方志杰,張志強(qiáng),柴雪武

(浙江花園新型建材有限公司,金華 322100)

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)持續(xù)推進(jìn),帶來了建筑垃圾的大量排放,其中廢棄混凝土和廢棄磚塊等成為亟待處理的頑疾。探索建筑垃圾資源化利用勢在必行,而建材行業(yè)巨大的容量和多場景應(yīng)用無疑成為應(yīng)用的焦點(diǎn)。當(dāng)前的研究主要在于再生骨料制備方面,而再生骨料在破碎的過程中容易產(chǎn)生裂紋,加上廢棄混凝土內(nèi)部空隙較多,界面過渡區(qū)薄弱,這些缺點(diǎn)使得再生骨料在應(yīng)用過程中存在吸水率高、混凝土后期強(qiáng)度增長乏力等問題,多用在中低強(qiáng)度等級再生混凝土生產(chǎn)中,一定程度上限制了廢棄混凝土的資源化利用率。而廢棄混凝土和砂漿在破碎中產(chǎn)生的再生建筑礦物微粉(以下簡稱再生微粉)產(chǎn)出率高,一般大于30%[1],同樣需要循環(huán)利用。再生微粉由水泥水化后的膠凝產(chǎn)物、未水化的水泥以及礦物摻合料、泥粉等組成,通過物理或者化學(xué)處理后具備作為礦物摻合料的基礎(chǔ)。朱鶴云等[2]將粒徑小于0.16 mm的建筑垃圾微粉作為混凝土礦物摻合料,發(fā)現(xiàn)微粉摻量增加后混凝土強(qiáng)度降低,而5%比例內(nèi)對混凝土力學(xué)和耐久性影響較小。馬郁等[3]也在研究中發(fā)現(xiàn)建筑垃圾再生微粉作為礦物摻合料存在摻量的限制。為了提高再生微粉利用率,研究人員[4-6]嘗試了摻加微粉滲透結(jié)晶型濃縮劑、制備輔助膠凝材料、堿性激發(fā)等技術(shù)途徑,但都具有一定的局限性,需要更多技術(shù)探索。

近年來,研究發(fā)現(xiàn)納米SiO2、納米CaCO3、納米C-S-H等納米材料在改性水泥基材料方面可以細(xì)化結(jié)構(gòu),提高水泥水化效率,改善界面過渡區(qū)[7,8],成為材料改性的重要選擇。這些研究為納米SiO2改性再生微粉提供了研究基礎(chǔ),論文對此進(jìn)行探索。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

1)再生微粉:為了保證試驗(yàn)的均勻性,將同批次成型并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60 d的C30混凝土試塊烘干后進(jìn)行破碎至平均直徑為1 cm的小塊,剔除粗骨料,放置球磨機(jī)進(jìn)行粉磨60 min,測得再生微粉的比表面積為465 m2/kg。

2)水泥采用PO42.5R普通硅酸鹽水泥;粉煤灰采用Ⅱ級灰,45 μm方孔篩余17%,需水比98%,28 d活性指數(shù)80%。再生微粉和水泥的主要化學(xué)組成見表1,水泥的主要性能指標(biāo)見表2。

表1 再生微粉和水泥的主要化學(xué)組成 w/%

表2 水泥的主要性能指標(biāo)

3)納米SiO2:北京某納米材料科技公司生產(chǎn),其主要性能指標(biāo)見表3。

表3 納米SiO2的主要指標(biāo)

4)其他材料:細(xì)骨料采用機(jī)制山砂,細(xì)度模數(shù)2.9,MB值1.4,含粉率7.0%;粗骨料為連續(xù)級配,5～25 mm,壓碎值8.0%,含泥量0.3%,無泥塊含量。減水劑為聚羧酸高效減水劑,含固量16.0%,淡黃色液體,適應(yīng)性良好。

1.2 試驗(yàn)方法

1)標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時間

再生微粉取代水泥質(zhì)量10%和30%,納米SiO2取代水泥量分別為0、1.0%、2.0%、3.0%,參照GBT1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時間、安定性檢驗(yàn)方法》測試再生微粉-水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度和凝結(jié)時間。

2)膠砂力學(xué)性能測試

采用表4所示配比,采用內(nèi)摻法,將攪拌成型的砂漿成型40 mm×40 mm×160 mm的條形試件,覆膜養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),測試指定齡期的抗折和抗壓強(qiáng)度。

表4 膠砂試驗(yàn)配比表

3)化學(xué)結(jié)合水生成量測試

取10%再生微粉等量取代水泥,納米SiO2摻量0、1.0%、2.0%、3.0%,采用標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量成型20 mm×20 mm×260 mm凈漿試塊,拆模后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)前將試塊烘干后采用無水乙醇終止水化,然后進(jìn)行50 ℃低溫真空烘干,破碎后粉磨至通過45 μm方孔篩,備用。稱取備樣3份,每份約 1 g 左右(精確至0.000 1 g),放置高溫爐中在950 ℃下灼燒并恒溫40 min,冷卻室溫進(jìn)行稱重。試樣的結(jié)合水生成量計算式為

Wnc=[(m50-m950)/m950-Lc]×100%

式中,m50和m950分別為水泥水化樣在50 ℃干燥后和 950 ℃灼燒后的質(zhì)量,g;Lc為所配制樣品的燒失量,%。

4)混凝土性能測試

采用表5所示C30配合比,其中再生微粉取代膠材量20%;納米SiO2采用外摻,以占水泥質(zhì)量計;水膠比采用0.48。調(diào)整外加劑用量,使得混凝土出機(jī)坍落度為(200±10)mm,進(jìn)行混凝土相關(guān)性能測試。

表5 混凝土試驗(yàn)配合比及材料用量

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試出機(jī)混凝土工作性能,按照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土設(shè)定齡期的抗壓和抗折強(qiáng)度。采用慢凍法按照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土D50時的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米SiO2對再生微粉-水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度和凝結(jié)時間的影響

采用內(nèi)摻法研究了不同摻量的納米SiO2加入后再生微粉-水泥體系標(biāo)準(zhǔn)稠度和凝結(jié)時間變化,結(jié)果見圖1。結(jié)果表明,未摻納米SiO2時,再生微粉取代水泥后,水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度降低,凝結(jié)時間也有所延長,且隨著再生微粉取代量增加,效果越明顯。采用納米SiO2改性再生微粉,同摻量再生微粉下隨納米SiO2比例增加,水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度增加,水泥初凝和終凝時間也相應(yīng)縮短。

再生微粉以未水化的水泥和礦物摻合料為主,取代水泥后,單位面積的水泥密度降低,水泥水化需水量降低。且隨著再生微粉增加,標(biāo)準(zhǔn)稠度降低,對水泥水化的延遲效應(yīng)加強(qiáng),造成水泥凝結(jié)變緩。加入納米SiO2后,由于納米SiO2較高的比表面積,其含有的不飽和鍵對水分子具有極強(qiáng)的吸附力[9],造成用水量增加,同時納米SiO2活性較高[10],能夠誘導(dǎo)水泥水化,加快水泥水化進(jìn)程,從而使得混凝土凝結(jié)時間縮短。

2.2 納米SiO2對再生微粉-水泥膠砂抗折強(qiáng)度的影響

對再生微粉取代水泥及納米SiO2改善再生微粉后的抗折強(qiáng)度進(jìn)行了研究,結(jié)果見表6。

表6 再生微粉-水泥抗折強(qiáng)度結(jié)果

由表6結(jié)果可知,再生微粉摻入后水泥抗折強(qiáng)度都有一定程度的降低。經(jīng)過納米SiO2改性后,摻再生微粉水泥抗折強(qiáng)度均出現(xiàn)回升,尤其是再生微粉取代10%水泥時,水泥抗折強(qiáng)度降低不明顯,且納米SiO2摻量為2%時水泥各齡期抗折強(qiáng)度能夠超過未摻再生微粉組。

再生微粉摻量較低時,具有一定填充效應(yīng),改善了水泥顆粒級配,故抗折強(qiáng)度下降不明顯。摻量繼續(xù)增加后阻礙了水泥抗折強(qiáng)度持續(xù)增長,而納米SiO2通過消耗水泥反應(yīng)生成的堿相,刺激水泥及再生微粉中的活性礦物發(fā)生二次水化,從而使得加入再生微粉后的水泥抗折強(qiáng)度提升。

2.3 納米SiO2對再生微粉-水泥抗壓強(qiáng)度的影響

研究了納米SiO2加入后對摻再生微粉水泥抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果見圖2。

在再生微粉摻量為10%時,相比基準(zhǔn)組水泥膠砂3 d、7 d、28 d、56 d強(qiáng)度均有所降低,說明再生微粉取代水泥后對水泥水化進(jìn)程造成一定影響。加入納米SiO2后再生微粉-水泥膠凝體系得到激發(fā)進(jìn)而帶來強(qiáng)度增長,在納米SiO2摻1.0%、2.0%時水泥抗壓強(qiáng)度均超過純水泥組。再生微粉摻入30%時,水泥抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步降低,納米SiO2改性再生微粉通過與水泥進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)改善了水泥內(nèi)部孔結(jié)構(gòu),對抗壓強(qiáng)度有一定提升。但納米SiO2超量后又會對再生微粉-水泥體系造成不良影響,這是因?yàn)檫^量納米SiO2具有絮凝作用,阻礙了自由水分散,進(jìn)而造成硬化后水泥基體孔隙增多,承受荷載能力下降。

2.4 納米SiO2對再生微粉-水泥水化程度的影響

化學(xué)結(jié)合水的生成量一定程度反映水泥水化的程度[11]。為研究納米SiO2改性再生微粉后的水泥水化程度,取10%的再生建筑微粉,通過改變納米SiO2摻量,得到圖3結(jié)果。

圖3結(jié)果表明,納米SiO2加入后對水泥7 d以前的化學(xué)結(jié)合水生成量影響較為明顯,隨著納米SiO2摻量增加,水泥化學(xué)結(jié)合水增加,7 d以后化學(xué)結(jié)合水生成量增長緩慢。這說明納米SiO2主要通過激發(fā)再生微粉-水泥復(fù)合體系,進(jìn)而提高水泥水化程度,生成較多的水化產(chǎn)物,對優(yōu)化基體結(jié)構(gòu)及提高水泥強(qiáng)度有利。

2.5 納米SiO2對再生微粉-水泥混凝土性能的影響

項目進(jìn)一步研究納米SiO2改性再生微粉在混凝土中的應(yīng)用,根據(jù)表5配合比,對混凝土性能指標(biāo)進(jìn)行了測試,結(jié)果見表7。

表7 納米SiO2改性再生微粉對混凝土性能的影響

通過拌和物試驗(yàn),再生微粉取代水泥后混凝土外加劑用量有所降低,納米SiO2的摻入對聚羧酸減水劑分子形成一定吸附,造成聚羧酸減水劑摻量增加。相同坍落度下,摻入再生微粉后的混凝土抗壓強(qiáng)度降低,電通量增加,相應(yīng)的D50凍融后質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失也增加,加入納米SiO2后,由于納米SiO2通過反應(yīng)降低界面過渡區(qū)厚度[12],同時具有的高活性和顆粒填充等優(yōu)勢提高了混凝土密實(shí)度,使得混凝土貫通孔隙減少,有利于混凝土力學(xué)性能和耐久性能改善,但較多的SiO2降低了混凝土流動性,使得混凝土漿體絮凝性提高,硬化后的混凝土空隙和內(nèi)部缺陷增多,對混凝土強(qiáng)度和電通量、抗凍能力造成負(fù)面影響。

3 結(jié) 論

a.再生微粉取代水泥后,水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度降低,凝結(jié)時間延長;納米SiO2改性再生微粉后隨著摻量增加,水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度增加,凝結(jié)時間縮短。

b.水泥抗折強(qiáng)度隨再生微粉摻量增加而降低,而適量的納米SiO2可以改善再生微粉摻入后對抗折強(qiáng)度的降低效應(yīng),但納米SiO2過多會對再生微粉-水泥復(fù)合膠凝體系造成不良影響。

c.再生微粉摻量較低時,對水泥的強(qiáng)度影響相對較小,通過摻入1.0%和2.0%的納米SiO2改性后摻10%再生微粉水泥各齡期抗壓強(qiáng)度均超過純水泥組,繼續(xù)提高再生微粉摻量,通過納米改性依然有益于抗壓強(qiáng)度的提升,但需要控制納米SiO2的用量。

d.納米SiO2影響再生微粉-水泥膠凝體系水化程度,尤其對水泥7 d內(nèi)化學(xué)結(jié)合水生成量作用明顯,但過多的納米SiO2反而抑制了再生微粉-水泥膠凝體系水化程度。

e.再生微粉取代水泥后外加劑用量有所降低,但納米SiO2加大了對聚羧酸分子的吸附,減水劑用量增加。隨著再生微粉取代量的增加,混凝土抗壓強(qiáng)度降低、電通量增加、抗凍融能力下降,但通過摻入適量的納米SiO2,有利于提高混凝土力學(xué)性能和耐久性能,說明通過納米改性再生微粉可以提高再生微粉在混凝土中的利用率。