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.pdf

为了提高再生骨料在自密实混凝土中的利用率，对纳米 溶液处理的再生骨料对再生骨料自密实混凝土（）的工作性能、抗压强度、抗气体渗透性、抗氯离子渗透性、毛细吸水、抗冻融性的影响进行试验研究，并结合扫描电镜探讨了纳米 溶液作用的微观机理。结果表明：纳米 溶液处理的再生骨料对 的工作性能影响较小，能有效提升其抗压强度和耐久性能。随着处理再生骨料的纳米 溶液浓度从 升高至，再生自密实混凝土的抗压强度先增大后减小。当纳米 溶液浓度为 时，再生混凝土的 抗压强度达到最大值。其原因是再生骨料表面的纳米 晶核颗粒为再生骨料与新浆体之间的界面提供成核位点，促进水泥水化，且晶核颗粒粒径很小，可填充界面过渡区的孔隙，使基体结构更密实。关键词 混凝土；再生骨料；纳米 溶液；自密实；强度；耐久中图分类号 文献标识码 文章编号（）国家重点研发计划：陆路交通基础设施耐久性提升关键技术（）作者简介 武 亚，高级工程师，：收稿日期 ，（），；，）：，（），：；武 亚等：纳米 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 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 亿。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。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（）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，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 性能，主要是增强 表面性能，从而增强水泥砂浆与 间的界面过渡区（）。这主要包括采用机械法、酸浸泡法、微波加热法去除 表面旧砂浆，使用火山灰材料包裹，利用聚合物和硅酸钠溶液来增强 性能。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 的性能。纳米复合材料 是由聚羧酸减水剂（）处 理 人 工 合 成 的 纳 米 水 化 硅 酸 钙 晶 体（）得到的具有高分散性的纳米 晶核溶液。可作为 理想的成核基质，现有研究表明，低掺量的（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，文献表明，在混凝土中掺入水泥质量的纳米 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 处理，可显著提高 表面 的成核位点，从而使 的 显著增强，强度和耐久性得以提升。此外 使用量低，具有较大的经济优势。自密实混凝土（）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 比普通混凝土有更好的工作性能。目前对 的研究主要集中在增强 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（）的性能研究较少。利用纳米 溶液强化 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 具有广阔的应用前景。为探究纳米 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 溶液处理，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（）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。试验设计 原材料 水泥（）采用 普通硅酸盐水泥，细骨料（）采用细度模数为 的河砂。再生粗骨料级配如表 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 次破碎后再经人工筛分得到再生骨料（见图），其表观密度为 ，压碎值为 ，吸水率为 。矿物掺合料采用高级粉煤灰（）及石灰石粉（），表观密度为 ，比表面积为 ，中值粒径为。纳米 溶液平均粒径为，浓度为，为白色悬浊液。聚羧酸高效减水剂（）的减水率，拌合水为纯净自来水。表 再生粗骨料级配 石子粒径筛余量累计筛余量 累计筛余百分比 混凝土配合比及制备 为研究纳米 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 溶液处理的 取代天然骨料制备再生骨料自密实混凝土，参考 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 配合比如表 所示。试验中使用的纳米 溶液浓度为，和。将浓度为 纳米 溶液使用实验室自来水进行稀释，将稀释后的纳米 溶液均匀喷洒到样品的表面，对 施工技术（中英文）第 卷图 试验所用废弃混凝土再生骨料 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）。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 溶液被充分吸收，喷洒后的再生骨料在温度为，湿度为 的试验室静置，然后浇筑。表 再生骨料自密实混凝土配合比设计 编号水泥（）粉煤灰（）石灰石粉（）水（）减水剂 砂（）再生骨料（）图 纳米 溶液喷洒再生粗骨 测试方法 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 溶液处理的 制备的 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、形漏斗流出时间。抗压强度测试 按照 混凝土物理力学性能试验方法标准要求，分别在 和 时进行抗压强度试验，试件尺寸为，加载速度为 。气体渗透性测试 试件进行标准养护 后，根据 水运工程混凝土试验规程，在（），（）的空气介质下，对经干燥 的 圆柱体试件进行气体渗透性测试，以 块混凝土测试值作为结果，其余测试细节可见文献。气体渗透系数 计算如下：（）式中：为气室与管道总体积；为透气时间；为试件厚度，值为 ；为渗透面积，值为 。抗氯离子渗透性测试 根据 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 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 龄期取出后，在真空状态下浸泡在（）溶液中。根据初始电压为，调整试验施加电压。整个试验过程中，试件底面浸没在 的氯化钠溶液中，试件表面浸没在 的 溶液中，待试验持续时间为 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 的 溶液。约 后，测定氯离子的渗透深度。毛细吸水测试 根据 进行毛细吸水测试，试件尺寸 武 亚等：纳米 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 为。达到 龄期的试件经 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：，。吸附系数 计算如下：（）式中：为流入面单位面积吸水量（）；为吸水质量（）；为吸水面积；为水的密度，；为截距；为浸泡时间；为吸附系数（）。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 ，试件达到龄期的前，将试件从标准养护室中取出，浸入水中浸泡，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（）（），采用冻融前后的质量变化和相对动态弹性模量（）评价试件的抗冻融性能。扫描电镜（）取标准养护 混凝土内部片状硬化混凝土浆体进行（）形貌观察。结果与讨论 纳米 溶液处理再生骨料对 工作性能的影响不同浓度纳米 溶液处理的再生骨料对 的坍落扩展度、，的影响如图 所示。由 图 可 知，经 处 理 的 再 生 骨 料 制 备 的 坍落扩展度、，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 相比，纳米 溶液处理的再生骨料对 的坍落扩展度影响并不明显。对照组坍落扩展度为，浓度的纳米 溶液处理的再生骨料对 的坍落扩展度影响最大，但仅使其下降了 。纳米 颗粒能提高 的塑性黏度，但 的，并未随着纳米 浓度提高而发生明显变化，这可能是因为 的用量较少，因此对浆体塑性黏度影响有限。综合来说，纳米 溶液处理的再生骨料对 的工作性能影响并不明显，本试验 的各项工作性能指标均能满足规范要求。纳米 溶液处理再生骨料对 力学性能的影响 龄期为 和 的抗压强度值如图图 纳米 溶液处理再生骨料对 坍落扩展度、，的影响 ，所示。与对照组（未使用纳米 溶液处理）相比，可知一定浓度范围内纳米 溶液处理的再生骨料可明显提高 和 的抗压强度。随着纳米 溶液浓度从 增加到，和 的抗压强度均先增大后减小，其中 组混凝土的抗压强度值最大，和 强度分别提高了 和 。纳米 溶液处理再生骨料对 的早期强度提升更明显。当纳米 溶液浓度从 增加到，强度增长率从提高到了。这主要是因为分布于再生骨料表面的纳米 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 也具有较好的填充效果，可增强 的界面过渡区，使其力学性能明显提高。但处理再生骨料的 溶液浓度不宜过高，当溶液浓度超过 时，和 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 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 施工技术（中英文）第 卷图 纳米 溶液处理再生骨料对 抗压强度的影响 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。纳米 溶液处理再生骨料对 耐久性影响 气体渗透性处理 再 生 骨 料 纳 米 溶 液 浓 度 对 气体渗透性的影响如图 所示。由图 可知，与对照组相比，和 的气体渗透 系 数 分 别 降 低 了 ，和 。其中处理再生骨料纳米 溶液浓度为 时，的气体渗透系数降低幅度最大。经纳米 溶液处理过的再生骨料可有效降低 的气体渗透性，这主要是纳米 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 的 密 实 度，从 而 不 利 于 气 体 在 基体中的渗透性。这表明，溶液处理再生骨料能有效提高 的抗气体渗透性能。图 纳米 溶液处理再生骨料对 气体渗透性的影响 氯离子渗透性 对 龄期的 进行 试验，探究纳米 溶液浓度对 氯离子扩散的影响，结果如图 所示。由图 可知，与对照组相比，和 的氯离子扩散系数分别降低了 ，和 ，其中处理再生骨料纳米 溶液浓度为 时，氯离子扩散系数降低幅度最大。经纳米 溶液处理的再生粗骨料能有效降低 的氯离子扩散系数，原因可能是经纳米 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 氯离子扩散系数。图 纳米 溶液处理再生骨料对 氯离子扩散性的影响 毛细吸水性 对 龄期的 进行毛细吸水试验，探究处理纳米 溶液浓度对 的毛细吸水量和毛细水吸附系数的影响，结果如图 所示。由图 可知，纳米 溶液浓度从 增加到，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，和 毛细吸水 量分别降 低 了 ，和 ；其中纳米 溶液浓度为 时，毛细吸水量和毛细吸附系数降低幅度最大。经纳米 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 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 的密实度，从而有效阻碍了毛细水的渗透途径，降低了 的毛细吸水 武 亚等：纳米 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 量和毛细吸附系数，从而提高了其耐久性。图 纳米 溶液处理再生骨料对 毛细吸水量和毛细吸附系数的影响 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 所示。试验结果表明，纳米 溶液处理的再生骨料能有效降低 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 溶液处理的再生骨料能有效提高 的抗冻融性能。其中处理再生骨料的纳米 溶液浓度为时，降低 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 溶液处理的再生骨料制备的 的抗冻性能得到改善，这可能是因为经纳米 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 中的薄弱部位和密实度，从而使 能经受冻融循环过程中产生的应力应变，提高了 的抗冻性能。纳米 溶液处理再生骨料对 影响机理分析图 质量损失率及相对动弹性模量随冻融循环次数变化 ，的再生骨料与新水泥浆体间的界面 图如图 所示。由图 可知，对照组 的 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，和 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。的 图可明显观察到再生骨料与新水泥浆体间最紧密，经纳米 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。结语 ）本文试验中通过对再生骨料喷洒纳米 溶液，由经处理的再生骨料制备的 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。）处理再生骨料纳米 溶液浓度从增加至，的抗压强度先增大后减小，当纳米 溶液浓度为 时，的抗压强度提高幅度最大，组再生混凝土 和 抗压强度分别提高了 和 。）处理再生骨料纳米 溶液的浓度不 施工技术（中英文）第 卷图 图 宜过高或过低。当处理再生骨料的纳米 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 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。）纳米 溶液处理的再生骨料可显著提高 的抗压强度，主要是 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 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 的抗压强度和耐久性能。参考文献：，：陈莹，严捍东，林建华，等再生骨料基本性质及对混凝土性能影响的研究再生资源研究，（）：，（）：，（）：，（）：应敬伟，蒙秋江，肖建庄再生骨料 强化及其对混凝土抗压强度的影响建筑材料学报，（）：，（）：，：，：，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：王冲再生骨料混凝土力学性能研究西安：西安理工大学，：，郭樟根，陈晨，范秉杰，等再生粗细骨料混凝土基本力学性能试验研究建筑结构学报，（）：，（）：（下转第 页）施工技术（中英文）第 卷 李化建，赵国堂，谢永江，等石灰石粉作为混凝土矿物掺合料应用问题的探讨混凝土与水泥制品，（）：，（）：赵伟掺石灰石粉的高强混凝土制备试验研究山西建筑，（）：，（）：李悦，丁庆军，胡曙光石灰石矿粉在水泥混凝土中的应用武汉理工大学学报，（）：，（）：，陈炜一，周予启，阎培渝石灰石粉对胶凝材料水化及混凝土性能的影响研究施工技术（中英文），（）：，（）：汪华文，吴柯，秦明强，等掺石灰石粉清水混凝土表观质量与性能研究施工技术，（）：，（）：赵志强，刘康，汪宇雄核电站高强混凝土泵送技术施工技术（中英文），（）：，（）：陈炜一，周予启，阎培渝石灰石粉对胶凝材料水化及混凝土性能的影响研究施工技术（中英文），（）：，（）：杨栋，曹长伟，夏京亮，等白色硅酸盐水泥在大体积混凝土中的应用研究 施工技术（中英文），（）：，（）：郭永伟超高韧性混凝土特性与应用研究施工技术，（）：，（）：刘军安，杨大勇，乐俊，等超厚回填土桩身防水流冲刷混凝土配制技术研究施工技术，（）：，（）：张怡，苏振华，罗惠平，等国家速滑馆项目特种混凝土施工技术施工技术，（）：，（）：（上接第 页），（）：，（），：，：张茜，王晓琼，韩凤启，等 中分散剂结构及其溶液构象对水泥水化过程的影响规律新型建筑材料，（）：，（）：龙广成，谢友均，刘运华，等自密实混凝土工作性测试方法硅酸盐学报，（）：，（）：厦门市建筑科学研究院集团股份有限公司，福建六建集团有限公司自密实混凝土应用技术规程：北京：中国建筑工业出版社，：，刘运华，谢友均，龙广成自密实混凝土研究进展硅酸盐学报，（）：，（）：