硫酸盐侵蚀对纳米SiO2改性再生混凝土性能的影响

高 嵩,宫尧尧,班顺莉

(1.青岛理工大学土木工程学院,山东 青岛 266033;2.青岛理工大学蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心,山东 青岛 266033)

再生骨料是由建筑废料混凝土经过破碎、分拣、筛分等处理,满足一定强度要求的骨料颗粒,根据不同的粒径可以分为再生粗骨料和再生细骨料。由于再生粗骨料表面附着老砂浆,同时经过破碎后会产生微裂缝等缺陷影响再生粗骨料的强度,因此再生粗骨料需要进一步改性处理才能达到规定的强度要求。纳米材料因其优异的高活性性能,逐渐应用于混凝土材料中,目前广泛应用于混凝土中的纳米材料主要有纳米二氧化硅,纳米碳酸钙,纳米氧化铝,纳米三氧化二铁等[1]。肖建庄等[2]使用纳米SiO2对再生粗骨料预浸泡处理,发现再生粗骨料经改性后,表观密度和压碎指标基本不变,吸水率降低了1.28%。李振东等[3]在混凝土中掺入不同质量的纳米SiO2,发现纳米SiO2能够改善混凝土抗折、抗压强度,提高混凝土早龄期的水化速度;B.B.Mukharjee等[4]研究纳米SiO2对再生粗骨料混凝土界面过渡区和力学性能的影响,掺入3%的纳米二氧化硅能够增强再生混凝土的强度,纳米SiO2填充了界面过渡区和C-S-H结构中的空隙并降低Ca(OH)2的含量。由于再生粗骨料表面附着的老砂浆,与普通混凝土相比,再生混凝土含有更为复杂的界面过渡区,并且界面区处富集着大量Ca(OH)2,其疏松多孔的性质为侵蚀介质的传输提供便利的条件[5],纳米SiO2能够和混凝土内部的Ca(OH)2形成C-S-H凝胶,起到填充孔隙和微裂缝的作用[6]。为此,笔者通过纳米SiO2浸泡过的再生粗骨料制备再生混凝土,研究硫酸盐侵蚀对改性后的再生混凝土性能的影响。

1 试 验

1.1 试验原料及配合比

再生粗骨料:分别制备强度等级为C30、C60的原始混凝土标准养护28 d后,通过颚式破碎机破碎、筛分获得,标记为RCA30和RCA60,其粒径在4.75～26.5 mm,符合《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)的要求,颗粒级配如图1所示。

图1 再生粗骨料颗粒级配Fig.1 Gradation of recycled coarse aggregate particles

原始混凝土采用的水泥为山水集团P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,粗骨料采用粒径为5～25 mm连续级配的花岗岩碎石,细骨料采用细度模数为2.5的青岛平度产的河砂,减水剂采用减水率为25%的聚羧酸高效减水剂,水采用自来水。原始混凝土配合比及28 d立方体抗压强度如表1所示。

表1 原始混凝土配合比Table 1 Original concrete mix ratio

水泥:采用的是阿尔博牌52.5级白色硅酸盐水泥;细骨料:采用细度模数为2.5的青岛平度产的河砂;减水剂:采用减水率为25%的聚羧酸高效减水剂;水:自来水。再生混凝土的配合比如表2所示。由于再生粗骨料表面的附着浆体为灰色,制备再生混凝土用到的是白水泥,因此可以清晰的辨别出界面区的边界(见图2)。

表2 再生混凝土配合比Table 2 Recycled concretemix ratio

图2 多重界面区示意图Fig.2 Schematic diagram of interface area

1.2 试验方法

1.2.1 再生粗骨料修复方式

试验采用宁波博华斯纳米科技有限公司生产的纳米二氧化硅胶体溶液,溶液中二氧化硅质量分数为30%,平均粒径为10 nm,呈碱性。采用自然浸泡的方式[7]将再生粗骨料浸泡在质量分数为3%的纳米SiO2溶液中72 h,将其在自然状态下晒干,获取纳米SiO2浸泡改性处理的再生粗骨料,标记为Si-RCA30和Si-RCA60。

1.2.2 再生混凝土离子浸泡机制

简单破碎和纳米SiO2浸泡处理的再生粗骨料根据表2的配合比制备100 mm×100 mm×100 mm再生混凝土立方体试块,标准养护28 d后烘干至恒重,为保证侵蚀离子的一维传输,将再生混凝土试块的五个面用石蜡密封[8],然后将试块浸泡在质量分数为5%的Na2SO4溶液中30 d。每隔15 d更换一次溶液,保证溶液的离子浓度不变[9-10]。

1.2.3 再生混凝土测试方法

由于试验是对再生粗骨料进行修复,纳米SiO2主要作用于老骨料-老砂浆界面,为此,试验通过显微硬度仪测试老骨料-老砂浆界面区的显微硬度,并定量表征界面区的宽度,结合扫描电镜对界面区进行微观性能的分析。试样制备如下,利用双刀精密混凝土切割机将再生混凝土切取长宽高为100 mm×100 mm×10 mm的长方体试样,利用金相抛光机将其研磨、抛光,用以显微硬度的测试[12-13],老骨料-老砂浆界面及打点实图如图3所示。利用金相混凝土切割机切取10 mm×10 mm×10 mm混凝土试样,保证待侧面包含老骨料-老砂浆界面,除待观测面外其余各面用石蜡密封,将试样喷金、抽真空后用以SEM测试。

图3 显微硬度测试图Fig.3 Microhardness test chart

2 试验结果与分析

2.1 改性再生粗骨料的必要性

图4 侵蚀后老骨料-老砂浆界面区面扫面图Fig.4 Surface scan of the old aggregate-old mortarinterface after erosion

2.2 改性再生粗骨料的基本物理性能指标

表3为再生粗骨料改性前后的基本物理性能指标。由表3可知,再生粗骨料经纳米SiO2浸泡后,压碎指标、吸水率和空隙率有所降低,表观密度增大。与改性前相比,Si-RCA30和Si-RCA60压碎指标分别降低25.3%和23.8%,吸水率和空隙率则分别下降9.6%、10.0%和3.0%、5.4%,表观密度分别增加1.7%和0.2%,可以看出,纳米SiO2对压碎指标影响效果显著,且Si-RCA60表现出更优异的骨料性能。

表3 改性再生粗骨料基本性能指标Table 3 Basic performance indexes of modified recycled coarse aggregate

2.3 再生混凝土宏观性能分析

图5 再生混凝土抗压强度Fig.5 Recycled concrete compressive strength

图6 各层质量分数 fraction in each layer

2.4 再生混凝土界面过渡区显微硬度分析

图7 侵蚀前后RCA老骨料-老砂浆界面区显微硬度Fig.7 Microhardness of RCA old aggregate-old mortar interface before and after erosion

2.5 改性后再生混凝土界面过渡区微观分析

图8为利用Si-RCA30制备的再生混凝土浸泡30 d后老骨料-老砂浆界面的面扫描图。

图8 改性再生混凝土老骨料-老砂浆面扫描图Fig.8 Scanning diagram of old aggregate-old mortar surface of modified recycled concrete

3 结 论

(1)未改性前,老骨料-老砂浆界面处有大量的S元素富集,说明界面过渡区是侵蚀介质的主要通道,对再生粗骨料修复以改善再生混凝土的性能是必要的。

(3)对于低强度等级RCA30,纳米SiO2溶液浸泡对老骨料-老砂浆界面有更为显著的改性效果,改性后界面区的显微硬度值增加17%～29.5%,宽度减小14.8%,这与RCA30改性前后制备的再生混凝土抗压强度变化率大的试验结果相符。