納米硅溶膠對再生骨料混凝土力學性能影響及微觀機理研究

王維成，邵鵬飛，胡永超，張道明，張學元，王悅

納米硅溶膠對再生骨料混凝土力學性能影響及微觀機理研究

王維成1，邵鵬飛2，胡永超2，張道明3，張學元3，王悅1

（1.齊齊哈爾大學 材料科學與工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006；2.誠邦生態環境股份有限公司，杭州 310008；3.齊齊哈爾大學 建筑與土木工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

針對再生骨料孔隙率、吸水率、壓碎指標均高于天然骨料，導致其制備的再生骨料混凝土力學性能劣化無法廣泛應用的問題，采用“預先浸泡+拌和摻入”的雙重改性方式對再生骨料混凝土進行改性處理，并對預先浸泡納米硅溶膠的再生骨料的物理性能以及雙重改性后的再生骨料混凝土的力學性能進行測試分析，利用SEM、EDS對改性的再生骨料混凝土進行微觀表征。結果表明，納米硅溶膠濃度為2%時，再生骨料的物理性能提升幅度最大且成本最低；納米硅溶膠摻量為3%時，再生骨料混凝土28d抗壓強度及劈裂抗拉強度分別提升了42.4%、66.3%,；SEM及EDS表征顯示摻入納米硅溶膠可加快水化反應，降低了Ca/Si，并生成大量C-S-H（I）型凝膠，使新舊水泥漿體以及漿體與骨料間緊密聯結，再生骨料混凝土強度得到顯著提升。

再生骨料混凝土；納米硅溶膠；力學性能；微觀表征

建構筑物拆除后的廢棄混凝土是阻礙建筑材料可持續發展的難點問題之一[1]，據統計，我國每年因拆除建構筑物產生的固體廢棄物已超過兩萬億噸，這一數字隨著基礎建設行業的迅猛發展將不斷提升，例如東北地區老工業城市齊齊哈爾，大量建構筑物拆除的廢棄混凝土以及商混站產生的不合格混凝土被堆積在郊區空地上，占用了大量耕地，并對環境造成了一定污染[2-4]。對此研究者們提出了混凝土再生的方式，將固體廢棄物收集起來，通過沖洗、篩選等工藝流程制備生產再生骨料，并制備再生骨料混凝土（RAC）重新利用[5-6]，這一措施雖然能提高建料循環利用率，但再生骨料表面附著了大量舊水泥砂漿，表面孔隙及裂縫較多，界面過度區（ITZ）薄弱，孔隙率和吸水率等均高于天然骨料，導致其制備的再生骨料混凝土的力學性能低于普通混凝土[7]，僅可應用在步道磚等低強度構件中，無法廣泛滿足實際工程需要。

針對再生骨料混凝土力學性能劣化的問題，尋找適宜改性方法和材料，以提升其力學性能并拓寬應用范圍是變廢為寶、實現建筑資源循環利用的關鍵。納米硅溶膠（NS）作為輔助膠凝材料中的典型代表，因其擁有高比表面能、高活化性、成核作用等特性[8]，摻入至水泥基材料后可顯著增強水化活性、加快水化反應速度，極小的納米粒徑使其可以物理填充至再生骨料表面孔隙及裂縫中。此外，作為高活性火山灰材料，納米硅溶膠還可與水泥水化產物Ca(OH)2發生火山灰反應，生成影響水泥石強度的水化硅酸鈣（C-S-H），改善水泥漿體的膠凝性和聯結性[9]，一定程度上優化了新舊水泥漿體處ITZ劣化的問題。但高比表面能的納米硅溶膠極易團聚，過多摻入仍會導致再生骨料混凝土強度只降不增，采用何種方式使其均勻摻入到再生骨料混凝土中，以及如何選取適宜摻量是納米硅溶膠改善再生骨料混凝土性能的重點。

因此，本文結合國內外眾多學者對于再生骨料混凝土的改性方法，通過“預先浸泡骨料+拌和摻入”的雙重改性方式，首先將再生骨料預先浸泡在不同濃度的納米硅溶膠中，測試浸泡前后再生骨料的壓碎指標、吸水率等物理性能，然后按配比制備再生骨料混凝土并摻入納米硅溶膠進行改性處理，測試雙重改性對再生骨料混凝土宏觀力學性能的影響，在此基礎上，利用SEM、EDS等微觀測試技術對再生骨料混凝土進行表征分析，明確納米硅溶膠對再生骨料混凝土微觀性能影響，為再生混凝土綜合利用提供研究思路。

1 實驗部分

1.1 材料

（1）水泥選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，各項指標均滿足規范及實驗要求，水泥化學成分如表1所示。

表1 水泥成分組成質量分數 (%)

（2）砂為本地江砂，細度模數為2.3。

（3）碎石為本地碎石，連續級配區間為5～25mm。

（4）再生骨料為經破碎、沖洗、篩選后的骨料，連續級配區間為5～25mm。

（5）減水劑為聚羧酸減水劑，型號為325C。

（6）納米硅溶膠為ND-0101型，具體參數如表2所示。

表2 納米硅溶膠性能參數

1.2 實驗配合比分組設計及養護測試方法

本文采用“預先浸泡骨料+拌和摻入”的雙重摻入方式，首先將再生骨料浸泡在1%、2%、3%濃度的納米硅溶膠中，浸泡48h后撈出自然曬干，并放入養護箱中標準養護7d，到達規定養護齡期后取出，依據《普通混凝土用砂石質量及檢驗方法標準》（JGJ52-2016），對浸泡納米硅溶膠的再生骨料的物理性能進行測試，綜合對比得出改性效果最好的納米硅溶膠濃度；在此基礎上，按照水膠比為0.5制備普通混凝土，記為NAC，然后將天然粗骨料中30%替換為未浸泡改性的再生骨料，制備再生骨料混凝土，記為RAC，最后將預先浸泡改性的再生骨料按上述RAC取代方式制備再生骨料混凝土，并在拌和過程中摻入水泥質量分數1%、3%、5%的納米硅溶膠，記為RAC-1、RAC-3、RAC-5，具體實驗配比如表3所示。由于納米材料易因高范德華力產生聚團現象，因此在攪拌過程中應先將水、減水劑與納米硅溶膠預先混合并經超聲波空化分散，再投入骨料中拌和。試塊制備完成后采用YH-90B型標準恒溫恒濕養護箱對試塊進行標準養護，到達養護齡期后，參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019），利用YAW-2000型電液伺服壓力試驗機對試塊進行抗壓強度、劈裂抗拉強度測試。

表3 混凝土配合比 kg/m3

本文利用掃描電子顯微鏡（SEM）對改性前后再生骨料混凝土的微觀結構進行表征，探尋納米硅溶膠對水化產物形貌以及界面過渡區性能的影響；采用能量分散譜儀（EDS）對其進行點掃描分析，以明確改性前后再生骨料混凝土的元素含量和鈣硅比變化。

2 結果與討論

2.1 再生骨料的物理性能

納米硅溶膠預先浸泡對再生骨料物理性能的影響如圖1所示。從圖1(a)中可以看出，未浸泡納米硅溶膠的再生骨料壓碎指標較高，這是由于再生骨料表面附著大量舊水泥砂漿，骨料受壓后舊水泥砂漿剝離、脫落，導致受壓后骨料質量損失率較大；浸泡納米硅溶膠后，再生骨料的壓碎指標有所降低，與未浸泡時相比，浸泡1%、2%、3%濃度納米硅溶膠的再生骨料壓碎指標分別下降了14.4%、25%和28.8%。這是由于納米硅溶膠中SiO2與舊水泥砂漿中Ca(OH)2發生火山灰反應，生成了C-S-H凝膠，增加了舊水泥砂漿各部分的聯結性，以及漿體與骨料間的膠凝性，一定程度上抑制了再生骨料受壓后其舊水泥砂漿發生剝離、脫落現象，從而降低了再生骨料的質量損失率。

從圖1(b)中可以看出，表面附著大量舊水泥砂漿的再生骨料的吸水率較高，這是由于在粉碎、沖洗、篩選等過程中，再生骨料受外力作用影響會產生大量孔隙及裂縫，孔隙率大幅增加導致吸水率較高。浸泡1%、2%、3%濃度納米硅溶膠后，與未浸泡時相比，再生骨料的吸水率分別降低了16.7%、37%、42.6%，產生該現象的原因如下：一是火山灰反應生成的C-S-H凝膠對孔隙及裂縫進行填補，二是由于納米尺寸的SiO2物理填充至孔隙及裂縫中，降低了再生骨料的孔隙率和吸水率。

對比不同浸泡濃度下再生骨料物理性能的變化趨勢發現，納米硅溶膠的濃度由1%增加至2%時，壓碎指數和吸水率的降低幅度分別為10.6%、20.3%，當濃度由2%增加至3%時，壓碎指數和吸水率的降低幅度僅為3.8%、5.6%，這是由于過多納米SiO2團聚在一起，阻礙了舊水泥砂漿的火山灰反應，導致其改性效率大幅降低。綜上所述，為保證改性效率同時控制成本，本文將浸泡再生骨料的納米硅溶膠濃度選為2%，并在此基礎上進行摻入納米硅溶膠改性再生骨料混凝土力學性能的實驗。

圖1 納米硅溶膠濃度對再生骨料物理性能影響

2.2 再生骨料混凝土的力學性能

再生骨料混凝土的力學性能實驗結果如圖2所示。圖2(a)中可以看出，未摻納米硅溶膠的RAC組的7d、28d抗壓強度均低于NAC組，而摻入納米硅溶膠的R30-1、R30-3、R30-5組與RAC組相比，其7d抗壓強度分別提升了23.8%、32.8%、24.7%，28d抗壓強度分別提升了23.4%、42.4%、26.3%。這是由于納米硅溶膠的成核作用，SiO2基團為水化產物C-S-H凝膠提供了成核位點，加快了水化反應并生成更多的C-S-H凝膠，增強了水泥石強度并改善了漿體與骨料間的膠凝性，同時火山灰反應使納米SiO2與再生骨料中Ca(OH)2反應生成更多水化產物，有效降低了界面過渡區內Ca(OH)2含量，避免因Ca(OH)2定向排列引起的界面過渡區劣化問題，從而使再生骨料混凝土的抗壓強度得到顯著提升。

從圖2(b)中可以看出，改性前后再生骨料混凝土劈裂抗拉強度的變化趨勢與抗壓強度大致相同，未改性的RAC組劈裂抗拉強度均低于NAC組，而摻入納米硅溶膠的R30-1、R30-3、R30-5組與RAC組相比，7d時的劈裂抗拉強度分別提升了14.8%、29.5%、23.5%，28d時的劈裂抗拉強度分別提升了50.3%、66.3%、56.0%。劈裂抗拉強度提升的原因是由于納米硅溶膠的摻入加快了水泥水化反應，并生成大量絮凝狀C-S-H凝膠，增強了漿體與骨料間以及新舊水泥砂漿間的聯結性。

對比上述實驗結果發現，改變摻量會對再生骨料混凝土的力學性能產生較大影響，當摻量由1%增加至3%再增加至5%時，再生骨料混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度均呈先增后減趨勢，這是因為高比表面能的納米SiO2極易發生團聚，吸附大量自由水并延緩水化反應的進行，導致過高摻量下再生骨料混凝土的力學性能有所下降。

圖2 納米硅溶膠對再生骨料混凝土力學性能影響

2.3 微觀結構分析

利用掃描電子顯微鏡對RAC組（28d）和RAC-3組（28d）進行了微觀結構特征分析。圖3(a),(b)為未摻納米硅溶膠改性的再生骨料混凝土在300倍和5000倍下的微觀結構圖，可以看出再生骨料混凝土內部結構密實性較差，水泥漿體表面、新舊漿體間、漿體與骨料間含有較多的孔隙及裂縫，ITZ界面過渡區的裂縫更為明顯，放大后發現水化產物為絮凝狀C-S-H凝膠、片狀Ca(OH)2以及針狀鈣礬石（AFt）等，水化產物與骨料間聯結較為松散，界面過渡區內存在大量片狀Ca(OH)2，致使再生骨料混凝土的力學性能較差。而在圖3(c),(d)中，摻入3%納米硅溶膠改性后的再生骨料混凝土則呈現出較為密實的內部結構，漿體表面孔隙被填充，新舊漿體間、漿體與骨料間結合良好，界面過渡區更加致密，放大后發現大量絮凝狀C-S-H凝膠與骨料聯結在一起，極大地增強了水泥漿體的膠凝性，這與2.2節中再生骨料混凝土的力學性能實驗結果是相符合的。

圖3 再生骨料混凝土的微觀結構

2.4 元素含量及鈣硅比

為了探究摻入納米硅溶膠對再生骨料混凝土元素含量和鈣硅比的影響，按照RAC和RAC-3組混凝土中膠凝材料與水、減水劑以及納米硅溶膠的混合比例，制備了相同比例的水泥凈漿，并對其進行EDS點掃描分析，如圖4(a),(b)所示。

圖4 再生骨料混凝土EDS點掃描圖

點掃描獲得的各元素含量如表4所示。從表4中可以看出，再生骨料混凝土中含有氧、鎂、鋁、硅、鈣、鐵等元素，未摻入納米硅溶膠的RAC組的Ca/Si=1.31（鈣硅比），(Al+Fe)/Ca=0.19；摻入納米硅溶膠后，RAC-3組的Ca/Si=0.87，(Al+Fe)/Ca=0.19。TAYLOR等[10]研究表明，當0.8≤Ca/Si≤2.5且(Al+Fe)/Ca≤0.2時，C-S-H凝膠是硅酸鹽水泥的主要水化產物，C-S-H凝膠含量隨Ca/Si增長而逐漸降低。依據上述EDS分析結果，改性后的再生骨料混凝土Ca/Si在C-S-H（I）型凝膠（Ca/Si=0.8～1.5）之間[11]，說明C-S-H（I）型凝膠為其水化后的主要產物，且改性后Ca/Si下降了0.44，這表明摻入納米硅溶膠促進了C-S-H（I）型凝膠的生成量，這與前文中力學性能測試結果是相符的。

表4 再生骨料混凝土EDS點掃描元素表

3 結論與展望

廢棄混凝土再生是節約建材資源、保護綠色環境的有效措施，本文列舉了產生固體廢棄物的來源、再生方式以及改性方法，并相應介紹了高活性、高比表面能的輔助膠凝材料納米硅溶膠在改善水泥基材料性能方面的眾多優勢和特性，綜合對比后選用“預先浸泡+拌和摻入”的改性方式，對再生骨料及其制備的再生骨料混凝土進行雙重改性，利用SEM、EDS等技術對再生骨料混凝土的微觀結構特征、元素含量、鈣硅比進行了分析，得到以下結論：

（1）再生骨料表面附著大量舊水泥砂漿，導致其壓碎指標、吸水率等物理性能劣于天然骨料，預先浸泡納米硅溶膠可使再生骨料中Ca(OH)2與納米硅溶膠中SiO2發生火山灰反應，生成大量C-S-H凝膠對孔隙及裂縫進行填補，降低了骨料的吸水率和壓碎指標，提升了骨料的物理性能，納米硅溶膠濃度為2%時改性效率和經濟成本最佳。

（2）拌和過程中摻入納米硅溶膠，利用其成核作用和火山灰活性可促進水化活性，加快水泥水化反應，一定程度上提升了再生骨料混凝土的力學性能，摻量為3%時提升效果最為明顯，養護28d時的抗壓強度和劈裂抗拉強度最多提升了42.4%和66.3%。

（3）SEM表征顯示摻入納米硅溶膠使再生骨料混凝土內部結構更加致密，大量絮凝狀C-S-H凝膠與Ca(OH)2、鈣礬石等緊密聯結在一起，增強了水泥石強度以及漿體的膠凝性；EDS分析顯示摻入納米硅溶膠可有效降低鈣硅比，增加C-S-H凝膠生成量，從而使再生骨料混凝土的力學性能得到顯著提升。

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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

齊齊哈爾大學橫向課題“輔助膠凝材料對廢棄混凝土再生性能影響的研究”（220122222019）；黑龍江省高等教育教學改革一般項目“第二課堂課程思政沉浸式教學模式研究”（SJGY20210965）

王維成（1995-），男，黑龍江佳木斯人，學士，主要從事再生混凝土改性研究，758382724@qq.com。

張道明（1965-），男，吉林白城人，教授，博士，主要從事結構損傷分析研究，zdmzdm@sina.com。