李文貴, 肖建莊, 黃 靚, Surendra P. Shah

(1．湖南大學 土木工程學院, 湖南 長沙 410082；2. 同濟大學 土木工程學院, 上海 200092；3. Center for Advanced Cement-based Materials (ACBM), Northwestern Univ，Evanston IL 60208, USA)

由于再生混凝土的力學性能相對于普通混凝土低，需要對其進行力學改性研究.杜婷和李惠強[1]采用化學漿液對再生骨料進行強化，提出再生骨料混凝土高強化的可行性.萬惠文等[2]采取降低水灰比、摻入適量粉煤灰和高效減水劑，并對再生骨料表面進行處理，發(fā)現(xiàn)降低水膠比可使再生混凝土界面過渡區(qū)(ITZ)微觀結構更加緊密.Tam等[3]發(fā)現(xiàn)采用二次攪拌工藝(TSMA)可以使界面過渡區(qū)結構更為致密，明顯提高再生混凝土的強度和減少強度的離散性.Kong等[4]采用一種新型攪拌工藝，在澆筑前先對再生骨料表面包裹一層火山灰材料，提高再生混凝土的力學性能.朱光亞和李秋義等[5]發(fā)現(xiàn)骨料顆粒整形再生混凝土力學性能略低于普通混凝土的力學性能，但明顯高于簡單破碎再生混凝土的力學性能.另外，Noguchi等[6]通過微波熱技術(Microwave Heating)使再生骨料表面的附著老砂漿脫落，用于生成高質量的再生骨料，提高再生混凝土的力學性能.

界面過渡區(qū)是混凝土中處于天然骨料和水泥砂漿之間的狹窄區(qū)域，其相關性能與眾多因素有關[7].Maso[8],Elsharief[9]和Tasong[10]等采用試驗研究表明，影響界面過渡區(qū)的因素有水泥材料類型、配合比、水化齡期、攪拌工藝和骨料類型形狀等.相對于普通混凝土，再生混凝土的結構更為復雜，含有多種砂漿和界面過渡區(qū)[11-15].隨著納米力學測試技術的出現(xiàn)，可以直接測得水泥混凝土中界面過渡區(qū)的納微觀力學性能，包括彈性模量和壓痕硬度等[16,17].納米壓痕技術和微硬度測試技術原理基本相似，但納米壓痕技術具有更高的分辨率，可獲取更小面積的局部力學性能[18,19].本文重點對比了不同攪拌工藝下界面過渡區(qū)的微觀結構和納觀力學性能，為再生混凝土的力學改性和結構層次的應用提供基礎依據(jù)[20,21].

1 二次攪拌工藝

澆筑再生混凝土所用的再生粗骨料來源于位于美國芝加哥市奧黑爾(O’Hare)國際機場附近的Rossi Contractors公司.再生骨料的體積密度和吸水率分別為2.41 kg/m3和5.51%.除部分碎石外，再生骨料中天然骨料主要為石灰石.再生粗骨料的粒徑分布為4.75 mm～25.0 mm.所采用的水泥類型為I型(Type I)波特蘭水泥.

在二次攪拌工藝過程中，將水泥凈漿包裹再生骨料，并滲透填充到再生骨料表面老砂漿的孔隙和裂縫中.三組混凝土試件的水灰比均為0.45，具體配合比如表1所示.采用鈣質天然骨料澆筑的混凝土為普通混凝土.采用再生骨料澆筑的混凝土為再生混凝土.在攪拌前使再生骨料和天然骨料處于飽和面干狀態(tài)，滿足再生混凝土的有效水灰比要求.有關混凝土試件的澆筑和制作具體操作步驟如下：1)將飽和面干的再生骨料和所需要的水泥混合攪拌1 min；2)然后加入所需水50%，再次攪拌1 min；3)最后，將砂和剩余的水加入攪拌物中，攪拌2 min.澆筑后的混凝土試件放在溫度為20 ±2℃，濕度為95%的養(yǎng)護室中進行標準養(yǎng)護.

表1 混凝土配合比和攪拌工藝

2 受壓力學性能

采用型號為MTS-815混凝土剛性試驗機測取混凝土試件的抗壓強度.在試驗之前用封端復合材料(Capping Compound)對圓柱體試件的上下端面找平，減少受壓過程中試驗機加載端對試件的橫向摩擦力.齡期分別為7,28和90 d的試件抗壓強度情況如圖1(a)所示.從中可知，采用二次攪拌工藝的再生混凝土的抗壓強度高于采用普通攪拌工藝的再生混凝土.另外，二次攪拌再生混凝土的抗壓強度與普通混凝土十分接近.由此可知，二次攪拌工藝可以明顯提高再生混凝土的抗壓強度.從圖1(b)可知，普通攪拌工藝的再生混凝土的峰值應力低于普通混凝土，但峰值應變大于普通混凝土.采用二次攪拌工藝再生混凝土的抗壓強度與普通混凝土接近，且受壓峰值應變也大于普通混凝土峰值應變.

Curing age/days

Axial strain

3 界面過渡區(qū)納觀力學性能

納米壓痕是一種用于測取混凝土納微觀力學性能的先進納觀力學測試技術.相對顯微硬度計，納米壓痕可以精確地獲得更小尺度的力學性能(彈性模量和壓痕硬度等).納米壓痕設備Hysitron具有力與位移傳感器，靜電力驅動和位移電子感應器.采用Berkovich鉆石三面錐形壓頭，錐形斜角為142.3°，壓頭的半徑大約為600 nm.在測試中，可以設定納米壓痕壓頭施加的峰值力.水泥凈漿的泊松比(ν)設為0.2.在試驗開始前，采用標準石英試件對裝置進行標定，確保壓頭沒有受到破壞.采用納米壓痕技術測得大量的試驗數(shù)據(jù)并進行數(shù)理統(tǒng)計分析，可以獲得微觀力學性能和各相材料的體積分數(shù).混凝土界面過渡區(qū)通常含有的相材料包含孔隙、氫氧化鈣晶體(CH)、水化產(chǎn)物(主要為水泥C-S-H凝膠)和未水化水泥等.

在對界面過渡區(qū)的各相材料進行分析時，概率分布統(tǒng)計分析中采用的分區(qū)尺寸Bin-size設為5.0 GPa，以彈性模量概率分布特征確定各相材料的體積分數(shù).在納米壓痕試驗中，加載方式設置為在開始5 s中，壓頭壓入試件表面，荷載速度為240 uN/s.當荷載達到最大荷載1 200 uN后保持2 s，消除壓頭和試件表面接觸時的徐變效應，然后以240 uN/s的速度進行卸載.為了避免相鄰壓痕點之間的變形相互疊加以致影響測試結果，壓痕點之間的間距均設為3 um.

3.1 老界面過渡區(qū)

老界面過渡區(qū)處于天然骨料和老砂漿之間，由于水化齡期很長，可認為老界面過渡區(qū)的力學性能不受攪拌工藝影響.在老界面過渡區(qū)隨機選取4個壓痕區(qū)域，每個壓痕區(qū)域呈網(wǎng)格分布，含有231個壓痕點.壓痕試驗結果顯示，4個老界面過渡區(qū)的納米壓痕結果基本相似.老界面過渡區(qū)的納米壓痕結果如圖2所示.由于老界面過渡區(qū)微觀結構的非均勻性以及各相材料彈性模量的差異性，老界面過渡區(qū)的彈性模量和彈性模量概率分布存在一些波動性.繪制4個老界面過渡區(qū)區(qū)域的平均彈性模量的分布特征，如圖3所示.結果表明，彈性模量隨著距離天然骨料表面距離的增加而增大.4個老界面過渡區(qū)的彈性模量概率分布特征如圖4所示.由歸一化的各相材料概率分布特征可知C-S-H凝膠是界面中水化產(chǎn)物的主要成分，其體積分數(shù)約為69%.

(a) 老界面壓痕區(qū)域 (100 um×100 um)

(b) 彈性模量云圖 (GPa)

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

3.2 新界面過渡區(qū)

3.2.1 二次攪拌工藝

在采用二次攪拌工藝的再生混凝土的新界面過渡區(qū)中，選取4個壓痕區(qū)域進行納米壓痕試驗研究.新界面過渡區(qū)的彈性模量云圖如圖5(a)和圖5(b)所示.對彈性模量進行統(tǒng)計分析后，其分布特性情況如圖5(c)和圖5(d)所示.相對新砂漿，新界面過渡區(qū)含有較高的孔隙和未水化顆粒，彈性模量分布波動性較大.

(a) 新界面壓痕區(qū)域 (150 um ×100 um)

(b) 彈性模量云圖 (GPa)

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

采用二次攪拌工藝的新界面過渡區(qū)中4個壓痕區(qū)域的彈性模量分布特性如圖6所示.4個區(qū)域的彈性模量的分布特性基本一致.隨著與老砂漿表面距離的增加，新界面過渡區(qū)的彈性模量未表現(xiàn)出明顯的增加或減少趨勢.C-S-H凝膠比較復雜且具有多種類型，大致可以分為低密度C-S-H和高密度C-S-H兩種.根據(jù)結果分析可知，相對老界面過渡區(qū)，采用二次攪拌工藝的新界面過渡區(qū)中低密度C-S-H的體積分數(shù)要明顯大于老界面過渡區(qū).4個壓痕區(qū)域的彈性模量概率分布如圖7所示.在再生混凝土新界面過渡區(qū)中，C-S-H凝膠的體積分數(shù)大約為68%.

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

3.2.2 普通攪拌工藝

隨機選取普通攪拌工藝的新界面過渡區(qū)中4個區(qū)域進行納米壓痕研究.新界面過渡區(qū)中的壓痕區(qū)域和彈性模量云圖如圖8(a)和圖8(b)所示.新界面過渡區(qū)的彈性模量分布如圖8(c)和圖8(d)所示.相對于老界面過渡區(qū)和采用二次攪拌工藝的新界面過渡區(qū)，采用普通攪拌工藝的新界面過渡區(qū)的波動性明顯減少，孔隙、氫氧化鈣晶體含量較多.

(a) 新界面壓痕區(qū)域 (150 um ×100 um)

(b) 彈性模量云圖 (GPa)

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

普通攪拌工藝的新界面過渡區(qū)的4個壓痕區(qū)域的平均彈性模量分布特征如圖9所示.結果表明彈性模量隨著距離老砂漿表面距離的增加，新界面過渡區(qū)的彈性模量不斷減小.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是在新界面附近積累了大量的氫氧化鈣晶體，使靠近老砂漿表面附近的彈性模量偏高.4個壓痕區(qū)域的平均各相材料的概率統(tǒng)計分析如圖10所示.新界面過渡區(qū)的彈性模量高波動性一定程度上與新界面處的孔隙、氫氧化鈣晶體含量有關.另外，普通攪拌工藝的新界面過渡區(qū)中C-S-H凝膠的體積分數(shù)約為55%，明顯小于老界面過渡區(qū)和二次攪拌工藝的新界面過渡區(qū)中的C-S-H凝膠含量.

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

3.3 新老水泥砂漿

對再生混凝土中的老水泥砂漿和新水泥砂漿也進行了納米壓痕研究，壓痕區(qū)域的面積均為100μm ×100 um，見圖11(a)和圖11(b).壓痕點之間的水平和豎向間距均取為10 μm.老砂漿和新砂漿的彈性模量云圖如圖11(c)和圖11(d)所示.新砂漿彈性模量的離散性較老砂漿大些，這與新砂漿的齡期小有關.新砂漿的齡期相對老砂漿小，其中的水泥未充分水化，孔隙和未水化水泥顆粒多些.

(a) 老砂漿壓痕區(qū)域 (100 μm×100 μm)

(b) 新砂漿壓痕區(qū)域 (100 μm×100μm)

X/μm

X/μm

對比分析新老水泥砂漿的彈性模量分布和概率分布，如圖12和圖13所示.新老砂漿的彈性模量平均值基本一致，但新砂漿的彈性模量的波動性要大些.關于各相材料的概率分布中，新砂漿中的孔隙和未水化水泥顆粒明顯多些.新老水泥砂漿中的水泥凝膠中的低密度C-S-H和高密度C-S-H的體積含量存在差異.新砂漿中的低密度C-S-H的體積分數(shù)明顯高于老砂漿中的分數(shù)，表明水泥砂漿中低密度C-S-H和高密度的C-S-H含量與水化齡期有關.

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

4 力學性能與微觀結構

由于骨料周圍存在壁效應(wall effect)，使得界面過渡區(qū)的水灰比相對較高，在界面過渡區(qū)附近生成大量的微裂縫和孔隙，成為混凝土中的薄弱環(huán)節(jié).用不同攪拌工藝的再生混凝土中新界面過渡區(qū)的微觀結構如圖14所示.可以發(fā)現(xiàn)采用普通攪拌工藝的新界面過渡區(qū)含有大量孔隙，且結構疏松，而老界面過渡區(qū)的密實程度處于兩者之間.對于采用二次攪拌工藝的新界面過渡區(qū)，其微觀結構明顯致密，孔隙率明顯小于普通攪拌工藝的新界面過渡區(qū).通過新界面過渡區(qū)的微觀結構分析，表明采用不同攪拌工藝的再生混凝土力學性能的差異與新界面過渡區(qū)的微觀結構密切相關.根據(jù)界面過渡區(qū)的研究，二次攪拌工藝可以通過改善再生混凝土中界面過渡區(qū)的微觀結構，提高再生混凝土的力學性能.

(a) 再生混凝土中的老界面過渡區(qū)

(b) 普通攪拌工藝的新界面過渡區(qū)

(c) 二次攪拌工藝的新界面過渡區(qū)

再生混凝土中老界面過渡區(qū)、采用二次攪拌工藝的新界面過渡區(qū)和普通攪拌工藝的新界面過渡區(qū)的彈性模量分布特征以及概率統(tǒng)計分布結果如圖15和圖16所示.分析發(fā)現(xiàn)，對于再生混凝土，采用二次攪拌工藝后能夠明顯改善新界面過渡區(qū)的力學性能和微觀結構.二次攪拌工藝和普通攪拌工藝的界面過渡區(qū)的彈性模量分布規(guī)律也存在差別.根據(jù)納米壓痕試驗分析，在二次攪拌工藝的新界面過渡區(qū)中彈性模量和硬度分布波動和離散性明顯較普通攪拌工藝的新界面過渡區(qū)小，二次攪拌工藝可以有效提高界面過渡區(qū)的納觀力學性能，減少了薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn).說明在二次攪拌工藝的界面過渡區(qū)，其力學性能接近水泥砂漿，新界面過渡區(qū)并非再生混凝土中的明顯薄弱環(huán)節(jié).由再生納微觀混凝土中界面過渡區(qū)的微觀結構與界面過渡區(qū)的力學性能之間的關系，可以解釋試驗中有關界面過渡區(qū)的力學性能影響再生混凝土宏觀力學性能這一現(xiàn)象.

Distance/μm

Elastic modulus/GPa

5 結 論

1)采用二次攪拌工藝的再生混凝土新界面過渡區(qū)的抗壓強度高于采用普通攪拌工藝的再生混凝土，且與普通混凝土的抗壓強度基本一致．

2)由納米壓痕試驗結果可知，采用二次攪拌工藝的再生混凝土新界面過渡區(qū)中的氫氧化鈣晶體含量明顯少于普通攪拌的新界面過渡區(qū)．

3)在普通攪拌新界面過渡區(qū)中，彈性模量隨著距離老砂漿表面的距離增加不斷降低，而二次攪拌工藝的新界面過渡區(qū)納微觀力學性能基本保持不變．

4)采用二次攪拌工藝可以改善再生混凝土新界面過渡區(qū)的微觀結構和納觀力學性能，提高了再生混凝土的宏觀力學性能.

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