纳米级偏高岭土对再生骨料混凝土抗折和劈拉强度影响的试验研究

阎 杰, 罗 岩, 柏永清, 邢国斌, 谢 军*

(1. 河北建筑工程学院 土木工程学院, 河北 张家口 075000; 2. 福州外语外贸学院 智能建造学院, 福建 福州 350202)

随着城市化进程的快速发展,建筑垃圾过度排放问题日益突显,为有效解决拆除旧建筑所产生的建筑垃圾,再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)技术应运而生.然而,建筑垃圾经过简单破碎等工序后形成的再生骨料具有吸水率大、压碎指标高、孔隙率大等特点[1],由此导致RAC的各项性能均不如普通混凝土,很大程度限制再生混凝土的实际应用.

水泥基材料中常用的纳米材料(纳米SiO2、纳米CaCO3等),具有粒径小、表面活性高的特点,可填充混凝土中的孔隙和裂缝,并依靠材料特有的火山灰活性,产生大量凝胶改善混凝土材料的微观孔结构,降低孔隙率,使其具有更致密的结构,且能有效促进水泥基材料的早期水化反应,增强材料的机械性能.基于纳米材料从微观角度改善RAC的内部结构性能,一直是科研工作者的研究重点.肖建庄等[2]通过研究纳米SiO2和粉煤灰单掺及复掺对再生混凝土力学性能的影响,认为掺入纳米SiO2对再生混凝土的抗压、劈拉和抗折强度均有较为明显的改善作用,其原因在于纳米SiO2能够强化RAC的界面过渡区,增强新老砂浆的强度,增强骨料和砂浆之间的胶结力,从而提高再生混凝土强度.曲成平等[3]通过研究纳米CaCO3对再生混凝土力学性能的影响,认为纳米CaCO3有利于再生混凝土抗压和抗折强度的提高,强化后的再生混凝土力学性能与普通混凝土较为接近,其主要原因在于纳米CaCO3颗粒填充再生骨料的裂缝,附着其表面并渗入老砂浆层内部,强化水泥浆体与骨料的界面强度,进而起到提高强度的作用.王永贵等[4]认为适量掺入纳米SiO2使RAC致密性提高,钙硅比降低,纤维与基体的粘结性能增强,当再生骨料取代率为50%时,掺入6%的纳米SiO2时强度提升最大.综上,纳米材料能够填充RAC孔隙,增强RAC新、旧砂浆与骨料之间的粘结强度,改善界面过渡区,进而提高RAC强度.

目前研究中添加的各种纳米材料虽对RAC的性能有所改善,但由于造价高昂,应用前景受到限制.而纳米偏高岭土(nano metakaolin,NMK)因其主要的化学成分为SiO2,具有与纳米SiO2等纳米材料相似的效果,且我国高岭土资源十分丰富,用其生产出的纳米偏高岭土具有比其他纳米材料更为经济的价格.因此,NMK在近些年受到学者的广泛关注.张世义等[5]研究表明,由于NMK颗粒的小尺寸效应,填充了水泥中的孔隙;同时NMK具有较高的表面能,能够促进水泥水化反应,进而提高水泥的抗折强度,NMK在掺入3%时对抗折强度的提升最为明显.郭晓玉等[6]研究在氯盐环境中NMK对水泥砂浆力学性能、氯离子渗透性能的影响,试验结果表明,NMK能够改善水泥砂浆的抗折强度、抗压强度,这主要是因为NMK含有SiO2、Al2O3可以与Ca(OH)2反应生成相关凝胶,使水泥砂浆结构更加密实,因此强度得到提升.Ibrahem等[7]研究了NMK对混凝土力学性能的影响,试验结果显示,掺入NMK的混凝土的劈拉、抗压强度均高于相同水灰比的混凝土.Al-jabri等[8]通过研究得出结论,NMK的最佳掺量为10%,但掺量超过10%时,其抗压强度和抗弯强度开始逐渐降低.Muhd norhasri等[9]通过测试NMK掺量为1%～9%时,超高性能混凝土的力学性能,结果显示当NMK 掺量为1%时,试样强度达到最高值.综上,NMK不仅能够填充普通混凝土中的孔隙和裂缝,且由于NMK主要化学成分为SiO2、Al2O3可以与Ca(OH)2反应生成凝胶,提高水泥砂浆结构致密性,同时由于其成分与纳米SiO2相近,因此期待其可以强化水泥浆体与骨料的界面强度,进而全面提高再生混凝土强度.然而目前有关NMK对RAC性能方面的影响还缺乏系统研究.

本试验将NMK掺入到RAC中,以NMK掺量、再生粗骨料(RA)取代率为变量,探究其对RAC劈拉强度、抗折强度的影响.通过比表面积及孔径分析仪测试纳米再生混凝土的比表面积及孔径分布特征;利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)观察NMK对RAC内部破坏面和ITZ微观结构的影响,旨在揭示NMK对RAC劈拉强度、抗折强度的影响关系和改善机理.

1 原材料及实验方案

1.1 原材料

试验水泥采用金隅牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥.天然粗骨料采用粒径5～31.5 mm连续级配碎石,表观密度1 546 kg/m3,堆积密度2 780 kg/m3,吸水率0.5%.再生粗骨料采用粒径5～31.5 mm连续级配碎石,表观密度1 350 kg/m3,堆积密度2 365 kg/m3,吸水率5.3%.细骨料采用水洗中级河砂,细度模数为2.71.纳米偏高岭土的平均粒径≤50 nm,比表面积≥15 m2/g,纯度≥95%,其主要的化学成分如表1所列.拌和用水采用实验室自来水.

表1 纳米偏高岭土化学成分

1.2 试验方案

1.2.1试验配合比设计

为探讨NMK对RAC劈拉、抗折强度的影响,本文以NMK掺量、RA取代率为控制参数.其中,NMK等质量取代水泥,设计掺量为3%、5%、7%;RA等质量取代天然粗骨料(NA),设计取代率为30%、50%、100%.基于上述两种控制参数,共进行9组RAC配合比试验,各组再生混凝土配合如表2所列.其中,C为水泥;S为砂;NMK为纳米偏高岭土;NA为天然粗骨料;RA为再生粗骨料;W为水;NRAC-3-50表示既有再生骨料又有纳米偏高岭土的纳米再生混凝土(简称NRAC).

表2 NRAC配合比设计

1.2.2试件制作与试验方法

各组再生混凝土的具体做法严格按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)[10]进行,试块制作后1 d进行拆模,在标准养护条件下养护28 d后进行试验.劈拉强度试验采用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块,抗折强度试验采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试块,强度测试均按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[11]进行.结合3H-2000PSI比表面积及孔径分析仪对试块孔隙结构进行分析.采用蔡司Stemi 508光学显微镜和SEM对试块内部微观结构进行观察, 分析纳米偏高岭土对再生混凝土的改善机理.

2 试验结果与分析

2.1 纳米偏高岭土对再生混凝土劈拉强度的影响

由不同掺量的NMK、不同RA取代率制得的NRAC试件标养28天后取出.试验所得劈拉强度值如图1所示.

图1 NRAC劈拉强度与NMK掺量之间的关系Fig.1 Relationship between NRAC splitting tensile strength and NMK content

由图1可知,当NMK的掺量为3%时,NRAC劈拉强度值随RA取代率的增加而逐渐减小.在不同的NMK掺量内均表现出相同的趋势;当RA取代率为30%、50%时,随NMK掺量的增多,NRAC劈拉强度逐渐增大,当NMK掺量增加至5%时,NRAC劈拉强度达到峰值,此时的强度增幅分别为45.5%、50%.但随着NMK掺量进一步增加,NRAC劈拉强度的出现下降趋势,当NMK掺量增加至7%时,NRAC劈拉强度较NMK掺量为5%时降低16.6%、15.7%.当RA取代率为100%时,NRAC劈拉强度随NMK含量增加呈现持续增大的趋势,但增大的幅度在逐渐减小.

2.2 纳米偏高岭土对再生混凝土抗折强度的影响

文献[12]指出,混凝土抗折强度的大小受到颗粒之间的粘结力和结构密实度的影响,图2为不同掺量的NMK、不同RA取代率制得的NRAC试件的抗折强度值.

图2 NRAC抗折强度与NMK掺量之间的关系Fig.2 Relationship between NRAC flexural strength and NMK content

由图2可知,当NMK掺量一定时,NRAC抗折强度值随RA取代率的增加而逐渐减小,这与文献[13]的研究结果相吻合.当RA取代率为30%、50%时,NRAC抗折强度随NMK掺量的增加而逐渐提高,当NMK掺量增加至5%时,抗折强度达到峰值,此时的强度增幅分别为4.5%、3.2%.但随着NMK掺量进一步增加,NRAC的抗折强度出现下降趋势,当掺量增加至7%时,NRAC抗折强度仅为3 MPa和2.7 MPa,低于NMK为3%时的抗折强度.当RA取代率为100%时,NRAC抗折强度随NMK掺量的增加呈现持续增长的趋势,但增大的幅度在逐渐降低.

由此可知,适量NMK的掺入对不同RA取代率的RAC劈拉和抗折强度均有明显的改善效果.但随着NMK掺量的增多,强度的提升反而受到限制,其原因可能是NMK在混凝土拌和过程中易发生团聚现象[14],纳米颗粒很难进入再生骨料的ITZ中,NMK优异特性的发挥将受到抑制.

3 纳米偏高岭土对再生混凝土孔隙结构的影响

为从孔结构的角度分析NMK对RAC的影响,本节试验采用3H-2000PSI比表面积及孔径分析仪,由于篇幅限制,本文选取差异较为明显的RA取代率为100%时的试件作为测量试样,利用BET多点法研究在RA取代率为100%的前提下,NMK掺量从3%增加至5%的RAC的比表面积变化情况,并以BJH法分析其孔径分布特征,孔体积-孔径微分积分分布曲线如图3所示.

由图3可知,不同NMK掺量的RAC孔结构分布规律比较相似,由NRAC-3-100和NRAC-5-100的孔体积-孔径微分分布曲线可知,NRAC大部分孔径处于小于80 nm的范围内.两种NMK掺量的孔体积-孔径微分分布曲线均在3.5～4 nm处达到峰值,说明在结构内部存在较多孔径为3.5～4 nm的孔隙[13].由NRAC-3-100和NRAC-5-100的孔体积-孔径积分分布曲线可知,NRAC吸附气体体积随孔径的增大而增多.对数据进行计算发现小于2 nm的微孔总体积都为零,2～50 nm的中孔体积分别占总孔体积的75.6%、89.2%,大于50 nm的大孔体积分别占总孔体积的24.6%、10.8%.为了更直观的了解不同NMK掺量对RAC的影响,将比表面积和孔径分析结果绘制成如图4所示.

图3 孔体积-孔径微分积分分布曲线Fig.3 Pore volume-pore diameter differential integral distribution curve

由图4可知,在同等骨料取代率的条件下,随着NMK掺量的增加,NRAC总孔体积和比表面积均得到降低,分别降低51.32%和27.06%.大孔体积所占的比例减少,中孔所占的比例增加.这表明,NMK的掺入不仅填充再生骨料中的部分孔隙、裂缝,而且细化了RAC的孔隙结构.根据吴中伟[16]的孔径危害分类可知,大孔体积越多,有害孔就越多;随着有害孔的增加,构件的强度随之降低,故NRAC-3-100的强度低于NRAC-5-100.该结论与上述图1和图2中的试验结果相吻合.

图4 不同掺量NMK的RAC孔隙结构

综上所述,在RAC中掺入适量NMK后,试件的强度有所提高,这是由于NMK的小尺寸效应,纳米颗粒填充了RAC内部部分大孔、中孔孔隙,使得大孔体积、总孔体积和比表面积均得到减少,细化了RAC的孔隙结构,提高结构的密实度.

4 纳米偏高岭土对再生混凝土微观结构的影响

本节采用蔡司Stemi 508光学显微镜和SEM对NRAC内部结构进行观察,由于篇幅限制,本文选取差异较为明显的RA取代率为100%时的试件作为观察试样,由此来说明不同NMK掺量对RAC的改善机理.

4.1 纳米偏高岭土对再生混凝土在光学显微镜下微观结构的影响

在光学显微镜下不同NMK掺量试样的内部微观形貌如图5所示.图5a、b为NMK掺量为3%时试样的微观形貌图.在放大倍数为30倍的情况下,能从图5a中能清晰看到,试样内部结构并不密实,内部存在有大孔和小孔孔隙.其中,小孔孔隙较多,且分布较广.此外,还能观察到结构中还存有微裂缝.把放大倍数增加至125倍,可以从图5b中能更清楚看到,整个观察面被小孔的孔隙遍布.图5c、d为NMK掺量为5%时试样的微观形貌图.在放大倍数为30倍的情况下,与图5a相比,图3c结构明显更为平整、密实,孔隙和裂缝明显减少.把放大倍数增大至125倍时,在图5d中能清晰看到孔隙与裂缝被胶状物以及颗粒物所填充,总孔及大孔数量明显减少,仅留有少量小孔孔隙,上述图4中的数据也恰好证明了这一点.

图5e、f为不同NMK掺量试样界面过渡区的微观形貌图.从图5e中可以明显看到,在NMK掺量在3%时,试件破坏时ITZ出现骨料与砂浆剥离的情况.从图5f中可以发现,在NMK掺量为5%时,在试件破坏时并未出现骨料与砂浆剥离的情况,图中可以清晰看到在ITZ再生骨料表面附着一层灰色的老砂浆,老砂浆的表面又覆盖一层新砂浆,在试件破坏时,骨料和砂浆同时被破坏.

由此说明,NMK本身的小尺寸效应,使得随NMK掺量的增加,结构内部部分孔隙和裂缝得到填充,增强结构的致密性,加强骨料与砂浆之间的粘结力,改善ITZ的强度,从而促进试样强度的提升.

图5 在光学显微镜下不同NMK掺量试样的内部微观形貌Fig.5 The internal micro morphology of samples with different NMK content under an optical microscope

4.2 纳米偏高岭土对再生混凝土在电子显微镜下微观结构的影响

在SEM下不同NMK掺量试样的内部微观形貌如图6所示.图6a、b为NMK掺量为3%时试样的微观形貌图.从图6a不难看出,结构内部存在较多呈片状的水化产物Ca(OH)2,水化产物之间存有大量裂缝和孔隙,其中部分孔隙为连通孔隙,且水化产物之间的连接较为疏松;从图6b中能较为清晰的看到,孔隙和裂缝内存在未发育完全的针状棒的C—S—H凝胶.这可能是由于再生骨料内部存在较多的微孔隙和裂缝,而掺入的NMK又较少,因此存在未发育完全的针状棒的C—S—H凝胶.图6c、d为NMK掺量为5%时试样的微观形貌图.对比图6a、b,图4c、d的微观结构形貌整体更为密实,内部微孔隙和裂缝明显减少,呈片状的水化产物Ca(OH)2含量也明显降低,形成较多呈颗粒状的C—S—H凝胶,且水化产物之间的连接更为紧密.

图6e、f为不同NMK掺量试样界面过渡区的微观形貌图.从图6e中不难发现,在NMK掺量为3%时,观察面整体较为松散,ITZ附近存在较多的孔隙与裂缝.从图6f中可以看到,当NMK掺量为5%时,ITZ附近的孔隙和裂缝数量明显减少,观察面整体较为紧密,且在ITZ附近能发现有较多的C—S—H凝胶.

由此说明,在NMK掺量从3%增加至5%时,RAC内部孔隙和裂缝得到填充,且通过水化反应生成的C—S—H凝胶增多,凝胶发育良好且呈颗粒状堆积,水化产物之间连接紧密,ITZ附近形貌更为紧密,骨料与砂浆之间的粘结力得到提高,改善ITZ的同时,结构内部整体更为密实.

综上所述,适量NMK的掺入对RAC劈拉和抗折强度均有明显的改善作用.NMK对RAC强度的增强作用主要归因于:1) 由于NMK本身的小尺寸效应,未参与反应的NMK颗粒填充RAC内部孔隙、裂缝,提高结构内部密实度.2) 由于NMK具有晶核效应,在孔隙中的离子浓度还未达到临界成核浓度时,水化产物便开始形成,从而促进水泥水化反应[17].3) NMK在水泥水化过程中消耗氢氧化钙(Ca(OH)2)生成C—S—H凝胶和水化铝酸钙凝胶,凝胶发育良好且呈颗粒状紧密堆积,增强砂浆与骨料之间的粘结强度,改善ITZ的同时提高结构内部密实度;又因为NMK较强的火山灰效可促进二次水化[17],消耗大量SiO2、Al2O3和水泥水化产物Ca(OH)2,反应产生更多的C—S—H凝胶和水化铝酸钙凝胶,进一步提高结构密实度.其化学反应式如式(1)、(2)所示.NMK与Ca(OH)2持续反应,将强度较低的片状晶体Ca(OH)2转化成较高的凝强度胶.综上,掺入NMK对RAC强度起到积极影响.

xCaO·SiO2·nH2O

(1)

yCaO·Al2O3·nH2O

(2)

5 结论

1) 当NMK掺量一定时,随RA取代率的提高,NRAC的劈拉强度、抗折强度均呈现降低趋势.

2) 当RA取代率一定时,随着NMK掺量的增加,NRAC的劈拉强度、抗折强度均呈现先增加后降低的趋势,试件的劈拉强度和抗折强度在NMK掺量为5%时均达到峰值.

3) 当再生骨料取代率为100%,NMK的掺量从3%增加至5%时,RAC总孔体积和比表面积均得到降低,分别降低51.32%和27.06%.NMK掺量的增加细化了RAC的孔隙结构,构件内部大孔比例减少,中孔比例增加,结构密实度得到提高.

4) 掺入NMK后,由于NMK的晶核效应,促进早期水泥水化反应,NMK在水泥水化过程中消耗Ca(OH)2生成C—S—H凝胶和水化铝酸钙凝胶,内部结构密实度得到提高;又因NMK较强的火山灰效应能促进二次水化,消耗大量SiO2、Al2O3和水化产物Ca(OH)2,反应产生更多的凝胶,填充内部孔隙,进一步提高结构密实度.NMK本身的小尺寸效应,使未参与反应的NMK颗粒填充再生混凝土内部孔隙、裂缝.NMK在改善构件内部微观结构的同时,提升ITZ强度,进而促进RAC强度的提升.