纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对再生骨料自密实混凝土力学性能与耐久性的影响*

武 亚,夏 芬,揭双全,陈兰生,邵 帅,马 聪

(1.深圳市建安(集团)股份有限公司,广东 深圳 518040; 2.深圳大学,广东 深圳 518060)

0 引言

随着我国城镇化进程的不断加快,大量旧建筑物被拆除,由此每年产生的建筑垃圾(主要是废混凝土)总量达4.8亿t[1-2]。如此大量的废混凝土不仅占用大量土地,且已引起严重的环境问题。对混凝土进行循环再利用,即再生混凝土技术,通常被认为是解决废混凝土问题最有效的措施[3-6]。但目前再生混凝土技术在实际工程中的应用较少。这主要是因为,与天然骨料相比,再生骨料(RCA)存在表观密度低、孔隙率高、表面粗糙、吸水率高、压碎值高和微裂缝多等缺点,因此导致再生混凝土的拌合用水量大、体积收缩大、力学性能差和耐久性差[7-11],从而限制了其在工程中的应用。

目前国内外研究人员采用不同的物理化学技术改善RCA性能,主要是增强RCA表面性能,从而增强水泥砂浆与RCA间的界面过渡区(TZE)[12-14]。这主要包括采用机械法、酸浸泡法、微波加热法去除RCA表面旧砂浆,使用火山灰材料包裹RCA,利用聚合物和硅酸钠溶液来增强RCA性能[15-19]。这些传统处理方法不仅能耗大、成本高,且对强度和耐久性的改善程度有限。因此迫切需更有效且环保的方法来增强RCA的性能。

纳米复合材料CSH-PCE是由聚羧酸减水剂(PCE)处理人工合成的纳米水化硅酸钙晶体(CSH)得到的具有高分散性的纳米CSH-PCE晶核溶液[20]。CSH-PCE可作为CSH理想的成核基质,现有研究表明[21],低掺量的CSH-PCE(1%左右)可显著提高水泥早期水化反应,且对粉煤灰和矿渣等矿物掺合料的二次水化也有一定促进作用,同时还能提高混凝土的长期性能,文献[22-23]表明,在混凝土中掺入水泥质量1%的纳米CSH-PCE溶液可明显提高混凝土的抗氯离子渗透性,降低毛细吸水率,同时碳化深度和抗冻性也有明显提高。因此使用CSH-PCE处理RCA,可显著提高RCA表面CSH的成核位点,从而使RCASCC的TZE显著增强,强度和耐久性得以提升。此外CSH-PCE使用量低,具有较大的经济优势。

自密实混凝土(SCC)组成材料与传统混凝土相同,但由于其含有大量石灰石粉和粉煤灰等矿物掺合料,减水剂用量较大,最大粗骨料粒径更小,使SCC比普通混凝土有更好的工作性能[24-26]。目前对SCC的研究主要集中在增强SCC工作性能和提升其自收缩性能,且研究较完善;但对于再生骨料自密实混凝土(RCASCC)的性能研究较少。利用纳米CSH-PCE溶液强化RCA制备自密实混凝土,不仅能实现废混凝土的循环利用,降低自密实混凝土成本,且还能提高自密实混凝土自收缩性能,因此RCASCC具有广阔的应用前景。

为探究纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对再生骨料自密实混凝土力学性能与耐久性的影响,使用纳米CSH-PCE溶液处理RCA,制备再生骨料自密实混凝土,测试其抗压强度、抗气体渗透性、抗氯离子渗透性、毛细吸水性能、抗冻融性,并结合扫描电镜(SEM)分析强化再生骨料对再生骨料自密实混凝土性能的影响机理。研究结果可为再生骨料自密实混凝土的应用提供参考。

1 试验设计

1.1 原材料

水泥(C)采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥,细骨料(S)采用细度模数为2.4的河砂。再生粗骨料级配如表1所示,再生骨料选用连续级配的破碎废混凝土块,废混凝土块取自深圳市某工地旧建筑物拆除的旧混凝土,其经颚式破碎机2次破碎后再经人工筛分得到再生骨料(见图1),其表观密度为 1 500kg/m3, 压碎值为14.34,吸水率为3.33%。矿物掺合料采用高级粉煤灰(FA)及石灰石粉(LP),表观密度为2 630kg/m3,比表面积为573m2/kg,中值粒径为6.77μm。纳米CSH-PCE溶液平均粒径为24.8nm,浓度为20%,为白色悬浊液。聚羧酸高效减水剂(SP)的减水率33%,拌合水为纯净自来水。

图1 试验所用废弃混凝土再生骨料Fig.1 Waste concrete recycled aggregate used in the test

表1 再生粗骨料级配Table 1 Regenerated coarse aggregate gradation

1.2 混凝土配合比及制备

为研究纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对再生骨料自密实混凝土性能的影响,本试验使用不同浓度纳米CSH-PCE溶液处理的RCA取代天然骨料制备再生骨料自密实混凝土,参考JGJ/T 283—2012《自密实混凝土应用技术规程》进行配合比设计,通过试验调整,最终确定的 RCASCC配合比如表2所示。试验中使用的纳米CSH-PCE溶液浓度为1%,3%,5%,7%,10%,15%和20%。将浓度为20%纳米CSH-PCE溶液使用实验室自来水进行稀释,将稀释后的纳米CSH-PCE溶液均匀喷洒到样品的表面,对照组喷洒试验室自来水。首先将喷头固定在再生骨料上方,每次喷雾后,轻轻转动样品,以使每次喷雾均匀地散布在再生粗骨料表面(见图2)。喷洒在再生粗骨料上的液体质量为再生骨料的吸水值。为使喷洒在再生骨料表面的纳米CSH-PCE溶液被充分吸收,喷洒后的再生骨料在温度为20℃,湿度为40%的试验室静置24h,然后浇筑RCASCC。

图2 纳米CSH-PCE溶液喷洒再生粗骨Fig.2 CSH-PCE solution sprayed to regenerate coarse aggregate

表2 再生骨料自密实混凝土配合比设计Table 2 Mix proportions of RCASCC

1.3 测试方法

1.3.1RCASCC工作性能测试

参考《自密实混凝土应用技术规程》,对不同浓度纳米CSH-PCE溶液处理的RCA制备的RCASCC试件进行工作性能测试,测试指标分别为坍落扩展度、扩展时间T50、V形漏斗流出时间TV。

1.3.2RCASCC抗压强度测试

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》要求,分别在 1d 和 28d 时进行抗压强度试验,试件尺寸为 100mm×100mm×100mm,加载速度为 0.15mm/min。

1.3.3气体渗透性测试

试件进行标准养护28d后,根据JTJ 270—1998《水运工程混凝土试验规程》,在(20±1)℃,(60±2)% RH的空气介质下,对经60℃干燥3d的φ100×50圆柱体试件进行气体渗透性测试,以3块混凝土测试值作为结果,其余测试细节可见文献[23-24]。气体渗透系数G计算如下:

(1)

式中:V为气室与管道总体积;td为透气时间;L为试件厚度,值为0.05m;A为渗透面积,值为7.85×10-3m2。

1.3.4RCASCC抗氯离子渗透性测试

根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》,使用快速迁移法试验评估抗氯离子渗透能力,快速迁移试验是通过外部电场加速氯离子渗透的非稳态迁移试验,采用φ100×50圆柱体进行抗氯离子渗透试验。试件在标准养护室中养护至28d龄期取出后,在真空状态下浸泡在Ca(OH)2溶液中。根据初始电压为30V,调整试验施加电压。整个试验过程中,试件底面浸没在10%的氯化钠溶液中,试件表面浸没在0.3mol/L的NaOH溶液中,待试验持续时间为24h后,将试样通过压力试验机劈裂,一分为二后,立即在试件断口表面喷洒0.1mol/L 的 AgNO3溶液。约15min后,测定氯离子的渗透深度。

1.3.5RCASCC毛细吸水测试

根据 ASTM C1585 进行毛细吸水测试,试件尺寸为φ100×50。达到28d龄期的试件经60℃干燥至恒重后,用石蜡密封试件侧面,测试其接触水后质量增量占干质量的百分比,共有以下浸水龄期:0min,1min,5min,10min,30min,1h,2h,3h,4h,5h,6h,1d,2d,4d,5d,6d,7d,8d。吸附系数S计算如下:

(2)

式中:i为流入面单位面积吸水量(mm3/mm2); Δw为吸水质量(g);A为吸水面积;ρw为水的密度,998.206 3kg/m3;b为截距;t为浸泡时间;S为吸附系数(mm3/mm2/s1/2)。

1.3.6RCASCC抗冻融试验

快速冻融试验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。试件尺寸为100mm×100mm×400mm ,试件达到龄期的前4d,将试件从标准养护室中取出,浸入水中浸泡4d,使其饱和,测量初始质量和弹性模量。试验过程中,将试样放入加水的橡胶箱中,冻融机循环温度为(-18±2)℃～(5±2)℃,采用冻融前后的质量变化和相对动态弹性模量(Erd)评价试件的抗冻融性能。

1.3.7扫描电镜(SEM)

取标准养护28d混凝土内部片状硬化混凝土浆体进行SEM(Quanta FEG 250)形貌观察。

2 结果与讨论

2.1 纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对RCASCC工作性能的影响

不同浓度纳米CSH-PCE溶液处理的再生骨料对RCASCC的坍落扩展度、TV,T50的影响如图3所示。由图3可知,经处理的再生骨料制备的RCASCC坍落扩展度、TV,T50均能满足《自密实混凝土应用技术规程》对二级自密实混凝土工作性能的要求。与对照组C0相比,纳米CSH-PCE溶液处理的再生骨料对RCASCC的坍落扩展度影响并不明显。对照组坍落扩展度为660mm,7%浓度的纳米CSH-PCE溶液处理的再生骨料对RCASCC的坍落扩展度影响最大,但仅使其下降了1.5%。纳米CSH-PCE颗粒能提高RCASCC的塑性黏度,但RCASCC的TV,T50并未随着纳米CSH-PCE浓度提高而发生明显变化,这可能是因为CSH-PCE的用量较少,因此对浆体塑性黏度影响有限。综合来说,纳米CSH-PCE溶液处理的再生骨料对RCASCC的工作性能影响并不明显,本试验RCASCC的各项工作性能指标均能满足规范要求。

图3 纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对RCASCC坍落扩展度、TV,T50的影响Fig.3 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with the solution on the extensibility, TV and T50 of RCASCC

2.2 纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对RCASCC力学性能的影响

RCASCC龄期为1d和28d的抗压强度值如图4所示。与对照组(未使用纳米CSH-PCE溶液处理)相比,可知一定浓度范围内纳米CSH-PCE溶液处理的再生骨料可明显提高RCASCC 1d和28d的抗压强度。随着纳米CSH-PCE溶液浓度从1%增加到20%,RCASCC 1d和28d的抗压强度均先增大后减小,其中C7组混凝土的抗压强度值最大,1d和28d强度分别提高了45%和12.8%。纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对RCASCC的早期强度提升更明显。当纳米CSH-PCE溶液浓度从 1%增加到7%,RCASCC强度增长率从27%提高到了45%。这主要是因为分布于再生骨料表面的纳米CSH-PCE溶液可为水泥水化提供大量的成核位点,从而促进水泥的早期水化,同时纳米CSH-PCE也具有较好的填充效果,可增强RCASCC的界面过渡区,使其力学性能明显提高。

图4 纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对RCASCC抗压强度的影响Fig.4 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with a solution on compressive strength of RCASCC

但处理再生骨料的CSH-PCE溶液浓度不宜过高,当溶液浓度超过 7%时,RCASCC 1d 和28d的抗压强度提高幅度均略有降低。当溶液浓度过高时,可能使大比表面积的纳米CSH-PCE溶液中晶核颗粒易发生团聚,从而不能在再生骨料与新浆体之间的界面处发挥其作为晶核的作用,达不到增强再生骨料与新浆体之间界面过渡区的作用。

2.3 纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对RCASCC耐久性影响

2.3.1气体渗透性

处理再生骨料纳米CSH-PCE溶液浓度对RCASCC气体渗透性的影响如图5 所示。由图5可知,与对照组相比,C1,C3,C5,C10,C15和C20的气体渗透系数分别降低了7.3%,17.8%,24.0%,48.9%,43.7%,42.6%和39.3%。其中处理再生骨料纳米CSH-PCE溶液浓度为7%时,RCASCC的气体渗透系数降低幅度最大。经纳米CSH-PCE溶液处理过的再生骨料可有效降低RCASCC的气体渗透性,这主要是纳米CSH-PCE溶液处理的再生骨料和新水泥浆之间的界面过渡孔结构得到了细化,提高了RCASCC的密实度,从而不利于气体在RCASCC基体中的渗透性。这表明,CSH-PCE溶液处理再生骨料能有效提高RCASCC的抗气体渗透性能。

图5 纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对RCASCC气体渗透性的影响Fig.5 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with a solution on gas permeability of RCASCC

2.3.2氯离子渗透性

对28d龄期的RCASCC进行RCM试验,探究纳米CSH-PCE溶液浓度对RCASCC氯离子扩散的影响,结果如图6所示。由图6可知,与对照组相比,C1,C3,C5,C7,C10,C15和C20的氯离子扩散系数分别降低了5.9%,10.9%,13.9%,42.5%,40.7%,34.5%和16.2%,其中处理再生骨料纳米CSH-PCE溶液浓度为7%时,RCASCC氯离子扩散系数降低幅度最大。经纳米CSH-PCE溶液处理的再生粗骨料能有效降低RCASCC的氯离子扩散系数,原因可能是经纳米CSH-PCE溶液处理的再生粗骨料,促进了再生骨料和新水泥浆体之间界面过渡区的水泥水化,增强了再生骨料和新水泥浆体之间的界面过渡区,改变了氯离子在混凝土中扩散的途径,降低了RCASCC氯离子扩散系数。

图6 纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对RCASCC氯离子扩散性的影响Fig.6 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with the solution on the diffusion of chloride ions in RCASCC

2.3.3毛细吸水性

对28d 龄期的RCASCC 进行毛细吸水试验,探究处理纳米CSH-PCE溶液浓度对RCASCC的毛细吸水量和毛细水吸附系数的影响,结果如图7所示。由图7可知,纳米CSH-PCE溶液浓度从0%增加到20%,RCASCC毛细吸水量和毛细吸附系数均先降低再增大;与对照组相比,C1,C3,C5,C7,C10,C15和C20毛细吸水量分别降低了16.4%,22.4%,28.6%,55.4%,49.0%,42.7%和35.6%;其中纳米CSH-PCE溶液浓度为7%时,RCASCC毛细吸水量和毛细吸附系数降低幅度最大。经纳米CSH-PCE溶液处理的再生粗骨料可有效降低再生混凝土的毛细吸水量和毛细吸附系数,这可能是因为纳米CSH-PCE溶液处理的再生骨料和新浆体间界面过渡区的孔结构得到细化,提高了RCASCC的密实度,从而有效阻碍了毛细水的渗透途径,降低了RCASCC的毛细吸水量和毛细吸附系数,从而提高了其耐久性。

图7 纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对RCASCC毛细吸水量和毛细吸附系数的影响Fig.7 Effect of recycled aggregate in CSH-PCE treated with the solution on capillary absorption and capillary adsorption coefficient of RCASCC

2.3.4抗冻融性

混凝土冻融过程中的质量损失率和相对动弹性模量随冻融循环次数的变化规律如图8所示。试验结果表明,纳米CSH-PCE 溶液处理的再生骨料能有效降低RCASCC在冻融循环过程中的质量损失和相对动弹性模量损失,说明纳米CSH-PCE溶液处理的再生骨料能有效提高RCASCC的抗冻融性能。其中处理再生骨料的纳米CSH-PCE 溶液浓度为 7%时,降低RCASCC冻融循环过程质量损失率和相对动弹性模量损失最显著。经纳米CSH-PCE溶液处理的再生骨料制备的RCASCC的抗冻性能得到改善,这可能是因为经纳米CSH-PCE 溶液处理的再生骨料能促进再生骨料与新水泥浆体之间界面处水化产物的形成,孔结构得到细化,孔隙率降低,增强了RCASCC中的薄弱部位和密实度,从而使RCASCC能经受冻融循环过程中产生的应力应变,提高了RCASCC的抗冻性能。

图8 RCASCC质量损失率及相对动弹性模量随冻融循环次数变化Fig.8 Variation of the mass loss rate and relative dynamic elastic modulus of RCASCC with the number of freeze-thaw cycle

2.4 纳米CSH-PCE溶液处理再生骨料对RCASCC影响机理分析

C0,C5,C7,C10的再生骨料与新水泥浆体间的界面SEM图如图9所示。由图9可知,对照组C0的SEM图可明显观察到再生骨料与新浆体间的连结存在较大的孔隙,而C5,C7和C10的再生骨料与新浆体之间虽也存在孔隙,但与对照组的孔隙相比,孔隙大小得到了明显改善。C7的SEM图可明显观察到再生骨料与新水泥浆体间最紧密,经纳米CSH-PCE 溶液处理过的再生骨料与新水泥浆体间的孔隙结构得到细化,再生骨料与新浆体之间连结更紧密,增强了再生混凝土的密实性。

图9 SEM图Fig.9 SEM image

3 结语

1)本文试验中通过对再生骨料喷洒纳米CSH-PCE 溶液,由经处理的再生骨料制备的RCASCC工作性能均能满足相关规范对自密实混凝土各项参数的要求,且力学性能和耐久性均得到了提高。

2)处理再生骨料纳米CSH-PCE 溶液浓度从1%增加至 20%,RCASCC的抗压强度先增大后减小,当纳米CSH-PCE 溶液浓度为 7%时,RCASCC的抗压强度提高幅度最大,C7组再生混凝土1d和28d抗压强度分别提高了45%和12.8%。

3)处理再生骨料纳米CSH-PCE 溶液的浓度不宜过高或过低。当处理再生骨料的纳米CSH-PCE 溶液浓度过高时,晶核颗粒易发生团聚,从而不能在再生骨料与新浆体之间发挥其作为晶核的作用,起不到增强再生骨料与新浆体间界面过渡区的作用;当纳米CSH-PCE 溶液浓度过低,水化产物的成核位点少,起不到增强再生骨料与新浆体之间界面过渡区的作用。

4)纳米CSH-PCE溶液处理的再生骨料可显著提高RCASCC的抗压强度,主要是CSH-PCE处理的再生骨料,在与新浆体接触的界面提供成核位点,促进水泥水化生成更多的水化产物,从而提高RCASCC的抗压强度。且晶核颗粒粒径较小,能填充再生骨料与新浆体之间界面过渡区的孔隙,使基体更密实,增强了再生骨料与新水泥浆体之间的界面过渡区,从而提高了RCASCC的抗压强度和耐久性能。