橡膠粉復摻納米SiO2再生混凝土抗壓、抗滲性能研究

孫 杰,彭金龍,王厚安,廖海峰

(1.武漢科技大學 城市建設學院,湖北 武漢 430065;2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司,湖北 武漢 430074)

近年來,我國建筑行業發展迅速,但也不可避免的產生了建筑垃圾。實現建筑垃圾回收利用,將建筑垃圾破碎后替代天然骨料,既可以減少砂石類資源的需求,也減少了處理建筑垃圾所消耗的能源,是促進社會可持續發展,解決建筑垃圾再利用的有效途徑[1]。廢棄橡膠在自然條件下難降解,因此對其進行合理回收與利用對于環境保護和節約資源具有重要意義[2],當前對這類垃圾的處理方法主要是制作再生橡膠、輪胎翻新、熱裂解和膠粉生產,相較于其他處理方法,膠粉生產有著生產工藝簡單、能源消耗低、再利用率高和適用范圍廣的優勢[3-4]。

利用廢棄混凝土生產再生骨料混凝土可以減少天然骨料的消耗,促進建筑垃圾的有效消耗和利用[5],但由于老舊砂漿和骨料中裂縫的存在,再生粗骨料表現出了相對于天然骨料較差的物理性能,影響其在實際工程中的推廣應用。

在再生混凝土中摻入膠粉,能夠對其部分物理性能的缺陷進行彌補,實現建筑垃圾和廢舊輪胎的回收利用和可持續發展,但橡膠的摻入也會對混凝土的部分性能帶來負面影響,這對于橡膠混凝土的實際應用造成了重大阻礙。龔亦凡研究表明[6],在摻入一定含量的橡膠粉時,可以強化再生混凝土的部分力學性能。針對再生混凝土性能較差的問題,已有文獻開展了納米SiO2改性再生混凝土的研究[7],因為再生骨料本身存在裂紋較多,新老界面粘結性差等缺點,現有研究表明,用納米SiO2對再生骨料直接改性,通過填充效應、化學活性、晶核作用、優化界面過渡區等[8]方式更加有助于提升再生混凝土的強度[9]。Liu Xiaoyan等[10]通過對納米SiO2混凝土斷層掃描發現納米SiO2降低了砂漿的孔隙率,X射線衍射和掃描電鏡進一步表明,納米SiO2的存在可以消除再生骨料帶來的不利影響。

屠艷平等[11]對納米SiO2復摻橡膠粉再生混凝土的坍落度和抗壓性能進行了研究,結果顯示,納米SiO2能夠對摻入橡膠粉帶來的負面影響進行彌補。Adamu Musa等[12]運用人工神經網絡對摻入了納米SiO2的橡膠混凝土力學性能進行預測,結果表明神經網絡對強度的預測具有較高的準確性。

鑒于此,在再生混凝土中單獨摻入納米SiO2和橡膠粉對混凝土的部分性能會有所提升,但對其他性能會產生負面影響。本文將納米SiO2和橡膠粉摻入再生混凝土,研究在復摻情況下混凝土的抗壓、抗滲性能的變化,并利用BP神經網絡對再生混凝土抗壓強度進行預測。

1 試驗材料及配合比

1.1 試驗原材料

①水泥:P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。②粗骨料:再生粗骨料由廢棄混凝土試塊經破碎、篩分后得到,粒徑為5.0 mm～26.5mm,天然粗骨料采用連續級配的天然碎石,各項指標具體見表1。③細骨料:武漢市天然河砂,烘干后篩分,細度模數為2.6,密度2.64 g/cm3,屬Ⅱ區中砂。④水:采用武漢市自來水。⑤納米SiO2:外觀為白色粉末,粒徑為20 nm,比表面積為280 m2/g,SiO2含量大于等于99.6%。⑥橡膠粉:40目、100目的廢舊輪胎橡膠粉,呈黑色粉末狀,外表光滑,具有憎水性,用濃度為5%的NaOH溶液進行浸泡改性。⑦高性能減水劑:聚羧酸高效減水劑,減水率為26%,為粘稠狀透明液體。

表1 粗骨料的基本性能

1.2 試驗方案及配合比

根據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)結合實際情況調整。再生粗骨料取代率為30%,40目和100目橡膠粉取代率均為0%、3%、6%、9%,納米SiO2取代率為0%、1%、1.5%、2%、2.5%、3%。采用預攪拌的方式,先加入再生骨料與納米SiO2和附加水攪拌兩分鐘后再加入天然骨料、砂、水、摻和料進行攪拌制得混凝土,實驗過程中具體配合比見表2。

表2 再生混凝土的配合比

2 結果與討論

2.1 抗壓強度結果分析

抗壓強度試驗結果見表3。由表3可知,隨著納米SiO2摻量的增加,再生混凝土的抗壓強度提高。在納米SiO2取代率為1%、1.5%、2%、2.5%、3%時,抗壓強度分別增加了11.7%、21.2%、25.1%、28.0%、29.8%,抗壓強度提升明顯。其原因在于:1)納米SiO2活性高,在水泥的早期水化反應生成水化硅酸鈣的過程中起到了促進作用,促進未完全水化的水泥顆粒二次水化反應,有利于改善粗骨料與舊砂漿、新砂漿與舊砂漿之間的界面過渡區[13-14],2)納米SiO2可以對混凝土內部的孔隙和微裂縫進行填充,提高粗骨料和新砂漿、舊砂漿和新砂漿、再生骨料和舊砂漿之間的界面過渡區的密實度,增強再生混凝土的強度[15]。

表3 抗壓強度試驗結果

橡膠粉摻和對混凝土強度的影響如圖1所示。在1.5%的納米SiO2再生混凝土中分別摻入40目和100目橡膠粉后再生混凝土抗壓強度的變化。在分別摻入3%、6%、9%的40目橡膠粉后,再生混凝土抗壓強度下降了8%、13.6%、19.4%。摻入100目橡膠粉后,再生混凝土抗壓強度下降了5.8%、8.8%、15.1%。這是因為橡膠粉具有憎水性,與水泥砂漿粘結不夠緊密,且其彈性模量低于天然骨料[16],進而導致抗壓強度下降。相比于100目橡膠粉,40目橡膠粉粒徑更大,對混凝土內部裂隙的填充效果更差,且多余的橡膠粉分布在混凝土內部也會影響水泥砂漿的粘結性,因此40目橡膠粉再生混凝土的抗壓強度較100目橡膠粉的再生混凝土抗壓強度更低[17]。在橡膠粉摻量不多于6%時,復摻納米SiO2和橡膠粉的再生混凝土強度明顯高于天然混凝土,說明摻入納米SiO2可以有效彌補橡膠粉帶來的強度損失。

圖1 橡膠粉取代率對納米SiO2再生混凝土抗壓強度的影響

2.2 抗滲性能結果分析

混凝土材料屬于多孔材料,在骨料之間的界面過渡區含有大量的孔隙和微裂縫,通道越多,材料的抗滲能力越弱[18]。再生混凝土抗滲性能較差,其原因為:一是再生骨料表面的舊砂漿粘結性差,更容易產生滲水通道。二是再生骨料在破碎過程中易產生裂縫,密實性較差,為界面的滲水通道的形成提供了有利條件。

所有試件劈裂之后觀察通道斷面基本相同,唯有滲透高度的差別,內部結構完整未出現滲透破壞,基本滲透概況有如下兩種:一是試件滲透高度高,滲透區域分布較均勻,如圖2(a)所示。二是試件滲透高度較高,滲透區域多集中于試件周邊,中心部位滲透高度較高,如圖2(b)所示。抗滲性能試驗結果如表4所示。

圖2 試塊滲水高度

表4 抗滲性能試驗結果

由表4可知,在再生混凝土中摻入納米SiO2,可顯著增強再生混凝土的抗滲性能,當納米SiO2摻量為1%、1.5%、2%、2.5%、3%時,再生混凝土相對滲透系數降低了21.6%、35.6%、50.7%、57.0%、59.5%。這種現象的原因為:1)是納米SiO2在混凝土早期的水化反應中具有促進作用,未水化的水泥顆粒在后期會與裂縫中的水分生成水化產物,對裂縫進行填充密實[19]。2)是裂縫處的Ca(OH)2與空氣中的CO2發生反應,形成CaCO3,與分散在砂漿中的納米SiO2一起填充孔隙和微裂縫[20]。

橡膠粉的摻和對混凝土相對滲透系數的影響如圖3所示。由圖3可知,雙摻納米SiO2/40目(100目)橡膠顆粒情況下,再生混凝土的抗滲性能比單摻納米SiO2更優異,在分別摻入3%、6%、9%的40目橡膠粉時,再生混凝土相對滲透系數降低了32.6%、43.5%、46.9%,在摻入100目橡膠粉時,混凝土相對滲透系數降低了36.0%、67.8%、65.8%。橡膠顆粒對混凝土中孔隙和微裂縫的形成起到了阻礙作用,難以形成大量連續互通的網狀結構[21]。相比于40目橡膠粉,100橡膠粉對孔隙和微裂縫的填充效果更好,因此抗滲性能更好。其次,橡膠顆粒也具有易吸附氣體的特性,在混凝土澆筑過程中會將氣體帶入,在水泥砂漿內部形成大量獨立的微型氣泡,對水分在混凝土內部的滲入起到了阻礙作用[22],相比于40目橡膠粉,100目橡膠粉粒徑更小,帶入的氣泡更細密,在水泥砂漿內分布更加均勻,抗滲性能更優異。在100目橡膠粉摻量從6%增加至9%時,再生混凝土相對滲透系數增大,說明6%的100目橡膠粉對滲水通道已基本填充效果完畢,摻量增加至9%時多余的橡膠粉分散在混凝土內部,使得混凝土密實度降低,抗滲性能下降。

圖3 橡膠粉取代率對納米SiO2再生混凝土相對滲透系數的影響

2.3 三摻下各因素影響程度分析

三摻下再生混凝土抗壓性能如表5所示,根據正交理論,極差R值越大的因素,說明該因素對所測指標造成影響大,根據表極差分析結果分析可得:影響混凝土28 d抗壓強度的因素主次順序是A>C>B>D,即水膠比>40目橡膠粉>納米SiO2>100目橡膠粉,說明水膠比對混凝土抗壓強度影響最大,其次是40目橡膠粉,最后是納米SiO2、100目橡膠粉。A的K1值較大,因素B的K1值較大,因素C的K2值較大,因素D的K1值較大,所以各因素的優化組合為A1B1C2D1,即水膠比為0.35,納米SiO2摻量為1%,40目橡膠粉為6%,100目橡膠粉為3%。

表5 三摻下再生混凝土抗壓性能

三摻下再生混凝土抗滲性能如表6所示。根據表極差分析結果可得:影響混凝土抗滲性能因素的主次順序是A>B>D>C,即水膠比>納米SiO2>100目橡膠粉>40目橡膠顆粒,說明水膠比對混凝土抗滲影響最大,其次是納米SiO2摻量,然后是100目橡膠粉、40目橡膠顆粒摻量。A的K1值較小,因素B的K3值最小,因素C的K2值最小,因素D的K2值最小,所以各因素的優化組合為 A1B3C2D2, 即水膠比為0.35,納米SiO2摻量為3%,40目橡膠顆粒為6%,100目橡膠粉為6%。

表6 三摻下再生混凝土抗滲性能

根據表5和表6的結果,再生混凝土抗壓強度和抗滲性能均受水膠比影響最大,在水膠比增大時,抗壓強度增大,抗滲性能降低。在摻入40目和100目橡膠粉時,再生混凝土表現出抗壓強度降低,抗滲性能提高的趨勢,在摻入納米SiO2時,再生混凝土抗壓強度和抗滲性能均提高。摻入兩種不同的材料均可以提高抗滲性能,但對抗壓強度影響相反的原因在于納米SiO2可以促進水化反應和填充混凝土內部的微裂縫,使混凝土更加密實,而橡膠粉本身具有憎水性,且在澆筑過程中會帶入氣泡,影響混凝土內部的密實度。在應用中,可采取同時摻入橡膠粉和納米SiO2,能夠在不對抗壓強度產生較大影響的同時,顯著提高混凝土的抗滲性能。

3 BP神經網絡對再生混凝土抗壓強度預測

3.1 BP神經網絡

利用MATLAB神經網絡工具箱中的newff函數搭建一個BP神經網絡,隱含層的傳輸函數通常選擇‘tansig’,輸出層的傳輸函數選擇‘purelin’。網絡訓練函數選擇‘trainlm’。本文采用4×8×1的神經網絡,即輸入層有4個節點,隱含層有8個節點,輸出層有1個節點。神經網絡中權值的總個數為40個,閾值的總個數為9個[23-24]。輸入層分別代表試驗水膠比、納米SiO2摻量、40目橡膠顆粒摻量和100目橡膠粉摻量;隱含層包括8個神經元;輸出層即為橡膠粉復摻納米SiO2再生混凝土的預測抗壓強度。

3.2 結果與分析

將不同階段輸出數據結果與試驗數據進行對比,見表7。圖4為訓練結果及誤差,圖5為預測結果及誤差。由圖中對比可見,訓練和預測模型中各樣本的輸出值與試驗值分布基本一致。基于100組數據訓練的BP神經網絡對25組試驗數據進行預測。

圖4 訓練結果與誤差分布

表7 實驗數據與預測結果對比

從預測結果可以看出,NFH6組預測相對誤差最小為0.12%。最大的相對誤差是N1F3組達7.86%,平均誤差2.48%,表明該BP神經網絡模型對再生混凝土抗壓強度的預測結果良好,對再生混凝土28 d的預測值與實測值具有較好的吻合度。

采用該BP神經網絡模型對屠艷平等[11]試驗的12組數據進行處理,其配合比見表8。將前8組數據進行訓練,對后4組數據進行預測。

表8 12組混凝土配合比

從表9的中可以看出,前8組數據訓練得到的預測值與實際值平均相對誤差為2.57%,后4組預測值與實際值平均相對誤差為2.21%。表明BP神經網絡對納米SiO2復摻橡膠再生混凝土的抗壓強度預測是有效的,誤差較小,可以用于優化配合比設計,較準確地預測混凝土長期強度,減少試驗齡期。

表9 12組預測結果

4 結 論

(1) 納米SiO2預攪拌法能有效改性再生混凝土抗壓、抗滲性能,當納米SiO2摻量在0%～3%時,混凝土抗壓、抗滲性能均隨納米SiO2摻量的增加而提高。

(2) 在納米SiO2再生混凝土中摻入40目橡膠粉,再生混凝土抗壓性能下降,在40目橡膠粉摻量在0%～6%時,再生混凝土抗壓強度高于天然混凝土,在摻量為9%時略微低于天然混凝土。在摻入0%～9%的100目橡膠粉時,抗壓強度均高于天然混凝土,說明納米SiO2可以有效彌補橡膠粉帶來的強度損失。在摻入40目和100目橡膠粉時,再生混凝土抗滲性能均顯著提高,隨著40目橡膠粉摻量從0%增加至9%,抗滲性能逐漸增強,100目橡膠粉摻量為6%時,抗滲性能最佳。

(3) 通過對三摻試驗的極差分析結果可知:影響混凝土抗壓性能的因素主次順序為水膠比>40目橡膠粉>納米SiO2>100目橡膠粉,影響混凝土抗滲性能的因素主次順序為水膠比>納米SiO2>100目橡膠粉>40目橡膠顆粒。在選用最優配合比時,再生混凝土的抗壓、抗滲性能均有所提高。

(4) BP神經網絡對橡膠粉復摻納米SiO2再生混凝土28 d抗壓強度預測具有較好的吻合度,且相對誤差變化較為穩定,所以可以用來優化配合比設計、預測混凝土長期強度,減少試驗齡期。