基于水化機理的聚合物改性再生混凝土性能研究

陳 成，崔建生，梁曉暉

（南通市建筑科學研究院有限公司，江蘇南通 226000）

再生混凝土作為一種綠色建筑資源，對建筑廢棄物的再利用意義重大。但采用再生粗骨料配制而成的再生混凝土具有強度低、彈性模量低、抗裂性差和耐久性差等缺點，導致其在實際應用中受到限制[1]，而通過聚合物改性增強再生混凝土性能是一種可行的思路。

1 水化機理理論模型

水化反應大致可以分為三個階段，誘導期、加速期和平穩期[2]。在誘導期水泥熟料中活性最好的C3A在加入水后即刻發生反應，在水泥顆粒表面形成膠膜，隨后膠膜中開始生成鈣礬石（AFt），此階段僅持續3～5h。在加速期水泥熟料中占比最大的C3S 與C2S開始激活，此二者與水分子接觸的部分分別水化生成共同的產物水化硅酸鈣C3S2H3，即C-S-H凝膠，C-S-H凝膠是水泥石強度的主要來源，加速階段一般不超過24h。在平穩階段C3A 繼續反應，生成單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm），同時AFt 也逐漸向AFm 轉化[3]。這三個階段所形成的水化產物在水泥顆粒間形成復雜的結構，應力在結構間相互傳遞，使水泥石形成堅實的整體。

2 試驗研究

2.1 配合比設計

如表1中試件類型A 表示未摻聚合物的再生混凝土，試件類型B、C、D、E 分別表示摻加VAE 乳液、聚丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、水性環氧樹脂乳液的再生混凝土，聚灰比均為15%，聚合物乳液中含水量計入總用水量。

表1 混凝土試件配合比

2.2 抗壓強度試驗

本試驗采用GB/T 50081—2019《混凝土物理力學試驗方法標準》[4]中的抗壓強度試驗方法，試驗結果，如表2所示。

表2 抗壓強度試驗結果

由表2可知，所有種類聚合物改性再生混凝土試件及對比試件均隨齡期增長而增加，其中VAE 試件14d 強度及28d 強度均為最低，空白試件14d 強度及28d 強度均為最高。說明聚合物的摻入對混凝土抗壓強度有一定程度不良影響。聚合物與水泥水化生成的C-S-H 凝膠相互滲透糾纏在一起，而由于聚合物屬于長鏈高分子結構，彈性較好而強度較差，影響了C-S-H凝膠在抗壓強度上的表現[5]。而隨著水化進程的進一步發展，C-S-H 凝膠繼續生長，其他水化副產物如鈣礬石、莫來石、高嶺石等也相繼出現，因此隨著水化進程的發展，聚合物改性混凝土抗壓強度亦繼續增長。

2.3 劈裂抗拉強度試驗

本試驗采用GB/T 50081—2019《混凝土物理力學試驗方法標準》中的劈裂抗拉強度試驗方法，試驗結果如表3所示。

表3 劈裂抗拉強度試驗結果

由表3可知，未摻聚合物的再生混凝土試件劈裂抗拉強度在14d 齡期與28d 齡期均小于摻雜各類聚合物乳液的試件，這是由于聚合物的長鏈分子結構在混凝土產生裂縫時形成的高分子膜能跨越裂縫發揮其抗拉性能，抑制或減緩裂縫的發展。然而四種摻加聚合物乳液試件的28d 齡期抗拉強度均小于14d 抗拉強度，這可能是由于隨著水化進程的進一步發展，聚合物改性水泥石內部逐漸形成更多更復雜的水化產物。一方面水化反應奪取了聚合物內部含有的自由水，使得聚合物形成的高分子結構薄膜延展性受到影響；另一方面新生成的水化產物繼續填充混凝土內部空隙，一定程度上破壞了聚合物網狀結構的連續性[6]。由此可以推測，在更長時間尺度上，隨著水化程度逐漸達到較高水平，水化速度降低，摻加聚合物乳液的再生混凝土抗拉強度的下降趨勢將終結并重拾上升趨勢，另一方面降低聚灰比后，混凝土初始抗拉強度將降低，聚合物在混凝土內部形成的高分子網狀結構較為稀疏，其受水化產物影響也較小，可導致混凝土抗拉強度下降趨勢減小。

2.4 X射線衍射（XRD）物相分析

2.4.1 樣品處理及試驗參數

XRD 分析樣品在相應齡期置入無水乙醇24h 以終止水化，烘干后研磨過200目篩。探測器射電管電壓40kV，射電管電流40mA，掃描速率8°/min，每步角度0.0170°。

2.4.2 試驗結果分析

從圖1可看出，對于未摻聚合物的再生混凝土，在不同齡期的水化進程所產生的水化產物類型并無不同，根據特征衍射峰可以得出其主要水化產物均為C2SH（A）、CSH（B）、Ca（OH）2、托勃莫來石、單硫型水化硫鋁酸鈣和鈣礬石等。從圖1還可看出，隨著齡期增長，再生混凝土中水化產物數量與比例發生了變化，比較明顯的有28d 齡期氫氧化鈣衍射峰計數強度大幅增加了42%，由于氫氧化鈣晶體為六邊形板層狀結構，縱向的層間結合力弱，使得特定方向上易產生滑動破壞，但氫氧化鈣晶體填充了水泥石內部孔隙，使得水泥石結構進一步密實，對混凝土性能的影響是雙向的；28d 齡期鈣礬石衍射峰減小了27%，說明鈣礬石在水化過程中不斷轉化為單硫型水化硫鋁酸鈣，托勃莫來石衍射峰計數強度增加了31%，作為鈣硅比為5:6的水化硅酸鈣，托勃莫來石同樣以片狀結晶形態存在，得益于水化硅酸鈣較高的強度，該水化產物對水泥石的力學性能有正面影響。

圖1 14d與28d齡期的未摻聚合物再生混凝土XRD圖譜

從圖2可以看出，無論是14d 齡期樣品還是28d齡期樣品，四種聚合物改性的再生混凝土XRD 圖譜上均存在數個未摻聚合物樣品圖譜上未見的波峰（小于15°區間），可以推斷此特征波峰對應的是聚合物乳液在再生混凝土內部形成的絡合物。

圖2 14d（左）及28d（右）齡期各類樣品XRD對比圖譜

此外XRD 對比圖譜還證實了前文對聚合物在水化過程中影響的分析，無論是14d 齡期還是在28d 齡期的圖譜中均可觀察到聚合物改性樣品中水化產物形成的衍射峰計數強度更高，這表明水泥石內部氫氧化鈣、鈣礬石、單硫型水化硫鋁酸鈣及以多種形式存在的水化硅酸鈣等更為豐富，由此可得出摻加的聚合物乳液對再生混凝土的水化進程存在促進作用。

3 結束語

1）在齡期28d 以內，四種聚合物的摻入對再生混凝土抗壓強度均存在一定程度上的負面影響，除摻加VAE 樣品外其余三種樣品抗壓強度下降率均未超過10%。

2）四種聚合物的摻入均提高了再生混凝土劈裂抗拉強度，而該優勢在14d 齡期較大，在28d 齡期有所減小，可能與水化反應奪取了聚合物內部自由水或新生水化產物破壞了聚合物空間結構的連續性有關。

3）根據XRD 圖譜，在14d 及28d 齡期均可在聚合物改性樣品中觀察到更高的水化產物衍射峰計數強度，表明摻入的聚合物乳液對再生混凝土的水化進程存在促進作用。