外加劑與強(qiáng)化骨料對再生砂漿干縮值的影響

糜人杰　 潘鋼華　 李　陽

(東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 211189)(東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實驗室， 南京 211189)(東南大學(xué)江蘇省協(xié)同創(chuàng)新中心， 南京 211189)

再生細(xì)骨料(recycled fine aggregates, RFA)具有高吸水率與高微粉含量等缺點(diǎn)，其制備的再生砂漿(recycled aggregate mortars, RAM)性能較差，難以在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用[1-3].RFA的高吸水率導(dǎo)致RAM在制備過程中需要大量的水，但是只有一部分水參與水泥的水化反應(yīng)，而另一部分水存在于RFA的裂縫和孔隙中，對RAM的收縮產(chǎn)生不利的影響[4]，且RFA的多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致水分子在水泥水化過程中的擴(kuò)散變得容易，進(jìn)而增大了RAM的干縮值[5].此外，與天然砂相比，RFA中的微粉(粒徑小于0.075 mm)含量高達(dá)20%，主要由未水化的水泥、附著水泥石的天然砂、水泥石和泥土等在破碎過程中產(chǎn)生的微粉組成[6].這些微粉會對砂漿的干縮造成2方面的影響：① 影響水泥的水化反應(yīng)，從而增大了水泥漿體的孔隙率，使水分子在漿體中的擴(kuò)散變得容易；② 微粉會在RFA表層形成包裹層，增大了界面過渡區(qū)(ITZ)的孔隙率，使水分子在ITZ中的擴(kuò)散變得容易.

近年來，為了獲得高性能的RFA，學(xué)者們采用了不同的強(qiáng)化方式，主要有物理強(qiáng)化、化學(xué)強(qiáng)化、物理-化學(xué)復(fù)合強(qiáng)化、CO2養(yǎng)護(hù)強(qiáng)化、濕處理等[7-10].但以上強(qiáng)化方式的處理周期復(fù)雜，不利于工程應(yīng)用.為了便于工程應(yīng)用，潘鋼華等[11]采用木質(zhì)素磺酸鈉(SL)、六偏磷酸鈉(SH)和檸檬酸(CA)混合制成了粉狀外加劑(SSC)，克服了RFA的高微粉含量對RAM強(qiáng)度與工作性能的不利影響.

同時采用外加劑與強(qiáng)化骨料可以克服RFA的高微粉含量與高吸水率對RAM干縮性能的不利影響，但是并未見相關(guān)報道.本文采用外加劑(SSC)與強(qiáng)化骨料(intensified aggregates, IA)制備了RAM，研究了RAM的干縮值(εat)與齡期(T=2～91 d)之間的關(guān)系，提出了三段式的εat-T曲線，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了誤差分析.探討了取代率(R=30%，50%，70%，100%)對εat的影響，對比了RAM與RAM+SSC+IA的干縮值.

1　原材料與試驗方法

1.1　原材料

采用江蘇鶴林水泥廠的P·O 42.5硅酸鹽水泥，其性能及礦物組成符合《通用硅酸鹽水泥》 (GB175—2007)中的要求，性能參數(shù)見表1.采用鎮(zhèn)江市80年代拆遷房的建筑垃圾制備RFA，河砂采用天然砂(NFA).采用鎮(zhèn)江諫壁電廠提供的Ⅱ級粉煤灰，自來水作為拌合水.SSC由SL，SH和CA按質(zhì)量比2∶6∶1混合而成，其分別由上海云哲新材料科技有限公司、天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司與國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司提供，SSC按照膠凝材料的0.75%摻加.采用鎮(zhèn)江建筑科學(xué)研究院提供的稠化粉和南京市藍(lán)天液化氣有限公司提供的CO2(純度大于99%)氣體.

表1　P·O 42.5硅酸鹽水泥性能參數(shù)

1.2　配合比與試驗方法

1.2.1砂漿性能試驗方法

砂漿的配合比如表2所示.成型后的試塊放入養(yǎng)護(hù)室，1 d拆模，放入干縮室，砂漿的εat按照規(guī)范《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GJ/T 70—2009)進(jìn)行，在試驗進(jìn)行2～13 d與17～18 d中每天測試試塊的長度，33～53 d與60～90 d每隔5 d測試試塊的長度.

表2　基準(zhǔn)砂漿每立方米配合比

1.2.2IA的制備方法

由于采用廢棄多年的建筑垃圾，以其制備的RFA的Ca(OH)2含量很低(1.57%)，但CaCO3含量高達(dá)9.32%.為了增強(qiáng)碳化效果，本文采用加鈣碳化的方法，步驟如下：① 采用Ca(OH)2溶液浸泡RFA(0.01 mol Ca(OH)2溶液浸泡1 kg的RFA)，充分?jǐn)嚢杈鶆?，使RFA表面達(dá)到濕潤狀態(tài).② 放入溫度為60 ℃的干燥箱中烘干，保證其初始含水率為5%.③ 將烘干的RFA放入CO2濃度為70%、相對濕度為50%和溫度為25 ℃的碳化箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，保證RFA充分碳化后取出.判別RFA是否充分碳化的方法為：將RFA研磨成粉，均勻攤開并滴加酚酞指示劑，樣品不變紅則為完全碳化.

1.3　誤差分析

建立數(shù)學(xué)模型時，采用平均相對誤差δ與相對標(biāo)準(zhǔn)誤差er進(jìn)行模型的誤差分析，δ與er的計算式為

(1)

(2)

2　結(jié)果與討論

2.1　干縮-齡期曲線

RAM與RAM+SSC+IA的干縮-齡期實測數(shù)據(jù)如圖1所示.采用EXCEL數(shù)學(xué)分析軟件經(jīng)過系統(tǒng)的分析，建議RAM與RAM+SSC+IA的干縮-齡期曲線分為急縮段(2～7 d)、緩縮段(7～21 d)與穩(wěn)縮段(21～90 d)3段.其中，急縮段采用二次多項式函數(shù)，緩縮段與穩(wěn)縮段采用指數(shù)函數(shù)，即

εat=A1T2+B1T+C

(3)

εat=A2lnT+B2

(4)

式中，A1，B1，C，A2，B2為參數(shù).RAM與RAM+SSC+IA的干縮-齡期擬合曲線如圖1所示.參數(shù)及誤差分析如表3和4所示.

砂漿種類R/%參數(shù)A1/10-6B1/10-4C/10-4誤差分析r2±δ/%er/%RAM30-6．171．3595-0．99340．99980．530．70RAM50-6．741．4956-1．54850．99871．822．40RAM70-4．321．1090-0．17250．99910．610．88RAM100-5．771．4993-1．58970．99931．562．03RAM+SSC+IA30-9．861．6070-1．88020．99891．522．05RAM+SSC+IA50-9．011．4604-0．72850．99960．610．70RAM+SSC+IA70-8．431．4783-0．83380．99891．201．38RAM+SSC+IA100-10．011．7610-2．00720．99941．111．53注：r為相關(guān)系數(shù)．

表4干縮-齡期曲線緩縮段與穩(wěn)縮段的數(shù)學(xué)模型參數(shù)及其誤差分析

砂漿種類R/%參數(shù)A2/10-6B2/10-4誤差分析r2±δ/%er/%T/dRAM302131．550．98001．031．397～21RAM502491．050．97551．321．637～21RAM702191．360．98211．081．407～21RAM1002411．730．94591．882．297～21RAM+SSC+IA301212．290．97780．771．097～21RAM+SSC+IA501352．580．96551．121．457～21RAM+SSC+IA701243．040．97650．951．137～21RAM+SSC+IA1001602．620．88792．333．047～21RAM3025．07．2800．82770．560．7021～90RAM5033．47．5090．89710．630．7721～90RAM7024．67．1330．93040．440．7121～90RAM10047．67．3930．89930．871．2021～90RAM+SSC+IA3038．54．8580．83571．121．2921～90RAM+SSC+IA5040．75．4650．94860．510．6621～90RAM+SSC+IA7023．06．2150．93350．340．3921～90RAM+SSC+IA10041．76．0980．90370．811．1021～90注：r為相關(guān)系數(shù)．

2.2　SSC與IA對RAM干縮性能的影響

2.2.1急縮段

RAM與RAM+SSC+IA在急縮段內(nèi)干縮值的對比如圖2所示.由圖可知，當(dāng)取代率R=30%時，RAM+SSC+IA在急縮段的干縮值小于RAM在急縮段的干縮值.這是因為：① SSC中的SL與SH釋放了由微粉約束的絮凝水，這些絮凝水參與水泥的水化反應(yīng)，提高了水泥漿體的密實度，進(jìn)而阻礙了水分子在水泥漿體內(nèi)的擴(kuò)散.另一方面，SL與SH具有保水作用，減少了自由水分子的數(shù)量.② SSC中的SH和CA與水泥漿體中的Ca2+發(fā)生絡(luò)合作用，阻礙了水分子在水泥漿體內(nèi)的擴(kuò)散.③ SSC中SL與SH的分散作用降低了ITZ上的微粉含量，提高了水泥漿體與骨料之間的黏結(jié)強(qiáng)度，阻礙了水分子在ITZ內(nèi)的擴(kuò)散.④ 經(jīng)過碳化強(qiáng)化后，IA的吸水率比RFA的吸水率降低了41.6%(見表5)，這是因為，一方面減少了毛細(xì)孔水的數(shù)量，另一方面強(qiáng)化產(chǎn)物(CaCO3) 阻礙了水分子在骨料內(nèi)的傳輸；此外IA的微粉含量小于RFA的微粉含量，所以微粉對水泥漿體和ITZ的不利影響也相應(yīng)地降低.

當(dāng)R=50%時，RAM+SSC+IA在第2～6天之間的干縮值大于RAM的干縮值，但在第7天RAM+SSC+IA的干縮值小于RAM的干縮值.當(dāng)R=70%時，RAM+SSC+IA在第2～4天之間的干縮值比RAM的干縮值大，但在第5～7天RAM+SSC+IA的干縮值小于RAM的干縮值.當(dāng)R=100%時，RAM+SSC+IA在第2～7天之間的干縮值均小于RAM的干縮值.由上可知：當(dāng)R=50%～100%時，低取代率的RAM+SSC+IA在急縮段前期的干縮值均大于RAM的干縮值，但隨著R的增大，RAM+SSC+IA在急縮段后期的干縮值逐漸小于RAM的干縮值.這是因為：RFA是由80年代的建筑垃圾制成，這些垃圾暴露在空氣中長達(dá)30年之久，其內(nèi)部的殘余Ca(OH)2與空氣中的CO2反應(yīng)，產(chǎn)物CaCO3填充在這些垃圾內(nèi)部的孔隙和裂縫中.在實驗室中對RFA進(jìn)行強(qiáng)化時，強(qiáng)化產(chǎn)物CaCO3不能有效地填充在RFA的剩余裂縫中，只能附著在RFA的表面，導(dǎo)致IA與NFA混合時，骨料的級配發(fā)生變化，密實度降低，進(jìn)而水分子在骨料和ITZ內(nèi)的擴(kuò)散變得更容易.因此，RAM+SSC+IA的干縮值增大，且高于RAM的干縮值.但隨著R的增大，IA與NFA的比例發(fā)生變化，級配效應(yīng)降低，RAM+SSC+IA的密實度增大，其干縮值又小于RAM的干縮值.

(a) R=30%

(b) R= 50%

(c) R=70%

(d) R=100%

2.2.2穩(wěn)縮段與緩縮段

在穩(wěn)縮段與緩縮段，RAM+SSC+IA的干縮值小于RAM的干縮值，這說明SSC與IA可以有效地降低RAM在穩(wěn)縮段與緩縮段的干縮值，且隨著取代率的增大，RAM+SSC+IA的干縮值逐漸增大.這是因為：隨著取代率的增大，孔隙率越大，一方面增大了毛細(xì)孔水的數(shù)量，另一方面水分子在骨料、ITZ與水泥漿體內(nèi)的擴(kuò)散越來越容易.

由圖1可知，RAM在第23天的干縮值小于第21天的干縮值，這說明RAM在第23天發(fā)生膨脹.當(dāng)R=50%，70%，100%時，RAM的膨脹率依次為0.8%，1.6%與1.9%，且隨著取代率的增大，膨脹率逐漸增大.這是因為：大部分的毛細(xì)孔基本完全脫水，毛細(xì)孔力的作用下降，相應(yīng)的各向受壓也減小，由于固體骨架的彈性恢復(fù)，使得水泥石體積膨脹.而在23 d后，曲線又呈增長的趨勢.這種微膨脹現(xiàn)象導(dǎo)致RAM處于一種疲勞狀態(tài)，在收縮后膨脹，會破壞RAM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響RAM的質(zhì)量.但RAM+SSC+IA在R=50%,70%,100%的膨脹率為-0.7%，-1.6%與1.2%.這說明SSC與IA可以有效地消除R=50%,70%時RAM的微膨脹反應(yīng)，降低R=100%時RAM發(fā)生的微膨脹反應(yīng).這是因為：① SSC中的SL，SH與SA均具有保水作用，毛細(xì)孔中的水分沒有完全失去，阻止了骨架的變形.② 由于SSC中的SL與SH釋放了絮凝水，水泥漿體得以充分地水化，在收縮變形時，水泥提供了較高的抗拉強(qiáng)度，阻礙了水泥漿體的變形.③ SSC中的SL與SH對ITZ表面微粉的分散作用，加強(qiáng)了水泥漿體與骨料的黏結(jié)力，阻礙了ITZ的變形.

3　結(jié)論

1) 建議RAM與RAM+SSC+IA的干縮-齡期曲線分為3段：2～7 d為急縮段，7～21 d為緩縮段，21～90 d為穩(wěn)縮段.急縮段約占總收縮的62.0%～74.8%，隨著齡期的延長，砂漿急劇收縮，建議采用二次多項式函數(shù).緩縮段約占總收縮的19.5%～33.0%；收縮速率急縮段降低，建議采用指數(shù)函數(shù).穩(wěn)縮段約占總收縮的2.5%～9.5%，收縮速率基本保持不變，建議采用指數(shù)函數(shù).

2) 在急縮段：當(dāng)R=30%時，RAM+SSC+IA的干縮值小于RAM在急縮段的干縮值；當(dāng)R=50%時，RAM+SSC+IA在2～6 d之間的干縮值大于RAM的干縮值，但在第7天的干縮值小于RAM的干縮值；當(dāng)R=70%時，RAM+SSC+IA在2～4 d之間的干縮值比RAM的干縮值大，但在5～7 d之間的干縮值小于RAM的干縮值；當(dāng)R=100%時，RAM+SSC+IA在2～7 d內(nèi)的干縮值均小于RAM的干縮值.在穩(wěn)縮段與緩縮段：RAM+SSC+IA的干縮值小于RAM的干縮值，隨著取代率的增長，RAM+SSC+IA的干縮值逐漸增大.

3) SSC與IA可以消除R=50%,70%時RAM發(fā)生的微膨脹反應(yīng)，降低R=100%時RAM發(fā)生的微膨脹反應(yīng).

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