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    再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)納觀力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

    2014-09-18 06:52:30李文貴肖建莊SurendraShah
    關(guān)鍵詞:壓痕砂漿骨料

    李文貴, 肖建莊, 黃 靚, Surendra P. Shah

    (1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410082;2. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)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(xué)性能相對(duì)于普通混凝土低,需要對(duì)其進(jìn)行力學(xué)改性研究.杜婷和李惠強(qiáng)[1]采用化學(xué)漿液對(duì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化,提出再生骨料混凝土高強(qiáng)化的可行性.萬(wàn)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(duì)再生骨料表面進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)降低水膠比可使再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)微觀結(jié)構(gòu)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(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)更為致密,明顯提高再生混凝土的強(qiáng)度和減少?gòu)?qiáng)度的離散性.Kong等[4]采用一種新型攪拌工藝,在澆筑前先對(duì)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(xué)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(xué)性能略低于普通混凝土的力學(xué)性能,但明顯高于簡(jiǎn)單破碎再生混凝土的力學(xué)性能.另外,Noguchi等[6]通過(guò)微波熱技術(shù)(Microwave Heating)使再生骨料表面的附著老砂漿脫落,用于生成高質(zhì)量的再生骨料,提高再生混凝土的力學(xué)性能.

    界面過(guò)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(guān)性能與眾多因素有關(guān)[7].Maso[8],Elsharief[9]和Tasong[10]等采用試驗(yàn)研究表明,影響界面過(guò)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(duì)于普通混凝土,再生混凝土的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,含有多種砂漿和界面過(guò)渡區(qū)[11-15].隨著納米力學(xué)測(cè)試技術(shù)的出現(xiàn),可以直接測(cè)得水泥混凝土中界面過(guò)渡區(qū)的納微觀力學(xué)性能,包括彈性模量和壓痕硬度等[16,17].納米壓痕技術(shù)和微硬度測(cè)試技術(shù)原理基本相似,但納米壓痕技術(shù)具有更高的分辨率,可獲取更小面積的局部力學(xué)性能[18,19].本文重點(diǎn)對(duì)比了不同攪拌工藝下界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)和納觀力學(xué)性能,為再生混凝土的力學(xué)改性和結(jié)構(gòu)層次的應(yīng)用提供基礎(chǔ)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(lái)源于位于美國(guó)芝加哥市奧黑爾(O’Hare)國(guó)際機(jī)場(chǎng)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(guò)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(zhì)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(guān)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(hù)室中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù).

    表1 混凝土配合比和攪拌工藝

    2 受壓力學(xué)性能

    采用型號(hào)為MTS-815混凝土剛性試驗(yàn)機(jī)測(cè)取混凝土試件的抗壓強(qiáng)度.在試驗(yàn)之前用封端復(fù)合材料(Capping Compound)對(duì)圓柱體試件的上下端面找平,減少受壓過(guò)程中試驗(yàn)機(jī)加載端對(duì)試件的橫向摩擦力.齡期分別為7,28和90 d的試件抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度.從圖1(b)可知,普通攪拌工藝的再生混凝土的峰值應(yīng)力低于普通混凝土,但峰值應(yīng)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(qiáng)度與普通混凝土接近,且受壓峰值應(yīng)變也大于普通混凝土峰值應(yīng)變.

    Curing age/days

    Axial strain

    3 界面過(guò)渡區(qū)納觀力學(xué)性能

    納米壓痕是一種用于測(cè)取混凝土納微觀力學(xué)性能的先進(jìn)納觀力學(xué)測(cè)試技術(shù).相對(duì)顯微硬度計(jì),納米壓痕可以精確地獲得更小尺度的力學(xué)性能(彈性模量和壓痕硬度等).納米壓痕設(shè)備Hysitron具有力與位移傳感器,靜電力驅(qū)動(dòng)和位移電子感應(yīng)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(cè)試中,可以設(shè)定納米壓痕壓頭施加的峰值力.水泥凈漿的泊松比(ν)設(shè)為0.2.在試驗(yàn)開(kāi)始前,采用標(biāo)準(zhǔn)石英試件對(duì)裝置進(jìn)行標(biāo)定,確保壓頭沒(méi)有受到破壞.采用納米壓痕技術(shù)測(cè)得大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,可以獲得微觀力學(xué)性能和各相材料的體積分?jǐn)?shù).混凝土界面過(guò)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(duì)界面過(guò)渡區(qū)的各相材料進(jìn)行分析時(shí),概率分布統(tǒng)計(jì)分析中采用的分區(qū)尺寸Bin-size設(shè)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?jǐn)?shù).在納米壓痕試驗(yàn)中,加載方式設(shè)置為在開(kāi)始5 s中,壓頭壓入試件表面,荷載速度為240 uN/s.當(dāng)荷載達(dá)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(shí)的徐變效應(yīng),然后以240 uN/s的速度進(jìn)行卸載.為了避免相鄰壓痕點(diǎn)之間的變形相互疊加以致影響測(cè)試結(jié)果,壓痕點(diǎn)之間的間距均設(shè)為3 um.

    3.1 老界面過(guò)渡區(qū)

    老界面過(guò)渡區(qū)處于天然骨料和老砂漿之間,由于水化齡期很長(zhǎng),可認(rèn)為老界面過(guò)渡區(qū)的力學(xué)性能不受攪拌工藝影響.在老界面過(guò)渡區(qū)隨機(jī)選取4個(gè)壓痕區(qū)域,每個(gè)壓痕區(qū)域呈網(wǎng)格分布,含有231個(gè)壓痕點(diǎn).壓痕試驗(yàn)結(jié)果顯示,4個(gè)老界面過(guò)渡區(qū)的納米壓痕結(jié)果基本相似.老界面過(guò)渡區(qū)的納米壓痕結(jié)果如圖2所示.由于老界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)的非均勻性以及各相材料彈性模量的差異性,老界面過(guò)渡區(qū)的彈性模量和彈性模量概率分布存在一些波動(dòng)性.繪制4個(gè)老界面過(guò)渡區(qū)區(qū)域的平均彈性模量的分布特征,如圖3所示.結(jié)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(gè)老界面過(guò)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?jǐn)?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(guò)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(guò)渡區(qū)中,選取4個(gè)壓痕區(qū)域進(jìn)行納米壓痕試驗(yàn)研究.新界面過(guò)渡區(qū)的彈性模量云圖如圖5(a)和圖5(b)所示.對(duì)彈性模量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后,其分布特性情況如圖5(c)和圖5(d)所示.相對(duì)新砂漿,新界面過(guò)渡區(qū)含有較高的孔隙和未水化顆粒,彈性模量分布波動(dòng)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(guò)渡區(qū)中4個(gè)壓痕區(qū)域的彈性模量分布特性如圖6所示.4個(gè)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(guò)渡區(qū)的彈性模量未表現(xiàn)出明顯的增加或減少趨勢(shì).C-S-H凝膠比較復(fù)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(jié)果分析可知,相對(duì)老界面過(guò)渡區(qū),采用二次攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)中低密度C-S-H的體積分?jǐn)?shù)要明顯大于老界面過(guò)渡區(qū).4個(gè)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(guò)渡區(qū)中,C-S-H凝膠的體積分?jǐn)?shù)大約為68%.

    Distance/μm

    Elastic modulus/GPa

    3.2.2 普通攪拌工藝

    隨機(jī)選取普通攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)中4個(gè)區(qū)域進(jìn)行納米壓痕研究.新界面過(guò)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(guò)渡區(qū)的彈性模量分布如圖8(c)和圖8(d)所示.相對(duì)于老界面過(guò)渡區(qū)和采用二次攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū),采用普通攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)的波動(dòng)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(guò)渡區(qū)的4個(gè)壓痕區(qū)域的平均彈性模量分布特征如圖9所示.結(jié)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(guò)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(gè)壓痕區(qū)域的平均各相材料的概率統(tǒng)計(jì)分析如圖10所示.新界面過(guò)渡區(qū)的彈性模量高波動(dòng)性一定程度上與新界面處的孔隙、氫氧化鈣晶體含量有關(guān).另外,普通攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)中C-S-H凝膠的體積分?jǐn)?shù)約為55%,明顯小于老界面過(guò)渡區(qū)和二次攪拌工藝的新界面過(guò)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(duì)再生混凝土中的老水泥砂漿和新水泥砂漿也進(jìn)行了納米壓痕研究,壓痕區(qū)域的面積均為100μm ×100 um,見(jiàn)圖11(a)和圖11(b).壓痕點(diǎn)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(guān).新砂漿的齡期相對(duì)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(duì)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(dòng)性要大些.關(guān)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?jǐn)?shù)明顯高于老砂漿中的分?jǐn)?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(guān).

    Distance/μm

    Elastic modulus/GPa

    4 力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)

    由于骨料周圍存在壁效應(yīng)(wall effect),使得界面過(guò)渡區(qū)的水灰比相對(duì)較高,在界面過(guò)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(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)如圖14所示.可以發(fā)現(xiàn)采用普通攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)含有大量孔隙,且結(jié)構(gòu)疏松,而老界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)程度處于兩者之間.對(duì)于采用二次攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū),其微觀結(jié)構(gòu)明顯致密,孔隙率明顯小于普通攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū).通過(guò)新界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)分析,表明采用不同攪拌工藝的再生混凝土力學(xué)性能的差異與新界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān).根據(jù)界面過(guò)渡區(qū)的研究,二次攪拌工藝可以通過(guò)改善再生混凝土中界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu),提高再生混凝土的力學(xué)性能.

    (a) 再生混凝土中的老界面過(guò)渡區(qū)

    (b) 普通攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)

    (c) 二次攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)

    再生混凝土中老界面過(guò)渡區(qū)、采用二次攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)和普通攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)的彈性模量分布特征以及概率統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果如圖15和圖16所示.分析發(fā)現(xiàn),對(duì)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(guò)渡區(qū)的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu).二次攪拌工藝和普通攪拌工藝的界面過(guò)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(yàn)分析,在二次攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)中彈性模量和硬度分布波動(dòng)和離散性明顯較普通攪拌工藝的新界面過(guò)渡區(qū)小,二次攪拌工藝可以有效提高界面過(guò)渡區(qū)的納觀力學(xué)性能,減少了薄弱環(huán)節(jié)的出現(xiàn).說(shuō)明在二次攪拌工藝的界面過(guò)渡區(qū),其力學(xué)性能接近水泥砂漿,新界面過(guò)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(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)與界面過(guò)渡區(qū)的力學(xué)性能之間的關(guān)系,可以解釋試驗(yàn)中有關(guān)界面過(guò)渡區(qū)的力學(xué)性能影響再生混凝土宏觀力學(xué)性能這一現(xiàn)象.

    Distance/μm

    Elastic modulus/GPa

    5 結(jié) 論

    1)采用二次攪拌工藝的再生混凝土新界面過(guò)渡區(qū)的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度基本一致.

    2)由納米壓痕試驗(yàn)結(jié)果可知,采用二次攪拌工藝的再生混凝土新界面過(guò)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(guò)渡區(qū).

    3)在普通攪拌新界面過(guò)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(guò)渡區(qū)納微觀力學(xué)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(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)和納觀力學(xué)性能,提高了再生混凝土的宏觀力學(xué)性能.

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