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。