硅烷偶聯劑改性大粒徑花崗巖骨料混凝土

我國目前混凝土年產量達12～13億ｍ3,約占世界總產量的40%,面臨資源、能源和環境污染的巨大壓力。若能用大粒徑粗骨料配制工程常用的Ｃ 30～Ｃ50中等強度混凝土(以減少水泥用量),且顯著提高其耐久性,將高效緩解壓力,關鍵技術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強度主要由分子間引力(范德華力)產生[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。但應指出使骨料與水泥漿體界面層產生更多的化學鍵是更佳的途徑,因為化學鍵強度遠高于分子間引力。我們 曾嘗試在花崗巖表面涂抹1%濃度的ＫＨ—570硅烷偶聯劑溶液,再補新砂漿,結果顯示拉拔強度可提高 123%[2]。據此,我們猜測在花崗巖/偶聯劑/水泥漿界面層中很可能形成化學鍵接,硅烷偶聯劑很可能大幅度改善量大面廣的中等強度(Ｃ30 Ｃ 50)大粒徑骨料混凝土的性能。故筆者嘗試用ＫＨ—570硅烷偶聯劑溶液浸泡大粒徑花崗巖骨料后,再配制混凝土,測試抗壓強度,并初步探討改性 機理。

1　試驗材料及方案

1.1　試驗材料采用525普通硅酸鹽水泥;中砂,細度模數為2.54;最大粒徑為40ｍｍ的花崗巖骨料,骨料級配如表1所示。ＫＨ—570硅烷偶聯劑配 制成1%和2%濃度溶液。

1.2　試驗方案混凝土的配比為水泥∶砂∶石∶水=1∶1.57∶3 .66∶0.49。根據對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 試件,第一組(Ｎ)的粗骨料未經處理,第二(Ｐ15)、三(Ｐ30)、四(Ｐ60)組的粗骨料分別用1%濃度的ＫＨ 570硅烷偶聯劑溶液浸泡15ｍｉｎ、30 ｍｉｎ、60ｍｉｎ,第五(Ｐ30Ａ)組用2%濃度偶聯劑溶液浸泡骨料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,再按常規方法攪拌混凝土,并做成150ｍｍ×150ｍｍ×150ｍｍ的立方體試件,標準養護28ｄ,進行抗壓強 度實驗。

2　試驗結果與分析

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

2.2　骨料粒徑影響一般認為粒徑≤20ｍｍ的骨料對普通混凝土的強度影響很小[1],但對試件Ｐ30Ｂ,只浸泡了粒徑20～40ｍｍ的骨料,結果顯示 其抗壓強度比試件Ｐ30Ａ低4.2%。這說明粒徑5～20ｍｍ的骨料經硅烷偶聯劑溶液處理過后,也對提高混凝土的抗壓強度有貢獻。

2.3　水泥漿 花崗巖骨料界面層的偶聯機理初探如圖1所示,根據偶聯劑化學[3,4]和混凝土材料學[1],筆者認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鍵。將硅烷偶聯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硅氧硅鍵(Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ),余下的兩個硅醇基可與另外的偶聯劑成鍵,或者 成游離形式。

如用花崗巖骨料與化學活性很強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鍵,從而實現了水泥漿體與花崗巖這兩種無機材料界面層的化學鍵接(如圖2),即Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ 。根據偶聯劑化學[3～5],溶液濃度太低或浸泡時間過短,則硅烷偶聯劑不能完全包裹骨料;濃度太高或浸泡時間過長,則硅烷偶聯劑溶液中的齊 聚物就會增多,將導致可與水泥漿形成Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ鍵的硅羥基數減少(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%濃度浸泡時間60ｍｉｎ均效果不佳,很可能是溶液濃度太高、浸泡時間過長所至。

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