納米氧化硅-橡膠再生混凝土抗凍性能試驗研究

劉 榴

(武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430073)

據統計，中國城市垃圾總量的30%～40%為建筑垃圾，廢棄混凝土占建筑垃圾總量的50%～60%[1]。然而對于廢棄混凝土利用率較低，通常將其用作基坑回填或道路路基，只有少部分破碎后用于配制成再生混凝土。大部分廢棄混凝土都沒有做任何處理，通常是露天堆放或填埋[1]。同時，隨著汽車工業的發展，產生了大量廢舊橡膠輪胎。中國每年產生的廢橡膠輪胎超過5 000萬條，但是只有少部分經過處理后加以利用，大量未處理的廢舊輪胎會帶來巨大的環保問題[2]。

納米氧化硅在混凝土中能夠起到高化學活性和微粒性作用，在再生混凝土性能改善方面具有良好的應用前景[3]。張海燕等[4]研究了不同水膠比條件下納米SiO2摻量對高性能混凝土抗壓強度的影響；學術界對再生混凝土和橡膠再生混凝土的抗凍性能進行了一定的研究[5-8],趙麗妍[9]通過將不同粒徑的橡膠粉分別按10、20、30 kg/m3的摻量摻入混凝土中，研究表明當橡膠粉粒徑為120目、摻量為10 kg/m3時，可明顯改善混凝土的抗凍性。洪錦祥等[10]研究表明，隨著凍融循環次數的增加，橡膠混凝土的受拉性能和變形性能均呈明顯的下降趨勢。Topcu等[11]將橡膠顆粒分別以骨料體積的10%、20%、30%摻入混凝土中進行抗凍試驗，結果表明，摻入橡膠顆粒后的混凝土抗凍性均好于未摻橡膠顆粒的。楊春峰等[12]通過試驗發現，摻入橡膠能改善混凝土的抗凍性，橡膠粉比橡膠顆粒的效果好。趙強等[13]通過試驗研究不同橡膠顆粒、納米SiO2摻量對再生混凝土力學性能的影響，納米SiO2的摻入可以提升橡膠再生混凝土的力學性能，當納米SiO2摻量為5%時，改善效果顯著。關于納米SiO2和橡膠再生混凝土的現有研究成果較多，但在抗凍性能方面的研究較為欠缺。

本文針對摻入不同比例的橡膠粉、納米SiO2對再生混凝土抗凍性能進行研究。采用的再生粗骨料和再生細骨料取代率均為30%，橡膠顆粒的摻量分別為0%、1%、3%、5%，納米SiO2的摻量分別為0%、1.5%、3%，通過試驗研究不同摻量的橡膠粉、納米SiO2對再生混凝土抗凍融循環的影響。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，天然粗骨料為武漢市某項目所用公稱粒徑為5～25 mm連續級配的石灰巖碎石，再生粗骨料來自于學校實驗室改造工程中的地面廢棄混凝土經篩撿、破碎、篩分并按試驗要求混合后形成的連續級配骨料，天然細骨料為武漢市天然河砂，細度模數為2.6，屬Ⅱ區中砂。再生細骨料來自于實驗室改造工程中的地面廢棄混凝土破碎后篩分得到的連續級配細骨料，細度模數為3.0，屬Ⅱ區中砂。骨料基本性能見表1。

表1 骨料基本性能

試驗中所采用的納米SiO2來自于唐山曹妃甸泰弘晟達新材料有限公司，其技術指標由廠家提供，見表2，其外觀特征見圖1。橡膠粉為四川省某橡膠材料廠生產的粒徑為80目(0.18 mm)的廢舊輪胎橡膠粉，外觀呈現為黑色粉末狀，外表光滑，具有憎水性，見圖2。

表2 納米SiO2技術指標

圖1 納米SiO2

圖2 橡膠粉

1.2 試驗配合比

本試驗的配合比以普通混凝土作為基準組進行設計，其他組根據該配合比進行設計。再生粗骨料和再生細骨料取代率均為30%(分別等質量取代天然碎石和天然河砂)，橡膠粉摻量為 0、1%、3%、5%(等質量取代天然河砂)，納米SiO2摻量分別為0、1.5%、3.0%(等質量取代水泥)，共配制了13組不同配合比試件，混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比

1.3 試驗方法

根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[14]的相關規定，進行抗凍試驗。本次試驗采用快凍法，試驗采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，分別測試了凍融循環作用下各試件在28 d齡期的質量損失和強度損失。

2 試驗結果及分析

2.1 質量損失率

凍融循環達到50次時，基準混凝土質量損失率為-0.31%。與基準混凝土相比，未摻入橡膠粉、納米SiO2的再生混凝土質量損失率減小了25.8%。這是由于再生骨料吸水率較天然骨料大，混凝土內部的孔隙經凍融后帶來的孔壁壓力而擴大，產生不同程度的損傷，形成微裂縫，從而吸收較多的水分，而且早期的凍融不會使混凝土表層砂漿大量的剝落，砂漿剝落的質量少于吸收水分的質量，導致混凝土質量增大，質量損失率減小。

在不同凍融循環次數下橡膠粉摻量、納米SiO2摻量對再生混凝土質量損失率的變化曲線分別見圖3、4。

a)納米SiO2摻量為0

由圖3知，再生混凝土的質量損失率隨著凍融循環次數的增加而減??；在納米SiO2摻量一定時，凍融循環作用下再生混凝土的質量損失率隨橡膠粉摻量的增加而減小，由于橡膠粉摻量的增加，其與水泥漿體結合面的裂縫也會變多，微裂縫處逐漸被水分填充，混凝土質量損失率減小。

由圖4知，在橡膠粉摻量一定時，凍融循環作用下再生混凝土的質量損失率隨納米SiO2摻量的增加而增大，主要是納米SiO2填充作用和高活性使水泥顆粒表面效應增強，促進水化反應進程，水化產物增多，減少了混凝土內部有害孔隙的數量，密實度顯著提高，從而吸收的水分大幅減少，質量相對減小。與基準混凝土相比，單摻3%的納米SiO2再生混凝土的質量損失率提高了64.5%。

a)橡膠粉摻量為0和5%

2.2 強度損失率

凍融循環達到50次時，基準混凝土強度損失率為3.3%。摻入橡膠粉、納米SiO2的再生混凝土強度損失率有不同程度的改善，其中橡膠粉和納米SiO2的摻量分別為5%、3%時改善效果最好，與基準混凝土相比降低了45.5%，而未摻入橡膠粉、納米SiO2的再生混凝土強度損失率提高了78.8%。主要是再生骨料在破碎過程中產生大量的微裂縫，而且多孔隙，這些微裂縫與孔隙集中在再生骨料表面附著的砂漿上，經過凍融循環之后便會在舊水泥砂漿與新砂漿的界面處相互貫通，導致強度損失較多。

在不同凍融循環次數下橡膠粉摻量對再生混凝土強度損失率的變化曲線見圖5。由圖5可知，在納米SiO2摻量一定時，凍融循環達到50次再生混凝土強度損失率隨著橡膠粉摻量的增加而降低。橡膠具有良好的彈性變形性能，為水結成冰的體積膨脹提供了空間，水泥-砂漿基體在早期硬化過程中，由于自身的收縮存在許多原始微裂縫，摻入橡膠粉后，這些微裂縫有些會和橡膠與水泥-砂漿基體的連接界面連通，微裂縫中的水在結冰過程中，冰與水之間存在飽和壓差，使微裂縫中的水向四周移動，對縫壁產生滲透壓力。而橡膠粉與水泥砂漿界面處的微裂縫，常溫條件下裂縫被液態水填充滿，低溫條件下水結冰體積增大，內部產生體積應力，但彈性較好的橡膠粉通過自身收縮給冰提供發展空間，從而減小了作用于漿體上的應力，一定程度上抑制了再生混凝土內部裂縫的開展[15]。

a)納米SiO2摻量為3%

在不同凍融循環次數下納米SiO2摻量對再生混凝土強度損失率的變化曲線見圖6。由圖6可知，再生混凝土強度損失率隨著納米SiO2摻量的增加而降低。這是由于納米SiO2具有填充效應，可以提高再生混凝土的密實度，減小凍融循環過程中再生混凝土內部孔隙水的含量，降低了再生混凝土的凍脹破壞壓力，從而使得強度損失較少；納米SiO2還具有活性效應，可與水泥發生二次水化反應，生成硬度更大的C-S-H凝膠，再生混凝土的整體抗壓能力提高了，也使得強度損失較少，抗凍性能有所提高。

a)橡膠粉摻量為0和5%

3 結論

a)在凍融循環初期，混凝土質量損失率隨著凍融循環次數的增加而減小，且均呈負增長。凍融循環達到50次時，橡膠粉摻量與再生混凝土質量損失率呈反比，納米SiO2摻量與再生混凝土質量損失率呈正比。

b)在凍融循環初期，混凝土強度損失率隨著凍融循環次數的增加而增加。凍融循環達到50次時，橡膠粉摻量以及納米SiO2摻量與再生混凝土強度損失率均呈反比，其中橡膠粉和納米SiO2的摻量分別為5%、3%時改善效果最好。但從經濟方面考慮，橡膠粉和納米SiO2的摻量分別為5%、1.5%時，對再生混凝土的抗凍性能已經有所提高，更適合優先選用。