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硅烷偶聯劑改性大粒徑花崗巖骨料混凝土初探

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Ｃ30～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 Ｃ50)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、30ｍｉｎ、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。

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