硅烷偶联剂改性大粒径花岗岩骨料混凝土

 我国目前混凝土年产量达12~13亿m3,约占世界总产量的40%,面临资源、能源和环境污染的巨大压力。若能用大粒径粗骨料配制工程常用的C 30~C50中等强度混凝土(以减少水泥用量),且显著提高其耐久性,将高效缓解压力,关键技术是改善混凝土的水泥浆/粗骨料界面层的性能。水 泥浆体与粗骨料粘结强度主要由分子间引力(范德华力)产生[1]。既有改性方法,如在混凝土拌合物中掺入减水剂或矿物掺合料等均可有效提高 骨料与水泥浆体间的分子间引力。但应指出使骨料与水泥浆体界面层产生更多的化学键是更佳的途径,因为化学键强度远高于分子间引力。我们 曾尝试在花岗岩表面涂抹1%浓度的KH—570硅烷偶联剂溶液,再补新砂浆,结果显示拉拔强度可提高 123%[2]。据此,我们猜测在花岗岩/偶联剂/水泥浆界面层中很可能形成化学键接,硅烷偶联剂很可能大幅度改善量大面广的中等强度(C30 C 50)大粒径骨料混凝土的性能。故笔者尝试用KH—570硅烷偶联剂溶液浸泡大粒径花岗岩骨料后,再配制混凝土,测试抗压强度,并初步探讨改性 机理。
1 试验材料及方案
1.1 试验材料采用525普通硅酸盐水泥;中砂,细度模数为2.54;最大粒径为40mm的花岗岩骨料,骨料级配如表1所示。KH—570硅烷偶联剂配 制成1%和2%浓度溶液。
1.2 试验方案混凝土的配比为水泥∶砂∶石∶水=1∶1.57∶3 .66∶0.49。根据对粗骨料处理方法的不同,将试件分为6组如表2所示,每组三个 试件,第一组(N)的粗骨料未经处理,第二(P15)、三(P30)、四(P60)组的粗骨料分别用1%浓度的KH 570硅烷偶联剂溶液浸泡15min、30 min、60min,第五(P30A)组用2%浓度偶联剂溶液浸泡骨料30min,第六(P30B)组用2%浓度溶液浸泡粒径20~40mm的骨料30分钟。 浸泡过后的骨料在自然条件下晾干24h,再按常规方法搅拌混凝土,并做成150mm×150mm×150mm的立方体试件,标准养护28d,进行抗压强 度实验。
2 试验结果与分析
2.1 偶联剂溶液浓度和浸泡时间对混凝土强度的影响由表2可见,经1%、2%浓度硅烷偶联剂溶液浸泡过的骨料拌成的混凝土试件(P15、P30、 P60、P30A、P30B)的抗压强度均比对比试件(N)高,其中试件P15比N提高18%。在浸泡时间相同情况下,试件P30的抗压强度分别比试件 P30A和P30B高5%和10%,可见,低浓度偶联剂溶液效果更佳。对比P15、P30、P60三组试件,可知混凝土抗压强度随着骨料浸泡时间的增长 而降低。P60尽管采用了1%浓度溶液,但因浸泡时间长,其抗压强度仍低于P30A。
2.2 骨料粒径影响一般认为粒径≤20mm的骨料对普通混凝土的强度影响很小[1],但对试件P30B,只浸泡了粒径20~40mm的骨料,结果显示 其抗压强度比试件P30A低4.2%。这说明粒径5~20mm的骨料经硅烷偶联剂溶液处理过后,也对提高混凝土的抗压强度有贡献。
2.3 水泥浆 花岗岩骨料界面层的偶联机理初探如图1所示,根据偶联剂化学[3,4]和混凝土材料学[1],笔者认为水泥浆体与花岗岩骨料之间很可 能以如下方式形成化学键。将硅烷偶联剂溶液涂于花岗岩表面后,溶液中的单体和低聚物与花岗岩中的羟基形成氢键,其后在干燥条件(如涂溶液 后放置24h)下脱水,硅烷中的硅原子与花岗岩中的硅原子形成一个硅氧硅键(Si—O—Si),余下的两个硅醇基可与另外的偶联剂成键,或者 成游离形式。
如用花岗岩骨料与化学活性很强的水泥浆拌制成混凝土,由于水泥浆体富含羟基,可能与硅醇中游离的硅羟基形成氢键,并随着水泥浆的不断水化 、干燥,有一部分氢键脱水形成化学键,从而实现了水泥浆体与花岗岩这两种无机材料界面层的化学键接(如图2),即Si—O—Si—O—Si 。根据偶联剂化学[3~5],溶液浓度太低或浸泡时间过短,则硅烷偶联剂不能完全包裹骨料;浓度太高或浸泡时间过长,则硅烷偶联剂溶液中的齐 聚物就会增多,将导致可与水泥浆形成Si—O—Si键的硅羟基数减少(参见图1,2),甚至形成物理吸附的多分子层[5]。本研究中,溶液浓度为 2%和l%浓度浸泡时间60min均效果不佳,很可能是溶液浓度太高、浸泡时间过长所至。
3 结语用硅烷偶联剂处理骨料后再拌混凝土,可以使混凝土的抗压强度有较大幅度的提高。在日后的工作中应该着重研究硅烷偶联剂溶液的合 理浓度和浸泡骨料的合理时间,以更大幅度提高改性效果。