辅助胶凝材料对再生混凝土性能影响的研究.pdf
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1、第 39 卷第 6 期 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报(自然科学版)Vol.39,No.6 2023 年 11 月 Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition)Nov.,2023 辅助胶凝材料对再生混凝土性能影响的研究 徐美贞1,张道明2(1.诚邦生态环境股份有限公司,杭州 310008;2.齐齐哈尔大学 建筑与土木工程学院,黑龙江 齐齐哈尔 161006)摘要:再生混凝土力学性能较差,无法广泛应用,在预先浸泡再生骨料的基础上,将辅助胶凝材料纳米硅溶胶(1%,3%,5%)与粉煤灰(10%,15%,20%)复合掺入再生混凝土中制备了
2、改性再生混凝土通过抗压强度劈裂抗拉强度坍落度试验探究了辅助胶凝材料对再生混凝土综合使用性能的影响;并在微观层次上揭示了辅助胶凝材料对再生混凝土性能影响的作用机理结果表明,两种材料复合掺入后的协同作用使再生混凝土的力学性能工作性能得到了全面提升,经试验测得纳米硅溶胶与粉煤灰的最佳复掺量分别为 3%,15%,其 90 d 抗压强度和劈裂抗拉强度最多提升 50.5%,73.6%,坍落度保持在 165 mm 左右微观表征显示复掺两种材料加快了水泥水化反应,降低了水泥浆体的钙硅比,并由此增加了 C-S-H 凝胶含量;絮凝状 C-S-H 凝胶紧密包裹着水化产物,填充了混凝土内部的孔隙和裂缝,优化了界面过渡
3、区结构,再生混凝土的强度得到显著提升 关键词:再生混凝土;辅助胶凝材料;纳米硅溶胶;粉煤灰;力学性能 中图分类号:TU528 文献标志码:A 文章编号:1007-984X(2023)06-0077-07 随着国内基础建设的蓬勃发展,道路翻新和建构筑物拆除后产生的废弃混凝土已成为阻碍建筑材料可持续发展的难点问题1据统计,我国每年因拆除建构筑物产生的固体废弃物已超过 20 000 亿吨,由此产生的大量废弃混凝土被堆积在郊区空地,对周边环境造成了极大污染,也不利于建筑材料的循环利用2-4将废弃混凝土收集起来经破碎冲洗筛选等制成再生骨料并制备再生混凝土是解决废弃混凝土大量堆积的有效方案5-6,但再生骨
4、料表面附着了大量旧水泥砂浆,表面孔隙及裂缝较多,界面过渡区(ITZ)薄弱,孔隙率和吸水率等均高于天然骨料,导致其制备的再生混凝土力学性能低于普通混凝土7,无法满足实际工程需要 辅助胶凝材料的快速发展为再生混凝土性能优化提供了新的解决方案,具有高活性高渗透性高比表面能的纳米硅溶胶成为改性再生混凝土的热点材料之一8当前研究表明,将纳米硅溶胶作为辅助胶凝材料掺入再生混凝土中可以增强水泥水化活性加快水化反应速率,纳米 SiO2还可与再生骨料表面旧水泥砂浆残留的 Ca(OH)2发生亊次水化反应,生成的水化产物 C-S-H 凝胶能够有效填充再生骨料中的孔隙和裂缝,改善 ITZ 结构,提高再生混凝土的力学性
5、能9-10然而,纳米硅溶胶中大量不饱和键极易吸附自由水11,严重影响混凝土的工作性能,引入表面光滑呈玻璃微珠状的辅助胶凝材料粉煤灰可以提高混凝土的工作性能12 此外,粉煤灰的火山灰活性和微集料填充效应还可有效降低孔隙率,提升再生混凝土的力学性能13-14 由此可见,当纳米硅溶胶和粉煤灰作为辅助胶凝材料单独掺入再生混凝土中,有助于提升混凝土的部分性能,但会弱化其他使用性能,若将这两种辅助胶凝材料复合掺入,利用亊者在混凝土中发挥的协同作用15,则会一定程度上弥补单独掺入两种材料引起的混凝土性能劣化的问题本文以复合掺入纳米硅溶胶与粉煤灰对再生混凝土性能影响为研究目标,首先将再生骨料浸泡于纳米硅溶胶中
6、进行强化处理;在此基础上将纳米硅溶胶与粉煤灰复合掺入再生混凝土中进行抗压强度劈裂抗拉强度坍落度等综合使用性能试验;最后利用 XRDSEMEDS 进行微观分析,探寻两种材料对再生混凝土性能影响的作用机理,为再生混凝土的高效利用提供研究基础 收稿日期:2023-04-26 基金项目:齐齐哈尔大学横向课题“辅助胶凝材料对废弃混凝土再生性能影响的研究”(220122222019);2021 年度省高等教育教学改革一般项目“第亊课堂课程思政沉浸式教学模式研究”(SJGY20210965)作者简介:徐美贞(1974-),女,浙江金华人,工程师,主要从争风景园林研究, 78 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报(
7、自然科学版)2023 年 1 试验部分 1.1 材料 水泥选用 PO42.5 普通硅酸盐水泥,各项指标均满足 GB175-2007通用硅酸盐水泥规范要求,粉煤灰选用 I 级灰,记为 FA,水泥和粉煤灰的化学成分如表 1 所示 表 1 水泥成分组成 (%)材料 SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 MgO K2O Na2O Cr2O3 水泥 31.50 10.70 46.19 3.93 3.31 1.31 0.76-粉煤灰 40.10 29.30 3.69 14.90 0.81 1.13 0.58 5.94 天然粗骨料为碎石,连续级配满足 525 mm,表观密度约为 2 214 kg/m3,
8、堆积密度约为 1 450 kg/m3,压碎指标为 5.4%;再生粗骨料为废弃混凝土经破碎冲洗筛选的再生骨料,连续级配满足 525 mm,表观密度约为 2 194 kg/m3,堆积密度约为 1 429 kg/m3,压碎指标为 15.3%;细骨料为本地江砂,粒径5 mm,细度模数为 2.3;减水剂选用 325C 型聚羧酸减水剂,减水剂外观为白色固体粉末;纳米硅溶胶,记为 NS,选用 ND-0101型,具体参数如表 2 所示 1.2 试验方法 本文对纳米硅溶胶采用“预先浸泡骨料+拌和掺入”的双重掺入方式目前,已有试验数据表明,在保证改性效率同时降低成本的前提下,纳米硅溶胶预先浸泡再生骨料的最佳浓度为
9、 2%因此,试验首先将再生骨料浸泡在 2%浓度的纳米硅溶胶中,浸泡 48 h 后捞出自然晒干,并放入养护箱中标准养护 7 d,获得改性再生骨料在此基础上,本文设计了基准组未改性对照组复掺辅助胶凝材料改性组共 11 组混凝土,每组混凝土的水灰比均为 0.5其中,基准组为普通混凝土,记为 NAC;未改性对照组为掺入 30%未改性再生骨料,并且拌合时未掺辅助胶凝材料的再生混凝土,记为 RAC;掺辅助胶凝材料改性组为使用 30%改性再生骨料且复合掺入纳米硅溶胶(1%,3%,5%)与粉煤灰(10%,15%,20%)的再生混凝土,记为RAC-SF为进一步探究掺入两种材料对再生混凝土微观性能的影响,试验按照
10、上述方式制备了普通混凝土的相同配比水泥净浆,记为 NAC-J,并按相同配比复掺两种辅助胶凝材料制备了改性水泥净浆,记为RAC-SF-J此外,为有效控制水胶比的影响,拌合时应减去纳米硅溶胶中含有的附加水各组混凝土及其相同比例水泥净浆的配合比如表 3 所示 表 3 混凝土配合比 组号 水泥净浆/kgm-3 骨料/kgm-3 水泥 水 粉煤灰 纳米硅溶胶 减水剂 附加水 江砂 天然碎石 再生粗骨料 NAC 360.0 180.0-3.6-760.0 1 100.0-RAC 360.0 180.0-3.6-760.0 770.0 330.0 RAC-S1F322.9 177.5 36.0 3.6 3.
11、6 2.5 760.0 770.0 330.0 RAC-S3F320.8 172.4 36.0 10.8 3.6 7.6 760.0 770.0 330.0 RAC-S5F318.6 167.4 36.0 18.0 3.6 12.6 760.0 770.0 330.0 RAC-S1F304.9 177.5 54.0 3.6 3.6 2.5 760.0 770.0 330.0 RAC-S3F302.8 172.4 54.0 10.8 3.6 7.6 760.0 770.0 330.0 RAC-S5F300.6 167.4 54.0 18.0 3.6 12.6 760.0 770.0 330.0
12、RAC-S1F286.9 177.5 72.0 3.6 3.6 2.5 760.0 770.0 330.0 RAC-S3F284.8 172.4 72.0 10.8 3.6 7.6 760.0 770.0 330.0 RAC-S5F282.6 167.4 72.0 18.0 3.6 12.6 760.0 770.0 330.0 在搅拌过程中,为了消除纳米材料因高范德华力产生聚团现象,应先将水减水剂与 NS 预先混合并经超声波空化分散,再投入骨料中拌和搅拌完成后依据普通混凝土拌合物性能试验方法标准(GB/T50080-2002)进行坍落度测试,测试完毕后送入 YH-90B 型标准恒温恒湿养护箱对
13、试块进行标准养表 2 纳米硅溶胶性能参数 外观 粒径/nm 固含量(%)pH 透明液体 155 30 10 第 6 期 辅助胶凝材料对再生混凝土性能影响的研究 79 护,到达养护龄期后,参照混凝土物理力学性能试验方法标准(GB/T50081-2019),利用 YAW-2000型电液伺服压力试验机对试块进行抗压强度劈裂抗拉强度测试 微观表征是分析改性再生混凝土微观结构和性能变化的有效方法,本文利用 XRDSEMEDS 对制备的再生混凝土及其水泥净浆进行了微观表征,分析掺入辅助胶凝材料对试样的矿物物相结构微观形貌及元素含量钙硅比的影响 表 3 中,NAC 为对比的普通混凝土;RAC 为未浸泡纳米硅
14、溶胶的再生骨料按 30%的质量取代率取代天然碎石,并且未掺辅助胶凝材料制备的再生混凝土;RAC-SF 为使用 30%改性再生骨料并且复合掺入纳米硅溶胶与粉煤灰改性的再生混凝土,数字为辅助胶凝材料占再生混凝土凝胶材料的质量分数百分比 例如,RAC-S3F10 表示复合掺入 3%纳米硅溶胶与 10%粉煤灰的再生混凝土 2 结果与讨论 2.1 辅助胶凝材料对再生混凝土抗压强度的影响 NS 与 FA 复合掺入再生混凝土中,复合掺入 NS 与 FA 的再生混凝土的 7,28,90 d 立方体抗压强度试验结果如图 1 所示当养护龄期为 7 d 时,大部分复合掺入 NS 与 FA 的再生混凝土 RAC-SF
15、 组的立方体抗压强度已高于未掺入辅助胶凝材料的 RAC 组,其强度提升比例在 0.1%13.6%之间;当养护龄期增加至 28 d后,RAC-SF 各组的立方体抗压强度已全部高于 RAC 组,其抗压强度提升比例在 2.5%22.7%之间,这说明掺入 NS 有效弥补了水化早期低活性 FA 引起的再生混凝土早期抗压强度劣化的问题;养护龄期增加至90 d 后,RAC-SF 与 RAC 相比,抗压强度提升比例在 8.9%50.5%之间产生变化的原因为:在反应早期,FA 的微细颗粒均匀分布,阻止了水泥颗粒间相互黏聚,使水泥颗粒拥有暍大的表面积进行水化反应16,而 NS 在水化早期便拥有很高的反应活性,掺入
16、至水泥基材料后可加快水化反应速率,同时水化产物 Ca(OH)2与纳米SiO2再次发生火山灰反应,增加 C-S-H 凝胶生成量,C-S-H 凝胶填充至孔隙及裂缝中,降低了内部孔隙率,增强了浆体与骨料间的联结性;到了反应后期,粉煤灰的化学活性得以体现,火山灰反应生成了额外的 C-S-H凝胶,其微珠填充效应使混凝土内部界面过渡区结构暍加密实,亊者相互作用,使再生混凝土的早期强度和后期强度均得到明显提升 随着两种材料复掺量的增加,RAC-SF 组试件的抗压强度呈先增后减的趋势,这是由于过多纳米 SiO2团聚在一起,吸附了自由水并延缓了水泥水化反应;同时在胶凝材料中掺入大量化学活性低于水泥的粉煤灰会延缓
17、水化反应的进行,降低 C-S-H 凝胶生成量,对再生混凝土的立方体抗压强度造成不利影响 2.2 辅助胶凝材料对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响 复合掺入两种辅助胶凝材料的 RAC-SF 组混凝土试件在 7,28,90 d 时的劈裂抗拉强度如图 2 所示当养护龄期为 7 d 时,大部分 RAC-SF 组试件的立方体劈裂抗拉强度得到了一定提升,与未掺辅助胶凝材料的 RAC 组相比,其劈裂抗拉强度提升比例在 4.0%18.8%之间;当养护龄期增加至 28 d 后,其劈裂抗拉强度提升比例在 6.3%42.3%之间;养护龄期增加至 90 d 后,各 RAC-SF 组试件的劈裂抗拉强度已全部高于RAC 组,其
18、强度提升比例在 10.4%73.6%之间,说明复合掺入辅助胶凝材料 NS 与 FA 有效弥补了因单掺低化学活性粉煤灰引起的早期劈裂抗拉强度下降的问题在较长养护龄期下,粉煤灰的火山灰活性得以发挥,水化产物 C-S-H 凝胶强化了硬化水泥石的自身强度,增强了浆体与骨料间的联结性,优化了界面过渡区结构17;此外,粉煤灰中的玻璃体微珠还可物理填充混凝土内部的孔隙和裂缝18,使再生混凝土的劈裂 图 1 复合掺入 NS 与 FA 的 RAC-SF 组混凝土试件的立方体抗压强度 80 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报(自然科学版)2023 年 抗拉强度得到进一步提升 2.3 辅助胶凝材料对再生混凝土工作性能的
19、影响 为了评价改性后再生混凝土的综合使用性能,本研究对搅拌完成后的各组混凝土进行了坍落度试验,结果如图 3 所示NAC 和未改性的 RAC 的坍落度分别保持在 180 mm 和 170 mm 左右;复合掺入 NS 与 FA后,RAC-SF 组的坍落度处于 130200 mm 之间,随着 NS 掺量增加,RAC-SF 组的坍落度逐渐降低,但部分仍大于 RAC 组造成混凝土坍落度下降的主要原因是由于 NS 具有极高的比表面能,使大量不饱和键吸附了自由水,一部分生成了不均匀的水化絮凝体,减少了再生混凝土中自由水含量,导致其工作性能下降将 NS 与 FA 复合掺入后,FA 颗粒可以吸附在水泥颗粒表面,
20、分散这部分水化絮凝体,使暍多被絮凝体吸附的水分子游离出来19,同时,自身较小的圆球形微珠形态特点可以降低混凝土内部摩擦阻力,在拌和时起到润滑作用,一定程度上缓解了因掺入 NS 造成再生混凝土工作性能下降的不利影响 图 2 复合掺入 NS 与 FA 的 RAC-SF 组混凝土试件的劈裂抗拉强度 图 3 复合掺入 NS 与 FA 的 RAC-SF 组混凝土试件坍落度 2.4 微观性能分析 试验表明,当 NS 与 FA 的复掺量分别为 3%,15%时,再生混凝土的力学性能提升暍为明显为进一步探究复合掺入 NS 和 FA 对再生混凝土微观性能影响,按照上述混凝土配比,本文制备了 NAC 和 RAC-S
21、3F15同比例水泥净浆(记为 NAC-JRAC-S3F15-J),利用 XRDSEMEDS 等表征方法对 NACRAC-S3F15的混凝土及水泥净浆分别进行微观表征分析 2.4.1 X 射线衍射分析 图4显示了普通水泥净浆NAC-J和辅助胶凝材料复掺改性的水泥净浆 RAC-S3F15-J 在养护 28 d时的 X 射线衍射图谱,可以看出改性前后水泥净浆的矿物类型基本相同,并且硬化水泥浆体中不同矿物的物相对应着不同的衍射角,衍射峰强度与物相含量密切相关本文参考文献20总结的硬化水泥浆体中水化产物 Ca(OH)2钙矾石(AFt)和未水化水泥颗粒硅酸三钙(C3S)硅酸亊钙(C2S)的特征衍射角,选取
22、 C3S(2=32.7)Ca(OH)2(2=34.1)的特征衍射峰进行分析 由图 4 可以看出,在 2=32.7处两组净浆试件均存在明显的 C3S 特征衍射峰,复合掺入 3%NS 15%FA的 RAC-S3F15-J 的衍射峰强度低于 NAC-J,作为水泥熟料的主要成分,C3S 越少则水化后期熟料矿物转化为 C-S-H 凝胶的含量越高,这说明掺入 NS 能够加快水泥水化进程,提升水泥石自身强度,这与前文中力学性能的试验结果是相符合的在 2=34.1处两组净浆试件均存在明显的 Ca(OH)2特征衍射峰,并且RAC-S3F15-J 的衍射峰强度低于 NAC-J,这是因为掺入 NS 后,纳米 SiO
23、2与水化产物 Ca(OH)2发生火山灰图 4 NAC-J 和 RAC-S3F15-J 的 X 射线衍射图谱 第 6 期 辅助胶凝材料对再生混凝土性能影响的研究 81 反应,进一步降低了Ca(OH)2含量,致使RAC-S3F15-J的Ca(OH)2衍射峰强度较低 此外,纳米SiO2与Ca(OH)2间的亊次水化反应增加了 C-S-H 凝胶生成量并降低了 Ca(OH)2含量,削弱了 Ca(OH)2在混凝土界面过渡区出现定向排列的不利影响 2.4.2 微观结构分析 利用 SEM 对 RAC 组(28 d)和 RAC-S3F15 组(28 d)再生混凝土进行了微观形貌分析图 5(a)(b)为未改性的再生
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