武 亞,夏 芬,揭雙全,陳蘭生,邵 帥,馬 聰

(1.深圳市建安(集團(tuán))股份有限公司,廣東 深圳 518040; 2.深圳大學(xué),廣東 深圳 518060)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快,大量舊建筑物被拆除,由此每年產(chǎn)生的建筑垃圾(主要是廢混凝土)總量達(dá)4.8億t[1-2]。如此大量的廢混凝土不僅占用大量土地,且已引起嚴(yán)重的環(huán)境問題。對混凝土進(jìn)行循環(huán)再利用,即再生混凝土技術(shù),通常被認(rèn)為是解決廢混凝土問題最有效的措施[3-6]。但目前再生混凝土技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用較少。這主要是因為,與天然骨料相比,再生骨料(RCA)存在表觀密度低、孔隙率高、表面粗糙、吸水率高、壓碎值高和微裂縫多等缺點,因此導(dǎo)致再生混凝土的拌合用水量大、體積收縮大、力學(xué)性能差和耐久性差[7-11],從而限制了其在工程中的應(yīng)用。

目前國內(nèi)外研究人員采用不同的物理化學(xué)技術(shù)改善RCA性能,主要是增強(qiáng)RCA表面性能,從而增強(qiáng)水泥砂漿與RCA間的界面過渡區(qū)(TZE)[12-14]。這主要包括采用機(jī)械法、酸浸泡法、微波加熱法去除RCA表面舊砂漿,使用火山灰材料包裹RCA,利用聚合物和硅酸鈉溶液來增強(qiáng)RCA性能[15-19]。這些傳統(tǒng)處理方法不僅能耗大、成本高,且對強(qiáng)度和耐久性的改善程度有限。因此迫切需更有效且環(huán)保的方法來增強(qiáng)RCA的性能。

納米復(fù)合材料CSH-PCE是由聚羧酸減水劑(PCE)處理人工合成的納米水化硅酸鈣晶體(CSH)得到的具有高分散性的納米CSH-PCE晶核溶液[20]。CSH-PCE可作為CSH理想的成核基質(zhì),現(xiàn)有研究表明[21],低摻量的CSH-PCE(1%左右)可顯著提高水泥早期水化反應(yīng),且對粉煤灰和礦渣等礦物摻合料的二次水化也有一定促進(jìn)作用,同時還能提高混凝土的長期性能,文獻(xiàn)[22-23]表明,在混凝土中摻入水泥質(zhì)量1%的納米CSH-PCE溶液可明顯提高混凝土的抗氯離子滲透性,降低毛細(xì)吸水率,同時碳化深度和抗凍性也有明顯提高。因此使用CSH-PCE處理RCA,可顯著提高RCA表面CSH的成核位點,從而使RCASCC的TZE顯著增強(qiáng),強(qiáng)度和耐久性得以提升。此外CSH-PCE使用量低,具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

自密實混凝土(SCC)組成材料與傳統(tǒng)混凝土相同,但由于其含有大量石灰石粉和粉煤灰等礦物摻合料,減水劑用量較大,最大粗骨料粒徑更小,使SCC比普通混凝土有更好的工作性能[24-26]。目前對SCC的研究主要集中在增強(qiáng)SCC工作性能和提升其自收縮性能,且研究較完善;但對于再生骨料自密實混凝土(RCASCC)的性能研究較少。利用納米CSH-PCE溶液強(qiáng)化RCA制備自密實混凝土,不僅能實現(xiàn)廢混凝土的循環(huán)利用,降低自密實混凝土成本,且還能提高自密實混凝土自收縮性能,因此RCASCC具有廣闊的應(yīng)用前景。

為探究納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對再生骨料自密實混凝土力學(xué)性能與耐久性的影響,使用納米CSH-PCE溶液處理RCA,制備再生骨料自密實混凝土,測試其抗壓強(qiáng)度、抗氣體滲透性、抗氯離子滲透性、毛細(xì)吸水性能、抗凍融性,并結(jié)合掃描電鏡(SEM)分析強(qiáng)化再生骨料對再生骨料自密實混凝土性能的影響機(jī)理。研究結(jié)果可為再生骨料自密實混凝土的應(yīng)用提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

水泥(C)采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,細(xì)骨料(S)采用細(xì)度模數(shù)為2.4的河砂。再生粗骨料級配如表1所示,再生骨料選用連續(xù)級配的破碎廢混凝土塊,廢混凝土塊取自深圳市某工地舊建筑物拆除的舊混凝土,其經(jīng)顎式破碎機(jī)2次破碎后再經(jīng)人工篩分得到再生骨料(見圖1),其表觀密度為 1 500kg/m3, 壓碎值為14.34,吸水率為3.33%。礦物摻合料采用高級粉煤灰(FA)及石灰石粉(LP),表觀密度為2 630kg/m3,比表面積為573m2/kg,中值粒徑為6.77μm。納米CSH-PCE溶液平均粒徑為24.8nm,濃度為20%,為白色懸濁液。聚羧酸高效減水劑(SP)的減水率33%,拌合水為純凈自來水。

圖1 試驗所用廢棄混凝土再生骨料Fig.1 Waste concrete recycled aggregate used in the test

表1 再生粗骨料級配Table 1 Regenerated coarse aggregate gradation

1.2 混凝土配合比及制備

為研究納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對再生骨料自密實混凝土性能的影響,本試驗使用不同濃度納米CSH-PCE溶液處理的RCA取代天然骨料制備再生骨料自密實混凝土,參考JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計,通過試驗調(diào)整,最終確定的 RCASCC配合比如表2所示。試驗中使用的納米CSH-PCE溶液濃度為1%,3%,5%,7%,10%,15%和20%。將濃度為20%納米CSH-PCE溶液使用實驗室自來水進(jìn)行稀釋,將稀釋后的納米CSH-PCE溶液均勻噴灑到樣品的表面,對照組噴灑試驗室自來水。首先將噴頭固定在再生骨料上方,每次噴霧后,輕輕轉(zhuǎn)動樣品,以使每次噴霧均勻地散布在再生粗骨料表面(見圖2)。噴灑在再生粗骨料上的液體質(zhì)量為再生骨料的吸水值。為使噴灑在再生骨料表面的納米CSH-PCE溶液被充分吸收,噴灑后的再生骨料在溫度為20℃,濕度為40%的試驗室靜置24h,然后澆筑RCASCC。

圖2 納米CSH-PCE溶液噴灑再生粗骨Fig.2 CSH-PCE solution sprayed to regenerate coarse aggregate

表2 再生骨料自密實混凝土配合比設(shè)計Table 2 Mix proportions of RCASCC

1.3 測試方法

1.3.1RCASCC工作性能測試

參考《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》,對不同濃度納米CSH-PCE溶液處理的RCA制備的RCASCC試件進(jìn)行工作性能測試,測試指標(biāo)分別為坍落擴(kuò)展度、擴(kuò)展時間T50、V形漏斗流出時間TV。

1.3.2RCASCC抗壓強(qiáng)度測試

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》要求,分別在 1d 和 28d 時進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗,試件尺寸為 100mm×100mm×100mm,加載速度為 0.15mm/min。

1.3.3氣體滲透性測試

試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后,根據(jù)JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規(guī)程》,在(20±1)℃,(60±2)% RH的空氣介質(zhì)下,對經(jīng)60℃干燥3d的φ100×50圓柱體試件進(jìn)行氣體滲透性測試,以3塊混凝土測試值作為結(jié)果,其余測試細(xì)節(jié)可見文獻(xiàn)[23-24]。氣體滲透系數(shù)G計算如下:

(1)

式中:V為氣室與管道總體積;td為透氣時間;L為試件厚度,值為0.05m;A為滲透面積,值為7.85×10-3m2。

1.3.4RCASCC抗氯離子滲透性測試

根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》,使用快速遷移法試驗評估抗氯離子滲透能力,快速遷移試驗是通過外部電場加速氯離子滲透的非穩(wěn)態(tài)遷移試驗,采用φ100×50圓柱體進(jìn)行抗氯離子滲透試驗。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28d齡期取出后,在真空狀態(tài)下浸泡在Ca(OH)2溶液中。根據(jù)初始電壓為30V,調(diào)整試驗施加電壓。整個試驗過程中,試件底面浸沒在10%的氯化鈉溶液中,試件表面浸沒在0.3mol/L的NaOH溶液中,待試驗持續(xù)時間為24h后,將試樣通過壓力試驗機(jī)劈裂,一分為二后,立即在試件斷口表面噴灑0.1mol/L 的 AgNO3溶液。約15min后,測定氯離子的滲透深度。

1.3.5RCASCC毛細(xì)吸水測試

根據(jù) ASTM C1585 進(jìn)行毛細(xì)吸水測試,試件尺寸為φ100×50。達(dá)到28d齡期的試件經(jīng)60℃干燥至恒重后,用石蠟密封試件側(cè)面,測試其接觸水后質(zhì)量增量占干質(zhì)量的百分比,共有以下浸水齡期:0min,1min,5min,10min,30min,1h,2h,3h,4h,5h,6h,1d,2d,4d,5d,6d,7d,8d。吸附系數(shù)S計算如下:

(2)

式中:i為流入面單位面積吸水量(mm3/mm2); Δw為吸水質(zhì)量(g);A為吸水面積;ρw為水的密度,998.206 3kg/m3;b為截距;t為浸泡時間;S為吸附系數(shù)(mm3/mm2/s1/2)。

1.3.6RCASCC抗凍融試驗

快速凍融試驗依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》進(jìn)行。試件尺寸為100mm×100mm×400mm ,試件達(dá)到齡期的前4d,將試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中取出,浸入水中浸泡4d,使其飽和,測量初始質(zhì)量和彈性模量。試驗過程中,將試樣放入加水的橡膠箱中,凍融機(jī)循環(huán)溫度為(-18±2)℃～(5±2)℃,采用凍融前后的質(zhì)量變化和相對動態(tài)彈性模量(Erd)評價試件的抗凍融性能。

1.3.7掃描電鏡(SEM)

取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d混凝土內(nèi)部片狀硬化混凝土漿體進(jìn)行SEM(Quanta FEG 250)形貌觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC工作性能的影響

不同濃度納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料對RCASCC的坍落擴(kuò)展度、TV,T50的影響如圖3所示。由圖3可知,經(jīng)處理的再生骨料制備的RCASCC坍落擴(kuò)展度、TV,T50均能滿足《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》對二級自密實混凝土工作性能的要求。與對照組C0相比,納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料對RCASCC的坍落擴(kuò)展度影響并不明顯。對照組坍落擴(kuò)展度為660mm,7%濃度的納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料對RCASCC的坍落擴(kuò)展度影響最大,但僅使其下降了1.5%。納米CSH-PCE顆粒能提高RCASCC的塑性黏度,但RCASCC的TV,T50并未隨著納米CSH-PCE濃度提高而發(fā)生明顯變化,這可能是因為CSH-PCE的用量較少,因此對漿體塑性黏度影響有限。綜合來說,納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料對RCASCC的工作性能影響并不明顯,本試驗RCASCC的各項工作性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。

圖3 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC坍落擴(kuò)展度、TV,T50的影響Fig.3 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with the solution on the extensibility, TV and T50 of RCASCC

2.2 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC力學(xué)性能的影響

RCASCC齡期為1d和28d的抗壓強(qiáng)度值如圖4所示。與對照組(未使用納米CSH-PCE溶液處理)相比,可知一定濃度范圍內(nèi)納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料可明顯提高RCASCC 1d和28d的抗壓強(qiáng)度。隨著納米CSH-PCE溶液濃度從1%增加到20%,RCASCC 1d和28d的抗壓強(qiáng)度均先增大后減小,其中C7組混凝土的抗壓強(qiáng)度值最大,1d和28d強(qiáng)度分別提高了45%和12.8%。納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC的早期強(qiáng)度提升更明顯。當(dāng)納米CSH-PCE溶液濃度從 1%增加到7%,RCASCC強(qiáng)度增長率從27%提高到了45%。這主要是因為分布于再生骨料表面的納米CSH-PCE溶液可為水泥水化提供大量的成核位點,從而促進(jìn)水泥的早期水化,同時納米CSH-PCE也具有較好的填充效果,可增強(qiáng)RCASCC的界面過渡區(qū),使其力學(xué)性能明顯提高。

圖4 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with a solution on compressive strength of RCASCC

但處理再生骨料的CSH-PCE溶液濃度不宜過高,當(dāng)溶液濃度超過 7%時,RCASCC 1d 和28d的抗壓強(qiáng)度提高幅度均略有降低。當(dāng)溶液濃度過高時,可能使大比表面積的納米CSH-PCE溶液中晶核顆粒易發(fā)生團(tuán)聚,從而不能在再生骨料與新漿體之間的界面處發(fā)揮其作為晶核的作用,達(dá)不到增強(qiáng)再生骨料與新漿體之間界面過渡區(qū)的作用。

2.3 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC耐久性影響

2.3.1氣體滲透性

處理再生骨料納米CSH-PCE溶液濃度對RCASCC氣體滲透性的影響如圖5 所示。由圖5可知,與對照組相比,C1,C3,C5,C10,C15和C20的氣體滲透系數(shù)分別降低了7.3%,17.8%,24.0%,48.9%,43.7%,42.6%和39.3%。其中處理再生骨料納米CSH-PCE溶液濃度為7%時,RCASCC的氣體滲透系數(shù)降低幅度最大。經(jīng)納米CSH-PCE溶液處理過的再生骨料可有效降低RCASCC的氣體滲透性,這主要是納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料和新水泥漿之間的界面過渡孔結(jié)構(gòu)得到了細(xì)化,提高了RCASCC的密實度,從而不利于氣體在RCASCC基體中的滲透性。這表明,CSH-PCE溶液處理再生骨料能有效提高RCASCC的抗氣體滲透性能。

圖5 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC氣體滲透性的影響Fig.5 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with a solution on gas permeability of RCASCC

2.3.2氯離子滲透性

對28d齡期的RCASCC進(jìn)行RCM試驗,探究納米CSH-PCE溶液濃度對RCASCC氯離子擴(kuò)散的影響,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,與對照組相比,C1,C3,C5,C7,C10,C15和C20的氯離子擴(kuò)散系數(shù)分別降低了5.9%,10.9%,13.9%,42.5%,40.7%,34.5%和16.2%,其中處理再生骨料納米CSH-PCE溶液濃度為7%時,RCASCC氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低幅度最大。經(jīng)納米CSH-PCE溶液處理的再生粗骨料能有效降低RCASCC的氯離子擴(kuò)散系數(shù),原因可能是經(jīng)納米CSH-PCE溶液處理的再生粗骨料,促進(jìn)了再生骨料和新水泥漿體之間界面過渡區(qū)的水泥水化,增強(qiáng)了再生骨料和新水泥漿體之間的界面過渡區(qū),改變了氯離子在混凝土中擴(kuò)散的途徑,降低了RCASCC氯離子擴(kuò)散系數(shù)。

圖6 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC氯離子擴(kuò)散性的影響Fig.6 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with the solution on the diffusion of chloride ions in RCASCC

2.3.3毛細(xì)吸水性

對28d 齡期的RCASCC 進(jìn)行毛細(xì)吸水試驗,探究處理納米CSH-PCE溶液濃度對RCASCC的毛細(xì)吸水量和毛細(xì)水吸附系數(shù)的影響,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知,納米CSH-PCE溶液濃度從0%增加到20%,RCASCC毛細(xì)吸水量和毛細(xì)吸附系數(shù)均先降低再增大;與對照組相比,C1,C3,C5,C7,C10,C15和C20毛細(xì)吸水量分別降低了16.4%,22.4%,28.6%,55.4%,49.0%,42.7%和35.6%;其中納米CSH-PCE溶液濃度為7%時,RCASCC毛細(xì)吸水量和毛細(xì)吸附系數(shù)降低幅度最大。經(jīng)納米CSH-PCE溶液處理的再生粗骨料可有效降低再生混凝土的毛細(xì)吸水量和毛細(xì)吸附系數(shù),這可能是因為納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料和新漿體間界面過渡區(qū)的孔結(jié)構(gòu)得到細(xì)化,提高了RCASCC的密實度,從而有效阻礙了毛細(xì)水的滲透途徑,降低了RCASCC的毛細(xì)吸水量和毛細(xì)吸附系數(shù),從而提高了其耐久性。

圖7 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC毛細(xì)吸水量和毛細(xì)吸附系數(shù)的影響Fig.7 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with the solution on capillary absorption and capillary adsorption coefficient of RCASCC

2.3.4抗凍融性

混凝土凍融過程中的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖8所示。試驗結(jié)果表明,納米CSH-PCE 溶液處理的再生骨料能有效降低RCASCC在凍融循環(huán)過程中的質(zhì)量損失和相對動彈性模量損失,說明納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料能有效提高RCASCC的抗凍融性能。其中處理再生骨料的納米CSH-PCE 溶液濃度為 7%時,降低RCASCC凍融循環(huán)過程質(zhì)量損失率和相對動彈性模量損失最顯著。經(jīng)納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料制備的RCASCC的抗凍性能得到改善,這可能是因為經(jīng)納米CSH-PCE 溶液處理的再生骨料能促進(jìn)再生骨料與新水泥漿體之間界面處水化產(chǎn)物的形成,孔結(jié)構(gòu)得到細(xì)化,孔隙率降低,增強(qiáng)了RCASCC中的薄弱部位和密實度,從而使RCASCC能經(jīng)受凍融循環(huán)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變,提高了RCASCC的抗凍性能。

圖8 RCASCC質(zhì)量損失率及相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化Fig.8 Variation of the mass loss rate and relative dynamic elastic modulus of RCASCC with the number of freeze-thaw cycle

2.4 納米CSH-PCE溶液處理再生骨料對RCASCC影響機(jī)理分析

C0,C5,C7,C10的再生骨料與新水泥漿體間的界面SEM圖如圖9所示。由圖9可知,對照組C0的SEM圖可明顯觀察到再生骨料與新漿體間的連結(jié)存在較大的孔隙,而C5,C7和C10的再生骨料與新漿體之間雖也存在孔隙,但與對照組的孔隙相比,孔隙大小得到了明顯改善。C7的SEM圖可明顯觀察到再生骨料與新水泥漿體間最緊密,經(jīng)納米CSH-PCE 溶液處理過的再生骨料與新水泥漿體間的孔隙結(jié)構(gòu)得到細(xì)化,再生骨料與新漿體之間連結(jié)更緊密,增強(qiáng)了再生混凝土的密實性。

圖9 SEM圖Fig.9 SEM image

3 結(jié)語

1)本文試驗中通過對再生骨料噴灑納米CSH-PCE 溶液,由經(jīng)處理的再生骨料制備的RCASCC工作性能均能滿足相關(guān)規(guī)范對自密實混凝土各項參數(shù)的要求,且力學(xué)性能和耐久性均得到了提高。

2)處理再生骨料納米CSH-PCE 溶液濃度從1%增加至 20%,RCASCC的抗壓強(qiáng)度先增大后減小,當(dāng)納米CSH-PCE 溶液濃度為 7%時,RCASCC的抗壓強(qiáng)度提高幅度最大,C7組再生混凝土1d和28d抗壓強(qiáng)度分別提高了45%和12.8%。

3)處理再生骨料納米CSH-PCE 溶液的濃度不宜過高或過低。當(dāng)處理再生骨料的納米CSH-PCE 溶液濃度過高時,晶核顆粒易發(fā)生團(tuán)聚,從而不能在再生骨料與新漿體之間發(fā)揮其作為晶核的作用,起不到增強(qiáng)再生骨料與新漿體間界面過渡區(qū)的作用;當(dāng)納米CSH-PCE 溶液濃度過低,水化產(chǎn)物的成核位點少,起不到增強(qiáng)再生骨料與新漿體之間界面過渡區(qū)的作用。

4)納米CSH-PCE溶液處理的再生骨料可顯著提高RCASCC的抗壓強(qiáng)度,主要是CSH-PCE處理的再生骨料,在與新漿體接觸的界面提供成核位點,促進(jìn)水泥水化生成更多的水化產(chǎn)物,從而提高RCASCC的抗壓強(qiáng)度。且晶核顆粒粒徑較小,能填充再生骨料與新漿體之間界面過渡區(qū)的孔隙,使基體更密實,增強(qiáng)了再生骨料與新水泥漿體之間的界面過渡區(qū),從而提高了RCASCC的抗壓強(qiáng)度和耐久性能。