再生粗骨料混凝土改性增强技术试验研究

刘 腾,潘 虹,罗 滔,华 成

(西京学院 陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室,陕西 西安 710123)

0 引 言

随着中国经济和社会的进步,城镇化发展迅速,在新建、改建、扩建和拆除各类房屋建筑和市政基础设施过程中,产生了大量建筑垃圾。目前主要采用填埋、露天堆放等方式处理建筑垃圾,导致土地资源紧张,地下水、土壤、空气污染,砂石紧缺等问题,危害生态环境和人民健康。

近年来,刘超等[1]以砖混结构建筑拆卸下来的混凝土块为原材料制备C3O再生粗骨料混凝土,利用正交设计方法,对再生骨料的水灰比、取代率以及砂率进行了分析。张晓华等[2]通过大量文献整理综述分析得到国内再生骨料混凝土研究现状和发展趋势,为后续研究提供理论参考。梁炯丰等[3]在对再生细骨料(废砖)混凝土进行研究的过程中,分析了在不同取代率下的弹性模量、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度以及立方体抗压强度的变化状况,运用统计回归法明确上述指标之间的实际关系。然而,经过简单破碎得到的再生粗骨料存在表面粗糙不平、棱角过多且残留大量旧水泥砂浆、吸水率过高、压碎指标过大等缺陷,导致再生骨料各方面性能不如天然骨料。因此,需要对再生骨料或再生混凝土进行改性增强,以扩大其应用领域和保证工程安全。

王忠星等[4]发现通过对再生骨料进行机械打磨处理可提高其劈裂抗拉和抗弯强度。赵海鑫等[5]采用微波加热强化再生骨料的方法,使再生骨料的压碎指标和吸水率得到了改善。肖建庄等[6]采用微波加热的方式对再生粗骨料进行改性处理,以去除附着于再生粗骨料上的旧砂浆,改善再生粗骨料混凝土的力学性能。以上研究都是将混凝土破碎后的再生粗骨料进行改性,通常存在粗骨料损伤大、机械磨损严重和能耗高等弊端。于凯[7]使用3%浓度的盐酸溶液浸泡再生骨料2 h,改善了骨料的吸水率和压碎指标,使再生混凝土的抗压强度得到提高。杨飞华等[8]使用3%浓度的水玻璃溶液浸泡再生粗骨料,使再生混凝土抗压强度及抗冻性能均有所提高。徐开东等[9]发现采用30%浓度的水玻璃溶液和0.75%浓度的纳米碳化硅溶液处理再生骨料可以填充内部微裂纹,使表面粗糙度得到改善。陈欣等[10]通过采用掺有硅灰和矿粉的水泥浆对再生骨料进行包浆处理,使再生混凝土的力学性能和耐久性得到了提高。叶哲[11]采用活性材料裹浆法和浸泡法两种改性手段对再生粗骨料及混凝土的改性效果进行了分析。然而,上述研究仅对水玻璃改性再生混凝土的抗压强度、抗冻性能及微观形貌进行了研究,未能揭示再生粗骨料混凝土改性增强的细观机理,以及水玻璃改性混凝土抗压强度和孔隙率之间的关系。此外,与传统孔隙测试手段压汞法相比[12],利用核磁共振技术测量混凝土孔隙的变化规律,具有所需样品量少、无破坏性等优点。现有手段也仅为初步尝试,尚未大规模应用于工程实践,考虑到经济成本因素,需要继续探索经济可行的再生粗骨料改性增强手段。

本文分别采用物理与化学的方式对再生骨料混凝土进行改性:① 用微波加热的方式对混凝土试件进行改性,削弱混凝土强度,更好地促进再生粗骨料的回收与利用。② 将水玻璃溶液浸泡改性后的再生骨料制备再生混凝土,测试其抗压强度。然后通过再生混凝土微细观结构试验揭示改性增强的细观机理,以期为再生混凝土改性增强提供新的思路,加大其推广应用。

1 试验设计

1.1 试验原材料及配合比

试验水泥采用陕西省咸阳市礼泉海螺水泥厂生产的海螺牌P·O42.5普通硅酸盐水泥,物理性质和化学性能分别如表1和表2所示。粉煤灰采用陕西渭河电厂生产的一级粉煤灰,平均粒径为12.71 μm,化学性质如表2所示。

表1 普通硅酸盐水泥的物理性质Tab.1 Physical properties of ordinary portland cement

表2 普通硅酸盐水泥及粉煤灰的化学成分Tab.2 Chemical composition of ordinary portland cement and fly ash %

砂为级配良好的中砂,细度模数为2.66,表观密度为2 630 kg/m3,堆积密度为1 480 kg/m3。粗骨料采用建筑废弃混凝土经机械破碎后的再生粗骨料,表观密度为2 835 kg/m3,堆积密度为1 720 kg/m3。粒径分布如图1所示。

图1 砂和再生粗骨料的粒径分布Fig.1 Particlesize distribution of sand and recycled coarse aggregate

减水剂由陕西沁芬建筑材料有限公司(中国渭南)生产,物理性质如表3所示。

表3 减水剂的物理性质Tab.3 Physical properties of water reducer %

水玻璃溶液密度为1 394 kg/m3,氧化钠含量为9.50 %,二氧化硅含量为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 试件的制备及试验方法

根据配合比制备微波加热的试件,尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。将成型后的试件放入温度为(20±2) ℃、湿度为95%以上的标准养护室,养护至28 d龄期后取出。取出后置于水中浸泡至饱和。将饱和状态的混凝土试件放入微波炉(1 000 W)中加热,根据不同的加热时间分为5组,分别为0,20,40,60 min和80 min。每组取3个试件,使用由山东中仪仪器有限公司生产的型号为WAW-1000D的微机控制电液伺服万能试验机分别测试其立方体抗压强度。

称取若干再生粗骨料烘干,取10组7 kg再生粗骨料,分别置于不同浓度水玻璃溶液中浸泡不同时间,分别为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。到达时间后,取出再生粗骨料进行干燥,依据配合比制备混凝土试样。将试样标准养护至28 d龄期后取出,每组取3个试块使用万能试验机分别测试其立方体抗压强度。此外,每组各取1个试块浸泡至饱和,使用由苏州纽迈公司生产的型号为MacroMR12-150H-I的核磁共振微结构分析与成像系统采集CPMG脉冲序列数据,生成T2谱,得到混凝土的孔隙度和孔径分布情况。试验流程如图2所示。

图2 试验流程Fig.2 Test flow chart

1.3 试验原理

传统加热的原理是热传递,而微波是以电磁波形式存在,可深入材料内部,是由电磁能转化为热能的过程[13],与传统加热有本质上区别。本文对再生粗骨料混凝土进行微波加热,是针对传统混凝土破碎技术存在的粗骨料损伤大、机械磨损严重和能耗高等弊端,采取了在破碎前对混凝土进行微波处理的方法。

水玻璃主要成分为硅酸钠,是一种可溶性的碱金属硅酸盐材料。水玻璃对再生骨料的改性原理是水玻璃硬化时析出的硅酸钙凝胶体可改善再生骨料孔隙结构,使混凝土内部结构更致密。

2 结果与讨论

2.1 微波加热对抗压强度影响

图3为经过不同微波加热时间后的混凝土28 d龄期立方体抗压强度对比。由图3可知,与不加热(微波加热0 min)相比,当微波加热20,40,60 min和80 min时,混凝土立方体抗压强度分别降低了4.7%,8.7%,9.6%和11.8%。随着微波加热时间的增加,混凝土立方体抗压强度呈现逐渐下降趋势。这是因为硅酸盐水泥混凝土是固、液和气相混合体,在超过100 ℃高温下,液相水会被汽化产生膨胀,导致表面爆裂和内部结构损伤。同时,高温会使部分水化产物(如硫铝酸钙、钙矾石)分解。在这两种破坏作用下,混凝土抗压强度(包括抗拉、抗弯强度)就会降低。因此,微波加热可削弱混凝土强度,有助于混凝土更好地破碎,进一步分离骨料和砂浆[14],从而在再生粗骨料中挑选出砂浆附着率低的完整骨料,用来制备再生混凝土。

图3 不同微波加热时间的混凝土抗压强度Fig.3 Compressive strength of concrete under different microwave heating time

2.2 水玻璃改性对抗压强度影响

图4为经过不同浓度水玻璃溶液浸泡不同时间后的混凝土28 d龄期立方体抗压强度对比。由图4可知,与不浸泡(浸泡时间0 min)对比,当水玻璃溶液浓度和浸泡时间分别为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时,混凝土立方体抗压强度分别提高了6.1%,7.1%,-4.0%,7.1%,20.2%,6.1%,3.1%,6.1%和-2.0%。随着浸泡时间的增加,同一浓度水玻璃溶液浸泡的混凝土的立方体抗压强度呈先增大后减小的趋势。随着水玻璃溶液浓度的增加,同一浸泡时间的混凝土立方体抗压强度呈先增大后减小的趋势。其中,当水玻璃溶液浓度和浸泡时间为5% 60 min时,混凝土立方体抗压强度增长幅度最大。但当水玻璃溶液的浓度加大或浸泡时间延长后,再生骨料表面以及骨料孔中已水解的水玻璃产物也增多,这些产物在填充和黏结骨料孔隙和裂缝的同时,也在再生骨料表面形成了一层包浆层,包浆层厚度随水玻璃溶液的浓度加大或浸泡时间的延长而增加[15],有可能减小再生骨料表面的粗糙程度从而减弱水泥浆与再生骨料的咬合程度。因此,再生骨料的强度随水玻璃溶液的浓度加大或浸泡时间延长,增长幅度出现下降趋势。这一结论与Zhang等人[16]的研究结果一致。

图4 不同浓度水玻璃溶液中浸泡不同时间的混凝土抗压强度Fig.4 Compressive strength of concrete soaked in different concentrations of water glass solution for different time

2.3 水玻璃改性对T2谱变化规律影响

通过核磁共振试验,可得到经过不同浓度水玻璃溶液浸泡不同时间后的混凝土T2谱如图5所示。

图5 水玻璃改性混凝土的T2谱变化规律Fig.5 Change rule of T2 spectrum of water glass modified concrete

弛豫时间T2分布与孔隙尺寸相关。孔径越小,存在于孔隙中的水受到的束缚程度越大,弛豫时间越短;孔径越大,存在于孔隙中的水弛豫时间越长[17]。由图5可知,经过不同浓度的水玻璃溶液浸泡不同时间后,混凝土T2谱共包括3个弛豫峰,其中,1号峰的峰面积最大。随着浸泡时间的增加,经3%浓度水玻璃溶液浸泡的混凝土T2谱总面积呈现减小趋势,1号峰、2号峰、3号峰面积均呈现减小趋势。经5%浓度水玻璃溶液浸泡的混凝土T2谱总面积呈现先减小后增大的趋势,1号峰的峰面积呈现先减小后增大趋势,2号峰的峰面积呈现先增大后减小趋势,3号峰的峰面积呈现增大趋势。经7%浓度水玻璃溶液浸泡的混凝土的T2谱面积呈现先减小后增大的趋势,1号峰、2号峰、3号峰的峰面积均呈现先减小后增大趋势。随着水玻璃溶液浓度的增加,经浸泡时间为30 min的混凝土的T2谱面积呈现先减小后增大的趋势,1号峰、2号峰的峰面积呈现先减小后增大的趋势,3号峰的峰面积呈现减小的趋势。经浸泡时间为60 min和360 min的混凝土的立方体T2谱面积也呈先减小后增大的趋势,1号峰的峰面积先减小后增大,2号峰、3号峰的峰面积先增大后减小。

2.4 水玻璃改性对孔隙率及孔径分布影响

表5显示了水玻璃改性混凝土的总孔隙率与孔径分布。由表5可知,当水玻璃溶液浓度和浸泡时间分别为3% 360 min、7% 360 min时,水玻璃改性混凝土的总孔隙率高于对照组(0% 0 min),其余7组的总孔隙率均低于对照组。在水玻璃溶液浓度相同时,随着粗骨料浸泡时间的增加,总孔隙率呈现先减小后增大的趋势。当水玻璃浓度为5%、浸泡时间为60 min时,总孔隙率最小,说明经适宜浓度的水玻璃溶液浸泡适宜时间,可减小再生骨料之间的孔隙。

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

通过核磁共振测试得到的混凝土内各等级孔径的比值是连续的且跨越多个数量级,不同学者对各种类型孔的界定范围都提出了各自的分类方法[18-21],在本研究中,将孔隙划分为大孔(>1 000 nm)、中孔(100～1 000 nm)和毛细孔(0～100 nm)。由表5可知,将孔径分布划分为大孔、中孔以及毛细孔3类以后,经过水玻璃浸泡的再生粗骨料混凝土的大孔占比都有所减少,而中孔及毛细孔总体占比均有所增加,从而细化了混凝土中的孔隙结构。当水玻璃浓度为5%浸泡时间为60 min时,大孔占比最少,这是由于水玻璃对再生骨料的改性可能是水玻璃硬化时析出的硅酸凝胶,堵塞再生骨料的大孔,或将再生骨料本身的微细裂纹粘合,从而改善再生骨料孔隙结构,降低了混凝土总孔隙率。

2.5 水玻璃改性混凝土抗压强度和孔隙率的关系

图6显示了水玻璃改性混凝土抗压强度和孔隙率之间相关性的回归分析结果,线性拟合后R2为0.992。立方体抗压强度和孔隙率呈现良好的线性关系,且立方体抗压强度与孔隙率成反比。这与其他研究的结果一致[22]。事实上,普遍认为混凝土的力学性能取决于孔隙结构,并且大孔的体积分数比小中孔的体积分数对胶凝材料的力学性能有更大的影响。

图6 抗压强度和孔隙率的关系Fig.6 Relationship between compressive strength and porosity

3 结 论

本文测试了不同微波加热时间的混凝土以及再生骨料在不同浓度、不同时间水玻璃溶液的浸泡后制成的再生混凝土的抗压强度,并利用低场核磁共振技术分析了水玻璃改性再生混凝土的孔隙率及孔隙分布,得到以下主要结论。

(1) 随着微波加热时间的增加,微波加热改性再生混凝土的抗压强度逐渐降低。

(2) 随着浸泡时间的增加,同一浓度水玻璃溶液浸泡的混凝土立方体抗压强度呈先增大后减小的趋势。当水玻璃浓度为5%、浸泡时间为60 min时,抗压强度达到最大值。

(3) 适宜浓度的水玻璃溶液浸泡适宜的时间,可减小再生骨料之间的孔隙,细化水玻璃改性再生混凝土的孔隙结构。