納米SiO2對橡膠再生水泥膠砂性能的影響

屠艷平，程子揚，鄧 麗，程書凱，徐 雄，陳國夫

武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074

近幾年來，我國城鎮建設不斷推進，廢舊建筑物的拆除重建數量增加，產生大量的建筑垃圾［1］。與此同時，作為汽車大國，我國汽車的數量遠遠領先世界，每年產生的廢舊輪胎也越來越多。然而，對于建筑垃圾和廢舊輪胎的處理方式大多以堆放和填埋為主，這種方式既占用土地，也會污染環境，同時也造成資源的浪費［2-3］。如果將這兩種固廢進行資源化再利用，不僅可以減少固廢處理問題，還可以保護環境，推動綠色建筑行業的可持續發展［4］。但是，再生細骨料（recycled fine aggregate，RFA）本身存在孔隙率大、吸水率高、微粉含量高等缺點［5-7］；橡膠顆粒（rubber particles，RP）為有機材料［8］，與水泥基材料的黏結較差，強度較天然細骨料小［9-11］，導致制備出的橡膠再生水泥膠砂（rubber-recycled cement mortar，RRCM）的強度低，性能差，致使RP 和RFA 在土木工程領域的利用率較低。

鑒于RP 和RFA 的缺點，需要添加一種輔助膠凝材料以提升RRCM 的性能。近年來，隨著納米技術的發展，制備出了活性更高、性能更強的納米顆粒，使得納米材料在土木工程中的應用更加廣泛［12］。納米SiO2具有粒徑小、比表面積大、表面吸附能力強、表面能大等優點，研究表明摻入納米SiO2可以顯著增強水泥基材料的性能［13-14］。相較于其他納米材料，納米SiO2具有極強火山灰活性、晶核作用和填充效應，摻入水泥基材料中可以促進水泥的水化反應，填充水泥基材料內部的孔隙，并與氫氧化鈣反應生成水化硅酸鈣凝膠，提高水泥基材料硬化后的強度［15-17］。肖建莊等［18］研究發現，納米SiO2的摻入可提高再生混凝土的力學性能，但是會造成再生混凝土的坍落度降低。Mei等［19］研究發現納米SiO2由于自身粒徑較小，可以填充水泥砂漿中的納米級孔隙，提高水泥砂漿的密實度。李振東等［20］研究發現納米SiO2能促進水泥的水化反應，提高混凝土的抗壓強度和抗折強度。因此，研究納米SiO2對于RRCM 性能的影響，具有重要的工程意義。

為了明確納米SiO2對于RRCM 性能的影響，本文采用不同質量替代率（1%、2%、3%、4%）的納米SiO2等質量取代水泥、RFA 等質量95%替代天然河砂、RP 等質量5% 替代天然河砂，制備RRCM，測定RRCM 的抗壓強度、抗折強度和折壓比，并通過掃描電子顯微鏡（scanning electron microscopy，SEM）分析摻入納米SiO2后RRCM 的微觀形貌。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥（華新水泥有限公司，型號P.O 42.5），水泥詳細的性能指標見表1；納米SiO2（河北唐山日旭納米材料有限公司），技術指標見表2；RFA 為武漢建工提供的廢舊小區拆除后的混凝土篩分所得，屬Ⅱ區中砂，細度模數為2.6，符合《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）的要求；水：武漢市天然自來水；減水劑：中建商品混凝土有限公司資助的聚羧酸高效減水劑，減水率為18%。

表1 水泥性能指標Tab.1 Performance indexes of cement

表2 納米SiO2技術指標Tab.2 Technical indexes of nano-SiO2

1.2 試驗方案

采用不同質量替代率（1%、2%、3%、4%）的納米SiO2等質量取代水泥、RFA 等質量95%替代天然河砂、RP 等質量5%替代天然河砂，共制備7 組水泥膠砂（cement mortar，CM）。本試驗采用的配合比見表3，其中NCM 代表天然水泥膠砂，RCM代表再生水泥膠砂，RRCM 代表橡膠再生水泥膠砂，RRCM-x，其中x代表納米SiO2的摻量。

參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》標準進行CM 的制備，在40 mm×40 mm×160 mm 砂漿三聯模中成型試樣，標準養護，并測定3、7、28 d 的抗壓強度和抗折強度。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度和抗折強度

所有試驗組的抗壓強度和抗折強度見圖1（a）和圖1（b）。從圖1（a）和圖1（b）中可以看出，摻入RFA 和RP 后，RRCM 的3、7、28 d 的抗壓強度、抗折強度均出現不同程度的降低，同時，隨著納米SiO2質量替代率的增加，RRCM 的3、7、28 d 的抗壓強度、抗折強度都得到不同程度的提高，當納米SiO2的質量替代率為3%、4%時，RRCM 的各齡期抗壓強度和抗折強度超過NCM。

摻入RFA 和RP 導致RRCM 抗壓強度和抗折強度降低，這是由于RFA 相較于天然細骨料，含有大量的老舊砂漿塊，自身強度較低；RP 屬于有機材料，與水泥砂漿的黏結較差，致使凝固后的水泥砂漿強度降低。與此同時，摻入納米SiO2可以有效地改善摻入RFA 和RP 對于RRCM 強度造成的負面影響，文獻［21-23］研究表明，納米SiO2具有較高的火山灰活性，可以促進水泥砂漿的水化反應，改善水泥砂漿的孔結構，使得CM 的內部結構更加密實，提高CM 硬化后的強度。

2.2 折壓比

折壓比可以有效地反映水泥基材料的延性和抗裂性能，折壓比越高，材料的延性和抗裂性能越好，反之，則延性和抗裂性能越差［24-26］。所有試驗組的折壓比見圖1（c），摻入RFA 和RP 后，RRCM的折壓比降低，表明摻入RFA 和RP 后，RRCM 的延性和抗裂性能降低，但隨著納米SiO2的摻入，RRCM 的折壓比隨之增加。當質量替代率為3%、4%時，RRCM 的折壓比遠大于NCM 的，表明納米SiO2可以有效提升CM 的延性和抗裂性能。

由于RFA 內含有大量的老舊砂漿，強度較低，且老舊砂漿和新水泥砂漿之間的界面過度強度低，是CM 內部的薄弱區域之一；同時，RP 屬于一種有機材料，與水泥砂漿的黏結能力較弱，因此，RP 和水泥砂漿的界面過渡區是CM 內部另一個薄弱區域，導致CM 的內部破壞往往從這兩個界面過渡區開始，致使RRCM 的延性和抗裂性能較差。但隨著納米SiO2的摻入，這種負面影響得到改善，甚至在一定摻量下，RRCM 的延性和抗裂性能要優于NCM。這是因為納米SiO2粒徑較小，活性大，自身含有大量的活性硅離子，可以促進水泥的水化反應，填補水泥砂漿內部納米級的孔隙，和氫氧化鈣晶體反應生成強度更高的水化硅酸鈣凝膠，提高水泥砂漿的黏結能力和硬化后的強度，有效彌補摻入RFA 和RP 后對于CM 力學性能和內部結構的影響。

2.3 微觀結構

采用SEM 對所有試驗組的試樣進行微觀結構測試，結果如圖2 所示。圖2（a）中NCM 的內部結構較密實，水泥砂漿中水化產物分布均勻，孔隙較少，并且水泥砂漿和砂石之間的連接緊密，裂縫較小，裂縫中填充大量的水化硅酸鈣凝膠（calcium silicate hydrate，C-S-H）和 氫 氧 化 鈣（calcium hydroxide，CH）晶體。圖2（b）中RCM 內部結構較松散，RFA 和水泥砂漿之間存在明顯裂縫，裂縫內部無明顯的水化產物填充，是RCM 內部的薄弱區域之一。圖2（c）中RP 和水泥砂漿之間存在較大的裂縫，體現RP 和水泥砂漿的之間的黏結很差，導致RRCM 內部結構疏松，是RRCM 內部另外一個薄弱區域，RRCM 受力破壞往往是從這類薄弱區域開始。圖2（d）中摻入納米SiO2后，RRCM 的內部結構更加密實，裂縫和孔洞被納米SiO2填充，C-S-H 凝膠相互連接成一個連續相材料，CH 晶體被細化，水化產物的分布均勻，RFA 和水泥砂漿之間的裂縫變小，且裂縫中填充大量的水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石，RFA 和水泥砂漿之間的黏結得到修復，RRCM 硬化后的強度得到提升。

圖2 水泥膠砂微觀結構：（a）NCM，（b）RCM，（c）RRCM，（d）RRCM-3Fig.2 Microstructures of cement mortar：（a）NCM，（b）RCM，（c）RRCM，（d）RRCM-3

3 結 論

本文研究不同質量替代率下的納米SiO2對RRCM 的抗壓強度、抗折強度、折壓比和微觀結構的影響，得到以下結論：

（1）RFA 和RP 的摻入會導致RRCM 的3、7、28 d 抗壓強度和抗折強度降低，延性和抗裂性能變差。

（2）納米SiO2的摻入可以提高CM 的3、7、28 d抗壓強度和抗折強度，增強RRCM 的延性和抗裂性能，有效彌補摻入RFA 和RP 后對于RRCM 性能的影響，尤其是當納米SiO2的質量替代率超過2%時，其抗壓強度、抗折強度和折壓比要優于NCM。基于本研究的數據和經濟性的原則，納米SiO2的質量替代率宜為3%。

（3）RFA 和RP 與水泥砂漿之間的黏結性能較差，存在著明顯的裂縫，致使RFA、RP 與水泥砂漿之間的界面過渡區是RRCM 內部的薄弱區域。摻入納米SiO2后，可以減少RRCM 內部的孔隙，促進水泥砂漿的水化反應，生成更多的水化硅酸鈣凝膠填充RFA、RP 與水泥砂漿界面過渡區內的裂縫，增強RFA、RP 和水泥砂漿之間的黏結，提高RRCM 結構的密實度。

納米SiO2的摻入可以有效改善RRCM 的強度和延性，但由于納米SiO2的團聚效應，導致質量替代率過大時，在水泥基材料中的分散性變差，不能達到預期效果，進而降低納米SiO2增強水泥基材料性能的上限。若納米SiO2能夠均勻地分散在水泥基材料中，得到充分反應，納米SiO2在水泥基材料中的應用將更加廣泛。