纳米硅溶胶对再生骨料混凝土力学性能影响及微观机理研究

王维成，邵鹏飞，胡永超，张道明，张学元，王悦

纳米硅溶胶对再生骨料混凝土力学性能影响及微观机理研究

王维成1，邵鹏飞2，胡永超2，张道明3，张学元3，王悦1

（1.齐齐哈尔大学 材料科学与工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006；2.诚邦生态环境股份有限公司，杭州 310008；3.齐齐哈尔大学 建筑与土木工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

针对再生骨料孔隙率、吸水率、压碎指标均高于天然骨料，导致其制备的再生骨料混凝土力学性能劣化无法广泛应用的问题，采用“预先浸泡+拌和掺入”的双重改性方式对再生骨料混凝土进行改性处理，并对预先浸泡纳米硅溶胶的再生骨料的物理性能以及双重改性后的再生骨料混凝土的力学性能进行测试分析，利用SEM、EDS对改性的再生骨料混凝土进行微观表征。结果表明，纳米硅溶胶浓度为2%时，再生骨料的物理性能提升幅度最大且成本最低；纳米硅溶胶掺量为3%时，再生骨料混凝土28d抗压强度及劈裂抗拉强度分别提升了42.4%、66.3%,；SEM及EDS表征显示掺入纳米硅溶胶可加快水化反应，降低了Ca/Si，并生成大量C-S-H（I）型凝胶，使新旧水泥浆体以及浆体与骨料间紧密联结，再生骨料混凝土强度得到显著提升。

再生骨料混凝土；纳米硅溶胶；力学性能；微观表征

建构筑物拆除后的废弃混凝土是阻碍建筑材料可持续发展的难点问题之一[1]，据统计，我国每年因拆除建构筑物产生的固体废弃物已超过两万亿吨，这一数字随着基础建设行业的迅猛发展将不断提升，例如东北地区老工业城市齐齐哈尔，大量建构筑物拆除的废弃混凝土以及商混站产生的不合格混凝土被堆积在郊区空地上，占用了大量耕地，并对环境造成了一定污染[2-4]。对此研究者们提出了混凝土再生的方式，将固体废弃物收集起来，通过冲洗、筛选等工艺流程制备生产再生骨料，并制备再生骨料混凝土（RAC）重新利用[5-6]，这一措施虽然能提高建料循环利用率，但再生骨料表面附着了大量旧水泥砂浆，表面孔隙及裂缝较多，界面过度区（ITZ）薄弱，孔隙率和吸水率等均高于天然骨料，导致其制备的再生骨料混凝土的力学性能低于普通混凝土[7]，仅可应用在步道砖等低强度构件中，无法广泛满足实际工程需要。

针对再生骨料混凝土力学性能劣化的问题，寻找适宜改性方法和材料，以提升其力学性能并拓宽应用范围是变废为宝、实现建筑资源循环利用的关键。纳米硅溶胶（NS）作为辅助胶凝材料中的典型代表，因其拥有高比表面能、高活化性、成核作用等特性[8]，掺入至水泥基材料后可显著增强水化活性、加快水化反应速度，极小的纳米粒径使其可以物理填充至再生骨料表面孔隙及裂缝中。此外，作为高活性火山灰材料，纳米硅溶胶还可与水泥水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应，生成影响水泥石强度的水化硅酸钙（C-S-H），改善水泥浆体的胶凝性和联结性[9]，一定程度上优化了新旧水泥浆体处ITZ劣化的问题。但高比表面能的纳米硅溶胶极易团聚，过多掺入仍会导致再生骨料混凝土强度只降不增，采用何种方式使其均匀掺入到再生骨料混凝土中，以及如何选取适宜掺量是纳米硅溶胶改善再生骨料混凝土性能的重点。

因此，本文结合国内外众多学者对于再生骨料混凝土的改性方法，通过“预先浸泡骨料+拌和掺入”的双重改性方式，首先将再生骨料预先浸泡在不同浓度的纳米硅溶胶中，测试浸泡前后再生骨料的压碎指标、吸水率等物理性能，然后按配比制备再生骨料混凝土并掺入纳米硅溶胶进行改性处理，测试双重改性对再生骨料混凝土宏观力学性能的影响，在此基础上，利用SEM、EDS等微观测试技术对再生骨料混凝土进行表征分析，明确纳米硅溶胶对再生骨料混凝土微观性能影响，为再生混凝土综合利用提供研究思路。

1 实验部分

1.1 材料

（1）水泥选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，各项指标均满足规范及实验要求，水泥化学成分如表1所示。

表1 水泥成分组成质量分数 (%)

（2）砂为本地江砂，细度模数为2.3。

（3）碎石为本地碎石，连续级配区间为5～25mm。

（4）再生骨料为经破碎、冲洗、筛选后的骨料，连续级配区间为5～25mm。

（5）减水剂为聚羧酸减水剂，型号为325C。

（6）纳米硅溶胶为ND-0101型，具体参数如表2所示。

表2 纳米硅溶胶性能参数

1.2 实验配合比分组设计及养护测试方法

本文采用“预先浸泡骨料+拌和掺入”的双重掺入方式，首先将再生骨料浸泡在1%、2%、3%浓度的纳米硅溶胶中，浸泡48h后捞出自然晒干，并放入养护箱中标准养护7d，到达规定养护龄期后取出，依据《普通混凝土用砂石质量及检验方法标准》（JGJ52-2016），对浸泡纳米硅溶胶的再生骨料的物理性能进行测试，综合对比得出改性效果最好的纳米硅溶胶浓度；在此基础上，按照水胶比为0.5制备普通混凝土，记为NAC，然后将天然粗骨料中30%替换为未浸泡改性的再生骨料，制备再生骨料混凝土，记为RAC，最后将预先浸泡改性的再生骨料按上述RAC取代方式制备再生骨料混凝土，并在拌和过程中掺入水泥质量分数1%、3%、5%的纳米硅溶胶，记为RAC-1、RAC-3、RAC-5，具体实验配比如表3所示。由于纳米材料易因高范德华力产生聚团现象，因此在搅拌过程中应先将水、减水剂与纳米硅溶胶预先混合并经超声波空化分散，再投入骨料中拌和。试块制备完成后采用YH-90B型标准恒温恒湿养护箱对试块进行标准养护，到达养护龄期后，参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019），利用YAW-2000型电液伺服压力试验机对试块进行抗压强度、劈裂抗拉强度测试。

表3 混凝土配合比 kg/m3

本文利用扫描电子显微镜（SEM）对改性前后再生骨料混凝土的微观结构进行表征，探寻纳米硅溶胶对水化产物形貌以及界面过渡区性能的影响；采用能量分散谱仪（EDS）对其进行点扫描分析，以明确改性前后再生骨料混凝土的元素含量和钙硅比变化。

2 结果与讨论

2.1 再生骨料的物理性能

纳米硅溶胶预先浸泡对再生骨料物理性能的影响如图1所示。从图1(a)中可以看出，未浸泡纳米硅溶胶的再生骨料压碎指标较高，这是由于再生骨料表面附着大量旧水泥砂浆，骨料受压后旧水泥砂浆剥离、脱落，导致受压后骨料质量损失率较大；浸泡纳米硅溶胶后，再生骨料的压碎指标有所降低，与未浸泡时相比，浸泡1%、2%、3%浓度纳米硅溶胶的再生骨料压碎指标分别下降了14.4%、25%和28.8%。这是由于纳米硅溶胶中SiO2与旧水泥砂浆中Ca(OH)2发生火山灰反应，生成了C-S-H凝胶，增加了旧水泥砂浆各部分的联结性，以及浆体与骨料间的胶凝性，一定程度上抑制了再生骨料受压后其旧水泥砂浆发生剥离、脱落现象，从而降低了再生骨料的质量损失率。

从图1(b)中可以看出，表面附着大量旧水泥砂浆的再生骨料的吸水率较高，这是由于在粉碎、冲洗、筛选等过程中，再生骨料受外力作用影响会产生大量孔隙及裂缝，孔隙率大幅增加导致吸水率较高。浸泡1%、2%、3%浓度纳米硅溶胶后，与未浸泡时相比，再生骨料的吸水率分别降低了16.7%、37%、42.6%，产生该现象的原因如下：一是火山灰反应生成的C-S-H凝胶对孔隙及裂缝进行填补，二是由于纳米尺寸的SiO2物理填充至孔隙及裂缝中，降低了再生骨料的孔隙率和吸水率。

对比不同浸泡浓度下再生骨料物理性能的变化趋势发现，纳米硅溶胶的浓度由1%增加至2%时，压碎指数和吸水率的降低幅度分别为10.6%、20.3%，当浓度由2%增加至3%时，压碎指数和吸水率的降低幅度仅为3.8%、5.6%，这是由于过多纳米SiO2团聚在一起，阻碍了旧水泥砂浆的火山灰反应，导致其改性效率大幅降低。综上所述，为保证改性效率同时控制成本，本文将浸泡再生骨料的纳米硅溶胶浓度选为2%，并在此基础上进行掺入纳米硅溶胶改性再生骨料混凝土力学性能的实验。

图1 纳米硅溶胶浓度对再生骨料物理性能影响

2.2 再生骨料混凝土的力学性能

再生骨料混凝土的力学性能实验结果如图2所示。图2(a)中可以看出，未掺纳米硅溶胶的RAC组的7d、28d抗压强度均低于NAC组，而掺入纳米硅溶胶的R30-1、R30-3、R30-5组与RAC组相比，其7d抗压强度分别提升了23.8%、32.8%、24.7%，28d抗压强度分别提升了23.4%、42.4%、26.3%。这是由于纳米硅溶胶的成核作用，SiO2基团为水化产物C-S-H凝胶提供了成核位点，加快了水化反应并生成更多的C-S-H凝胶，增强了水泥石强度并改善了浆体与骨料间的胶凝性，同时火山灰反应使纳米SiO2与再生骨料中Ca(OH)2反应生成更多水化产物，有效降低了界面过渡区内Ca(OH)2含量，避免因Ca(OH)2定向排列引起的界面过渡区劣化问题，从而使再生骨料混凝土的抗压强度得到显著提升。

从图2(b)中可以看出，改性前后再生骨料混凝土劈裂抗拉强度的变化趋势与抗压强度大致相同，未改性的RAC组劈裂抗拉强度均低于NAC组，而掺入纳米硅溶胶的R30-1、R30-3、R30-5组与RAC组相比，7d时的劈裂抗拉强度分别提升了14.8%、29.5%、23.5%，28d时的劈裂抗拉强度分别提升了50.3%、66.3%、56.0%。劈裂抗拉强度提升的原因是由于纳米硅溶胶的掺入加快了水泥水化反应，并生成大量絮凝状C-S-H凝胶，增强了浆体与骨料间以及新旧水泥砂浆间的联结性。

对比上述实验结果发现，改变掺量会对再生骨料混凝土的力学性能产生较大影响，当掺量由1%增加至3%再增加至5%时，再生骨料混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均呈先增后减趋势，这是因为高比表面能的纳米SiO2极易发生团聚，吸附大量自由水并延缓水化反应的进行，导致过高掺量下再生骨料混凝土的力学性能有所下降。

图2 纳米硅溶胶对再生骨料混凝土力学性能影响

2.3 微观结构分析

利用扫描电子显微镜对RAC组（28d）和RAC-3组（28d）进行了微观结构特征分析。图3(a),(b)为未掺纳米硅溶胶改性的再生骨料混凝土在300倍和5000倍下的微观结构图，可以看出再生骨料混凝土内部结构密实性较差，水泥浆体表面、新旧浆体间、浆体与骨料间含有较多的孔隙及裂缝，ITZ界面过渡区的裂缝更为明显，放大后发现水化产物为絮凝状C-S-H凝胶、片状Ca(OH)2以及针状钙矾石（AFt）等，水化产物与骨料间联结较为松散，界面过渡区内存在大量片状Ca(OH)2，致使再生骨料混凝土的力学性能较差。而在图3(c),(d)中，掺入3%纳米硅溶胶改性后的再生骨料混凝土则呈现出较为密实的内部结构，浆体表面孔隙被填充，新旧浆体间、浆体与骨料间结合良好，界面过渡区更加致密，放大后发现大量絮凝状C-S-H凝胶与骨料联结在一起，极大地增强了水泥浆体的胶凝性，这与2.2节中再生骨料混凝土的力学性能实验结果是相符合的。

图3 再生骨料混凝土的微观结构

2.4 元素含量及钙硅比

为了探究掺入纳米硅溶胶对再生骨料混凝土元素含量和钙硅比的影响，按照RAC和RAC-3组混凝土中胶凝材料与水、减水剂以及纳米硅溶胶的混合比例，制备了相同比例的水泥净浆，并对其进行EDS点扫描分析，如图4(a),(b)所示。

图4 再生骨料混凝土EDS点扫描图

点扫描获得的各元素含量如表4所示。从表4中可以看出，再生骨料混凝土中含有氧、镁、铝、硅、钙、铁等元素，未掺入纳米硅溶胶的RAC组的Ca/Si=1.31（钙硅比），(Al+Fe)/Ca=0.19；掺入纳米硅溶胶后，RAC-3组的Ca/Si=0.87，(Al+Fe)/Ca=0.19。TAYLOR等[10]研究表明，当0.8≤Ca/Si≤2.5且(Al+Fe)/Ca≤0.2时，C-S-H凝胶是硅酸盐水泥的主要水化产物，C-S-H凝胶含量随Ca/Si增长而逐渐降低。依据上述EDS分析结果，改性后的再生骨料混凝土Ca/Si在C-S-H（I）型凝胶（Ca/Si=0.8～1.5）之间[11]，说明C-S-H（I）型凝胶为其水化后的主要产物，且改性后Ca/Si下降了0.44，这表明掺入纳米硅溶胶促进了C-S-H（I）型凝胶的生成量，这与前文中力学性能测试结果是相符的。

表4 再生骨料混凝土EDS点扫描元素表

3 结论与展望

废弃混凝土再生是节约建材资源、保护绿色环境的有效措施，本文列举了产生固体废弃物的来源、再生方式以及改性方法，并相应介绍了高活性、高比表面能的辅助胶凝材料纳米硅溶胶在改善水泥基材料性能方面的众多优势和特性，综合对比后选用“预先浸泡+拌和掺入”的改性方式，对再生骨料及其制备的再生骨料混凝土进行双重改性，利用SEM、EDS等技术对再生骨料混凝土的微观结构特征、元素含量、钙硅比进行了分析，得到以下结论：

（1）再生骨料表面附着大量旧水泥砂浆，导致其压碎指标、吸水率等物理性能劣于天然骨料，预先浸泡纳米硅溶胶可使再生骨料中Ca(OH)2与纳米硅溶胶中SiO2发生火山灰反应，生成大量C-S-H凝胶对孔隙及裂缝进行填补，降低了骨料的吸水率和压碎指标，提升了骨料的物理性能，纳米硅溶胶浓度为2%时改性效率和经济成本最佳。

（2）拌和过程中掺入纳米硅溶胶，利用其成核作用和火山灰活性可促进水化活性，加快水泥水化反应，一定程度上提升了再生骨料混凝土的力学性能，掺量为3%时提升效果最为明显，养护28d时的抗压强度和劈裂抗拉强度最多提升了42.4%和66.3%。

（3）SEM表征显示掺入纳米硅溶胶使再生骨料混凝土内部结构更加致密，大量絮凝状C-S-H凝胶与Ca(OH)2、钙矾石等紧密联结在一起，增强了水泥石强度以及浆体的胶凝性；EDS分析显示掺入纳米硅溶胶可有效降低钙硅比，增加C-S-H凝胶生成量，从而使再生骨料混凝土的力学性能得到显著提升。

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Effect of nano-silica on mechanical properties and microstructure of recycled aggregate concrete

WANG Wei-cheng1，SHAO Peng-fei2，HU Yong-chao2，ZHANG Dao-ming3，ZHANG Xue-yuan3，WANG Yue1

(1.School of Material Science and Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China; 2.Chengbang Ecological Environment Co., Ltd., Hangzhou 310008, China; 3.School of Architecture and Civil Engineering, Qiqihar University, Heilongjiang Qiqihar 161006, China)

As the porosity, water absorption and crushing indexes of recycled aggregate are higher than those of natural aggregate, the mechanical properties of recycled aggregate concrete prepared by recycled aggregate deteriorate and cannot be widely applied. In this study, the double modification method of "pre-soaking + mixing and incorporation" was adopted to modify reclaimed aggregate concrete, and the physical properties of recycled aggregate soaked in nano-silica in advance and the mechanical properties of recycled aggregate concrete after double modification were tested and analyzed, finally, SEM and EDS were used to characterize the modified recycled aggregate concrete. The results show that when the concentration of nano-silica is 2%, the physical properties of recycled aggregate are improved the most and the cost is the lowest; when the content of nano-silica is 3%, the 28d compressive strength and splitting tensile strength of recycled aggregate concrete are increased by 42.4% and 66.3%; SEM and EDS showed that the incorporation of nano-silica could accelerate the hydration reaction, reduce Ca/Si and generate a large amount of C-S-H (I) gel, the new cement paste and the slurry and aggregate are closely connected, and the strength of recycled aggregate concrete is significantly improved.

recycled aggregate concrete；nano-silica；mechanical property；microstructure

TU528

A

1007-984X(2023)02-0068-06

2022-10-26

齐齐哈尔大学横向课题“辅助胶凝材料对废弃混凝土再生性能影响的研究”（220122222019）；黑龙江省高等教育教学改革一般项目“第二课堂课程思政沉浸式教学模式研究”（SJGY20210965）

王维成（1995-），男，黑龙江佳木斯人，学士，主要从事再生混凝土改性研究，758382724@qq.com。

张道明（1965-），男，吉林白城人，教授，博士，主要从事结构损伤分析研究，zdmzdm@sina.com。