碳酸鈣晶須增強(qiáng)再生保溫混凝土性能試驗

黃 偉，方張平，葛進(jìn)進(jìn)，張陽陽

(1. 淮南聯(lián)合大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 淮南 232038；2. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

由于建筑行業(yè)快速發(fā)展，存在大量廢舊混凝土結(jié)構(gòu)，而這些廢舊混凝土結(jié)構(gòu)拆除后，基本被當(dāng)作建筑垃圾，沒有太多利用.面對節(jié)能環(huán)保的需要，開展再生混凝土相關(guān)性能研究尤為重要.目前，再生混凝土的研究主要集中在再生粗骨料的制備方面，如分析不同再生粗骨料取代率對混凝土力學(xué)性能的影響[1-3]；制備再生保溫混凝土[4-5]、纖維再生混凝土[6-8]、再生保溫混凝土砌塊[9-10]等.常規(guī)的再生保溫混凝土因保溫性能差、強(qiáng)度低等缺點[11-12]，約束了其推廣和應(yīng)用.很多學(xué)者利用摻入各種摻合料來改善再生混凝土的性能，能拓寬再生混凝土的使用范圍.碳酸鈣晶須是一種新型無機(jī)填料，其微觀結(jié)構(gòu)呈較高長徑比的針狀或纖維狀，可以在復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)中起到短切纖維的作用；玄武巖纖維是一種新型高性能礦物纖維材料，具有導(dǎo)熱系數(shù)小、彈性模量高、拉伸強(qiáng)度大、分散性好等優(yōu)點.這2 種材料均與水泥基體具有良好的相容性.

本文利用碳酸鈣晶須(CW)和玄武巖纖維(BF)單摻、復(fù)摻制備再生保溫混凝土，分析其對再生保溫混凝土的作用機(jī)理，并通過試驗研究其對再生保溫混凝土抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)和界面過渡區(qū)的影響，以期為進(jìn)一步推廣再生保溫混凝土提供參考.

1 試驗材料和配合比

1.1 試驗材料及參數(shù)

普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)；萘系減水劑FDN-C，減水率為18%～28%，摻量為水泥摻量的0.5%；人工破碎廢棄混凝土，并根據(jù)《建筑用卵石、碎石》[13](GB/T 14685—2011)測試方法對再生粗骨料進(jìn)行篩分和性能測試，再生粗骨料表觀密度1.22 g/cm3，24 h 吸水率6.84%，壓碎指標(biāo)值為21.5%，篩分結(jié)果見表1；細(xì)骨料用玻化微珠來取代，玻化微珠物理性能指標(biāo)見表2；碳酸鈣晶須采用振華塑化公司生產(chǎn)的文石型碳酸鈣，純度98%，具體性能指標(biāo)見表3，其形貌見圖1；采用湖南長沙匯祥纖維廠生產(chǎn)的玄武巖纖維，其性能參數(shù)見表4.

表2 玻化微珠物理性能指標(biāo)

表3 碳酸鈣晶須性能參數(shù)

圖1 碳酸鈣晶須形貌

表4 玄武巖纖維性能參數(shù)

1.2 試驗配合比及試塊制作

再生保溫混凝土配合比如表5 所示.澆筑制備100 mm×100 mm×100 mm 立方體試塊和300 mm×300 mm×30 mm 的平板試塊，混凝土試件成型拆模后放置在溫度為(20±1) ℃，相對濕度為95%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期后，取出試件進(jìn)行試驗.

表5 再生保溫混凝土的配合比

1.3 試件測試

再生保溫混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度采用微機(jī)控制電液伺服萬能實驗機(jī)WAW-1000 進(jìn)行試驗，壓力加載速度控制在0.3 MPa/s.再生保溫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)采用穩(wěn)態(tài)法中的防護(hù)熱板法，試驗前將平板試件烘干，然后利用DR3030 智能平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測定.采用QUANTA650 掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)試驗.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

圖2 為再生保溫混凝土抗壓強(qiáng)度分布.由圖2 可知，不摻碳酸鈣晶須和玄武巖纖維時，再生素混凝土抗壓強(qiáng)度最低，僅13.2 MPa.玄武巖纖維摻量為0.5%，碳酸鈣晶須摻量分別為0%，1.0%，2.0%，5.0%和10.0%時，再生保溫混凝土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長后降低的變化趨勢.碳酸鈣晶須摻量為5.0%時，再生保溫混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到19.1 MPa.這表明適量的碳酸鈣晶須發(fā)揮了晶須纖維超細(xì)無機(jī)填料的優(yōu)勢，即降低再生保溫混凝土骨料的離析和內(nèi)部孔隙率，另外碳酸鈣晶須可以充當(dāng)纖維雜亂分布在再生混凝土內(nèi)部，2 種尺度纖維有效地阻斷了再生混凝土早期形成的微裂紋，起到了補(bǔ)強(qiáng)增韌和填充密實的作用.碳酸鈣晶須摻量為10%時，因碳酸鈣晶須摻量過大，會產(chǎn)生晶須纖維集聚現(xiàn)象，使其在再生混凝土中形成更多的孔隙和內(nèi)部缺陷，反而造成再生混凝土抗壓強(qiáng)度的降低.

圖2 再生保溫混凝土抗壓強(qiáng)度分布

2.2 導(dǎo)熱性能

圖3 為再生保溫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分布.由圖3 可知，R1 試樣導(dǎo)熱系數(shù)為0.365 W/(m·K)；單摻0.5%玄武巖纖維后，R2 試樣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.375 W/(m·K)，增長了2.6%；單摻1.0%碳酸鈣晶須后，R3 試樣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.379 W/(m·K)，增長了3.9%.與碳酸鈣晶須相比，玄武巖纖維因?qū)嵯禂?shù)小，對再生保溫混凝土的導(dǎo)熱性能影響略小.玄武巖纖維和碳酸鈣晶須雙摻后，再生保溫混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大.當(dāng)玄武巖摻量為0.5%、碳酸鈣晶須摻量為5.0%時，再生保溫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到峰值0.405 W/(m·K)；當(dāng)碳酸鈣晶須摻量為10.0%時，再生保溫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)降至0.384 W/(m·K).這表明過多的晶須聚集在混凝土內(nèi)部形成了多孔結(jié)構(gòu)，阻止了熱量傳遞，從而降低了再生混凝土的導(dǎo)熱系數(shù).

圖3 再生保溫混凝土導(dǎo)熱系數(shù)分布

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

圖4 為混凝土中玻化微珠在混凝土內(nèi)部的微觀形貌.由圖4(a)可知，玻化微珠內(nèi)部有大量的空隙，空洞大小不一，分布不均勻；由圖4(b)可知，玻璃體球狀空洞周邊為玻化微珠的薄壁，其與水泥漿水化產(chǎn)物緊密聯(lián)系在一起.圖5 為不同配合比再生保溫混凝土SEM形貌.由圖5(a)可知，玄武巖纖維周圍C-S-H 凝膠體較少，纖維周圍存在明顯的裂紋，水泥水化產(chǎn)物存在微裂紋和較大孔洞，有部分針狀的鈣釩石晶體；由圖5(b)可知，玄武巖纖維周邊由C-S-H 凝膠體握裹緊密，水泥基存在大量微孔；由圖5(c)可知，毫米級的玄武巖纖維周邊分布部分針狀的碳酸鈣晶須，當(dāng)碳酸鈣晶須摻量為5.0%時，水泥基水化產(chǎn)物更為豐富，且玄武巖纖維周邊的碳酸鈣晶須分布更為明顯，水泥基內(nèi)部孔洞分布小而多.

圖4 再生保溫混凝土中玻化微珠形貌

圖5 不同配合比混凝土微觀形貌

2.4 界面過渡區(qū)

圖6 為再生粗骨料界面過渡區(qū)微觀形貌.由圖6 可知，再生粗骨料與水泥漿之間的界面過渡區(qū)非常明顯，能清晰看到界面過渡區(qū)存在的微裂縫.圖6(a)為未摻碳酸鈣晶須的再生混凝土，水泥漿與骨料之間裂紋明顯；摻入碳酸鈣晶須后(如圖6(b)所示)，由于晶須可以促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)，生成大量的C-S-H 凝膠體，填充骨料與水泥漿之間的縫隙，使界面過渡區(qū)致密性有所提高，同時增強(qiáng)了玄武巖纖維的粘結(jié)性能，使整個混凝土界面過渡區(qū)得以強(qiáng)化，從而提高了再生保溫混凝土 的整體性.

圖6 再生粗骨料界面過渡區(qū)微觀形貌

3 結(jié)論

1)摻入碳酸鈣晶須和玄武巖纖維可有效提高再生保溫混凝土的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)；隨著碳酸鈣晶須摻量的增加，兩者均表現(xiàn)先增加后降低的趨勢；當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.5%、碳酸鈣晶須摻量為5.0%時，再生保溫混凝土相比素混凝土，其抗壓強(qiáng)度提高了44.7%，導(dǎo)熱系數(shù)增長了11.0%.

2)玄武巖纖維和碳酸鈣晶須雙摻后，再生保溫混凝土界面過渡區(qū)水化產(chǎn)物豐富，尤其是晶須與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成大量的C-S-H 凝膠體，與玄武巖纖維聯(lián)合作用，抑制了再生保溫混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，形成了致密的界面過渡區(qū).

3)當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.5%、碳酸鈣晶須摻量為5.0%時，制備的再生保溫混凝土可以同時兼顧強(qiáng)度和保溫性能.