基于水化机理的聚合物改性再生混凝土性能研究

时间：2024-07-28

陈成，崔建生，梁晓晖

（南通市建筑科学研究院有限公司，江苏南通 226000）

再生混凝土作为一种绿色建筑资源，对建筑废弃物的再利用意义重大。但采用再生粗骨料配制而成的再生混凝土具有强度低、弹性模量低、抗裂性差和耐久性差等缺点，导致其在实际应用中受到限制[1]，而通过聚合物改性增强再生混凝土性能是一种可行的思路。

1 水化机理理论模型

水化反应大致可以分为三个阶段，诱导期、加速期和平稳期[2]。在诱导期水泥熟料中活性最好的C3A在加入水后即刻发生反应，在水泥颗粒表面形成胶膜，随后胶膜中开始生成钙矾石（AFt），此阶段仅持续3～5h。在加速期水泥熟料中占比最大的C3S 与C2S开始激活，此二者与水分子接触的部分分别水化生成共同的产物水化硅酸钙C3S2H3，即C-S-H凝胶，C-S-H凝胶是水泥石强度的主要来源，加速阶段一般不超过24h。在平稳阶段C3A 继续反应，生成单硫型水化硫铝酸钙（AFm），同时AFt 也逐渐向AFm 转化[3]。这三个阶段所形成的水化产物在水泥颗粒间形成复杂的结构，应力在结构间相互传递，使水泥石形成坚实的整体。

2 试验研究

2.1 配合比设计

如表1中试件类型A 表示未掺聚合物的再生混凝土，试件类型B、C、D、E 分别表示掺加VAE 乳液、聚丙烯酸酯乳液、苯丙乳液、水性环氧树脂乳液的再生混凝土，聚灰比均为15%，聚合物乳液中含水量计入总用水量。

表1 混凝土试件配合比

2.2 抗压强度试验

本试验采用GB/T 50081—2019《混凝土物理力学试验方法标准》[4]中的抗压强度试验方法，试验结果，如表2所示。

表2 抗压强度试验结果

由表2可知，所有种类聚合物改性再生混凝土试件及对比试件均随龄期增长而增加，其中VAE 试件14d 强度及28d 强度均为最低，空白试件14d 强度及28d 强度均为最高。说明聚合物的掺入对混凝土抗压强度有一定程度不良影响。聚合物与水泥水化生成的C-S-H 凝胶相互渗透纠缠在一起，而由于聚合物属于长链高分子结构，弹性较好而强度较差，影响了C-S-H凝胶在抗压强度上的表现[5]。而随着水化进程的进一步发展，C-S-H 凝胶继续生长，其他水化副产物如钙矾石、莫来石、高岭石等也相继出现，因此随着水化进程的发展，聚合物改性混凝土抗压强度亦继续增长。

2.3 劈裂抗拉强度试验

本试验采用GB/T 50081—2019《混凝土物理力学试验方法标准》中的劈裂抗拉强度试验方法，试验结果如表3所示。

表3 劈裂抗拉强度试验结果

由表3可知，未掺聚合物的再生混凝土试件劈裂抗拉强度在14d 龄期与28d 龄期均小于掺杂各类聚合物乳液的试件，这是由于聚合物的长链分子结构在混凝土产生裂缝时形成的高分子膜能跨越裂缝发挥其抗拉性能，抑制或减缓裂缝的发展。然而四种掺加聚合物乳液试件的28d 龄期抗拉强度均小于14d 抗拉强度，这可能是由于随着水化进程的进一步发展，聚合物改性水泥石内部逐渐形成更多更复杂的水化产物。一方面水化反应夺取了聚合物内部含有的自由水，使得聚合物形成的高分子结构薄膜延展性受到影响；另一方面新生成的水化产物继续填充混凝土内部空隙，一定程度上破坏了聚合物网状结构的连续性[6]。由此可以推测，在更长时间尺度上，随着水化程度逐渐达到较高水平，水化速度降低，掺加聚合物乳液的再生混凝土抗拉强度的下降趋势将终结并重拾上升趋势，另一方面降低聚灰比后，混凝土初始抗拉强度将降低，聚合物在混凝土内部形成的高分子网状结构较为稀疏，其受水化产物影响也较小，可导致混凝土抗拉强度下降趋势减小。

2.4 X射线衍射（XRD）物相分析

2.4.1 样品处理及试验参数

XRD 分析样品在相应龄期置入无水乙醇24h 以终止水化，烘干后研磨过200目筛。探测器射电管电压40kV，射电管电流40mA，扫描速率8°/min，每步角度0.0170°。

2.4.2 试验结果分析

从图1可看出，对于未掺聚合物的再生混凝土，在不同龄期的水化进程所产生的水化产物类型并无不同，根据特征衍射峰可以得出其主要水化产物均为C2SH（A）、CSH（B）、Ca（OH）2、托勃莫来石、单硫型水化硫铝酸钙和钙矾石等。从图1还可看出，随着龄期增长，再生混凝土中水化产物数量与比例发生了变化，比较明显的有28d 龄期氢氧化钙衍射峰计数强度大幅增加了42%，由于氢氧化钙晶体为六边形板层状结构，纵向的层间结合力弱，使得特定方向上易产生滑动破坏，但氢氧化钙晶体填充了水泥石内部孔隙，使得水泥石结构进一步密实，对混凝土性能的影响是双向的；28d 龄期钙矾石衍射峰减小了27%，说明钙矾石在水化过程中不断转化为单硫型水化硫铝酸钙，托勃莫来石衍射峰计数强度增加了31%，作为钙硅比为5:6的水化硅酸钙，托勃莫来石同样以片状结晶形态存在，得益于水化硅酸钙较高的强度，该水化产物对水泥石的力学性能有正面影响。

图1 14d与28d龄期的未掺聚合物再生混凝土XRD图谱

从图2可以看出，无论是14d 龄期样品还是28d龄期样品，四种聚合物改性的再生混凝土XRD 图谱上均存在数个未掺聚合物样品图谱上未见的波峰（小于15°区间），可以推断此特征波峰对应的是聚合物乳液在再生混凝土内部形成的络合物。

图2 14d（左）及28d（右）龄期各类样品XRD对比图谱

此外XRD 对比图谱还证实了前文对聚合物在水化过程中影响的分析，无论是14d 龄期还是在28d 龄期的图谱中均可观察到聚合物改性样品中水化产物形成的衍射峰计数强度更高，这表明水泥石内部氢氧化钙、钙矾石、单硫型水化硫铝酸钙及以多种形式存在的水化硅酸钙等更为丰富，由此可得出掺加的聚合物乳液对再生混凝土的水化进程存在促进作用。