劉俊輝,劉炳岳,歐思華,關(guān)淑鴻,馮萬輝,2,3*

（1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，廣東廣州 510225；2. 廣東省嶺南鄉(xiāng)鎮(zhèn)綠色建筑工業(yè)化工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510225；3. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院建筑節(jié)能可持續(xù)發(fā)展研究所，廣東廣州510225）

近年來，隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，我國(guó)的建筑垃圾日漸增加，平均每年產(chǎn)生的建筑垃圾高達(dá)3.5×105t［1］。在建筑廢棄物排放量中，廢棄混凝土是最主要的廢棄物排放來源［2］。對(duì)建筑垃圾進(jìn)行篩選、回收和利用，不僅可以緩解當(dāng)前資源的緊缺問題，還能對(duì)生態(tài)環(huán)境起到保護(hù)作用，是科學(xué)有效解決資源和環(huán)境問題的方法之一［3-4］。將原本廢棄的混凝土，經(jīng)過破碎等工藝回收利用形成再生骨料，用再生骨料代替天然骨料運(yùn)用到混凝土生產(chǎn)中，一方面可以變廢為寶，減少資源浪費(fèi)，另一方面還能起到保護(hù)環(huán)境的效果，十分契合當(dāng)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需求。然而，與天然粗骨料相比，再生粗骨料孔隙率較大、吸水率較高、密度較小、骨料強(qiáng)度較低，同時(shí)其表面往往殘留一定的老舊砂漿，這些缺陷的存在導(dǎo)致再生混凝土與普通混凝土的各項(xiàng)性能差距較大［5-6］。

納米材料是新興的材料，在混凝土中使用納米材料是近年的研究趨勢(shì)［7］。早先從宏觀和微觀方面都已開展了納米二氧化硅改性對(duì)早齡期混凝土界面過渡區(qū)力學(xué)行為影響的研究［8］。納米二氧化硅粒徑極小，并且具有極強(qiáng)的火山灰活性、微集料填充效應(yīng)和晶核作用，摻入適量納米二氧化硅后會(huì)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，使混凝土的強(qiáng)度和耐久性得到提高，從而滿足混凝土工程的要求［9］。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二氧化硅納米粉體的摻入量（相對(duì)于水泥質(zhì)量的百分比）為4%時(shí)，不同齡期養(yǎng)護(hù)條件下混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都能達(dá)到最大［10］。納米二氧化硅作為輔助膠凝材料，可以提升混凝土的強(qiáng)度和耐久性能［11］。與傳統(tǒng)硅灰相比，摻入納米二氧化硅可提高混凝土的早期強(qiáng)度，同時(shí)還能改善混凝土的和易性等工作性能［12］。相對(duì)于粉煤灰和火山灰等其他常用輔助膠凝材料，納米二氧化硅的粒徑更小、活性更高、比表面積更大［13-14］。此外，納米二氧化硅還具有填充作用，可使混凝土的微觀結(jié)構(gòu)更為致密［15］。研究表明［16-17］：隨著納米二氧化硅摻量的增加，混凝土早期自收縮應(yīng)變的增長(zhǎng)速率也隨之加快，混凝土拌和物的抗壓強(qiáng)度和彈性模量均先提高后降低，在納米二氧化硅摻量為5%時(shí)達(dá)到最高值。侯學(xué)彪等［16］采用坍落度來表征混凝土的工作性能，結(jié)果表明納米二氧化硅對(duì)混凝土拌和物的坍落度有明顯影響，隨著納米二氧化硅摻量越高，混凝土拌和物坍落度下降越多，其黏稠度增加。雖然納米二氧化硅可以增強(qiáng)再生骨料混凝土的力學(xué)性能，但是目前的研究?jī)H針對(duì)普通混凝土，而對(duì)納米二氧化硅用于改性再生骨料混凝土的研究較少。同時(shí)，再生骨料由于其自身缺陷，摻入混凝土中將會(huì)影響其力學(xué)性能。基于上述現(xiàn)狀，根據(jù)納米二氧化硅的特性，開展了對(duì)再生骨料混凝土的改性研究，并對(duì)改性后的力學(xué)性能進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

試驗(yàn)采用廣州石井牌P. O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，其中水泥的化學(xué)成分列于表1。

表1 水泥的化學(xué)成分與力學(xué)性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of cement

試驗(yàn)的細(xì)骨料采用普通連續(xù)級(jí)配河砂，河砂為中砂，細(xì)度模數(shù)為2.62，最大粒徑為5 mm。試驗(yàn)所采用的粗骨料有兩種，分別是天然粗骨料和再生粗骨料。天然粗骨料為普通花崗巖碎石，粒徑為5~31.5 mm，連續(xù)級(jí)配。再生粗骨料取自深圳市某建筑工地，為同一工地同一批次的廢棄混凝土經(jīng)破碎處理后所得，經(jīng)篩分處理后，再生粗骨料符合一類再生粗骨料要求，其粒徑為5~31.5 mm，連續(xù)級(jí)配。再生粗骨料的要求參照了GB/T 25177-2010 混凝土用再生粗骨料［18］，其各項(xiàng)物理性能列于表2。

表2 粗骨料的物理性能Table 2 The physical properties of coarse aggregate

試驗(yàn)所采用的納米二氧化硅為上海麥克林生化科技有限公司生產(chǎn)，其為白色粉末狀固體，其SiO2純度為99.8%，粒徑為7~40 nm，比表面積為230 m2·g?1。試驗(yàn)所采用的減水劑為江門市強(qiáng)力建材科技有限公司生產(chǎn)的QC-PL2 緩凝型聚羧酸高效減水劑，其減水率為25%。

1.2 配合比

納米二氧化硅分散性差、吸水率高，澆筑混凝土過程中存在坍落度低、混合不均勻等缺點(diǎn)。因此，在配合比設(shè)計(jì)中，高效減水劑的用量（占膠凝材料質(zhì)量的1.2%、1.5%、2.5%和3.5%）主要由納米二氧化硅的用量（0%、1%、2%和3%）決定，隨著納米二氧化硅用量的增加，高效減水劑的用量逐漸增加。此外，再生骨料以等體積替換天然骨料的方式摻入混凝土，再生骨料摻量固定為100%。由于再生骨料的吸水率高，因此需要根據(jù)吸水率添加額外的水。混凝土的配合比列于表3，其中NAC 代表天然骨料混凝土，RAC 代表再生骨料混凝土，NS 代表納米二氧化硅摻量，J 代表高效減水劑的劑量。為了在后續(xù)分析中消除減水劑對(duì)試件力學(xué)性能的影響，額外設(shè)置了不含納米二氧化硅僅改變減水劑含量的對(duì)照組。由于納米二氧化硅的分散性差，在水中容易團(tuán)聚，因此在攪拌混凝土前需對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行預(yù)攪拌，具體操作為使用高速攪拌棒使其與部分水和高效減水劑攪拌60 s。

表3 混凝土配合比匯總Table 3 Summary of concrete mix proportions

1.3 方法

1.3.1 立方體抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度

試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件（20±2 ℃，95%相對(duì)濕度）下分別養(yǎng)護(hù)3、7 和28 天后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。根據(jù)GB/T 50081-2019 混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［19］，對(duì)立方體試樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。使用意大利Matest C088-01 萬能試驗(yàn)機(jī)，以0.5 MPa·s?1的加載速率對(duì)邊長(zhǎng)為150 mm 立方體試樣進(jìn)行壓縮，以確定試樣立方體的抗壓強(qiáng)度fcu。同理，使用萬能試驗(yàn)機(jī)與配套的劈裂試驗(yàn)夾具，對(duì)邊長(zhǎng)為150 mm 立方體試樣進(jìn)行劈裂拉伸，其加載速率為0.05 MPa·s?1，以確定試樣立方體的劈裂抗拉強(qiáng)度ft。每組測(cè)試三個(gè)立方體，以確保數(shù)據(jù)離散性不超過15%（每個(gè)試樣的強(qiáng)度不超過中間值的15%），并計(jì)算平均值。

1.3.2 微觀形貌分析

使用S-3400N 電子顯微鏡觀察試樣的表面形態(tài)。為了提高樣品的導(dǎo)電性，在離子濺射裝置中噴金，擴(kuò)大并觀察水泥砂漿區(qū)域和界面過渡區(qū)。此外，使用D8 Advance X 射線衍射儀獲得樣品的衍射圖，以分析其晶體結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 減水劑對(duì)力學(xué)性能的影響

由于混凝土的硬化主要發(fā)生在早期養(yǎng)護(hù)階段，因此僅探討高效減水劑含量對(duì)混凝土早期強(qiáng)度的影響，其結(jié)果列于表4。由表4 可知：隨著高效減水劑用量的增加，RAC 的坍落度增大；在3 天和7 天齡期內(nèi)，隨著高效減水劑含量的增加，RAC 的抗壓強(qiáng)度變化較小（小于5%）。表明，在不同養(yǎng)護(hù)齡期，高效減水劑的用量對(duì)RAC 的抗壓強(qiáng)度沒有顯著影響。因此，在后續(xù)分析中將忽略高效減水劑對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響。

表4 減水劑對(duì)力學(xué)性能及工作性能的影響結(jié)果Table 4 Results of the effects of water reducer on mechanical property and workability

2.2 工作性能

在不添加任何添加劑（R100-J0）的情況下，RAC 的坍落度僅為33 mm，流動(dòng)性差，這是由于再生骨料的高吸水率，導(dǎo)致拌合物中自由水含量降低。各試樣的工作性能列于表5。從表5 可知，在RAC中直接添加納米二氧化硅也會(huì)降低其流動(dòng)性，這對(duì)RAC 的工程應(yīng)用極為不利。這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)［20］的研究結(jié)果相似，即添加納米二氧化硅會(huì)降低混凝土的流動(dòng)性。此外，由于采取了對(duì)納米二氧化硅進(jìn)行預(yù)拌，并且按照納米二氧化硅含量調(diào)整高效減水劑的用量，故表5 中每組試樣的坍落度均能滿足工程應(yīng)用和運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

表5 工作性能結(jié)果Table 5 Results of the workability

2.3 抗壓性能

混凝土抗壓性能試驗(yàn)結(jié)果列于表6。由表6 可知：當(dāng)不含納米二氧化硅時(shí)，100%再生骨料摻量下的RAC 在3、7 及28 天齡期的抗壓強(qiáng)度分別比NAC低37%，40%和24%，表明再生骨料替換率是影響再生骨料混凝土強(qiáng)度的重要因素；此外，納米二氧化硅在早養(yǎng)護(hù)齡期（3 天和7 天）提高了RAC 的抗壓強(qiáng)度，但在28 天齡期時(shí)納米二氧化硅的提升效果較小。這是因?yàn)榧{米二氧化硅主要促進(jìn)早養(yǎng)護(hù)齡期（小于3 天）水泥的水化反應(yīng)，從而提高RAC 在早齡期的抗壓強(qiáng)度；而在后期，納米二氧化硅粉末僅填充內(nèi)部孔隙，因而抗壓強(qiáng)度的增加不明顯。

表6 抗壓性能試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experimental results of the compressive properties

2.4 抗拉性能

混凝土抗拉性能試驗(yàn)結(jié)果列于表7。由表7 可知：抗拉強(qiáng)度的總體趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度相似，再生骨料的摻入降低了混凝土的強(qiáng)度，100%再生骨料摻量下的RAC 在3、7 和28 天齡期的抗拉強(qiáng)度分別比NAC 低28%、19%和14%；隨著納米二氧化硅含量的增加，抗拉強(qiáng)度也隨之提高，當(dāng)納米二氧化硅摻量為2%時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高，接近傳統(tǒng)天然骨料混凝土強(qiáng)度。這是因?yàn)榛炷磷鳛榇嘈圆牧?，其?nèi)部孔洞或微裂紋較多，使抗拉強(qiáng)度較低，而納米二氧化硅的粒徑較小在后期反應(yīng)完成后起到填充作用，使得再生骨料混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密。結(jié)果表明，齡期越長(zhǎng)，納米二氧化硅對(duì)抗拉強(qiáng)度的提升越明顯。

表7 抗拉性能試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Experimental results of the splitting tensile properties

2.5 微觀分析

用掃描電鏡觀察了齡期28 天后試樣的一些典型碎片，其結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可見，納米二氧化硅可填充再生骨料和砂漿之間的間隙。填充效果可以分為物理填充和化學(xué)填充。由于納米二氧化硅粒徑較小，可以填充再生骨料表面舊砂漿層及攪拌過程中水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的孔隙，這進(jìn)一步增強(qiáng)了水泥砂漿的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高了RAC 的密實(shí)度。此外，由于納米二氧化硅具有高活性，作為激發(fā)劑加速了水泥的水化反應(yīng)，改變了氫氧化鈣在界面過渡區(qū)中的形成過程；納米二氧化硅可與氫氧化鈣反應(yīng)，形成低密度的水化硅酸鈣凝膠而填充孔隙，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密。

圖1 試樣微觀形貌Fig. 1 Morphologies of RAC-NS0 and RAC-NS3

對(duì)28 天齡期的RAC-NS0 和RAC-NS3 試樣進(jìn)行XRD 測(cè)試，獲得的衍射圖如圖2 所示。從圖2 可知，納米二氧化硅的摻入使再生骨料混凝土中的二氧化硅含量增加。由于納米二氧化硅具有良好的火山灰效應(yīng)，可與氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，增加水化硅酸鈣凝膠的生成，這是納米二氧化硅提升再生骨料混凝土強(qiáng)度的原因。

圖2 RAC-NS0 及RAC-NS3 的XRD 圖譜Fig.2 XRD patterns of RAC-NS0 and RAC-NS3

3 結(jié)論

（1）納米二氧化硅的摻入，顯著降低了再生骨料混凝土的工作性能。在工程應(yīng)用中，建議采用高效減水劑和預(yù)攪拌的方法，改善納米二氧化硅改性再生骨料混凝土的工作性能。

（2）再生骨料由于自身存在一定的缺陷，使得再生骨料混凝土比傳統(tǒng)天然骨料混凝土強(qiáng)度低。然而，當(dāng)摻入一定量的納米二氧化硅后，再生骨料混凝土的強(qiáng)度得到了提升。納米二氧化硅對(duì)再生骨料混凝土的早期抗壓性能提升明顯，主要是其促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)。此外，納米二氧化硅對(duì)混凝土后期抗拉性能提升明顯，主要是納米二氧化硅顆粒尺寸較小，填充了再生骨料的微裂紋和孔隙，從而降低了再生骨料混凝土的脆性。

（3）納米二氧化硅具有良好的火山灰效應(yīng)，可與氫氧化鈣發(fā)生二次水化反應(yīng)，促進(jìn)了水化硅酸鈣凝膠的生成，從而使得混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)更加致密，從而抑制了微裂紋的發(fā)展，提高了試樣的承載能力。

（4）單獨(dú)往再生骨料混凝土中摻入納米二氧化硅，無法獲得最優(yōu)的性能提升效果，建議其與粉煤灰等復(fù)摻，以更好發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)。