纳米SiO2改性再生混凝土抗氯离子的渗透性能实验

林腾玮，刘孙涛，罗素蓉，刘钰煜

(福州大学土木工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

随着我国生产力水平的提高，许多混凝土建筑面临改建拆迁或因耐久性问题提前退出服役. 《中国城市环境卫生行业发展研究报告(2015—2016)》[1]指出： 我国每年产生的建筑垃圾总量约为15.5～24亿t，占据城市垃圾约30%～40%的比例，2015年建筑垃圾产生量超过15亿t, 至2020年左右，我国建筑垃圾产生量可能达到峰值. 现今我国处理废弃混凝土的方式以填埋场填埋、 堆填弃置、 用做路基材料或者场地回填料为主，更有甚者非法弃置[2]，不仅资源利用率低，对土地环境更是造成巨大的破坏. 在此形势下，再生骨料混凝土的概念应运而生.

使用再生骨料制备而成的混凝土称为再生混凝土，其运用可有效降低混凝土产业对环境的影响[3]. 相关研究表明，再生骨料混凝土与同配合比普通混凝土相比，强度和抗氯离子侵蚀性能降低. 文献[4]通过实验发现再生骨料混凝土的抗压强度比普通混凝土低8%～24%，文献[5]通过NEL法测出再生粗骨料取代率为100%的再生混凝土氯离子渗透系数较普通混凝土增加了104%. 文献[6]发现随着再生粗骨料取代率的提高，再生混凝土中氯离子侵蚀所致的钢筋锈蚀开裂时间加快. 由此可见再生骨料的取代率对再生混凝土的影响较大，如何改良骨料性能，将再生骨料更大比例地应用到新拌混凝土中具有重大的意义. 21世纪初，纳米改性材料作为一种具有纳米尺寸的超细材料逐渐受到人们的关注. 文献[7]采用纳米SiO2浸渍再生骨料的方式对再生骨料进行了改性处理，发现经纳米SiO2改性处理后的再生骨料混凝土力学性能明显改善，其强度与变形性能甚至与普通预拌混凝土相当. 可见通过研究纳米材料对骨料的改性从而改善再生混凝土的耐久性能在当下具有重大的意义. 本研究配制3组不同质量浓度(2%、 4%、 6%)纳米SiO2溶液将再生骨料浸渍不同时间(24、 36、 48、 60和72 h)，从而得出纳米SiO2强化效果的最优浓度和时间，并分析不同再生骨料取代率下Cl-扩散系数情况，得到纳米SiO2溶液对混凝土抗氯离子渗透性能方面具有强化作用.

1 实验材料与方法

1.1 原材料

水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为357 m2·kg-1，密度3 246 kg·m-3. 所用拌和水为福州市自来水. 细骨料采用福建省闽江细砂，表观密度为2 719 kg·m-3，细度模数为2.14. 减水剂为聚羧酸系高效减水剂，符合《混凝土外加剂(GB 8076—2008)》[8]和《混凝土外加剂应用技术规范(GB 50119—2013)》[9]的相关要求.

天然粗骨料为5～20 mm连续级配的碎石，经检测符合《建设用卵石、 碎石(GB/T 14685—2011)》[10]规范要求； 再生骨料来源于路面废弃混凝土，经破碎筛分为5～20 mm连续级配的再生骨料. 天然骨料及再生骨料性能指标见表1，可见再生粗骨料的表观密度、 堆积密度明显降低，压碎指标、 吸水率明显上升. 实验中纳米SiO2溶液采用有机硅溶胶和水按一定比例调配，配制浓度为2%、 4%、 6%的纳米SiO2溶液.

1.2 再生混凝土配合比设计

实验根据《普通混凝土配合比设计规程(JGJ 55—2011)》[11]、 《混凝土用再生粗骨料(GB/T 25177—2010)》[12]和《普通混凝土长期性能和耐久性能实验方法标准(GB/T 50082—2009)》[13]，以配制出实际强度达C30的混凝土试块为目标，保持粗骨料总占比不变，改变其中再生骨料和天然骨料的比例，进行配合比设计. 混凝土配合比及28 d混凝土立方体抗压强度见表2，其中NC表示普通混凝土，RAC50表示再生粗骨料取代率为50%的再生混凝土，其余同理.

表2 混凝土配合比和28 d混凝土立方体抗压强度

1.3 纳米SiO2溶液浸渍强化再生骨料实验

纳米SiO2溶液浸渍强化再生骨料实验采用3组骨料与3组不同浓度纳米SiO2溶液混合，完全浸没状态下浸泡24 h. 浸泡完毕后，骨料过筛筛除多余的粘稠纳米SiO2溶液. 在温度(20±2)℃、 相对湿度(64±5)%的条件下，骨料平铺在洁净干燥处风干3 d，期间定时翻动，至再生骨料处于自然均匀风干状态.

骨料强化风干后，按照规范《建设用卵石、 碎石(GB/T 14685—2011)》[9]测出各组骨料的吸水率、 表观密度、 压碎指标、 氯离子含量. 将处理前后再生粗骨料进行性能比较，确定强化处理最优浓度对再生粗骨料强化的影响程度及规律，得到纳米SiO2浸渍最优浓度. 再次配制最优浓度的SiO2溶液，对再生骨料分别进行浸渍24、 36、 48、 60和72 h的重复实验得出再生粗骨料的最优强化时间.

1.4 NEL法测定再生混凝土氯离子扩散系数实验

实验采用NEL法，研究三种再生粗骨料取代率(50%、 70%、 100%)对再生混凝土氯离子渗透性的影响. NEL法是基于离子扩散和电迁移的一种饱和电导率法[14]. 本研究选用砂率40%，考虑再生骨料吸水率较高，采用逐级增加减水剂用量，在用水量和坍落度不变的情况下，分散水泥颗粒，改善混凝土拌合物的流动性. 圆柱体试件浇筑成型，按照标准养护条件将试件养护28 d龄期后脱膜，用实验室切割机切成扁圆柱体试件，试件规格为直径100 mm，厚度50 mm. 实验取圆柱体试件中间部分的3块截面平整部分，采用三块一组，共五组. 试件放置到NELD-CCM型水泥砂浆智能真空饱水机中加入配制好并静置1 d的4 mol·L-1NaCl溶液，真空条件下饱盐24 h后，使混凝土试件中仅有氯离子作为导电离子.

将饱盐后的试件固定在NEL-PDU型氯离子扩散系数测定仪上测定氯离子扩散系数. 将试件固定在两个紫铜电极之间，在1～10 V的外加直流电场下对试件进行实验，短时间(10～15 min)内可测得试件两端的电压和流过试件的电流，计算出混凝土试件的电导率[5]. NEL法实验装置见图1.

图1 NEL-PDU型氯离子扩散系数测定仪Fig.1 NEL-PDU type chlorine ion diffusion coefficient meter

2 实验结果分析

2.1 纳米SiO2溶液浸泡再生骨料最优浓度

不同浓度处理的骨料压碎指标和吸水率以及表观密度情况见表3. 经过质量浓度为2%、 4%、 6%的纳米SiO2溶液浸泡24 h后，吸水率分别较未处理再生粗骨料降低了5.6%、 10.6%、 7.5%，可见经纳米SiO2溶液强化处理后，再生粗骨料的吸水率均有所降低，并随着纳米SiO2溶液的浓度增加，呈明显的先下降后上升的趋势，强化溶液浓度为4%时效果最优. 就压碎指标而言，RCA骨料经浓度为2%和6%的纳米SiO2溶液浸泡24 h后，较强化处理前分别升高了6.7%、 0.8%，而经浓度4%纳米SiO2溶液处理后，压碎指标降低了2.5%，呈现先下降后上升趋势，在溶液浓度为4%时压碎指标最小，骨料抵抗碎裂能力最强.对于氯离子含量，随着纳米SiO2溶液的强化浓度的增加，呈明显的先下降后上升的趋势，其自由氯离子含量较未强化处理再生粗骨料分别降低了53.1%、 54.7%、 54%. 对于表观密度，RCA骨料经不同浓度纳米SiO2溶液浸泡处理后，表观密度分别降低了0.49%、 0.41%、 0.68 %，考虑到再生骨料本身的表观密度基数大，表观密度在强化前后数据差别不大，不能很明显地反映强化效果.

综合比较分析可知，使用浓度为4%的溶液强化效果较好. 原因在于纳米硅溶胶能使再生骨料混凝土界面过渡区的孔隙结构变得更加致密[15]，而高浓度纳米SiO2溶液由于分子尺寸较小容易发生团聚效应，导致粒子性质发生改变[16]. 再者，考虑到纳米SiO2溶液的造价较高，选取4%浓度的该溶液作为本研究强化的最优浓度.

表3 不同浓度纳米SiO2溶液处理后骨料的物理性能指标

注： RCA-S4-24中RCA表示再生粗骨料，S4表示纳米SiO2溶液浓度为4%，24表示浸泡处理的时间为24 h，NA为天然骨料，余同

2.2 纳米SiO2溶液浸泡再生骨料最优浸渍时间

不同时间纳米SiO2溶液处理后骨料的物理性能指标见表4，骨料的表观密度随纳米SiO2溶液浸泡的时间增加呈现下降趋势，但变化范围不大，最低减少34 kg·m-3. 吸水率随着浸泡时间的增加先呈现下降趋势，随后又转为上升趋势，在24、 36 h两组吸水率分别较未处理再生粗骨料降低了10.6%、 12.5%，而48、 60和72 h组吸水率分别增加了0.6%、 8.6%、 5.8%，故在处理时间为36 h时为吸水率最佳组. 就压碎指标而言，纳米SiO2溶液强化后，降低了骨料的压碎指标，随着浸泡时间的增加先呈现下降趋势，随后又转为上升趋势，在24、 36、 48、 60和72 h的纳米SiO2溶液处理下，压碎指标分别降低了2.5%、 5.9%、 4.1%、 3.3%和0.8%，降低最显著的为RA-S4-36，36 h组为最优压碎指标组. 在骨料的氯离子含量随着浸泡时间的增加先呈现下降趋势，骨料中的自由氯离子含量分别降低了55.2%、 59.2%、 59.6%、 59.6%、 59.7%，降低最显著的为RA-S4-36. 说明随着处理时间的进一步增长，纳米SiO2溶液对骨料的强化作用由强到弱，60 h后强化效果改善并不显著，甚至吸水率指标反而大于未经处理的再生粗骨料. 这是由于在骨料强化前期，骨料的原始缺陷，内部孔隙较多，结构疏松，纳米SiO2溶液可以较容易地进入孔隙中； 浸泡强化后期，内部孔隙急剧减少，溶液内纳米SiO2分子难以继续渗透到骨料内部，导致后期强化效果降低.

综上对表观密度、 吸水率、 压碎指标的实验数据分析可知，36 h为最优的纳米SiO2溶液处理时间.

表4 不同时间纳米SiO2溶液处理后骨料的物理性能指标

注： RCA-S4-24中RCA表示再生粗骨料，S4表示纳米SiO2溶液浓度为4%，24表示浸泡处理的时间为24 h，NA为天然骨料，余同

2.3 混凝土氯离子扩散系数

由表5可知，RAC的氯离子扩散系数随再生骨料取代率的增大而增大，相比再生骨料取代率为0的天然骨料混凝土，当再生骨料为50%、 70%、 100%时，氯离子渗透系数分别增长到112.1%、 114.2%、 121.7%. 经纳米SiO2浸渍强化后的全再生骨料混凝土比天然骨料混凝土增长20%，相比骨料未经强化处理的再生骨料混凝土抗氯离子渗透系数增长100%[5]，增幅下降显著. 纳米SiO2溶液填补了再生骨料的空隙和裂缝，改善了再生骨料界面结构和密实性以及抗氯离子渗透性能.

表5 再生混凝土不同取代率下的氯离子扩散系数情况

3 结论

1) 再生骨料表面附裹老砂浆，具有较差的体积稳定性，其各项物理指标均不及天然骨料，纳米SiO2溶液浸渍再生骨料可提高再生骨料的物理力学性能.

2) 纳米SiO2溶液的强化作用有限，过低的浓度和过短的时间无法达到浸渍强化效果，过高的浓度和过长的时间则会降低强化作用. 浸渍时间过长可能导致浸渍前后吸水率不降反升. 本研究得到的最佳处理方式为4%浓度下浸渍强化36 h.

3) 由于再生粗骨料的缺陷，再生混凝土的强度下降，未经强化处理的再生混凝土的强度对比天然骨料混凝土有大幅度下降，但通过一定浓度和时间的纳米SiO2溶液浸渍强化后，可以显著改善其抗压性能，最多可提高46.6%，达到设计强度且几乎与天然骨料混凝土的强度接近.

4) 再生混凝土的抗氯离子渗透性能不如天然骨料混凝土. 氯离子扩散系数随取代率逐渐增大. 再生混凝土由于再生骨料自身老砂浆孔隙疏松和破碎整型过程中机器振动造成骨料内部微裂缝的增加以及新老砂浆间连接不紧密，导致氯离子渗透路径增加，抗渗性能下降. 经过纳米SiO2溶液改性后，抗氯离子渗透性能有一定程度的提高，最高可达21%.