魏 康, 李 犇, 孫 嶠

(1.大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 大連 116622; 2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院, 廣東 佛山 528000)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程迅速發(fā)展,城市舊建筑的不斷拆除產(chǎn)生了大量建筑垃圾[1]。而目前我國(guó)建筑垃圾利用率低,只有少部分建筑垃圾資源化利用在路基和非承重結(jié)構(gòu),而大部分是以在郊區(qū)堆放或填埋的傳統(tǒng)方式進(jìn)行處理,這對(duì)環(huán)境造成了極大的污染[2]。再生混凝土[3]是將普通混凝土進(jìn)行破碎篩分的工藝處理后制成再生粗骨料來(lái)替換天然粗骨料,不僅可以解決建筑垃圾的堆放和利用問(wèn)題,同時(shí)也符合國(guó)家倡導(dǎo)的綠色可持續(xù)發(fā)展,具有重大的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)意義。

研究再生混凝土的抗壓強(qiáng)度是其能被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和決定要素。文獻(xiàn)[4-7]通過(guò)研究得出再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨替代率的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的規(guī)律,但并未進(jìn)一步對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低的微觀機(jī)理進(jìn)行研究。另一方面,文獻(xiàn)[8-10]利用電鏡(SEM)分析了再生混凝土強(qiáng)度變化的微觀機(jī)理,并得出界面過(guò)渡區(qū)是影響其強(qiáng)度因素之一。岳公冰[11]利用利用顯微硬度計(jì)、SEM等測(cè)試技術(shù),研究了再生粗骨料強(qiáng)度對(duì)再生混凝土多重界面結(jié)構(gòu)特征、顯微結(jié)構(gòu)及性能的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[12-13]利用SEM和對(duì)復(fù)雜環(huán)境下替代率對(duì)再生混凝土的耐久性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。白雷雷[14]利用SEM對(duì)骨料強(qiáng)化對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響的機(jī)理進(jìn)行了分析。Wang等[15]則利用Fourier變換紅外光譜(FTIR)從混凝土水化產(chǎn)物的角度對(duì)再生混凝土抗凍性能的微觀機(jī)理進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[16-18]是通過(guò)壓汞法(MIP)從孔結(jié)構(gòu)的角度研究高溫對(duì)混凝土孔隙改變的影響及混凝土抗凍性能的微觀機(jī)理。

而目前通過(guò)FTIR和MIP研究替代率對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響的微觀機(jī)理的試驗(yàn)較少,因此,為了更進(jìn)一步揭示其變化規(guī)律的微觀機(jī)理,本文針對(duì)6種不同替代率(0%、20%、40%、60%、80%、100%)的再生混凝土展開(kāi)了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及對(duì)其進(jìn)行骨料分布觀測(cè),探究替代率對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,同時(shí)利用FTIR、SEM和MIP進(jìn)一步研究替代率對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響的微觀機(jī)理,并建立其抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式。期望研究成果可以進(jìn)一步推廣再生混凝土的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)概括

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為廣州石井牌P.O 42.5 R級(jí)水泥,水是工業(yè)蒸餾水,外加劑選用聚羧酸高效減水劑,減水劑為淡黃色液體,減水率為30%。再生粗骨料來(lái)自佛山市某建筑材料有限公司,其中包括建筑碎石、少量紅磚與瓷磚碎塊。天然粗骨料采用連續(xù)級(jí)配的天然碎石。天然粗骨料與再生粗骨料見(jiàn)圖1,天然粗骨料與再生粗骨料的級(jí)配組成見(jiàn)表1,級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。天然砂、天然粗骨料和再生粗骨料的基本物理性能見(jiàn)表2。

表1 天然粗骨料和再生粗骨料的級(jí)配組成Tab.1 Grading composition of natural coarse aggregate and recycled coarse aggregate

表2 天然砂、天然粗骨料和再生粗骨料的基本物理性能Tab.2 Basic physical properties of natural sand, natural coarse aggregate and recycled coarse aggregate

圖1 天然粗骨料和再生粗骨料圖片F(xiàn)ig.1 Pictures of natural coarse aggregate and recycled coarse aggregate

圖2 天然粗骨料和再生粗骨料的級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of natural coarse aggregate and recycled coarse aggregate

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55-2011)配制C30再生混凝土,不同替代率的再生混凝土水灰比均為0.59,砂均為712.3 kg/m3,水均為222 kg/m3,減水劑均為1.9 kg/m3,水泥均為376.5 kg/m3,配合比見(jiàn)表3。替代率分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%,試件編號(hào)分別為RAC0、RAC20、RAC40、RAC60、RAC80、RAC100。

表3 再生混凝土試驗(yàn)配合比Tab.3 Experimental mix proportion of recycled concrete 單位:kg/m3

1.3 試件制作及養(yǎng)護(hù)

按照標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50082—2009)制作了6組試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊54個(gè),每組包含6個(gè)再生混凝土試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、微觀分析試驗(yàn)和3個(gè)再生混凝土試塊進(jìn)行骨料分布觀測(cè)。室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)1 d后拆模,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度為20±2℃,相對(duì)濕度≥95%)中養(yǎng)護(hù)28 d。

1.4 試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照國(guó)家規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行,利用電液式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

骨料分布觀測(cè)是利用切割機(jī)從澆筑面中間部位進(jìn)行切割,觀察切割面的骨料分布情況。

FTIR試驗(yàn)是首先將抗壓試驗(yàn)壓碎后的水泥石樣品放在50℃真空干燥箱中干燥48 h,同時(shí)將溴化鉀放于120℃真空干燥箱中進(jìn)行干燥。選取1 mg干燥后的再生混凝土樣品與干燥后的100 mg溴化鉀置于瑪瑙研缽中進(jìn)行研磨5 min。然后將研磨后的混合物放入壓片模具,將模具放入壓力機(jī)中壓片,壓力選用15 MPa,時(shí)間為1.5 min。最后將壓出的透明錠片放入Fourier變換紅外光譜儀中進(jìn)行測(cè)試[19]。

SEM試驗(yàn)是將水泥石樣品進(jìn)行噴金干燥處理后,利用電鏡對(duì)樣品進(jìn)行觀測(cè)。

MIP試驗(yàn)是首先將水泥石樣品收集在試管中并立即用無(wú)水乙醇浸泡24 h以停止水化,然后將再生混凝土樣品放到60 ℃真空干燥箱中干燥48 h,干燥結(jié)束后利用壓汞孔徑分析儀中進(jìn)行測(cè)試。

本文采用了DYE-3000型電液式壓力試驗(yàn)機(jī),真空干燥箱型號(hào)為DZF-6050AB,型號(hào)為天光FTIR-960的Fourier變換紅外光譜儀,電鏡型號(hào)為SU-8020/X-MAX80,型號(hào)為安東帕PoreMaster 60的壓汞孔徑分析儀,試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖3。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備Fig.3 Test equipment

2 結(jié)果與討論

2.1 破壞形態(tài)

試件受壓初期,不同替代率的再生混凝土的破壞形態(tài)相似。隨著加載力值逐步增加,再生混凝土試件的內(nèi)部應(yīng)力不斷增加,試件外表面逐漸出現(xiàn)了豎向微小裂縫,隨后豎向微小裂縫迅速向上和下兩側(cè)延伸,相鄰的微小裂縫開(kāi)始匯集并合成連續(xù)裂縫且呈現(xiàn)逐漸變寬的態(tài)勢(shì)。隨著加載力值的持續(xù)增加,裂縫開(kāi)始迅速由外表面向內(nèi)部擴(kuò)展,豎向裂縫逐步變多、變寬,試件表面出現(xiàn)外鼓、并開(kāi)始剝落。最后加載力值達(dá)到最大值并穩(wěn)定,加載結(jié)束,試件完全破壞,最終破壞形態(tài)為四角錐形。替代率為0%、60%和100%的再生混凝土抗壓強(qiáng)試驗(yàn)后破壞形態(tài)照片見(jiàn)圖4。

圖4 不同替代率的再生混凝土破壞形態(tài)Fig.4 Failure morphology of recycled concrete at different replacement ratios

當(dāng)替代率為0%時(shí),混凝土的斷裂面在天然粗骨料和新砂漿粘結(jié)界面出現(xiàn),天然粗骨料并沒(méi)有破壞。替代率為60%時(shí),再生混凝土的斷裂面開(kāi)始在新舊砂漿與天然粗骨料以及再生粗骨料的粘結(jié)面出現(xiàn),砂漿與粗骨料形成的界面過(guò)渡區(qū)成為此時(shí)抗壓強(qiáng)度的薄弱區(qū)域。替代率為100%時(shí),再生粗骨料自身開(kāi)始發(fā)生貫穿性斷裂,再生混凝土的斷裂面不僅在新舊砂漿和再生粗骨料粘結(jié)面出現(xiàn),而且出現(xiàn)在再生粗骨料之中,此時(shí)再生粗骨料的骨架強(qiáng)度成為抗壓強(qiáng)度的薄弱區(qū)域。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

不同替代率再生混凝土抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖5,圖5中抗壓強(qiáng)度為6個(gè)試件的平均值。從圖5中可以看出,隨著替代率增加,再生混凝土抗壓強(qiáng)度整體呈現(xiàn)逐漸降低的態(tài)勢(shì),且當(dāng)替代率從0%增加到60%時(shí),為抗壓強(qiáng)度下降緩慢階段,而當(dāng)替代率大于60%時(shí),為抗壓強(qiáng)度下降快速階段。這是由于再生粗骨料的孔隙率大,強(qiáng)度低等自身缺陷會(huì)降低再生混凝土的強(qiáng)度。當(dāng)少量的再生粗骨料加入時(shí),對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的負(fù)面影響相對(duì)較小,所以當(dāng)替代率從0%增加到60%時(shí),再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨著替代率的增加呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。而當(dāng)替代率從60%增加到100%時(shí),再生粗骨料的加入對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的負(fù)面影響較大,使得其抗壓強(qiáng)度隨替代率的增加而快速降低。

圖5 不同替代率再生混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.5 Compressive strength of recycled concrete at different replacement ratios

2.3 骨料分布分析

再生混凝土骨料分布見(jiàn)圖6,其中圖6(a)為RAC0、RAC20、RAC40的骨料分布圖,圖6(b)為RAC60、RAC80、RAC100的骨料分布圖。由于再生粗骨料特征較為明顯:周?chē)f砂漿的碎石、紅磚與瓷磚碎塊。所以圖6是先將再生粗骨料用紅色進(jìn)行標(biāo)記,再將余下的天然粗骨料用藍(lán)色標(biāo)記而成。由圖6(a)可知,隨著替代率從0%增加到40%時(shí),再生混凝土試件骨料分布逐漸不均勻,圖中出現(xiàn)的空白砂漿區(qū)域有所增加。在對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),砂漿相較于粗骨料屬于強(qiáng)度較弱材料,所以空白砂漿區(qū)域是混凝土的強(qiáng)度薄弱面積[20]。所以當(dāng)替代率逐步增加到40%時(shí),其強(qiáng)度薄弱面積有所增加,對(duì)其抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。由圖6(b)可知,隨著替代率繼續(xù)增加到60%、80%、及100%時(shí),再生混凝土的強(qiáng)度薄弱面積因骨料分布均勻反而有所減少。然而,此時(shí)粗骨料的骨架強(qiáng)度已經(jīng)成為影響再生混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素,由于再生粗骨料本身缺陷的原因,造成其骨架強(qiáng)度低于天然粗骨料的骨架強(qiáng)度。所以當(dāng)替代率大于60%時(shí),再生混凝土的抗壓強(qiáng)度也逐漸降低。

圖6 不同替代率的再生混凝土骨料分布Fig.6 Aggregate distribution of recycled concrete at different replacement rates

2.4 微觀機(jī)理分析

為進(jìn)一步探究替代率對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,本文選取了0%、60%和100%三種替代率,利用Fourier變換紅外光譜(FTIR)對(duì)再生混凝土的水化產(chǎn)物進(jìn)行分析,同時(shí)利用電鏡(SEM)對(duì)其微觀全貌進(jìn)行分析,并通過(guò)壓汞法(MIP)對(duì)再生混凝土的孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析以揭示替代率對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響的微觀機(jī)理。

2.4.1 Fourier變換紅外光譜(FTIR)分析

不同替代率的再生混凝土紅外光譜圖如圖7所示,其中圖7(a)為455 cm-1波數(shù)的Si-O平面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰紅外光譜圖。圖7(b)為3 643 cm-1波數(shù)的Ca(OH)2中O-H振動(dòng)吸收峰紅外光譜圖。由圖7(a)可以看出,在3種不同替代率下的再生混凝土均發(fā)生了Si-O平面內(nèi)彎曲振動(dòng),且隨著替代率從0%增加到100%,Si-O平面內(nèi)彎曲振動(dòng)吸收峰的強(qiáng)度逐漸減弱,這表明隨著替代率的增加,再生混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)物C-S-H凝膠的生成量逐漸減少。由圖7(b)中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)替代率由0%增加到100%時(shí),再生混凝土的Ca(OH)2中O-H振動(dòng)吸收峰的強(qiáng)度逐漸減弱,這意味著水化產(chǎn)物Ca(OH)2的生成量逐漸減少。而水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和Ca(OH)2的減少會(huì)阻礙再生混凝土的水化發(fā)展,降低其水化程度和微結(jié)構(gòu)的致密程度,從而降低強(qiáng)度。所以,隨著替代率的增加,再生混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)了逐漸降低的規(guī)律。

圖7 不同替代率的再生混凝土紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectra of recycled concrete at different replacement ratios

2.4.2 電鏡(SEM)分析

不同替代率下再生混凝土在1um尺寸下的SEM電鏡圖見(jiàn)圖8。從圖8中可以看出,在替代率為0%時(shí),再生混凝土內(nèi)部孔洞較少,結(jié)構(gòu)較為密實(shí)。而當(dāng)替代率增加到60%時(shí),可以看到孔洞數(shù)量有所增加。當(dāng)替代率達(dá)到100%時(shí),從圖8中可觀察到內(nèi)部孔洞數(shù)量大幅度增加,其內(nèi)部密實(shí)度顯著降低。究其原因可能是隨著替代率的增加,再生混凝土內(nèi)部水化程度逐漸降低,水化產(chǎn)物減少,對(duì)其內(nèi)部孔隙的填充效果逐漸降低,因而使其內(nèi)部孔洞逐漸增多,密實(shí)度下降,所以會(huì)導(dǎo)致再生混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

圖8 不同替代率的再生混凝土SEM電鏡圖Fig.8 SEM of recycled concrete at different replacement ratios

2.4.3 壓汞法(MIP)分析

不同替代率下再生混凝土的孔徑分布見(jiàn)圖9。由圖9可知,隨著替代率從0%增加到60%,孔徑在100～1 000 nm的孔徑分布曲線向上偏移,這意味著在100～1 000 nm范圍內(nèi)的孔徑分布逐漸增多。當(dāng)替代率從60%增加到100%時(shí),孔徑在100～1 000 nm的孔徑分布曲線再次向上偏移,表明此范圍內(nèi)孔徑分布明顯再次增多。由于此范圍內(nèi)的孔結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土強(qiáng)度有害,所以替代率的增加對(duì)其抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。由圖9中累計(jì)孔體積分布圖可發(fā)現(xiàn),隨著替代率的增加,再生混凝土內(nèi)部的累計(jì)孔體積也在增加,按照累計(jì)孔體積從高到低排序?yàn)镽AC100>RAC60>RAC0。綜合分析可發(fā)現(xiàn),隨著替代率的增加,再生混凝土內(nèi)部100～1 000 nm的有害孔結(jié)構(gòu)數(shù)量逐漸增加,其內(nèi)部累計(jì)孔體積逐漸增多,密實(shí)度逐漸降低,造成其抗壓強(qiáng)度逐漸下降。

圖9 不同替代率的再生混凝土孔徑分布圖Fig.9 Pore size distribution of recycled concreteat different replacement ratios

再生混凝土孔隙率、總孔體積和總孔面積見(jiàn)表4。由表4可知當(dāng)替代率從0%增加到60%時(shí),孔隙率從12.80%上升到13.02%,升高了0.22個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)替代率從60%增加到100%時(shí),孔隙率從13.02%上升到14.53%,升高了1.51個(gè)百分點(diǎn)。這是由于再生粗骨料附著砂漿的孔隙較大,隨著替代率的增加,再生混凝土中的附著砂漿也隨之增多,從而導(dǎo)致其孔隙率逐漸升高。另外,隨著替代率增加,再生混凝土的水化過(guò)程中的水化產(chǎn)物C-S-H和Ca(OH)2逐漸減少, 再生混凝土的水化程度降低, 最終造成再生混凝土的孔隙率逐漸升高,使其抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

表4 再生混凝土的孔隙率、總孔體積、總孔面積Tab.4 Porosity, total pore volume and total pore area of recycled concrete

不同替代率再生混凝土孔體積分布見(jiàn)表5。由表5可知,隨著替代率從0%增加到60%,再生混凝土無(wú)害孔的累計(jì)孔體積百分比從21.04%下降到14.62%,下降了6.42個(gè)百分比,其有害孔的累計(jì)孔體積百分比從78.96%升高到85.38%。而當(dāng)替代率從60%增加到100%時(shí),再生混凝土無(wú)害孔的累計(jì)孔體積百分比從14.62%下降到14.13%,下降了0.49個(gè)百分點(diǎn),其有害孔的累計(jì)孔體積百分比從85.38%上升到85.87%。這是因?yàn)樗a(chǎn)物C-S-H中的凝膠孔對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度無(wú)害,當(dāng)C-S-H填補(bǔ)了再生混凝土有害的孔隙時(shí),可以增加無(wú)害孔的累計(jì)孔體積百分比,減少有害孔的累計(jì)孔體積百分比,優(yōu)化其孔結(jié)構(gòu)。所以隨替代率從0%增加到100%時(shí),再生混凝土的有害孔累計(jì)孔體積百分比逐漸增多,其抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

表5 再生混凝土的孔體積分布Tab.5 Pore volume distribution of recycled concrete

2.5 不同替代率下再生混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式

依據(jù)本試驗(yàn)所得出不同替代率下再生混凝土的抗壓強(qiáng)度對(duì)其進(jìn)行多項(xiàng)式擬合,擬合曲線見(jiàn)圖10,圖10中曲線y為本研究的擬合曲線,曲線y′為文獻(xiàn)[7]中的數(shù)據(jù)擬合曲線。根據(jù)擬合曲線y,可以提出不同替代率下再生混凝土抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式為:

fu=Ax2+Bx+C

(1)

式中:x為再生粗骨料替代率,%;fu為再生混凝土抗壓強(qiáng)度的計(jì)算值,MPa;A=-5.10268E-4,B=0.01227,C=33.9025。擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.993 13。

將利用計(jì)算公式得到的再生混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算值fu與試驗(yàn)值fcu進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知再生混凝土抗壓強(qiáng)度的計(jì)算值與試驗(yàn)值比值的平均值為1.000 1,利用計(jì)算公式得出的再生混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

表6 再生混凝土抗壓強(qiáng)度的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Tab.6 Comparison of calculated and experimental values of compressive strength of recycled concrete

從圖10中可知,當(dāng)替代率為0%時(shí),曲線y的截距值33.902 5 MPa,曲線y′的截距值為43.363 2 MPa,導(dǎo)致兩條擬合曲線截距值相差較大的原因可能是再生粗骨料的來(lái)源不同。曲線y與曲線y′都表現(xiàn)出隨著替代率的增加,再生混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降的趨勢(shì),并且在替代率大于40%時(shí),下降規(guī)律相似。

3 結(jié) 論

1) 當(dāng)替代率從0%增加到100%時(shí),再生混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸降低的規(guī)律。

2) 基于微觀分析得出,隨著替代率的增加,再生混凝土的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠和Ca(OH)2的生成減少,阻礙了其水化發(fā)展,增加了內(nèi)部的孔洞數(shù)量,提高了其孔隙率,孔結(jié)構(gòu)逐漸劣化,進(jìn)而造成其抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

3) 提出了適用此類(lèi)再生粗骨料的替代率對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度影響的計(jì)算公式,通過(guò)計(jì)算公式得到再生混凝土抗壓強(qiáng)度的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。