再生粗骨料混凝土改性增強技術試驗研究

劉 騰,潘 虹,羅 滔,華 成

(西京學院 陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室,陜西 西安 710123)

0 引 言

隨著中國經濟和社會的進步,城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,在新建、改建、擴建和拆除各類房屋建筑和市政基礎設施過程中,產生了大量建筑垃圾。目前主要采用填埋、露天堆放等方式處理建筑垃圾,導致土地資源緊張,地下水、土壤、空氣污染,砂石緊缺等問題,危害生態(tài)環(huán)境和人民健康。

近年來,劉超等[1]以磚混結構建筑拆卸下來的混凝土塊為原材料制備C3O再生粗骨料混凝土,利用正交設計方法,對再生骨料的水灰比、取代率以及砂率進行了分析。張曉華等[2]通過大量文獻整理綜述分析得到國內再生骨料混凝土研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢,為后續(xù)研究提供理論參考。梁炯豐等[3]在對再生細骨料(廢磚)混凝土進行研究的過程中,分析了在不同取代率下的彈性模量、劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度以及立方體抗壓強度的變化狀況,運用統(tǒng)計回歸法明確上述指標之間的實際關系。然而,經過簡單破碎得到的再生粗骨料存在表面粗糙不平、棱角過多且殘留大量舊水泥砂漿、吸水率過高、壓碎指標過大等缺陷,導致再生骨料各方面性能不如天然骨料。因此,需要對再生骨料或再生混凝土進行改性增強,以擴大其應用領域和保證工程安全。

王忠星等[4]發(fā)現(xiàn)通過對再生骨料進行機械打磨處理可提高其劈裂抗拉和抗彎強度。趙海鑫等[5]采用微波加熱強化再生骨料的方法,使再生骨料的壓碎指標和吸水率得到了改善。肖建莊等[6]采用微波加熱的方式對再生粗骨料進行改性處理,以去除附著于再生粗骨料上的舊砂漿,改善再生粗骨料混凝土的力學性能。以上研究都是將混凝土破碎后的再生粗骨料進行改性,通常存在粗骨料損傷大、機械磨損嚴重和能耗高等弊端。于凱[7]使用3%濃度的鹽酸溶液浸泡再生骨料2 h,改善了骨料的吸水率和壓碎指標,使再生混凝土的抗壓強度得到提高。楊飛華等[8]使用3%濃度的水玻璃溶液浸泡再生粗骨料,使再生混凝土抗壓強度及抗凍性能均有所提高。徐開東等[9]發(fā)現(xiàn)采用30%濃度的水玻璃溶液和0.75%濃度的納米碳化硅溶液處理再生骨料可以填充內部微裂紋,使表面粗糙度得到改善。陳欣等[10]通過采用摻有硅灰和礦粉的水泥漿對再生骨料進行包漿處理,使再生混凝土的力學性能和耐久性得到了提高。葉哲[11]采用活性材料裹漿法和浸泡法兩種改性手段對再生粗骨料及混凝土的改性效果進行了分析。然而,上述研究僅對水玻璃改性再生混凝土的抗壓強度、抗凍性能及微觀形貌進行了研究,未能揭示再生粗骨料混凝土改性增強的細觀機理,以及水玻璃改性混凝土抗壓強度和孔隙率之間的關系。此外,與傳統(tǒng)孔隙測試手段壓汞法相比[12],利用核磁共振技術測量混凝土孔隙的變化規(guī)律,具有所需樣品量少、無破壞性等優(yōu)點?，F(xiàn)有手段也僅為初步嘗試,尚未大規(guī)模應用于工程實踐,考慮到經濟成本因素,需要繼續(xù)探索經濟可行的再生粗骨料改性增強手段。

本文分別采用物理與化學的方式對再生骨料混凝土進行改性:① 用微波加熱的方式對混凝土試件進行改性,削弱混凝土強度,更好地促進再生粗骨料的回收與利用。② 將水玻璃溶液浸泡改性后的再生骨料制備再生混凝土,測試其抗壓強度。然后通過再生混凝土微細觀結構試驗揭示改性增強的細觀機理,以期為再生混凝土改性增強提供新的思路,加大其推廣應用。

1 試驗設計

1.1 試驗原材料及配合比

試驗水泥采用陜西省咸陽市禮泉海螺水泥廠生產的海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥,物理性質和化學性能分別如表1和表2所示。粉煤灰采用陜西渭河電廠生產的一級粉煤灰,平均粒徑為12.71 μm,化學性質如表2所示。

表1 普通硅酸鹽水泥的物理性質Tab.1 Physical properties of ordinary portland cement

表2 普通硅酸鹽水泥及粉煤灰的化學成分Tab.2 Chemical composition of ordinary portland cement and fly ash %

砂為級配良好的中砂,細度模數(shù)為2.66,表觀密度為2 630 kg/m3,堆積密度為1 480 kg/m3。粗骨料采用建筑廢棄混凝土經機械破碎后的再生粗骨料,表觀密度為2 835 kg/m3,堆積密度為1 720 kg/m3。粒徑分布如圖1所示。

圖1 砂和再生粗骨料的粒徑分布Fig.1 Particlesize distribution of sand and recycled coarse aggregate

減水劑由陜西沁芬建筑材料有限公司(中國渭南)生產,物理性質如表3所示。

表3 減水劑的物理性質Tab.3 Physical properties of water reducer %

水玻璃溶液密度為1 394 kg/m3,氧化鈉含量為9.50 %,二氧化硅含量為28.50 %,透明度不小于85 %。水采用西安市生活用水。所用配合比如表4所示。

表4 混凝土配合比Tab.4 Mixing ratio of concrete kg/m3

1.2 試件的制備及試驗方法

根據(jù)配合比制備微波加熱的試件,尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。將成型后的試件放入溫度為(20±2) ℃、濕度為95%以上的標準養(yǎng)護室,養(yǎng)護至28 d齡期后取出。取出后置于水中浸泡至飽和。將飽和狀態(tài)的混凝土試件放入微波爐(1 000 W)中加熱,根據(jù)不同的加熱時間分為5組,分別為0,20,40,60 min和80 min。每組取3個試件,使用由山東中儀儀器有限公司生產的型號為WAW-1000D的微機控制電液伺服萬能試驗機分別測試其立方體抗壓強度。

稱取若干再生粗骨料烘干,取10組7 kg再生粗骨料,分別置于不同濃度水玻璃溶液中浸泡不同時間,分別為0% 0 min、3% 30 min、3% 60 min、3% 360 min、5% 30 min、5% 60 min、5% 360 min、7% 30 min、7% 60 min、7% 360 min。到達時間后,取出再生粗骨料進行干燥,依據(jù)配合比制備混凝土試樣。將試樣標準養(yǎng)護至28 d齡期后取出,每組取3個試塊使用萬能試驗機分別測試其立方體抗壓強度。此外,每組各取1個試塊浸泡至飽和,使用由蘇州紐邁公司生產的型號為MacroMR12-150H-I的核磁共振微結構分析與成像系統(tǒng)采集CPMG脈沖序列數(shù)據(jù),生成T2譜,得到混凝土的孔隙度和孔徑分布情況。試驗流程如圖2所示。

圖2 試驗流程Fig.2 Test flow chart

1.3 試驗原理

傳統(tǒng)加熱的原理是熱傳遞,而微波是以電磁波形式存在,可深入材料內部,是由電磁能轉化為熱能的過程[13],與傳統(tǒng)加熱有本質上區(qū)別。本文對再生粗骨料混凝土進行微波加熱,是針對傳統(tǒng)混凝土破碎技術存在的粗骨料損傷大、機械磨損嚴重和能耗高等弊端,采取了在破碎前對混凝土進行微波處理的方法。

水玻璃主要成分為硅酸鈉,是一種可溶性的堿金屬硅酸鹽材料。水玻璃對再生骨料的改性原理是水玻璃硬化時析出的硅酸鈣凝膠體可改善再生骨料孔隙結構,使混凝土內部結構更致密。

2 結果與討論

2.1 微波加熱對抗壓強度影響

圖3為經過不同微波加熱時間后的混凝土28 d齡期立方體抗壓強度對比。由圖3可知,與不加熱(微波加熱0 min)相比,當微波加熱20,40,60 min和80 min時,混凝土立方體抗壓強度分別降低了4.7%,8.7%,9.6%和11.8%。隨著微波加熱時間的增加,混凝土立方體抗壓強度呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。這是因為硅酸鹽水泥混凝土是固、液和氣相混合體,在超過100 ℃高溫下,液相水會被汽化產生膨脹,導致表面爆裂和內部結構損傷。同時,高溫會使部分水化產物(如硫鋁酸鈣、鈣礬石)分解。在這兩種破壞作用下,混凝土抗壓強度(包括抗拉、抗彎強度)就會降低。因此,微波加熱可削弱混凝土強度,有助于混凝土更好地破碎,進一步分離骨料和砂漿[14],從而在再生粗骨料中挑選出砂漿附著率低的完整骨料,用來制備再生混凝土。

圖3 不同微波加熱時間的混凝土抗壓強度Fig.3 Compressive strength of concrete under different microwave heating time

2.2 水玻璃改性對抗壓強度影響

圖4為經過不同濃度水玻璃溶液浸泡不同時間后的混凝土28 d齡期立方體抗壓強度對比。由圖4可知,與不浸泡(浸泡時間0 min)對比,當水玻璃溶液濃度和浸泡時間分別為3% 30 min、3% 60 min、3% 360 min、5% 30 min、5% 60 min、5% 360 min、7% 30 min、7% 60 min、7% 360 min時,混凝土立方體抗壓強度分別提高了6.1%,7.1%,-4.0%,7.1%,20.2%,6.1%,3.1%,6.1%和-2.0%。隨著浸泡時間的增加,同一濃度水玻璃溶液浸泡的混凝土的立方體抗壓強度呈先增大后減小的趨勢。隨著水玻璃溶液濃度的增加,同一浸泡時間的混凝土立方體抗壓強度呈先增大后減小的趨勢。其中,當水玻璃溶液濃度和浸泡時間為5% 60 min時,混凝土立方體抗壓強度增長幅度最大。但當水玻璃溶液的濃度加大或浸泡時間延長后,再生骨料表面以及骨料孔中已水解的水玻璃產物也增多,這些產物在填充和黏結骨料孔隙和裂縫的同時,也在再生骨料表面形成了一層包漿層,包漿層厚度隨水玻璃溶液的濃度加大或浸泡時間的延長而增加[15],有可能減小再生骨料表面的粗糙程度從而減弱水泥漿與再生骨料的咬合程度。因此,再生骨料的強度隨水玻璃溶液的濃度加大或浸泡時間延長,增長幅度出現(xiàn)下降趨勢。這一結論與Zhang等人[16]的研究結果一致。

圖4 不同濃度水玻璃溶液中浸泡不同時間的混凝土抗壓強度Fig.4 Compressive strength of concrete soaked in different concentrations of water glass solution for different time

2.3 水玻璃改性對T2譜變化規(guī)律影響

通過核磁共振試驗,可得到經過不同濃度水玻璃溶液浸泡不同時間后的混凝土T2譜如圖5所示。

圖5 水玻璃改性混凝土的T2譜變化規(guī)律Fig.5 Change rule of T2 spectrum of water glass modified concrete

弛豫時間T2分布與孔隙尺寸相關?？讖皆叫?存在于孔隙中的水受到的束縛程度越大,弛豫時間越短;孔徑越大,存在于孔隙中的水弛豫時間越長[17]。由圖5可知,經過不同濃度的水玻璃溶液浸泡不同時間后,混凝土T2譜共包括3個弛豫峰,其中,1號峰的峰面積最大。隨著浸泡時間的增加,經3%濃度水玻璃溶液浸泡的混凝土T2譜總面積呈現(xiàn)減小趨勢,1號峰、2號峰、3號峰面積均呈現(xiàn)減小趨勢。經5%濃度水玻璃溶液浸泡的混凝土T2譜總面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,1號峰的峰面積呈現(xiàn)先減小后增大趨勢,2號峰的峰面積呈現(xiàn)先增大后減小趨勢,3號峰的峰面積呈現(xiàn)增大趨勢。經7%濃度水玻璃溶液浸泡的混凝土的T2譜面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,1號峰、2號峰、3號峰的峰面積均呈現(xiàn)先減小后增大趨勢。隨著水玻璃溶液濃度的增加,經浸泡時間為30 min的混凝土的T2譜面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,1號峰、2號峰的峰面積呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,3號峰的峰面積呈現(xiàn)減小的趨勢。經浸泡時間為60 min和360 min的混凝土的立方體T2譜面積也呈先減小后增大的趨勢,1號峰的峰面積先減小后增大,2號峰、3號峰的峰面積先增大后減小。

2.4 水玻璃改性對孔隙率及孔徑分布影響

表5顯示了水玻璃改性混凝土的總孔隙率與孔徑分布。由表5可知,當水玻璃溶液濃度和浸泡時間分別為3% 360 min、7% 360 min時,水玻璃改性混凝土的總孔隙率高于對照組(0% 0 min),其余7組的總孔隙率均低于對照組。在水玻璃溶液濃度相同時,隨著粗骨料浸泡時間的增加,總孔隙率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當水玻璃濃度為5%、浸泡時間為60 min時,總孔隙率最小,說明經適宜濃度的水玻璃溶液浸泡適宜時間,可減小再生骨料之間的孔隙。

表5 水玻璃改性混凝土的總孔隙率及孔隙分布Tab.5 Total porosity and pore distribution of water glass modified concrete %

通過核磁共振測試得到的混凝土內各等級孔徑的比值是連續(xù)的且跨越多個數(shù)量級,不同學者對各種類型孔的界定范圍都提出了各自的分類方法[18-21],在本研究中,將孔隙劃分為大孔(>1 000 nm)、中孔(100～1 000 nm)和毛細孔(0～100 nm)。由表5可知,將孔徑分布劃分為大孔、中孔以及毛細孔3類以后,經過水玻璃浸泡的再生粗骨料混凝土的大孔占比都有所減少,而中孔及毛細孔總體占比均有所增加,從而細化了混凝土中的孔隙結構。當水玻璃濃度為5%浸泡時間為60 min時,大孔占比最少,這是由于水玻璃對再生骨料的改性可能是水玻璃硬化時析出的硅酸凝膠,堵塞再生骨料的大孔,或將再生骨料本身的微細裂紋粘合,從而改善再生骨料孔隙結構,降低了混凝土總孔隙率。

2.5 水玻璃改性混凝土抗壓強度和孔隙率的關系

圖6顯示了水玻璃改性混凝土抗壓強度和孔隙率之間相關性的回歸分析結果,線性擬合后R2為0.992。立方體抗壓強度和孔隙率呈現(xiàn)良好的線性關系,且立方體抗壓強度與孔隙率成反比。這與其他研究的結果一致[22]。事實上,普遍認為混凝土的力學性能取決于孔隙結構,并且大孔的體積分數(shù)比小中孔的體積分數(shù)對膠凝材料的力學性能有更大的影響。

圖6 抗壓強度和孔隙率的關系Fig.6 Relationship between compressive strength and porosity

3 結 論

本文測試了不同微波加熱時間的混凝土以及再生骨料在不同濃度、不同時間水玻璃溶液的浸泡后制成的再生混凝土的抗壓強度,并利用低場核磁共振技術分析了水玻璃改性再生混凝土的孔隙率及孔隙分布,得到以下主要結論。

(1) 隨著微波加熱時間的增加,微波加熱改性再生混凝土的抗壓強度逐漸降低。

(2) 隨著浸泡時間的增加,同一濃度水玻璃溶液浸泡的混凝土立方體抗壓強度呈先增大后減小的趨勢。當水玻璃濃度為5%、浸泡時間為60 min時,抗壓強度達到最大值。

(3) 適宜濃度的水玻璃溶液浸泡適宜的時間,可減小再生骨料之間的孔隙,細化水玻璃改性再生混凝土的孔隙結構。