納米SiO2對橡膠再生混凝土抗壓和劈裂抗拉強度的影響

戈 炫，屠艷平，洪 澤，謝 哲，原暉程，秦 剛

武漢工程大學 土木與工程建筑學院，湖北 武漢430074

近些年來我國城市化發(fā)展逐漸加快，建筑材料的消耗巨量增加，由此造成的建筑廢棄物越來越多［1］。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生的垃圾中有30%以上來自建筑，而其中有50%多為棄用混凝土，其回收利用率低，一般都用來進行回填道路以及鋪設路基；其余大都為直接堆放或埋藏在地下，土地占用面積極大。另外，由于建筑中骨料的大量使用，致使人們不斷去開采砂石，造成了砂石的過度開采，這種行為不符合當今國家倡導的可持續(xù)發(fā)展策略。因此，建筑廢棄物的循環(huán)利用已經(jīng)成為當今社會大眾密切關注的重大研究課題［2］。

同時，我國大約每年會生產(chǎn)740萬噸橡膠，而這些舊橡膠的利用率卻很低。廢舊輪胎不易處理，主要原因是難以降解，且會散發(fā)刺激性的味道，會帶來嚴重的環(huán)境污染問題［3］。橡膠屬于韌性材料，具有高彈、耐磨及可塑性等眾多優(yōu)點，如果往混凝土中摻入合適的量，能有效改善混凝土的抗裂性能和延性［4-5］。

納米SiO2尺寸較小、比面積較大，化學活性較高，若將其加入到混凝土中，可以明顯改善混凝土的抗拉強度和抗壓性能。Alhawat等［6］通過試驗發(fā)現(xiàn)：加入納米SiO2可以有效改善建筑混凝土內(nèi)部各成分之間的粘結效果，其主要原因是：納米SiO2可充分分散在膠凝材料中，有效填補建筑混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的孔洞和裂痕，同時也能促進水化產(chǎn)物的增加，改善再生骨料混凝土過渡區(qū)的粘結效果。肖建莊等［7］通過試驗，研究了納米SiO2對再生骨料混凝土和易性的影響，試驗加入納米SiO2后再生骨料混凝土的和易性會降低，主要原因是：納米SiO2具有很強的表面能，可以吸附混凝土內(nèi)部多余的游離水。Bastami等［8］通過試驗，研究了在橡膠再生混凝土中加入納米SiO2后，其力學性能及工作性能的變化，結果發(fā)現(xiàn)橡膠再生骨料混凝土的抗拉性能隨著納米SiO2摻量的增加而逐漸增強。因為混凝土內(nèi)部的裂痕對其抗拉性能影響較大，而納米SiO2的加入提高了橡膠再生骨料混凝土材料的密實度，這樣能很好的改善橡膠再生骨料混凝土的微觀結構，大幅度提高其抗拉強度。

再生混凝土，它指的是將一些廢棄不用的混凝土通過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，再按相應的配合比與膠凝材料、水攪拌配制成的新混凝土［9］。這種做法不但可以緩解我國目前面臨的天然骨料開采無法滿足工程項目所需形勢，還能減輕廢棄混凝土對土地資源的浪費。再生混凝土可很好的實現(xiàn)材料多次利用，它具有優(yōu)良的綜合性效益，同時也是近些年來開發(fā)與研究綠色混凝土的主要方向之一［10］。研究表明再生粗、細骨料取代率均為40%時，對混凝土力學性能的影響較小，同時具有良好的經(jīng)濟性［11］。故本實驗中再生粗骨料和再生細骨料取代率均為40%，配合比中的變量僅為橡膠和納米SiO2的摻量。

1 試驗部分

1.1 試劑與材料

水泥：由華新水泥鄂州有限公司生產(chǎn)，為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，物理性能見表1；天然粗骨料：源自武漢市某項目的石灰?guī)r碎石，該碎石公稱粒徑為5～25 mm，集配優(yōu)良；再生粗骨料：源自學校實驗室改造工程中地面廢棄的混凝土塊，經(jīng)破裂、篩分、沖洗而得，粒徑為5～20 mm，各項指標具體見表2；天然細骨料：為武漢市天然河砂，烘干后篩分而得，天然河砂細度模數(shù)為2.6，屬Ⅱ區(qū)中砂；再生細骨料：源自學校實驗室改造工程中地面廢棄的混凝土塊，經(jīng)過破碎、篩分而得，其細度模數(shù)測得為3.0，屬Ⅱ區(qū)中砂；納米SiO2：試驗中所采用的納米SiO2來自于濟南匯錦川化工有限公司，其技術指標由廠家提供，見表3；高效減水劑：在實驗中采用的是固含量為20%的聚羧酸減水劑；水：本實驗采用普通自來水；橡膠顆粒：通過加工廢舊輪胎得來，其粒徑為1～3 mm，外觀呈現(xiàn)為黑色粉末狀，外表光滑，具有憎水性。

表1 水泥物理性能指標Τab.1 Physical properties of cement

表2 再生粗骨料物理性能指標Τab.2 Physical propertiesof recycled coarse aggregate

表3 納米SiO2物理性能指標Τab.3 Physical properties of nano-SiO2

1.2 配合比設計

再生粗骨料與細骨料的取代率均取40%，橡膠顆粒摻量取0%、1%、2%，等質量取代細骨料，納米SiO2摻量取0%，1.5%，3%，等質量取代水泥。相關的配合比數(shù)據(jù)主要是依據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ55-2011）中的相關規(guī)定計算所得，詳細的配合比設計如表4。用NC來代表普通混凝土，其他中K表示摻橡膠顆粒摻量（%），N表示納米SiO2摻量（%），K2-N3表示橡膠顆粒摻量為2%，納米SiO2摻量為3%，以此類推。

表4 混凝土配合比Τab.4 Proportioning of cement concrete

1.3 試驗方法設計

本次試驗共設計了60個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊進行實驗，一共10組，每組6個試塊。試塊采用標準養(yǎng)護條件養(yǎng)護28 d后取出，用干凈的濕抹布擦去表面和上下承壓板表面的水，根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法》（GB/Τ50081-2019）的要求，使用微機控制伺服液壓萬能試驗機進行抗壓強度和劈裂抗拉強度測試。

2 結果與討論

2.1 混凝土抗壓強度實驗結果

由圖1和圖2可知，抗壓強度作為再生骨料混凝土的一個重要指標，在橡膠摻量較小情況下，抗壓強度下降的幅度不大，各組平均降低3.37%。當隨著納米SiO2摻量的增加的時候，其抗壓強度隨之增加。摻入的SiO2為1.5%、3%時，混凝土抗壓強度增幅為8.0%、19.4%。實驗表明再生骨料混凝土的抗壓性能會隨著納米SiO2的摻量的增加有明顯的增幅。對于摻入橡膠后的強度降低，主要是由于橡膠為有機高分子材料，其彈性模量低，且其強度遠不能與天然砂石骨料相比；另一方面橡膠顆粒無法與水泥漿進行一個有效的結合，從而導致二者在接觸界面有較差的粘結性能［12］。同時，納米SiO2的粒徑小，且活性高，可促進混泥土的水化反應，在促進C3S的水化反應的同時，還能和C3S水化反應生成的Ca（OH）2反應生成水化硅酸鈣（C-S-H），進一步加強再生骨料混凝土的內(nèi)部結構的密實度，進而使再生骨料混凝土的抗壓性能得到提升［13］。

圖1 抗壓強度與納米SiO2的摻量的關系Fig.1 Relationship between compressivestrength and amount of nano-SiO 2

圖2 抗壓強度與橡膠的摻量Fig.2 Relationship between compressive strength and amount of rubber

2.2 混凝土劈裂抗拉強度試驗結果

由圖3和圖4可知，再生混凝土的劈裂抗拉強度隨著橡膠的摻入后，發(fā)生了小幅度的降低，最高僅為4.3%。另一方面隨著納米SiO2摻量的增加，劈裂抗拉力學性能會得到顯著提升，當納米SiO2摻量為1.5%、3%，劈裂抗拉強度平均增加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縫的影響，而納米SiO2顆粒較小且可促進水化反應，其中生成的水化產(chǎn)物C-S-H又能很好的填充混凝土內(nèi)部裂縫進而提升再生混凝土的抗拉性能［14］。橡膠與水混合時互不相容，故橡膠顆粒無法與水泥漿均勻拌合，最終降低了混凝土所能承受的最大拉應力，也就導致了再生混凝土的劈裂抗拉強度降低［15］。

圖3 劈裂抗拉強度與橡膠的摻量的關系Fig.3 Relationship between splitting tensilestrength and amount of rubber

圖4 劈裂抗拉強度與納米SiO2的摻量的關系Fig.4 Relationship between splitting tensile strength and amount of nano-SiO2

3 結 論

在C30普通混凝土的基礎上分別設置了取代率各為40%的再生粗骨料和再生細骨料，通過向其摻入不同摻量的橡膠及納米SiO2來研究對再生混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度影響，最后，對實驗結果進行處理與分析，總結如下：

1）由于橡膠顆粒為憎水性材料，難溶于水、抵抗破壞能力差以及摩擦系數(shù)大等不利特性，若將橡膠顆粒單獨摻入再生混凝土，不僅不會使再生混凝土的抗壓性能和劈裂抗拉性能進行有效的提升，反而會降低混凝土的強度，造成負面影響。

2）納米SiO2顆粒可以促進水化反應，可以使混凝土形成較低的孔隙率，加強再生混凝土的強度或抗變形能力。例如當摻入1%、3%的納米SiO2后，其抗壓強度和劈裂抗拉強度的改善效果均得到了大幅度的提升，這也印證了通過向再生混凝土摻入納米SiO2，從而使其具有更好的強化效果的方法是可行的。

3）當橡膠與納米SiO2二者同時摻入，再生混凝土所表現(xiàn)出來的力學性能相較于單摻橡膠時得到了顯著的提升，改善的效果也隨著納米SiO2摻量的增加而增加，另外也證明了納米SiO2對再生骨料混凝土力學性能的影響大于橡膠對其的影響。當橡膠顆粒、納米SiO2摻量分別為2%、3%時，再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉性能均明顯高于未摻入納米SiO2和橡膠的再生混凝土，說明了納米SiO2的摻入很好的彌補了由摻入橡膠和再生粗骨料后導致再生混凝土的強度降低的負面影響，故可以在利用建筑固廢的同時解決一部分的“黑色垃圾”的處理問題，促進橡膠再生混凝土的工程應用和發(fā)展。