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硅烷偶聯(lián)劑改性大粒徑花崗巖骨料混凝土初探

我國(guó)目前混凝土年產(chǎn)量達(dá)12～13億ｍ3,約占世界總產(chǎn)量的40%,面臨資源、能源和環(huán)境污染的巨大壓力。若能用大粒徑粗骨料配制工程常用的Ｃ30～Ｃ50中等強(qiáng)度混凝土(以減少水泥用量),且顯著提高其耐久性,將高效緩解壓力,關(guān)鍵技術(shù)是改善混凝土的水泥漿/粗骨料界面層的性能。水泥漿體與粗骨料粘結(jié)強(qiáng)度主要由分子間引力(范德華力)產(chǎn)生[1]。既有改性方法,如在混凝土拌合物中摻入減水劑或礦物摻合料等均可有效提高骨料與水泥漿體間的分子間引力。但應(yīng)指出使骨料與水泥漿體界面層產(chǎn)生更多的化學(xué)鍵是更佳的途徑,因?yàn)榛瘜W(xué)鍵強(qiáng)度遠(yuǎn)高于分子間引力。我們?cè)鴩L試在花崗巖表面涂抹1%濃度的ＫＨ—570硅烷偶聯(lián)劑溶液,再補(bǔ)新砂漿,結(jié)果顯示拉拔強(qiáng)度可提高123%[2]。據(jù)此,我們猜測(cè)在花崗巖/偶聯(lián)劑/水泥漿界面層中很可能形成化學(xué)鍵接,硅烷偶聯(lián)劑很可能大幅度改善量大面廣的中等強(qiáng)度(Ｃ30 Ｃ50)大粒徑骨料混凝土的性能。故筆者嘗試用ＫＨ—570硅烷偶聯(lián)劑溶液浸泡大粒徑花崗巖骨料后,再配制混凝土,測(cè)試抗壓強(qiáng)度,并初步探討改性機(jī)理。

1　試驗(yàn)材料及方案

1.1　試驗(yàn)材料采用525普通硅酸鹽水泥;中砂,細(xì)度模數(shù)為2.54;最大粒徑為40ｍｍ的花崗巖骨料,骨料級(jí)配如表1所示。ＫＨ—570硅烷偶聯(lián)劑配制成1%和2%濃度溶液。

1.2　試驗(yàn)方案混凝土的配比為水泥∶砂∶石∶水=1∶1.57∶3 .66∶0.49。根據(jù)對(duì)粗骨料處理方法的不同,將試件分為6組如表2所示,每組三個(gè)試件,第一組(Ｎ)的粗骨料未經(jīng)處理,第二(Ｐ15)、三(Ｐ30)、四(Ｐ60)組的粗骨料分別用1%濃度的ＫＨ 570硅烷偶聯(lián)劑溶液浸泡15ｍｉｎ、30ｍｉｎ、60ｍｉｎ,第五(Ｐ30Ａ)組用2%濃度偶聯(lián)劑溶液浸泡骨料30ｍｉｎ,第六(Ｐ30Ｂ)組用2%濃度溶液浸泡粒徑20～40ｍｍ的骨料30分鐘。浸泡過后的骨料在自然條件下晾干24ｈ,再按常規(guī)方法攪拌混凝土,并做成150ｍｍ×150ｍｍ×150ｍｍ的立方體試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28ｄ,進(jìn)行抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　偶聯(lián)劑溶液濃度和浸泡時(shí)間對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響由表2可見,經(jīng)1%、2%濃度硅烷偶聯(lián)劑溶液浸泡過的骨料拌成的混凝土試件(Ｐ15、Ｐ30、Ｐ60、Ｐ30Ａ、Ｐ30Ｂ)的抗壓強(qiáng)度均比對(duì)比試件(Ｎ)高,其中試件Ｐ15比Ｎ提高18%。在浸泡時(shí)間相同情況下,試件Ｐ30的抗壓強(qiáng)度分別比試件Ｐ30Ａ和Ｐ30Ｂ高5%和10%,可見,低濃度偶聯(lián)劑溶液效果更佳。對(duì)比Ｐ15、Ｐ30、Ｐ60三組試件,可知混凝土抗壓強(qiáng)度隨著骨料浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。Ｐ60盡管采用了1%濃度溶液,但因浸泡時(shí)間長(zhǎng),其抗壓強(qiáng)度仍低于Ｐ30Ａ。

2.2　骨料粒徑影響一般認(rèn)為粒徑≤20ｍｍ的骨料對(duì)普通混凝土的強(qiáng)度影響很小[1],但對(duì)試件Ｐ30Ｂ,只浸泡了粒徑20～40ｍｍ的骨料,結(jié)果顯示其抗壓強(qiáng)度比試件Ｐ30Ａ低4.2%。這說明粒徑5～20ｍｍ的骨料經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑溶液處理過后,也對(duì)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。

2.3　水泥漿花崗巖骨料界面層的偶聯(lián)機(jī)理初探如圖1所示,根據(jù)偶聯(lián)劑化學(xué)[3,4]和混凝土材料學(xué)[1],筆者認(rèn)為水泥漿體與花崗巖骨料之間很可能以如下方式形成化學(xué)鍵。將硅烷偶聯(lián)劑溶液涂于花崗巖表面后,溶液中的單體和低聚物與花崗巖中的羥基形成氫鍵,其后在干燥條件(如涂溶液后放置24ｈ)下脫水,硅烷中的硅原子與花崗巖中的硅原子形成一個(gè)硅氧硅鍵(Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ),余下的兩個(gè)硅醇基可與另外的偶聯(lián)劑成鍵,或者成游離形式。

如用花崗巖骨料與化學(xué)活性很強(qiáng)的水泥漿拌制成混凝土,由于水泥漿體富含羥基,可能與硅醇中游離的硅羥基形成氫鍵,并隨著水泥漿的不斷水化、干燥,有一部分氫鍵脫水形成化學(xué)鍵,從而實(shí)現(xiàn)了水泥漿體與花崗巖這兩種無機(jī)材料界面層的化學(xué)鍵接(如圖2),即Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ。根據(jù)偶聯(lián)劑化學(xué)[3～5],溶液濃度太低或浸泡時(shí)間過短,則硅烷偶聯(lián)劑不能完全包裹骨料;濃度太高或浸泡時(shí)間過長(zhǎng),則硅烷偶聯(lián)劑溶液中的齊聚物就會(huì)增多,將導(dǎo)致可與水泥漿形成Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ鍵的硅羥基數(shù)減少(參見圖1,2),甚至形成物理吸附的多分子層[5]。本研究中,溶液濃度為2%和ｌ%濃度浸泡時(shí)間60ｍｉｎ均效果不佳,很可能是溶液濃度太高、浸泡時(shí)間過長(zhǎng)所至。

3　結(jié)語用硅烷偶聯(lián)劑處理骨料后再拌混凝土,可以使混凝土的抗壓強(qiáng)度有較大幅度的提高。在日后的工作中應(yīng)該著重研究硅烷偶聯(lián)劑溶液的合理濃度和浸泡骨料的合理時(shí)間,以更大幅度提高改性效果。

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