程赟 ，羅健林 ，陶李堯 ，3，李秋義 ，羅曉霞 ，高嵩 ，張紀(jì)剛 ，馬靜

(1.中國人民解放軍軍事科學(xué)院國防工程研究院，北京 100036；2.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266520；3.中建四局南京金融城二期項目部，江蘇 南京 210000；4.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 青島 266109；5.青島北苑混凝土有限公司，山東 青島 266700)

0 引 言

建筑砂漿作為建筑材料每年消耗量十分巨大，而絕大部分為天然砂所制備的普通砂漿。再生砂漿的使用不但可以減少天然砂石的大量消耗，緩解建筑垃圾廢棄或堆放所帶來的環(huán)境污染，還能充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)環(huán)保效益。在國家綠色環(huán)保、節(jié)能減排及裝配式建筑大背景下，將再生細(xì)骨料、礦物摻合料和相應(yīng)的外加劑按一定比例混合攪拌而成的再生砂漿(RCM)具有極大的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保優(yōu)勢[1]。研究表明[1-13]，再生骨料存在吸水性高及孔隙多的特點，相應(yīng)RCM 各類制品在推廣應(yīng)用中常存在流變性能差，尤其是經(jīng)時損失率大、力學(xué)強(qiáng)度偏低、離散性大及耐久性能差等亟待解決的問題。

作為用量少、應(yīng)用效果明顯的各類外加劑，如減水劑、保水增稠劑、引氣劑、緩凝劑和復(fù)合型外加劑已廣泛應(yīng)用于RCM 中，可改善其綜合性能[14-19]。謝汝朋等[15]研究表明，RCM的保水率隨著保水增稠劑摻量的增加而較為顯著地增大，同時RCM 的用水量也會進(jìn)一步增加，導(dǎo)致RCM 的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較為明顯下降。張偉等[16]通過研究不同外加劑對RCM 的2 h稠度損失率(S2h)和保水率的影響表明，摻外加劑的RCM 的S2h降低、保水率增大，有效改善了RCM 的工作性能。其中，減水劑種類繁多，具有價格較低、易獲取、廣譜性等優(yōu)點[17]。但相關(guān)研究表明，高摻量木質(zhì)素磺酸鹽基減水劑和萘系磺酸鹽基減水劑會使RCM 的力學(xué)性能產(chǎn)生較大的損失[17]。劉木林[18]發(fā)現(xiàn)，摻0.04%自制復(fù)合減水劑時，RCM 的工作性能可較好地滿足預(yù)制裝配式構(gòu)件的施工需求。糜人杰等[19]采用木質(zhì)素磺酸鈉、六偏磷酸鈉和檸檬酸混合制成粉狀外加劑，使RCM 的綜合性能有較大幅度提高。

本研究選取市場上常用的3 類緩釋型減水劑——萘系磺酸鹽減水劑(NXH)、三聚氰胺系減水劑(SJQ)、聚羧酸類減水劑(JSS)分別作為RCM 的外加劑，探討不同類型及摻量減水劑對RCM 稠度及力學(xué)性能的影響，并分析不同減水劑對RCM 物理性能影響的作用機(jī)理。在當(dāng)今建筑垃圾資源化利用的大背景下，本研究將有助于RCM 的配合比優(yōu)化及預(yù)拌砂漿工程應(yīng)用。

1 實 驗

1.1 實驗材料與儀器設(shè)備

1.1.1 原材料

(1)膠凝材料及骨料

水泥：P·O42.5 水泥，山東山水水泥集團(tuán)生產(chǎn)，其物理力學(xué)性能見表1；粉煤灰(FA)：Ⅱ級，青島四方電廠生產(chǎn)，其技術(shù)性能見表2；再生細(xì)骨料：由廢棄混凝土破碎、篩分并經(jīng)過顆粒整形得到，粒徑≤4.75 mm，細(xì)度模數(shù)為2.78，青島市綠帆建筑垃圾廠生產(chǎn)，其技術(shù)性能見表3，符合GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》規(guī)定的Ⅱ類再生細(xì)骨料要求。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 粉煤灰的技術(shù)性能

表3 再生細(xì)骨料的技術(shù)性能

(2)外加劑

保水增稠劑(硅藻土類)：L-228 型，上海啟臣化工有限公司，摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.4%，技術(shù)性能見表4。水：自來水；3 種粉劑緩釋型減水劑：萘系磺酸鹽減水劑(NXH)、三聚氰胺減水劑(SJQ)、聚羧酸減水劑(JSS)，分別購自上海啟臣化工公司、昆山龍濤佳和建材公司、蘇州興邦化學(xué)建材公司，基本技術(shù)性能見表5。

表4 保水增稠劑的基本技術(shù)性能

表5 3 種緩釋型減水劑的基本技術(shù)性能

1.1.2 主要儀器設(shè)備

JJ-5 型水泥膠砂攪拌機(jī)、ZS-15 型水泥膠砂振實臺、SC-145 型砂漿稠度儀：無錫建儀實驗器材有限公司；DYD-208型全自動壓力試驗機(jī)：無錫東儀制造科技有限公司；JSM-7500F 型掃描電子顯微鏡：日本電子JOEL 公司。

1.2 再生砂漿的配合比及制備工藝

選擇膠砂比為1∶5，F(xiàn)A 摻量為膠凝材料質(zhì)量的20%，保水增稠劑摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.4%，緩釋型減水劑摻量分別為0.5%、0.6%、0.7%，并通過控制RCM 的初始稠度在90～100 mm 范圍來確定用水量，相應(yīng)水泥、FA、再生細(xì)骨料、保水增稠劑的用量分別為 273.6、68.4、1710、1.37 kg/m3，不同編號RCM 的減水劑摻量及用水量如表6 所示。

表6 再生砂漿的減水劑摻量及用水量

參照J(rèn)GJ/T 223—2010《預(yù)拌砂漿應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，將水泥、粉煤灰、再生細(xì)骨料、干粉外加劑按配合比混合，干拌成干料混合物，最后再加入相應(yīng)比例的水，形成RCM[1]。

1.3 性能測試與表征

RCM 的性能依據(jù)JTJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。采用砂漿稠度測定儀測試RCM 的初始稠度(S0)及 2 h 稠度(S2)，并按 S2h=[(S0-S2)/S0]×100%計算其2 h 稠度損失率(S2h)。

將測試完稠度后的RCM 漿料通過振搗抹平法澆筑在70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的試模中，1 d 后拆模，將 RCM 試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件[溫度(22±3)℃，相對濕度≥95%]下養(yǎng)護(hù)至28 d。依據(jù)JTJ/T 70—2009 的規(guī)定，用全自動壓力試驗機(jī)以1.0 kN/s 加載速率進(jìn)行試驗，并根據(jù)28 d 抗壓強(qiáng)度=k×Nu/A0計算RCM 的立方體抗壓強(qiáng)度(其中k 為換算系數(shù)，取1.35，Nu為試件破壞時的極限荷載，A0為受壓面積)。

從RCM 強(qiáng)度測試斷裂試件中取出1 cm3的小試樣，中止水化并烘干后，將其表面噴金，置于掃描電子顯微鏡下觀察RCM 水化產(chǎn)物的微觀形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同減水劑對再生砂漿2 h 稠度損失率和28 d 抗壓強(qiáng)度的影響(見圖1)

從圖1(a)可以看出，在FA 的助分散及潤滑作用下，摻3種緩釋型減水劑RCM 的2 h 稠度損失率均小于30%，最高為25.15%，最低僅14.56%，符合JGJ/T 223—2010 的相關(guān)規(guī)定。其中，緩釋型減水劑JSS 的減水率及對RCM 稠度的保持能力均高于減水劑NXH、SJQ；當(dāng)減水劑摻量從0.50%增加到0.70%時，相應(yīng)RCM 的S2h有明顯的降低，尤其是JSS 類緩釋型減水劑，其S2h最大降幅達(dá)5.3%；同時，當(dāng)減水劑摻量同為0.50%時，摻 JSS 的 RCM 的 S2h離散值[在平均值(μ)上下浮動的方差值(σ)]較小，為 0.39，而摻 NXH、SJQ 的 RCM 的 S2h離散值分別高達(dá) 0.65、0.57。

圖1 不同緩釋型減水劑對RCM 性能的影響

從圖1(b)可以看出，3 種緩釋型減水劑不同摻量下RCM的28 d 抗壓強(qiáng)度最高達(dá)21.19 MPa，最低為14.59 MPa，均符合JGJ/T 223—2010 中對強(qiáng)度等級M10 砂漿的要求。其中，摻JSS 類減水劑對 RCM 的28 d 抗壓強(qiáng)度影響程度均高于NXH、SJQ 類減水劑；當(dāng)減水劑摻量從0.50%增加到0.70%時，相應(yīng)RCM 的28 d 抗壓強(qiáng)度均有提高，28 d 抗壓強(qiáng)度最大增幅達(dá)15.7%，相應(yīng)不同摻量下?lián)絁SS 的RCM 28 d 抗壓強(qiáng)度均高于摻NXH、SJQ 的RCM，且而其離散值均小于摻NXH、SJQ的RCM。

2.2 不同減水劑對再生砂漿微觀形貌的影響

圖2 為3 種緩釋型減水劑摻量均為0.6%時各組硬化RCM 的 SEM 形貌。

圖2 摻0.6%不同減水劑硬化RCM 的SEM 照片

從圖2 可以看出，摻不同減水劑RCM 的形貌有明顯差異。摻有0.6%NXH 的NXH6 組RCM 水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)仍較為疏松，界面粘結(jié)差，存在貫通的微裂縫；摻0.6%SJQ 的SJQ6 組RCM 水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)要好于NXH6 的，但存在一些針刺狀鈣礬石及板塊狀氫氧化鈣結(jié)晶，并分布有零星微裂縫[20]；摻0.6%JSS 減水劑的JSS6 組RCM 水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)最致密，雖然也存在一些微裂縫，但能明顯看出其界面結(jié)構(gòu)良好，最終宏觀上呈現(xiàn)出相對最高的力學(xué)性能。這也與圖1 中的3 種緩釋型減水劑作用下RCM 的S2h、28 d 抗壓強(qiáng)度結(jié)果一致。

2.3 不同減水劑對RCM 物理性能改善機(jī)理分析

圖3 為不同緩釋型減水劑改善RCM 漿料流變性能機(jī)理示意。

圖3 不同緩釋型減水劑改善RCM 漿料流變性機(jī)理示意

從圖3 可以看出：NXH 磺酸根親水官能團(tuán)體積大、數(shù)量少，進(jìn)而在水中電離后，吸附、分散帶正電的水泥顆粒偏弱，分散效能偏低，同時NXH 減水劑含有大而剛性的萘環(huán)剛性基團(tuán)，NXH 與水泥顆粒吸附雙電層穩(wěn)定性不佳[15]，加上再生骨料表面多水泥石及裂隙，最終導(dǎo)致RCM 的微觀形貌質(zhì)地疏松、微裂縫多，宏觀表現(xiàn)為S2h偏大、28 d 抗壓強(qiáng)度偏低；減水劑JSS 含有諸多羧基、磺酸基、羥基等偏小親水官能團(tuán)，吸附水泥顆粒強(qiáng)，分散性能高，同時主鏈為脂肪族接枝嵌段型的柔性憎水基團(tuán)，相容適應(yīng)性好，相應(yīng)硬化RCM 的C-S-H 凝膠結(jié)構(gòu)致密、微裂縫較少且不貫通，最終表現(xiàn)為宏觀性能優(yōu)良(S2h最低、28 d 抗壓強(qiáng)度最高)。

3 結(jié) 論

(1)摻緩釋型聚羧酸減水劑JSS 的RCM 稠度保持能力、力學(xué)性能均高于摻三聚氰胺減水劑SJQ、萘系磺酸鹽減水劑NXH 的 RCM，其相應(yīng) S2h最低，僅 14.56%，28 d 抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)21.19 MPa，且其S2h、28 d 抗壓強(qiáng)度離散值也均小于摻NXH、SJQ 的 RCM。

(2)摻0.6%NXH 的RCM 水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)較為疏松，界面粘結(jié)差，存在貫通的微裂縫；而摻0.6%JSS 的RCM 水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)最致密，雖然也存在一些微裂縫，但能明顯看出其界面結(jié)構(gòu)良好。

(3)含有親水官能團(tuán)的JSS 與水泥顆粒吸附性強(qiáng)，分散性能好，同時主鏈為脂肪族接枝嵌段型的柔性憎水基團(tuán)，進(jìn)而與水泥、再生骨料相容適應(yīng)性好，相應(yīng)硬化RCM 的C-S-H 凝膠結(jié)構(gòu)致密、微裂縫較少且不貫通，最終宏觀表現(xiàn)為S2h最低、28 d抗壓強(qiáng)度相對最高。使RCM 存在的稠度損失大、強(qiáng)度不穩(wěn)定、耐久性不佳等問題得到有效解決。