納米SiO2和粉煤灰復(fù)摻對(duì)再生混凝土性能的影響

肖建莊，陳祥磊，李 標(biāo)，薛松濤，段珍華

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引 言

相比天然粗骨料，再生粗骨料表面附著大量殘余老砂漿，由其制備的再生骨料混凝土的各項(xiàng)力學(xué)和耐久性能均劣于普通混凝土(NAC)[1-2]。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注[3]，主要有納米SiO2[4]，CaCO3[5]和TiO2[6]等。Singh等[7]認(rèn)為納米材料及其二次水化的產(chǎn)物能夠有效填充再生粗骨料表面老砂漿的孔隙和微裂縫，同時(shí)納米顆粒的成核效應(yīng)能夠進(jìn)一步促進(jìn)水化，從而改善界面過(guò)渡區(qū)并提高早期強(qiáng)度。Salkhordeh等[8]在自密實(shí)再生混凝土中使用納米SiO2取代了10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的水泥，早期抗壓強(qiáng)度得到明顯提高，且28 d強(qiáng)度提高了約64.86%，甚至超過(guò)了NAC。Hosseini等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)，3%摻量的納米SiO2取代水泥有助于提高再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能。納米SiO2對(duì)水泥基材料的早期水化有十分明顯的促進(jìn)效果，然而Hou等[11]研究發(fā)現(xiàn)，納米SiO2的水化產(chǎn)物會(huì)包裹并阻止砂漿中水泥顆粒的水化，從而阻礙砂漿的后期強(qiáng)度發(fā)展。同時(shí)，由于納米SiO2的表面能大，顆粒周圍大量存在的不飽和鍵易吸附自由水，導(dǎo)致新拌混凝土中自由水減少，使得混凝土的工作性顯著降低[12]。

粉煤灰為混凝土中常用的一種礦物摻合料，當(dāng)粉煤灰取代率為30%時(shí)，再生混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度有所降低，但其長(zhǎng)期性能會(huì)持續(xù)發(fā)展，甚至超過(guò)基準(zhǔn)值[13]。Kou等[14]研究發(fā)現(xiàn)，高摻量(55%)的粉煤灰不僅有利于提高再生混凝土的長(zhǎng)期抗壓強(qiáng)度和彈性模量，而且能夠改善其抗氯離子滲透能力。此外，粉煤灰可以改善再生混凝土的工作性能[15-16]。

不難看出，納米SiO2或粉煤灰在混凝土中的單摻使用盡管有助于改善再生混凝土的部分性能，但同時(shí)有可能會(huì)導(dǎo)致其他性能的劣化。兩者的結(jié)合使用或許會(huì)解決這個(gè)難題，但當(dāng)前極少有關(guān)納米SiO2和粉煤灰復(fù)摻對(duì)再生混凝土性能影響的研究報(bào)道。因此，本文將分析不同摻量的納米SiO2和粉煤灰在單摻或復(fù)摻情況下分別對(duì)再生混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用P.C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，粉煤灰為二級(jí)粉煤灰，其化學(xué)成分列于表1。由于納米SiO2膠體溶液相比于納米SiO2粉體顆粒有更好的分散性，其對(duì)水泥基材料的改善效果一般更加明顯[17]，因此試驗(yàn)采用納米SiO2膠體溶液，詳細(xì)參數(shù)列于表2。再生粗骨料各項(xiàng)性能按照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果列于表3。細(xì)骨料采用河砂，表觀密度為2.606 g·cm-3，細(xì)度模數(shù)為3.37，屬于粗砂。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)組混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20，水膠比取0.50，粗骨料使用天然粗骨料，記為NAC。試驗(yàn)組混凝土水灰比和膠凝材料用量不變，采用體積取代法，用再生粗骨料100%取代天然粗骨料。由于再生粗骨料吸水率遠(yuǎn)大于天然粗骨料，本文采用添加附加水的方法控制有效水灰比，其中附加水的用量除了根據(jù)再生粗骨料吸水率和含水率計(jì)算，還需扣除納米SiO2溶液中的含水量。納米SiO2和粉煤灰的摻量作為變量，使用質(zhì)量取代法取代水泥，摻量分別為0%，1%，2%和0%，30%。

表1 粉煤灰與水泥化學(xué)成分Tab.1 Chemical Component of Fly Ash and Cement %

表2 納米SiO2溶液性能Tab.2 Properties of Nano-SiO2 Colloidal

表3 再生粗骨料物理性能指標(biāo)Tab.3 Physical Properties of Recycled Coarse Aggregate

本文中將所有試驗(yàn)組統(tǒng)一稱為再生混凝土，未摻納米SiO2和粉煤灰的再生混凝土記為RAC；單摻納米SiO2組記為S，后跟數(shù)字代表?yè)搅?；單摻粉煤灰組記為F，后跟數(shù)字代表?yè)搅?；?fù)摻組記為S+F，分別后跟數(shù)字代表?yè)搅俊?/p>

為了探究納米SiO2和粉煤灰單摻或復(fù)摻情況下對(duì)混凝土工作性能的影響，每組配合比的初始減水劑用量保持為1.9 kg·m-3，完成坍落度測(cè)試后，調(diào)整減水劑用量以確保所有配合比的坍落度均維持在(120±10) mm范圍內(nèi)?；炷僚浜媳纫?jiàn)表4。

表4 混凝土配合比Tab.4 Mix Proportion of Concrete kg·m-3

1.3 混凝土攪拌方式

使用納米SiO2改性再生混凝土的方式分為2種：直接摻入和預(yù)浸泡[18]。在直接摻入攪拌的過(guò)程中，大部分的納米SiO2與砂漿混合在一起，起到強(qiáng)化砂漿的作用，只有小部分填充了再生粗骨料表面老砂漿的孔隙和微裂縫[19]；預(yù)浸泡則將所有的納米SiO2用于填充老砂漿的孔隙和微裂縫。Shaikh等[18]通過(guò)對(duì)比研究認(rèn)為預(yù)浸泡對(duì)RAC的提升效果更加顯著。由于預(yù)浸泡的過(guò)程繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)且操作困難，為了簡(jiǎn)化攪拌方式，同時(shí)盡可能多地將納米SiO2用于填充老砂漿孔隙和微裂縫，基于現(xiàn)有的攪拌法，通過(guò)適當(dāng)調(diào)整，提出新的兩階段攪拌法，具體步驟如下：①將納米SiO2與附加水混合，使用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行分散；②將分散的納米溶液與再生粗骨料攪拌2 min；③加入砂、水泥和粉煤灰攪拌2 min；④加入配合比中水充分?jǐn)嚢琛８郊铀c納米SiO2溶液混合，其中的含水量等于配合比中再生粗骨料吸水量與含水量的差。由于再生粗骨料的吸水速率快，在第1步的基礎(chǔ)上，通過(guò)第2步的攪拌使得更多的納米SiO2顆粒能夠被再生粗骨料吸收用于填補(bǔ)老砂漿孔隙和微裂縫。

1.4 試塊制作與測(cè)試方法

新拌混凝土工作性能依照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)進(jìn)行坍落度測(cè)試。參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081—2016)，混凝土抗壓試塊采用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸100 mm×100 mm×100 mm澆筑，每種配合比9個(gè)試塊分成3組，每組3個(gè)試塊分別用于測(cè)試7，28，90 d抗壓強(qiáng)度，加載速率控制為0.3 MPa·s-1。28 d抗折強(qiáng)度試塊采用非標(biāo)準(zhǔn)尺寸100 mm×100 mm×400 mm，每種配合比有3個(gè)試塊，使用四點(diǎn)加載，加載速率為0.03 MPa·s-1。28 d劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試不單獨(dú)澆筑試塊，使用抗折測(cè)試折斷試塊替代100 mm×100 mm×100 mm劈裂抗拉非標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表5給出了所有配合比新拌混凝土坍落度和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果。

表5 混凝土坍落度和力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Slump and Mechanical Properties of Concrete Experimental Results

2.2 工作性能

新拌混凝土的坍落度測(cè)試結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，在相同的配合比及減水劑用量情況下，由于RAC配合比中使用了附加水，其坍落度略高于NAC。這是由于附加水在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法被再生粗骨料老砂漿中孔隙全部吸收，使得新拌混凝土中自由水多于相同配合比的天然骨料。同時(shí)，由于試驗(yàn)所用再生粗骨料經(jīng)2道破碎工藝加工，骨料顆粒飽滿利于流動(dòng)。

圖1 新拌混凝土坍落度Fig.1 Slump of Fresh Concrete

在相同減水劑摻量的情況下，隨著納米SiO2摻量的增加，新拌混凝土的坍落度逐漸降低。這可能是由于納米材料粒徑小，具有較強(qiáng)的表面能，能夠吸附新拌混凝土中的自由水。同時(shí)，納米SiO2周圍有大量的不飽和鍵，不飽和鍵對(duì)水分子有很強(qiáng)的吸引能力，能夠在水分子間形成牢固的化學(xué)鍵，進(jìn)一步減少新拌混凝土中的自由水，最終導(dǎo)致坍落度大幅度下降[12]。坍落度測(cè)試結(jié)果表明，在攪拌過(guò)程中納米SiO2并未全部被老砂漿吸收，部分離開(kāi)再生粗骨料表面進(jìn)入砂漿中。納米材料的摻入給混凝土工作性能帶來(lái)嚴(yán)重的問(wèn)題，是推進(jìn)納米材料在混凝土中應(yīng)用的一大阻礙。

在所有試驗(yàn)組中，F(xiàn)30擁有最大的坍落度。這是因?yàn)榉勖夯翌w粒表面光滑，在新拌混凝土中起到潤(rùn)滑的作用，同時(shí)化學(xué)結(jié)構(gòu)特殊，水化速度慢于水泥，減少了前期水化消耗的結(jié)合水，從而增加了自由水，提高了再生混凝土的坍落度。

2.3 抗壓強(qiáng)度

圖2為單摻SiO2和粉煤灰情況下再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。RAC的各齡期抗壓強(qiáng)度相較于NAC均有20%～30%的下降。這與Xiao等[20]對(duì)再生粗骨料取代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響的研究結(jié)果十分相近，說(shuō)明再生粗骨料表面老砂漿的存在對(duì)再生混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生顯著的影響，尋找強(qiáng)化手段十分必要。在粉煤灰對(duì)再生混凝土性能影響的研究中，雖然Kou等[14]研究認(rèn)為粉煤灰能夠強(qiáng)化再生混凝土1年及以上齡期的長(zhǎng)期強(qiáng)度，但是F30的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在早期的表現(xiàn)中抗壓強(qiáng)度有明顯的下降，直到90 d齡期才逐漸接近RAC。在再生粗骨料降低混凝土強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，使用粉煤灰導(dǎo)致的進(jìn)一步降低必然給混凝土結(jié)構(gòu)的建造和使用帶來(lái)未曾遇到的問(wèn)題。單獨(dú)使用納米SiO2對(duì)再生混凝土改性的結(jié)果顯示，納米SiO2能夠有效提升再生混凝土的抗壓強(qiáng)度，單摻2%納米SiO2的再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度相對(duì)RAC提高了24.5%。提升效果在早期最為顯著，后期增長(zhǎng)速度相比于RAC明顯下降，且隨著納米SiO2摻量的增加，強(qiáng)度的強(qiáng)化逐漸提升。這一特性也得到了Mukharjee等[21]的證實(shí)，納米SiO2能夠填補(bǔ)再生粗骨料表面老砂漿的孔隙和微裂縫，從而改善再生混凝土中新老砂漿的界面過(guò)渡區(qū)，提升再生混凝土強(qiáng)度。

圖2 單摻納米SiO2或粉煤灰對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of Nano-SiO2 or Fly Ash on Compressive Strength of RAC

納米SiO2對(duì)粉煤灰摻量為30%的再生混凝土的影響如圖3所示。在粉煤灰再生混凝土中添加納米SiO2有效強(qiáng)化了再生混凝土的各齡期強(qiáng)度。摻量為1%時(shí)，納米SiO2完全彌補(bǔ)了粉煤灰引起的7 d和28 d強(qiáng)度的降低，甚至在90 d齡期相對(duì)于RAC提升了3 MPa，且隨著納米SiO2摻量的增加，強(qiáng)度提升幅度增大。Shaikh等[22]研究了納米SiO2和粉煤灰對(duì)砂漿與混凝土的影響，其中在40%粉煤灰摻量的砂漿中摻入納米SiO2能夠提升砂漿的7 d和28 d強(qiáng)度，相應(yīng)混凝土的強(qiáng)度也在各齡期得到提升。由此認(rèn)為，粉煤灰再生混凝土中摻入納米SiO2除了能改善混凝土中界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度，還能強(qiáng)化混凝土中粉煤灰砂漿的強(qiáng)度，從而增加粉煤灰再生混凝土的抗壓強(qiáng)度。對(duì)比納米SiO2對(duì)粉煤灰再生混凝土和普通再生混凝土的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，普通再生混凝土摻入納米SiO2在28 d齡期后強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，然而粉煤灰再生混凝土在28 d齡期后強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度顯著高于前者，且大于普通再生混凝土的增長(zhǎng)幅度。分析認(rèn)為兩者間產(chǎn)生差異的原因是在再生混凝土中摻入了粉煤灰。粉煤灰能夠增強(qiáng)混凝土的長(zhǎng)期性能，從而使得粉煤灰再生混凝土摻入納米SiO2后強(qiáng)度還有較長(zhǎng)期的發(fā)展。

圖3 納米SiO2對(duì)粉煤灰再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of Nano-SiO2 on Compressive Strength of Fly Ash RAC

通過(guò)將S1F30和S2F30的坍落度與單摻納米SiO2的再生混凝土對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在1%和2%納米摻量的情況下?lián)饺?0%的粉煤灰，坍落度分別提升了100%和550%，且十分接近NAC。這說(shuō)明再生混凝土中摻入粉煤灰?guī)?lái)自由水的增加和潤(rùn)滑作用能夠有效地降低納米SiO2對(duì)再生混凝土工作性能的不利影響。根據(jù)2種材料對(duì)再生混凝土工作性能的影響規(guī)律，通過(guò)調(diào)整摻量能夠滿足不同施工中不同工作性能的需求。

圖4 粉煤灰對(duì)納米SiO2再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.4 Effect of Fly Ash on Compressive Strength of Nano-SiO2 RAC

圖4給出了納米SiO2摻量為1%與2%情況下，摻入粉煤灰對(duì)再生混凝土的抗壓強(qiáng)度影響。由圖4可以看出，在納米SiO2再生混凝土中加入30%的粉煤灰，7 d和28 d齡期混凝土的抗壓強(qiáng)度都有所下降，但是在90 d齡期復(fù)摻組的抗壓強(qiáng)度則超過(guò)了單摻納米SiO2的再生混凝土?？梢?jiàn)雖然粉煤灰會(huì)降低納米SiO2改性再生混凝土的早期性能，但是能夠彌補(bǔ)納米SiO2改性再生混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展不足的缺陷。

綜合可知，在再生混凝土中復(fù)摻納米SiO2和粉煤灰，能夠在降低粉煤灰對(duì)早期強(qiáng)度影響的同時(shí)彌補(bǔ)納米SiO2帶來(lái)的后期強(qiáng)度發(fā)展不足的缺陷。分析認(rèn)為：納米SiO2擁有高火山灰活性和化學(xué)成核效應(yīng)，在早期強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程中起促進(jìn)水化作用；粉煤灰由于早期活性低，水化較慢，在后期強(qiáng)度發(fā)展到一定程度時(shí)才逐漸水化，不斷致密砂漿基體。因此，在再生混凝土養(yǎng)護(hù)的早期與后期均有可觀的水化反應(yīng)在進(jìn)行，從而提升其強(qiáng)度。

2.4 抗折強(qiáng)度

圖5 混凝土抗折強(qiáng)度Fig.5 Flexural Strength of Concrete

圖5(a)中由于再生粗骨料物理性能低于天然骨料，RAC中的老砂漿和新老砂漿界面過(guò)渡區(qū)成為薄弱點(diǎn)，導(dǎo)致RAC的抗折強(qiáng)度相對(duì)于NAC大幅度下降。隨著納米SiO2的摻入，RAC的抗折強(qiáng)度逐漸提高，且效果顯著。原因在于，納米SiO2改善了RAC的界面過(guò)渡區(qū)，增強(qiáng)了新老砂漿的強(qiáng)度，從而提高了RAC的抗折強(qiáng)度。當(dāng)再生混凝土中摻入30%粉煤灰時(shí)，抗折強(qiáng)度小幅度下降，說(shuō)明粉煤灰對(duì)再生混凝土抗折強(qiáng)度有不利影響。此時(shí)復(fù)摻納米SiO2能夠提升再生混凝土的抗折強(qiáng)度，且隨著納米SiO2摻量的增加而逐漸上升，S2F30相對(duì)于F30提高了19.46%。

對(duì)比圖5(b)中RAC，S1，S1F30和RAC，S2，S2F30的抗折強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰與納米SiO2復(fù)摻時(shí)，抗折強(qiáng)度并未像抗壓強(qiáng)度一樣有進(jìn)一步的提升，而是相對(duì)于單摻納米SiO2有所下降，但是相對(duì)于RAC，復(fù)摻情況下抗折強(qiáng)度有明顯提升。S2F30相對(duì)于F30提高了19.46%；雖然28 d齡期S1F30和S2F30的抗折強(qiáng)度分別低于S1和S2，參考抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，復(fù)摻情況下RAC在28 d齡期之后還擁有較強(qiáng)的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)，反而S1和S2組卻并無(wú)太大的增長(zhǎng)空間。隨著齡期的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)S1F30和S2F30的抗折強(qiáng)度會(huì)超越S1和S2。

2.5 劈裂抗拉強(qiáng)度

圖6 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.6 Splitting Tensile Strength of Concrete

由圖6(a)可以看出，再生粗骨料對(duì)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。在再生混凝土內(nèi)部，老砂漿與新老砂漿界面過(guò)渡區(qū)制約了其抗拉強(qiáng)度。由圖6(a)還可以看出，納米SiO2能夠改善再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，并隨摻量的增加，再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸接近NAC的劈裂抗拉強(qiáng)度。這說(shuō)明納米SiO2能夠強(qiáng)化RAC界面過(guò)渡區(qū)和老砂漿部分，增強(qiáng)砂漿和骨料之間的膠結(jié)力，從而提高RAC的劈裂抗拉強(qiáng)度。在再生混凝土中摻入30%的粉煤灰，發(fā)現(xiàn)粉煤灰能夠提高再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上通過(guò)摻入納米SiO2，再生混凝土的抗折強(qiáng)度有進(jìn)一步的提升，且隨摻量的增加逐漸增加。

由圖6(b)可以看出，S1F30和S2F30的劈裂抗拉強(qiáng)度分別相對(duì)于S1和S2均有所提升。由此說(shuō)明，在納米SiO2對(duì)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)的基礎(chǔ)上，粉煤灰能夠進(jìn)一步增強(qiáng)劈裂抗拉強(qiáng)度。不過(guò)納米SiO2摻量為1%時(shí)，摻入粉煤灰提升了8.7%的劈裂抗折強(qiáng)度，摻量為2%時(shí)僅提升了3%。由此說(shuō)明，納米SiO2摻量越大時(shí)，復(fù)摻粉煤灰對(duì)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)的提升越小。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)納米SiO2的摻入會(huì)顯著降低再生混凝土的工作性能，復(fù)摻粉煤灰能夠彌補(bǔ)它對(duì)工作性能的負(fù)面影響。

(2)復(fù)摻納米SiO2和30%粉煤灰能夠比單摻更加有效地提高再生混凝土的90 d抗壓強(qiáng)度，且在較長(zhǎng)齡期內(nèi)有較高的強(qiáng)度增長(zhǎng)速度。

(3)復(fù)摻納米SiO2和30%粉煤灰能夠提升再生混凝土的28 d抗折強(qiáng)度，但略低于單摻納米SiO2的再生混凝土。

(4)復(fù)摻納米SiO2和30%粉煤灰能夠更加有效地提高再生混凝土的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度。

(5)復(fù)摻納米SiO2和30%粉煤灰的改性方法僅依靠宏觀的力學(xué)性能結(jié)果不能從機(jī)理上對(duì)其解釋，后續(xù)還需在微觀層面上對(duì)其進(jìn)行更加深入的研究。