水率等均高于天然骨料，导致其制备的再生混凝土力学性能低于普通混凝土[7]，无法满足实际工程需要。

辅助胶凝材料的快速发展为再生混凝土性能优化提供了新的解决方案，具有高活性、高渗透性、高比表面能的纳米硅溶胶成为改性再生混凝土的热点材料之一[8]。当前研究表明，将纳米硅溶胶作为辅助胶凝材料掺入再生混凝土中可以增强水泥水化活性、加快水化反应速率，纳米SiO2还可与再生骨料表面旧水泥砂浆残留的Ca(OH)2发生二次水化反应，生成的水化产物C-S-H凝胶能够有效填充再生骨料中的孔隙和裂缝，改善ITZ结构，提高再生混凝土的力学性能[9-10]。然而，纳米硅溶胶中大量不饱和键极易吸附自由水[11]，严重影响混凝土的工作性能，引入表面光滑呈玻璃微珠状的辅助胶凝材料粉煤灰可以提高混凝土的工作性能[12]。此外，粉煤灰的火山灰活性和微集料填充效应还可有效降低孔隙率，提升再生混凝土的力学性能[13-14]。

由此可见，当纳米硅溶胶和粉煤灰作为辅助胶凝材料单独掺入再生混凝土中，有助于提升混凝土的部分性能，但会弱化其他使用性能，若将这两种辅助胶凝材料复合掺入，利用二者在混凝土中发挥的协同作用[15]，则会一定程度上弥补单独掺入两种材料引起的混凝土性能劣化的问题。本文以复合掺入纳米硅溶胶与粉煤灰对再生混凝土性能影响为研究目标，首先将再生骨料浸泡于纳米硅溶胶中进行强化处理；在此基础上将纳米硅溶胶与粉煤灰复合掺入再生混凝土中进行抗压强度、劈裂抗拉强度、坍落度等综合使用性能试验；最后利用XRD、SEM、EDS进行微观分析，探寻两种材料对再生混凝土性能影响的作用机理，为再生混凝土的高效利用提供研究基础。

1 试验部分

1.1 材料

水泥选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，各项指标均满足GB175-2007《通用硅酸盐水泥》规范要求，粉煤灰选用I级灰，记为FA，水泥和粉煤灰的化学成分如表1所示。

表1 水泥成分组成 (%)

材料SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOK2ONa2OCr2O3 水泥31.5010.7046.193.933.311.310.76- 粉煤灰40.1029.303.6914.900.811.130.585.94

天然粗骨料为碎石，连续级配满足5～25mm，表观密度约为2214kg/m3，堆积密度约为1450kg/m3，压碎指标为5.4%；再生粗骨料为废弃混凝土经破碎、冲洗、筛选的再生骨料，连续级配满足5～25mm，表观密度约为2194kg/m3，堆积密度约为1429kg/m3，压碎指标为15.3%；细骨料为本地江砂，粒径≤5mm，细度模数为2.3；减水剂选用325C型聚羧酸减水剂，减水剂外观为白色固体粉末；纳米硅溶胶，记为NS，选用ND-0101型，具体参数如表2所示。

表2 纳米硅溶胶性能参数

1.2 试验方法

本文对纳米硅溶胶采用“预先浸泡骨料+拌和掺入”的双重掺入方式。目前，已有试验数据表明，在保证改性效率同时降低成本的前提下，纳米硅溶胶预先浸泡再生骨料的最佳浓度为2%。因此，试验首先将再生骨料浸泡在2%浓度的纳米硅溶胶中，浸泡48h后捞出自然晒干，并放入养护箱中标准养护7d，获得改性再生骨料。在此基础上，本文设计了基准组、未改性对照组、复掺辅助胶凝材料改性组共11组混凝土，每组混凝土的水灰比均为0.5。其中，基准组为普通混凝土，记为NAC；未改性对照组为掺入30%未改性再生骨料，并且拌合时未掺辅助胶凝材料的再生混凝土，记为RAC；掺辅助胶凝材料改性组为使用30%改性再生骨料且复合掺入纳米硅溶胶（1%, 3%, 5%）与粉煤灰（10%, 15%, 20%）的再生混凝土，记为RAC-SF。为进一步探究掺入两种材料对再生混凝土微观性能的影响，试验按照上述方式制备了普通混凝土的相同配比水泥净浆，记为NAC-J，并按相同配比复掺两种辅助胶凝材料制备了改性水泥净浆，记为RAC-SF-J。此外，为有效控制水胶比的影响，拌合时应减去纳米硅溶胶中含有的附加水。各组混凝土及其相同比例水泥净浆的配合比如表3所示。

表3 混凝土配合比

在搅拌过程中，为了消除纳米材料因高范德华力产生聚团现象，应先将水、减水剂与NS预先混合并经超声波空化分散，再投入骨料中拌和。搅拌完成后依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2002）进行坍落度测试，测试完毕后送入YH-90B型标准恒温恒湿养护箱对试块进行标准养护，到达养护龄期后，参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019），利用YAW-2000型电液伺服压力试验机对试块进行抗压强度、劈裂抗拉强度测试。

微观表征是分析改性再生混凝土微观结构和性能变化的有效方法，本文利用XRD、SEM、EDS对制备的再生混凝土及其水泥净浆进行了微观表征，分析掺入辅助胶凝材料对试样的矿物物相结构、微观形貌及元素含量钙硅比的影响。

表3中，NAC为对比的普通混凝土；RAC为未浸泡纳米硅溶胶的再生骨料按30%的质量取代率取代天然碎石，并且未掺辅助胶凝材料制备的再生混凝土；RAC-SF为使用30%改性再生骨料并且复合掺入纳米硅溶胶与粉煤灰改性的再生混凝土，数字为辅助胶凝材料占再生混凝土凝胶材料的质量分数百分比。例如，RAC-S3F10表示复合掺入3%纳米硅溶胶与10%粉煤灰的再生混凝土。

2 结果与讨论

2.1 辅助胶凝材料对再生混凝土抗压强度的影响

NS与FA复合掺入再生混凝土中，复合掺入NS与FA的再生混凝土的7, 28, 90d立方体抗压强度试验结果如图1所示。当养护龄期为7d时，大部分复合掺入NS与FA的再生混凝土RAC-SF组的立方体抗压强度已高于未掺入辅助胶凝材料的RAC组，其强度提升比例在0.1%～13.6%之间；当养护龄期增加至28d后，RAC-SF各组的立方体抗压强度已全部高于RAC组，其抗压强度提升比例在2.5%～22.7%之间，这说明掺入NS有效弥补了水化早期低活性FA引起的再生混凝土早期抗压强度劣化的问题；养护龄期增加至90d后，RAC-SF与RAC相比，抗压强度提升比例在8.9%～50.5%之间。产生变化的原因为：在反应早期，FA的微细颗粒均匀分布，阻止了水泥颗粒间相互黏聚，使水泥颗粒拥有更大的表面积进行水化反应[16]，而NS在水化早期便拥有很高的反应活性，掺入至水泥基材料后可加快水化反应速率，同时水化产物Ca(OH)2与纳米SiO2再次发生火山灰反应，增加C-S-H凝胶生成量，C-S-H凝胶填充至孔隙及裂缝中，降低了内部孔隙率，增强了浆体与骨料间的联结性；到了反应后期，粉煤灰的化学活性得以体现，火山灰反应生成了额外的C-S-H凝胶，其微珠填充效应使混凝土内部界面过渡区结构更加密实，二者相互作用，使再生混凝土的早期强度和后期强度均得到明显提升。

图1 复合掺入NS与FA的RAC-SF组混凝土试件的立方体抗压强度

随着两种材料复掺量的增加，RAC-SF组试件的抗压强度呈先增后减的趋势，这是由于过多纳米SiO2团聚在一起，吸附了自由水并延缓了水泥水化反应；同时在胶凝材料中掺入大量化学活性低于水泥的粉煤灰会延缓水化反应的进行，降低C-S-H凝胶生成量，对再生混凝土的立方体抗压强度造成不利影响。

2.2 辅助胶凝材料对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响

复合掺入两种辅助胶凝材料的RAC-SF组混凝土试件在7, 28, 90d时的劈裂抗拉强度如图2所示。当养护龄期为7d时，大部分RAC-SF组试件的立方体劈裂抗拉强度得到了一定提升，与未掺辅助胶凝材料的RAC组相比，其劈裂抗拉强度提升比例在4.0%～18.8%之间；当养护龄期增加至28d后，其劈裂抗拉强度提升比例在6.3%～42.3%之间；养护龄期增加至90d后，各RAC-SF组试件的劈裂抗拉强度已全部高于RAC组，其强度提升比例在10.4%～73.6%之间，说明复合掺入辅助胶凝材料NS与FA有效弥补了因单掺低化学活性粉煤灰引起的早期劈裂抗拉强度下降的问题。在较长养护龄期下，粉煤灰的火山灰活性得以发挥，水化产物C-S-H凝胶强化了硬化水泥石的自身强度，增强了浆体与骨料间的联结性，优化了界面过渡区结构[17]；此外，粉煤灰中的玻璃体微珠还可物理填充混凝土内部的孔隙和裂缝[18]，使再生混凝土的劈裂抗拉强度得到进一步提升。

2.3 辅助胶凝材料对再生混凝土工作性能的影响

为了评价改性后再生混凝土的综合使用性能，本研究对搅拌完成后的各组混凝土进行了坍落度试验，结果如图3所示。NAC和未改性的RAC的坍落度分别保持在180mm和170mm左右；复合掺入NS与FA后，RAC-SF组的坍落度处于130～200mm之间，随着NS掺量增加，RAC-SF组的坍落度逐渐降低，但部分仍大于RAC组。造成混凝土坍落度下降的主要原因是由于NS具有极高的比表面能，使大量不饱和键吸附了自由水，一部分生成了不均匀的水化絮凝体，减少了再生混凝土中自由水含量，导致其工作性能下降。将NS与FA复合掺入后，FA颗粒可以吸附在水泥颗粒表面，分散这部分水化絮凝体，使更多被絮凝体吸附的水分子游离出来[19]，同时，自身较小的圆球形微珠形态特点可以降低混凝土内部摩擦阻力，在拌和时起到润滑作用，一定程度上缓解了因掺入NS造成再生混凝土工作性能下降的不利影响。

图2 复合掺入NS与FA的RAC-SF组混凝土试件的劈裂抗拉强度

图3 复合掺入NS与FA的RAC-SF组混凝土试件坍落度

2.4 微观性能分析

试验表明，当NS与FA的复掺量分别为3%, 15%时，再生混凝土的力学性能提升更为明显。为进一步探究复合掺入NS和FA对再生混凝土微观性能影响，按照上述混凝土配比，本文制备了NAC和RAC-S3F15同比例水泥净浆（记为NAC-J、RAC-S3F15-J），利用XRD、SEM、EDS等表征方法对NAC、RAC-S3F15的混凝土及水泥净浆分别进行微观表征分析。

2.4.1 X射线衍射分析

图4显示了普通水泥净浆NAC-J和辅助胶凝材料复掺改性的水泥净浆RAC-S3F15-J在养护28d时的X射线衍射图谱，可以看出改性前后水泥净浆的矿物类型基本相同，并且硬化水泥浆体中不同矿物的物相对应着不同的衍射角，衍射峰强度与物相含量密切相关。本文参考文献[20]总结的硬化水泥浆体中水化产物Ca(OH)2、钙矾石（AFt）和未水化水泥颗粒硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）的特征衍射角，选取C3S（2=32.7°）、Ca(OH)2（2=34.1°）的特征衍射峰进行分析。

图4 NAC-J和RAC-S3F15-J的X射线衍射图谱

由图4可以看出，在2=32.7°处两组净浆试件均存在明显的C3S特征衍射峰，复合掺入3%NS、15%FA的RAC-S3F15-J的衍射峰强度低于NAC-J，作为水泥熟料的主要成分，C3S越少则水化后期熟料矿物转化为C-S-H凝胶的含量越高，这说明掺入NS能够加快水泥水化进程，提升水泥石自身强度，这与前文中力学性能的试验结果是相符合的。在2=34.1°处两组净浆试件均存在明显的Ca(OH)2特征衍射峰，并且RAC-S3F15-J的衍射峰强度低于NAC-J，这是因为掺入NS后，纳米SiO2与水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应，进一步降低了Ca(OH)2含量，致使RAC-S3F15-J的Ca(OH)2衍射峰强度较低。此外，纳米SiO2与Ca(OH)2间的二次水化反应增加了C-S-H凝胶生成量并降低了Ca(OH)2含量，削弱了Ca(OH)2在混凝土界面过渡区出现定向排列的不利影响。

2.4.2 微观结构分析

利用SEM对RAC组（28d）和RAC-S3F15组（28d）再生混凝土进行了微观形貌分析。图5(a)(b)为未改性的再生混凝土在300倍和7000倍下的微观结构，从图5(a)中可以看出，未掺入辅助胶凝材料的RAC试样在新旧水泥浆体间、浆体与骨料间存在明显的ITZ，浆体表面和ITZ内存在许多尺寸较大的孔隙和裂缝，产生这些孔隙和裂缝的原因是由于再生骨料表面被旧水泥浆体包裹，导致新旧浆体间、浆体与骨料间的ITZ性能遭到劣化，当混凝土受力时极易从界面过渡区位置发生骨料分离的破坏，从而降低了再生混凝土的力学性能。将该试样放大7000倍后的扫描电镜如图5(b)所示，可以看出硬化后的水泥浆体含有絮凝状的C-S-H凝胶、针棒状的AFt、圆球状的FA以及板状或块状堆叠的Ca(OH)2，孔隙中生长了大量Ca(OH)2和AFt，C-S-H凝胶与水化产物联结较为松散，致使浆体内孔隙较多、尺寸较大。

图5(c)为复合掺入3%NS、15%FA的RAC-S3F15试样在放大500倍下的扫描电镜。复合掺入两种辅助胶凝材料的RAC-S3F15展现了更加致密的微观结构，新旧水泥浆体、浆体与骨料间的ITZ结构良好，尺寸较大的孔隙已逐渐被填充为小孔。将该试样放大5000倍后的扫描电镜如图5(d)所示，可以看到大量絮凝状C-S-H凝胶包裹着FA、AFt等水化产物，浆体的密实性得到显著提升；同时，在图5(d)中仅观察到少量板状Ca(OH)2镶嵌在C-S-H凝胶中，这是由于掺入NS引起的火山灰反应消耗了部分Ca(OH)2，因此，图像中出现的Ca(OH)2数量很少。

图5 再生混凝土的扫描电镜

分析结果表明，复合掺入两种辅助胶凝材料可以优化再生混凝土的内部结构。对于由旧水泥浆体包裹骨料而产生的ITZ，掺入辅助胶凝材料NS可以快速与旧水泥浆体中Ca(OH)2发生火山灰水化反应，生成大量絮凝状C-S-H凝胶并紧密包裹着Ca(OH)2、AFt等水化产物，从而提高了浆体的胶凝性以及硬化水泥石的自身强度，强化了新旧水泥浆体间、浆体与骨料间的ITZ性能，使尺寸较大的孔隙逐渐填充为小孔。此外，二次水化反应消耗了部分Ca(OH)2，削弱了Ca(OH)2定向排列引起的ITZ劣化的不利影响，提高了再生混凝土的力学性能。

2.4.3 元素质量分数和钙硅比

为了探究复合掺入辅助胶凝材料NS与FA对再生混凝土元素质量分数和钙硅比的影响，研究利用EDS能谱仪对NAC-J和RAC-S3F15-J水泥净浆进行点扫描分析，获得的元素质量分数数据如图6所示。

图6 再生混凝土的EDS点扫描

由图6可以看出，普通水泥净浆NAC-J以及复合掺入3%NS、15%FA的RAC-S3F15-J净浆试样均含有氧、镁、铝、硅、钙、铁等元素。由图6(b)(d)中元素质量分数可以计算各组水泥净浆的钙硅比（Ca/Si），经计算NAC-J和RAC-S3F15-J的Ca/Si分别为1.31, 0.91，（Al+Fe）/Ca分别为0.19, 0.17。TAYLOR等[21]研究表明，当0.8≤Ca/Si≤2.5且（Al+Fe）/Ca≤0.2时，C-S-H凝胶是硅酸盐水泥的主要水化产物，C-S-H凝胶含量随Ca/Si增长而逐渐降低，Ca(OH)2、AFt等质量分数则相对增大。依据计算结果，与NAC-J相比，RAC-S3F15-J的Ca/Si降低了0.4，说明复合掺入两种材料能有效降低水泥净浆的钙硅比，增加水化产物C-S-H凝胶的生成量，这与前文中XRD、SEM测试结果是相符合的。

3 结论

废弃混凝土的再生利用是节约资源、保护环境、实现建筑材料可持续发展的重要途径。本文将再生骨料预先浸泡于NS中，利用改性再生骨料制备了再生混凝土，并在拌合时掺入辅助胶凝材料NS与FA对其进行改性处理。通过抗压强度、劈裂抗拉强度、坍落度试验分析了辅助胶凝材料对再生混凝土综合使用性能的影响，并从微观角度出发，探究了辅助胶凝材料对再生混凝土性能影响的作用机理。得到结论：

（1）由于再生骨料表面被大量旧水泥砂浆包裹，导致其制备的再生混凝土力学性能较差；复合掺入辅助胶凝材料NS与FA可以加快水泥水化反应，增加C-S-H凝胶生成量，提升再生混凝土的力学性能；经试验测得NS与FA的最佳复掺量分别为3%, 15%，其90d抗压强度和劈裂抗拉强度最多提升了50.5%, 73.6%。

（2）在水泥基材料中掺入NS极易因高比表面能引发自身团聚并吸附自由水，从而严重影响再生混凝土的工作性能；辅助胶凝材料NS与FA复合掺入后，FA光滑的球状形貌可有效降低混凝土拌合物间内摩擦力，分散水泥颗粒中的水化絮凝体，改善再生混凝土的工作性能；复掺两种材料后经试验测得再生混凝土的坍落度保持在130～200mm之间。

（3）微观分析表明，掺入辅助胶凝材料未改变各组水泥净浆的矿物类型，复掺NS与FA降低了硬化浆体中水泥熟料C3S、C2S浓度，增加了水化产物C-S-H凝胶含量；SiO2与Ca(OH)2的二次水化反应消耗了Ca(OH)2，避免界面过渡区Ca(OH)2出现定向排列现象；复合掺入两种辅助胶凝材料使再生混凝土内部结构更加致密，大尺寸孔隙被填充为小孔，放大后发现絮凝状C-S-H凝胶紧密包裹水化产物，新旧水泥浆体间、浆体与骨料间的界面过渡区结构得到优化；复掺两种材料可显著降低水泥浆体的钙硅比，增加水化产物C-S-H凝胶的质量，水化产物分布更均匀，再生混凝土的强度得到显著提升。

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Study on the influence of supplementary cementitious materials on the performance of recycled concrete

XU Mei-zhen1，ZHANG Dao-ming2

(1.Chengbang Ecological Environment Co., Ltd., Hangzhou 310008, China; 2.College of Architecture and Civil Engineering, Qiqihar University, Heilongjing Qiqihar 161006, China)

In view of the problem that the mechanical properties of recycled concrete are poor and can not be widely used, based on the pre-soaked recycled aggregate, the supplementary cementitious material nano-silica (1%, 3%, 5%) and fly ash (10%, 15%, 20%) were mixed into recycled concrete to prepare modified recycled concrete. The influence of supplementary cementitious materials on the comprehensive performance of recycled concrete was investigated by compressive strength test, splitting tensile strength test and slump test. At the micro level, the mechanism of the influence of auxiliary cementitious materials on the performance of recycled concrete is revealed. The results show that the mechanical properties and working performance of recycled concrete are improved by the synergistic effect of the two materials. The optimum composite content of nano-silica and fly ash is 3% and 15% respectively. The 90d compressive strength and splitting tensile strength are increased by 50.5% and 73.6% at most, and the slump is maintained at about 165mm. Microscopic characterization showed that the two materials accelerated the hydration reaction of cement, reduced the calcium-silicon ratio of cement paste, and thus increased the C-S-H gel content. The flocculated C-S-H gel tightly encapsulates the hydration products, fills the pores and cracks inside the concrete, optimizes the structure of the interfacial transition zone, and significantly improves the strength of the recycled concrete.

recycled concrete；supplementary cementing material；nano-silica sol；fly ash；mechanical properties

TU528

A

1007-984X(2023)06-0077-07

2023-04-26

齐齐哈尔大学横向课题“辅助胶凝材料对废弃混凝土再生性能影响的研究”（220122222019）；2021年度省高等教育教学改革一般项目“第二课堂课程思政沉浸式教学模式研究”（SJGY20210965）

徐美贞（1974-），女，浙江金华人，工程师，主要从事风景园林研究，272397780@qq.com。