《武汉工程大学学报》  2021年06期 653-656   出版日期：2021-12-31   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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纳米SiO₂对橡胶再生混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响


近些年来我国城市化发展逐渐加快，建筑材料的消耗巨量增加，由此造成的建筑废弃物越来越多［1］。据统计，我国每年产生的垃圾中有30%以上来自建筑，而其中有50%多为弃用混凝土，其回收利用率低，一般都用来进行回填道路以及铺设路基；其余大都为直接堆放或埋藏在地下，土地占用面积极大。另外，由于建筑中骨料的大量使用，致使人们不断去开采砂石，造成了砂石的过度开采，这种行为不符合当今国家倡导的可持续发展策略。因此，建筑废弃物的循环利用已经成为当今社会大众密切关注的重大研究课题［2］ 。同时，我国大约每年会生产740万吨橡胶，而这些旧橡胶的利用率却很低。废旧轮胎不易处理，主要原因是难以降解，且会散发刺激性的味道，会带来严重的环境污染问题［3］。橡胶属于韧性材料，具有高弹、耐磨及可塑性等众多优点，如果往混凝土中掺入合适的量，能有效改善混凝土的抗裂性能和延性［4-5］。纳米SiO2尺寸较小、比面积较大，化学活性较高，若将其加入到混凝土中，可以明显改善混凝土的抗拉强度和抗压性能。Alhawat等［6］通过试验发现：加入纳米SiO2可以有效改善建筑混凝土内部各成分之间的粘结效果，其主要原因是：纳米SiO2可充分分散在胶凝材料中，有效填补建筑混凝土内部产生的孔洞和裂痕，同时也能促进水化产物的增加，改善再生骨料混凝土过渡区的粘结效果。肖建庄等［7］通过试验，研究了纳米SiO2对再生骨料混凝土和易性的影响，试验加入纳米SiO2后再生骨料混凝土的和易性会降低，主要原因是：纳米SiO2具有很强的表面能，可以吸附混凝土内部多余的游离水。Bastami等［8］通过试验，研究了在橡胶再生混凝土中加入纳米SiO2后，其力学性能及工作性能的变化，结果发现橡胶再生骨料混凝土的抗拉性能随着纳米SiO2掺量的增加而逐渐增强。因为混凝土内部的裂痕对其抗拉性能影响较大，而纳米SiO2的加入提高了橡胶再生骨料混凝土材料的密实度，这样能很好的改善橡胶再生骨料混凝土的微观结构，大幅度提高其抗拉强度。再生混凝土，它指的是将一些废弃不用的混凝土通过一系列工序后得到再生骨料，用全部分或所有再生骨料按一定比例替代天然骨料，再按相应的配合比与胶凝材料、水搅拌配制成的新混凝土［9］。这种做法不但可以缓解我国目前面临的天然骨料开采无法满足工程项目所需形势，还能减轻废弃混凝土对土地资源的浪费。再生混凝土可很好的实现材料多次利用，它具有优良的综合性效益，同时也是近些年来开发与研究绿色混凝土的主要方向之一［10］。研究表明再生粗、细骨料取代率均为40%时，对混凝土力学性能的影响较小，同时具有良好的经济性［11］。故本实验中再生粗骨料和再生细骨料取代率均为40%，配合比中的变量仅为橡胶和纳米SiO2的掺量。1?　试验部分1.1　试剂与材料水泥：由华新水泥鄂州有限公司生产，为P.O?42.5普通硅酸盐水泥，物理性能见表1；天然粗骨料：源自武汉市某项目的石灰岩碎石，该碎石公称粒径为5~25?mm，集配优良；再生粗骨料：源自学校实验室改造工程中地面废弃的混凝土块，经破裂、筛分、冲洗而得，粒径为5~20?mm，各项指标具体见表2；天然细骨料：为武汉市天然河砂，烘干后筛分而得，天然河砂细度模数为2.6，属Ⅱ区中砂；再生细骨料：源自学校实验室改造工程中地面废弃的混凝土块，经过破碎、筛分而得，其细度模数测得为3.0，属Ⅱ区中砂；纳米SiO2：试验中所采用的纳米SiO2来自于济南汇锦川化工有限公司，其技术指标由厂家提供，见表3；高效减水剂：在实验中采用的是固含量为20%的聚羧酸减水剂；水：本实验采用普通自来水；橡胶颗粒：通过加工废旧轮胎得来，其粒径为1~3 mm，外观呈现为黑色粉末状，外表光滑，具有憎水性。表1　水泥物理性能指标Tab. 1　Physical properties of cement[型号 标准稠度用水量 / % 安定性 凝结时间 /min 抗压强度 /MPa 抗折强度 /MPa 初凝 终凝 3?d 28?d 3?d 28?d P.0?42.5 27.2 合格 217 282 23.3 46.1 4.7 7.8 ]表2　再生粗骨料物理性能指标Tab. 2　Physical properties of recycled coarse aggregate[种类 级配 /mm 表观密度 /(kg/m3) 堆积密度 /(kg/m3) 空隙率 /% 含泥量 /% 吸水率 /% 压碎值 /% 再生粗骨料 5～20 2 630 1 310 50 1.3 3.9 15.2 ]表3　纳米SiO2物理性能指标Tab. 3　Physical?properties?of?nano-SiO2[型号 外观 表面性质 粒径 /nm 比表面积 /(m2·g-1) 纯度 /% 堆密度 /(g·L-1) HN-SP1 白色疏松粉末 亲水 20～50 580～700 ≥99.5 ≤?100 ]1.2　配合比设计再生粗骨料与细骨料的取代率均取40%，橡胶颗粒掺量取0%、1%、2%，等质量取代细骨料，纳米SiO2掺量取0%，1.5%，3%，等质量取代水泥。相关的配合比数据主要是依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）中的相关规定计算所得，详细的配合比设计如表4。用NC来代表普通混凝土，其他中K表示掺橡胶颗粒掺量（%），N表示纳米SiO2掺量（%），K2-N3表示橡胶颗粒掺量为2%，纳米SiO2掺量为3%，以此类推。1.3　试验方法设计本次试验共设计了60个100?mm×100?mm?×100?mm的立方体试块进行实验，一共10组，每组6个试块。试块采用标准养护条件养护28 d后取出，用干净的湿抹布擦去表面和上下承压板表面的水，根据《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081-2019）的要求，使用微机控制伺服液压万能试验机进行抗压强度和劈裂抗拉强度测试。2　结果与讨论2.1　混凝土抗压强度实验结果由图1和图2可知，抗压强度作为再生骨料混凝土的一个重要指标，在橡胶掺量较小情况下，抗压强度下降的幅度不大，各组平均降低3.37%。当随着纳米SiO2掺量的增加的时候，其抗压强度随之增加。掺入的SiO2为1.5%、3%时，混凝土抗压强度增幅为8.0%、19.4%。实验表明再生骨料混凝土的抗压性能会随着纳米SiO2的掺量的增加有明显的增幅。对于掺入橡胶后的强度降低，主要是由于橡胶为有机高分子材料，其弹性模量低，且其强度远不能与天然砂石骨料相比；另一方面橡胶颗粒无法与水泥浆进行一个有效的结合，从而导致二者在接触界面有较差的粘结性能［12］。同时，纳米SiO2的粒径小，且活性高，可促进混泥土的水化反应，在促进C3S的水化反应的同时，还能和C3S水化反应生成的Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙（C-S-H），进一步加强再生骨料混凝土的内部结构的密实度，进而使再生骨料混凝土的抗压性能得到提升［13］。2.2　混凝土劈裂抗拉强度试验结果由图3和图4可知，再生混凝土的劈裂抗拉强度随着橡胶的掺入后，发生了小幅度的降低，最高仅为4.3%。另一方面随着纳米SiO2掺量的增加，?劈裂抗拉力学性能会得到显著提升，当纳米SiO2掺量为1.5%、3%，劈裂抗拉强度平均增加10.6%、12.4%。主要是基于以下原因：混凝土的抗拉性能容易受到裂缝的影响，而纳米SiO2颗粒较小且可促进水化反应，其中生成的水化产物C-S-H又能很好的填充混凝土内部裂缝进而提升再生混凝土的抗拉性能［14］。橡胶与水混合时互不相容，故橡胶颗粒无法与水泥浆均匀拌合，最终降低了混凝土所能承受的最大拉应力，也就导致了再生混凝土的劈裂抗拉强度降低［15］。图3　劈裂抗拉强度与橡胶的掺量的关系Fig.?3　Relationship between splitting?tensile?strength?and?amount of rubber?图4　劈裂抗拉强度与纳米SiO2的掺量的关系Fig.?4　Relationship between splitting?tensile?strength?and?amount of?nano-[SiO2]?3　结　论在C30普通混凝土的基础上分别设置了取代率各为40%的再生粗骨料和再生细骨料，通过向其掺入不同掺量的橡胶及纳米SiO2来研究对再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度影响，最后，对实验结果进行处理与分析，总结如下：1）由于橡胶颗粒为憎水性材料，难溶于水、抵抗破坏能力差以及摩擦系数大等不利特性，若将橡胶颗粒单独掺入再生混凝土，不仅不会使再生混凝土的抗压性能和劈裂抗拉性能进行有效的提升，反而会降低混凝土的强度，造成负面影响。2）纳米SiO2颗粒可以促进水化反应，可以使混凝土形成较低的孔隙率，加强再生混凝土的强度或抗变形能力。例如当掺入1%、3%的纳米SiO2后，其抗压强度和劈裂抗拉强度的改善效果均得到了大幅度的提升，这也印证了通过向再生混凝土掺入纳米SiO2，从而使其具有更好的强化效果的方法是可行的。3）当橡胶与纳米SiO2二者同时掺入，再生混凝土所表现出来的力学性能相较于单掺橡胶时得到了显著的提升，改善的效果也随着纳米SiO2掺量的增加而增加，另外也证明了纳米SiO2对再生骨料混凝土力学性能的影响大于橡胶对其的影响。当橡胶颗粒、纳米SiO2掺量分别为2%、3%时，再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉性能均明显高于未掺入纳米SiO2和橡胶的再生混凝土，说明了纳米SiO2的掺入很好的弥补了由掺入橡胶和再生粗骨料后导致再生混凝土的强度降低的负面影响，故可以在利用建筑固废的同时解决一部分的“黑色垃圾”的处理问题，促进橡胶再生混凝土的工程应用和发展。