纳米SiO2对橡胶再生水泥胶砂性能的影响

屠艳平，程子扬，邓 丽，程书凯，徐 雄，陈国夫

武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074

近几年来，我国城镇建设不断推进，废旧建筑物的拆除重建数量增加，产生大量的建筑垃圾［1］。与此同时，作为汽车大国，我国汽车的数量远远领先世界，每年产生的废旧轮胎也越来越多。然而，对于建筑垃圾和废旧轮胎的处理方式大多以堆放和填埋为主，这种方式既占用土地，也会污染环境，同时也造成资源的浪费［2-3］。如果将这两种固废进行资源化再利用，不仅可以减少固废处理问题，还可以保护环境，推动绿色建筑行业的可持续发展［4］。但是，再生细骨料（recycled fine aggregate，RFA）本身存在孔隙率大、吸水率高、微粉含量高等缺点［5-7］；橡胶颗粒（rubber particles，RP）为有机材料［8］，与水泥基材料的黏结较差，强度较天然细骨料小［9-11］，导致制备出的橡胶再生水泥胶砂（rubber-recycled cement mortar，RRCM）的强度低，性能差，致使RP 和RFA 在土木工程领域的利用率较低。

鉴于RP 和RFA 的缺点，需要添加一种辅助胶凝材料以提升RRCM 的性能。近年来，随着纳米技术的发展，制备出了活性更高、性能更强的纳米颗粒，使得纳米材料在土木工程中的应用更加广泛［12］。纳米SiO2具有粒径小、比表面积大、表面吸附能力强、表面能大等优点，研究表明掺入纳米SiO2可以显著增强水泥基材料的性能［13-14］。相较于其他纳米材料，纳米SiO2具有极强火山灰活性、晶核作用和填充效应，掺入水泥基材料中可以促进水泥的水化反应，填充水泥基材料内部的孔隙，并与氢氧化钙反应生成水化硅酸钙凝胶，提高水泥基材料硬化后的强度［15-17］。肖建庄等［18］研究发现，纳米SiO2的掺入可提高再生混凝土的力学性能，但是会造成再生混凝土的坍落度降低。Mei等［19］研究发现纳米SiO2由于自身粒径较小，可以填充水泥砂浆中的纳米级孔隙，提高水泥砂浆的密实度。李振东等［20］研究发现纳米SiO2能促进水泥的水化反应，提高混凝土的抗压强度和抗折强度。因此，研究纳米SiO2对于RRCM 性能的影响，具有重要的工程意义。

为了明确纳米SiO2对于RRCM 性能的影响，本文采用不同质量替代率（1%、2%、3%、4%）的纳米SiO2等质量取代水泥、RFA 等质量95%替代天然河砂、RP 等质量5% 替代天然河砂，制备RRCM，测定RRCM 的抗压强度、抗折强度和折压比，并通过扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）分析掺入纳米SiO2后RRCM 的微观形貌。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥（华新水泥有限公司，型号P.O 42.5），水泥详细的性能指标见表1；纳米SiO2（河北唐山日旭纳米材料有限公司），技术指标见表2；RFA 为武汉建工提供的废旧小区拆除后的混凝土筛分所得，属Ⅱ区中砂，细度模数为2.6，符合《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）的要求；水：武汉市天然自来水；减水剂：中建商品混凝土有限公司资助的聚羧酸高效减水剂，减水率为18%。

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

表2 纳米SiO2技术指标Tab.2 Technical indexes of nano-SiO2

1.2 试验方案

采用不同质量替代率（1%、2%、3%、4%）的纳米SiO2等质量取代水泥、RFA 等质量95%替代天然河砂、RP 等质量5%替代天然河砂，共制备7 组水泥胶砂（cement mortar，CM）。本试验采用的配合比见表3，其中NCM 代表天然水泥胶砂，RCM代表再生水泥胶砂，RRCM 代表橡胶再生水泥胶砂，RRCM-x，其中x代表纳米SiO2的掺量。

参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》标准进行CM 的制备，在40 mm×40 mm×160 mm 砂浆三联模中成型试样，标准养护，并测定3、7、28 d 的抗压强度和抗折强度。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度和抗折强度

所有试验组的抗压强度和抗折强度见图1（a）和图1（b）。从图1（a）和图1（b）中可以看出，掺入RFA 和RP 后，RRCM 的3、7、28 d 的抗压强度、抗折强度均出现不同程度的降低，同时，随着纳米SiO2质量替代率的增加，RRCM 的3、7、28 d 的抗压强度、抗折强度都得到不同程度的提高，当纳米SiO2的质量替代率为3%、4%时，RRCM 的各龄期抗压强度和抗折强度超过NCM。

掺入RFA 和RP 导致RRCM 抗压强度和抗折强度降低，这是由于RFA 相较于天然细骨料，含有大量的老旧砂浆块，自身强度较低；RP 属于有机材料，与水泥砂浆的黏结较差，致使凝固后的水泥砂浆强度降低。与此同时，掺入纳米SiO2可以有效地改善掺入RFA 和RP 对于RRCM 强度造成的负面影响，文献［21-23］研究表明，纳米SiO2具有较高的火山灰活性，可以促进水泥砂浆的水化反应，改善水泥砂浆的孔结构，使得CM 的内部结构更加密实，提高CM 硬化后的强度。

2.2 折压比

折压比可以有效地反映水泥基材料的延性和抗裂性能，折压比越高，材料的延性和抗裂性能越好，反之，则延性和抗裂性能越差［24-26］。所有试验组的折压比见图1（c），掺入RFA 和RP 后，RRCM的折压比降低，表明掺入RFA 和RP 后，RRCM 的延性和抗裂性能降低，但随着纳米SiO2的掺入，RRCM 的折压比随之增加。当质量替代率为3%、4%时，RRCM 的折压比远大于NCM 的，表明纳米SiO2可以有效提升CM 的延性和抗裂性能。

由于RFA 内含有大量的老旧砂浆，强度较低，且老旧砂浆和新水泥砂浆之间的界面过度强度低，是CM 内部的薄弱区域之一；同时，RP 属于一种有机材料，与水泥砂浆的黏结能力较弱，因此，RP 和水泥砂浆的界面过渡区是CM 内部另一个薄弱区域，导致CM 的内部破坏往往从这两个界面过渡区开始，致使RRCM 的延性和抗裂性能较差。但随着纳米SiO2的掺入，这种负面影响得到改善，甚至在一定掺量下，RRCM 的延性和抗裂性能要优于NCM。这是因为纳米SiO2粒径较小，活性大，自身含有大量的活性硅离子，可以促进水泥的水化反应，填补水泥砂浆内部纳米级的孔隙，和氢氧化钙晶体反应生成强度更高的水化硅酸钙凝胶，提高水泥砂浆的黏结能力和硬化后的强度，有效弥补掺入RFA 和RP 后对于CM 力学性能和内部结构的影响。

2.3 微观结构

采用SEM 对所有试验组的试样进行微观结构测试，结果如图2 所示。图2（a）中NCM 的内部结构较密实，水泥砂浆中水化产物分布均匀，孔隙较少，并且水泥砂浆和砂石之间的连接紧密，裂缝较小，裂缝中填充大量的水化硅酸钙凝胶（calcium silicate hydrate，C-S-H）和 氢 氧 化 钙（calcium hydroxide，CH）晶体。图2（b）中RCM 内部结构较松散，RFA 和水泥砂浆之间存在明显裂缝，裂缝内部无明显的水化产物填充，是RCM 内部的薄弱区域之一。图2（c）中RP 和水泥砂浆之间存在较大的裂缝，体现RP 和水泥砂浆的之间的黏结很差，导致RRCM 内部结构疏松，是RRCM 内部另外一个薄弱区域，RRCM 受力破坏往往是从这类薄弱区域开始。图2（d）中掺入纳米SiO2后，RRCM 的内部结构更加密实，裂缝和孔洞被纳米SiO2填充，C-S-H 凝胶相互连接成一个连续相材料，CH 晶体被细化，水化产物的分布均匀，RFA 和水泥砂浆之间的裂缝变小，且裂缝中填充大量的水化硅酸钙凝胶和钙矾石，RFA 和水泥砂浆之间的黏结得到修复，RRCM 硬化后的强度得到提升。

图2 水泥胶砂微观结构：（a）NCM，（b）RCM，（c）RRCM，（d）RRCM-3Fig.2 Microstructures of cement mortar：（a）NCM，（b）RCM，（c）RRCM，（d）RRCM-3

3 结 论

本文研究不同质量替代率下的纳米SiO2对RRCM 的抗压强度、抗折强度、折压比和微观结构的影响，得到以下结论：

（1）RFA 和RP 的掺入会导致RRCM 的3、7、28 d 抗压强度和抗折强度降低，延性和抗裂性能变差。

（2）纳米SiO2的掺入可以提高CM 的3、7、28 d抗压强度和抗折强度，增强RRCM 的延性和抗裂性能，有效弥补掺入RFA 和RP 后对于RRCM 性能的影响，尤其是当纳米SiO2的质量替代率超过2%时，其抗压强度、抗折强度和折压比要优于NCM。基于本研究的数据和经济性的原则，纳米SiO2的质量替代率宜为3%。

（3）RFA 和RP 与水泥砂浆之间的黏结性能较差，存在着明显的裂缝，致使RFA、RP 与水泥砂浆之间的界面过渡区是RRCM 内部的薄弱区域。掺入纳米SiO2后，可以减少RRCM 内部的孔隙，促进水泥砂浆的水化反应，生成更多的水化硅酸钙凝胶填充RFA、RP 与水泥砂浆界面过渡区内的裂缝，增强RFA、RP 和水泥砂浆之间的黏结，提高RRCM 结构的密实度。

纳米SiO2的掺入可以有效改善RRCM 的强度和延性，但由于纳米SiO2的团聚效应，导致质量替代率过大时，在水泥基材料中的分散性变差，不能达到预期效果，进而降低纳米SiO2增强水泥基材料性能的上限。若纳米SiO2能够均匀地分散在水泥基材料中，得到充分反应，纳米SiO2在水泥基材料中的应用将更加广泛。