姜建华
四川建筑职业技术学院 交通与市政工程系，四川 成都 610399
摘 要：我国每年产生大量废弃混凝土，其中粒径小于0.16mm的微粉利用效率较低，且产生严重的环境污染。基于此，本文针对再生微粉水泥基材料早期强度偏低的问题，采用添加纳米晶核增强剂的方式来提高再生微粉砂浆早期强度，研究晶核增强剂的不同掺量对早期强度的影响，利用扫描电子显微分析了其微观结构，从微观层面解释了晶核增强剂的增强机理。结果表明，添加晶核增强剂能显著提高再生微粉砂浆的早期强度，晶核增强剂掺量3.75%的样品7天抗压强度最高，达到33.5MPa。扫描电镜图片显示，添加晶核增强剂后，水化程度提高，水化产物增多，微结构更加密实。
关键词：晶核增强剂，再生微粉，C-S-H凝胶，力学性能
中图分类号:TU528.32 文献标识码:A 文章编号:xxxxxxx-xxxx-xxxxx
Study on early mechanical properties of seed crystal reinforced recycled mortar
JIANG Jianhua
（Department of Traffic and Municipal Engineering, Sichuan College of Architectural Technology, Chengdu 610399, China）
Abstract: A large amount of waste concrete was produced every year, and the recycling rate of fine powder with diameter of <0.16 mm is relatively low which will lead to serious environmental pollution. In this paper, the aim is to improve the early strength of recycle powder blended mortar by adding nano-seed crystal. The effect of nano-seed crystal content on early strength was studied and the microstructure was identified by Scanning Electronic Microscope (SEM). The results show that addition of nano-seed crystal can obviously enhance the compressive and flexural strength of all samples in early age. And the sample with addition 3.75% of nano-seed crystal by mass of cementitious material had the highest compressive strength reaching up to 33.5 MPa. SEM pictures show that after loading nano-seed crystal, more hydrated products were observed, indicating the hydration process was accelerated.
Key word: seed crystal, recycle powder, C-S-H gel, mechanical property
0 前言
随着城镇化率的不断提高，基础设施建设不断增多，对水泥基土木工程材料的需求日益增大。天然砂石资源不断消耗，导致建筑材料的成本陡增。同时，我国每年会有大量的废弃建筑，产生大量的建筑垃圾，然而目前我国建筑垃圾年产量约为20亿吨，但再生循环利用率不足10%，远低于发达国家90%以上的水平。当前，对于废弃混凝土的利用较多的主要是生产再生骨料，而对于粒径小于0.16mm的粉料则关注较少[1-3]。
研究表明，再生微粉的化学成分主要包括水泥水化产物、微细砂粉、未水化水泥颗粒，与水泥基材料的成分较为接近，具有一定的水化活性。再生微粉作为辅助性胶凝材料将是提高再生微粉的利用率一个有效途径。根据之前的研究结果来看，制约再生微粉大掺量利用的
主要因素之一是再生微粉表面积较大，吸水率较高，导致拌合浆体的流动性较差，不便于施工，在实际应用中，多采用添加超塑化剂的方式，增大浆体的流动性，改善其工作性。但是由于超塑化剂的水化迟滞效应，使得再生微粉基水泥材料的早期强度较低[4-7]。基于此，本文采用添加纳米晶核剂，来提高再生砂浆的早期力学性能，并且利用扫描电镜(SEM)来观察其微观结构[8-9]。
1 材料与方法
1.1 原材料
实验所用水泥采用海螺P?O 42.5水泥，其主要化学组分和矿物组成分别见表1和表2，各检测项均符合国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)。再生微粉采用再生骨料厂随机取样（过100目筛），化学成分如表3。晶核增强剂采用石家庄市长安育才建材有限公司生产的GK-SEED，乳白色悬浮液，固含量为20%，晶种直径约为70 nm，颗粒尺寸分布如图1 所示。
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1.2 配合比设计
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1.3 实验方法
所有样品按照配合比搅制，在标准养护条件下养护1天、3天和7天，然后按照GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法(ISO法)，进行砂浆力学性能测试。力学性能测试结束以后，样品用乙醇浸泡终止水化，烘干后应用扫描电镜对样品进行微观形貌观察。
2 结果与讨论
2.1 力学性能
图2与图3分别展示了样品早龄期的抗压与抗折强度。比较G0和G1样品，发现添加再生微粉后，样品的抗压抗折强度有小幅度，但是仍处于一个较低的水平。这是因为，再生微粉的粒径与水泥颗粒粒径较为接近，在早期起填充作用，可以密实水泥浆体的孔结构，而且再生微粉具有一定水化活性，可与胶凝材料发生一定反应，提高其早期强度，但是由于超塑化剂的强度迟滞效应存在，G0和G1样品的早期强度还是偏低。随着晶核增强剂掺量的增加，所有样品1天、3天、7天抗压抗折强度均不断提高。随着龄期的增加，强度提高率先增加然后下降，3天的强度提高率最大，7天的强度最高。且晶核增强剂掺量3.75%（按胶凝材料质量计）的样品G4的7天抗压强度最高，达到33.5MPa，较G0样品7天抗压强度提高了44%，7天抗折强度也提高了约28.5%。根据水泥基材料水化-强度理论，纳米晶核增强剂对水泥基材料早期强度提高主要归因于晶核增强剂促进了水泥早期水化，提高了水化程度。具体来讲，纳米晶核作为成核中心，降低了水泥水化体系的成核势垒，促进了C-S-H凝胶的形成，提高了早期强度。
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2.2 SEM分析
图4展示了样品的微观形貌。如图4(a)所示，未掺再生微粉的样品G0水化7天之后，微结构较为疏松，存在较多孔洞，是其强度较低的主要原因。如图4(b)所示，掺入再生微粉后，浆体微结构得到一定改善，再生微粉与新拌水泥浆体相容性较好，没有明显的分层，G1较G0更为密实，也能观察到少量C-S-H凝胶，但是其浆体与骨料的界面过渡区依然较为明显。由于再生微粉的吸水率较大，在其表面吸附了大量水分子，造成局部水灰比偏高，容易导致界面处产生较多空隙以及晶体取向生长，因此界面过渡区是整个浆体最为薄弱的地方，受力易于开裂，强度较低。掺入晶核增强剂之后，浆体的水化进程明显加快，如图4(c)所示，在局部产生大量的针棒状的钙矾石，是G-2样品早期强度主要贡献者。随着晶核增强剂的掺量的增加，更多的水化产物出现了，界面过渡区得到了改善，如图4(d)所示，观察到了六方板状的Ca(OH)2以及大量无定型的C-S-H凝胶，而且钙矾石的数量明显减少。G-4样品具有与G-3样品相同的特征，且G-4样品更加密实，C-S-H凝胶的数量更多。
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图4 水化7天样品的SEM图片：(a) G0; (b) G1; (c) G2; (d) G3; (e) G4
3 结论
再生微粉与水泥浆体具有较好的相容性以及一定的水化活性。添加再生微粉砂浆，微结构更加密实，但是强度较低。晶核增强剂对提高再生微粉砂浆早期强度效果明显，掺入3.75%晶核增强剂的样品7天强度最高，抗压强度达到33.5MPa, 抗折强度达到2.25MPa。而且扫描电镜图片显示，添加晶核增强剂以后，砂浆的水化产物更多，微结构更加密实，水化进程得到加快。
参考文献
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第一作者：姜建华（1976~），男，四川德阳人，硕士，讲师，主要从事道路工程研究。
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