再生磚骨料多孔混凝土微觀結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)模型

王玉軍，翟家歡，高　濤，翟愛(ài)良

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安　271018; 2. 泰山基業(yè)開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，山東泰安　271018; 3. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東泰安　271018)

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再生磚骨料多孔混凝土微觀結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)模型

王玉軍1，翟家歡2，高濤3，翟愛(ài)良1

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東泰安271018; 2. 泰山基業(yè)開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，山東泰安271018; 3. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東泰安271018)

摘要：為了深入研究再生磚骨料多孔混凝土的微觀結(jié)構(gòu),從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)其性狀及規(guī)律,引入掃描電鏡研究再生磚骨料多孔混凝土界面過(guò)渡區(qū)微觀形貌；根據(jù)混凝土中心質(zhì)假說(shuō)分析概括再生磚骨料多孔混凝土結(jié)構(gòu)模型，定性研究微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系，探索界面過(guò)渡區(qū)形貌和骨料大中心質(zhì)效應(yīng)對(duì)再生磚骨料多孔混凝土宏觀性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)再生磚骨料多孔混凝土具有較好的界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，水化產(chǎn)物豐富，水灰比、目標(biāo)孔隙率、養(yǎng)護(hù)齡期，礦物摻料對(duì)結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度和水化產(chǎn)物的類型、數(shù)量有一定影響，進(jìn)而影響強(qiáng)度。多孔混凝土存在較多負(fù)中心質(zhì)效應(yīng)，大中心質(zhì)只有再生磚骨料。今后應(yīng)當(dāng)把研究負(fù)中心質(zhì)效應(yīng)作為重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：再生磚骨料； 多孔混凝土； 微觀形貌； 電鏡掃描； 界面過(guò)渡區(qū)； 結(jié)構(gòu)模型； 中心質(zhì)假說(shuō)

再生磚骨料多孔混凝土是以處理和強(qiáng)化后的再生磚骨料、水泥和水?dāng)嚢瓒傻亩嗫谆炷?，由于其具備一定?qiáng)度和較高孔隙率，適于植物生長(zhǎng)，廣泛應(yīng)用于城市綠化和河道護(hù)坡等，經(jīng)濟(jì)實(shí)用地解決水土流失、水質(zhì)凈化問(wèn)題，修復(fù)重建已退化生態(tài)環(huán)境和調(diào)節(jié)城市氣候。同時(shí)，還可處理大量的建筑垃圾，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約資源。目前很多學(xué)者在普通混凝土微觀結(jié)構(gòu)研究方面取得大量成果，但在多孔混凝土尤其是再生磚骨料多孔混凝土微觀方面的研究尚少。因此,深入研究宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系,從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)再生磚骨料多孔混凝土的性狀及內(nèi)在規(guī)律,通過(guò)改善微觀結(jié)構(gòu)提高宏觀性能,是再生磚骨料多孔混凝土研究需要解決的重要課題。試驗(yàn)采用掃描電鏡掃描再生磚骨料多孔混凝土試塊得到混凝土的SEM圖，觀測(cè)水泥水化后生成的鈣礬石、 C-S-H凝膠及承受荷載之后的裂紋及界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)結(jié)構(gòu)，分析其結(jié)構(gòu)特征，并根據(jù)中心質(zhì)假說(shuō)建立再生磚骨料多孔混凝土結(jié)構(gòu)模型。

1試驗(yàn)方法及試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1SEM圖像簡(jiǎn)介

SEM的成分分析以及數(shù)字圖像分析的綜合利用，可用于混凝土材料水化物質(zhì)的分析及界面過(guò)渡區(qū)微觀形貌的分析。SEM是經(jīng)加速和聚焦的電子束(簡(jiǎn)稱電子探針)在試樣表面按一定的時(shí)間、空間序列掃描,激發(fā)試樣產(chǎn)生出各種物理信息,這些物理信息的強(qiáng)度隨試樣的表面特征而變化，物理信息經(jīng)檢測(cè)、放大后在設(shè)于電鏡外的顯像管熒光屏上形成一幅反映試樣表面形貌、組成及其他物化性能的掃描圖像[2]。這一原理使得SEM具有在保持材料原始狀態(tài)的條件下直接觀察試件表面形貌及特征的優(yōu)點(diǎn)，放大倍率為20～20 000。

1.2試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1試驗(yàn)材料再生磚骨料選用山東省泰安市財(cái)源大街某磚結(jié)構(gòu)房屋拆除產(chǎn)生的廢棄磚塊，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定強(qiáng)度可達(dá)到MU10。廢棄磚塊經(jīng)人工破碎、多次篩分取得粒徑為16.5～19.5 mm的碎塊。對(duì)得到的碎塊首先用自來(lái)水進(jìn)行沖洗，去除破碎過(guò)程表面附著的塵土和雜質(zhì)，然后采用與拌合混凝土相同水灰比的水泥漿對(duì)破碎后的再生磚骨料進(jìn)行包裹強(qiáng)化處理。骨料具體處理流程和方法可查閱文獻(xiàn)[3-4]。處理強(qiáng)化后再生磚骨料的相關(guān)物理性能根據(jù)《建筑用卵石、碎石》(GB/T14685—2011)的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。

試驗(yàn)用水泥為山東泰安市第二水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5強(qiáng)度等級(jí)的普通硅酸鹽水泥，經(jīng)測(cè)定，水泥密度為3.03 g/cm3。拌合試塊用水采用自來(lái)水，符合《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ63—2006)。

1.2.2配合比設(shè)計(jì)由于宏觀孔洞較多并且不含細(xì)骨料，多孔混凝土的配合比設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)原理和計(jì)算方法上不同于普通混凝土。另外，由于本研究所采用的再生磚骨料的吸水率、含水率和表觀密度與普通骨料有差異，所以在配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)注意考慮骨料的特殊物理指標(biāo)所帶來(lái)的影響。試驗(yàn)采用飽和骨料體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，具體計(jì)算過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。為研究不同因素對(duì)再生磚骨料多孔混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響，試驗(yàn)選取不同水灰比、礦物摻料、不同齡期，設(shè)計(jì)配合比見(jiàn)表1。

表1　混凝土配合比

1.2.3試件及試驗(yàn)方法由于再生磚骨料多孔混凝土的特殊結(jié)構(gòu)和再生骨料的類型，故其攪拌成型工藝流程與普通混凝土不同。另外再生磚骨料經(jīng)強(qiáng)化處理后仍然存在強(qiáng)度較低、穩(wěn)定性較差、吸水性較強(qiáng)、多孔混凝土骨料之間充滿空隙、僅靠少量水泥漿相連、骨料顆粒容易脫落等問(wèn)題，在攪拌方法上本試驗(yàn)采用人工水泥漿裹石法，先將水泥與水?dāng)嚢杈鶆虺伤鄡魸{，然后與浸泡并晾干至飽和面干狀態(tài)的骨料混合攪拌均勻，人工振搗入模，入模之后進(jìn)標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)48 h拆模。每組試件3個(gè)，抗壓強(qiáng)度試件規(guī)格為150 mm×150 mm×150 mm，抗折強(qiáng)度試件規(guī)格為600 mm×150 mm×150 mm。抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)根據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。

SEM試件制備直接關(guān)系到圖像的觀察效果和準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響到對(duì)圖像分析的正確性。由于儀器的特點(diǎn)，要求試件尺寸不超過(guò)儀器樣品臺(tái)的規(guī)定范圍，一般要求試件直徑不超過(guò)25 mm，厚度不超過(guò)20 mm。另外，對(duì)水化物形貌的分析以及界面微裂縫的分析一般采用自然斷面。試驗(yàn)按照要求配合比制作混凝土試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d取出，對(duì)所有試塊進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試后敲取小塊進(jìn)行微觀試驗(yàn)。在試塊中心隨意敲取1 cm2的薄碎片碎塊，盡量選取水泥漿體與再生磚骨料膠結(jié)部分，用無(wú)水乙醇浸泡使之終止水化，取出后在60℃下干燥至恒重。將試件粘貼在樣品臺(tái)上，選擇觀察面向上并進(jìn)行鍍膜，然后置于JSM-6610LV低真空掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，并獲取SEM圖像進(jìn)行分析。該過(guò)程參見(jiàn)文獻(xiàn) [10] 和[12]。

2試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果分析

2.1宏觀強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)旨在分析再生磚骨料多孔混凝土的微觀結(jié)構(gòu)形貌，并通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)定性分析宏觀強(qiáng)度形成機(jī)理，對(duì)比微觀分析結(jié)果與宏觀強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試塊進(jìn)行7 d，28 d抗壓強(qiáng)度和28 d抗折強(qiáng)度測(cè)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2可以看出，在一定水灰比范圍內(nèi)，隨著水灰比逐漸增大，7 d和28 d抗壓強(qiáng)度與28 d抗折強(qiáng)度都呈增大趨勢(shì)，這是因?yàn)?，在一定水灰比范圍?nèi)，水灰比越大水泥水化越充分，水泥石越密實(shí)。另外，由于多孔混凝土強(qiáng)度主要來(lái)自于水泥石以及界面過(guò)渡區(qū)黏結(jié)力，水泥石抗折強(qiáng)度較抗壓強(qiáng)度小很多，故多孔混凝土的抗折強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的30%～50%。而隨著目標(biāo)孔隙率的增大強(qiáng)度下降，且趨勢(shì)較明顯，這是因?yàn)槟繕?biāo)孔隙率的增大是通過(guò)減小水泥漿體積來(lái)實(shí)現(xiàn)的，水泥漿體積減小，骨料表面漿膜厚度減小必然導(dǎo)致強(qiáng)度降低。K6組與P5組相比，摻加少量粉煤灰使得所有強(qiáng)度都增加，但粉煤灰在早期時(shí)不參與水化對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小，強(qiáng)度的提高是由于粉煤灰的摻入增強(qiáng)了水泥漿的流動(dòng)性，使試塊下部漿體沉積。

2.2界面過(guò)渡區(qū)水化特征及形貌結(jié)構(gòu)分析

界面過(guò)渡區(qū)是混凝土中較薄弱的環(huán)節(jié)，它的結(jié)構(gòu)狀況影響著混凝土的強(qiáng)度和內(nèi)部緊密程度。利用電鏡掃描觀察了骨料和水泥漿之間的界面形貌特征，在低倍鏡下明顯可見(jiàn)水泥石和再生磚骨料之間呈帶狀的松散區(qū)域，進(jìn)一步放大可觀察Ca(OH)2晶體、針狀鈣礬石晶體和C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物。而觀察到的再生磚骨料是一種光滑多孔的蜂窩狀物質(zhì)。經(jīng)觀察分析，再生磚骨料表面孔洞較多，容易吸收水分，使得部分水泥顆粒陷入骨料內(nèi)部并進(jìn)行水化反應(yīng)，生成大量針棒狀鈣礬石、纖維狀C-S-H凝膠和片狀Ca(OH)2晶體，并形成一層密實(shí)的外殼，阻礙了水分的進(jìn)入，隨著反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生，水分減少，外殼阻止了水化反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行，因此形成了結(jié)構(gòu)相對(duì)松散的界面過(guò)渡區(qū)。

W2在7 d和28 d齡期的SEM圖見(jiàn)圖1。通過(guò)這兩組圖片分析不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)再生磚骨料多孔混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響。

圖1　W2養(yǎng)護(hù)7 和28 d的SEM圖Fig.1　SEM of W2 after curing for 7 and 28 days

從圖1(a)和(b)可見(jiàn)，經(jīng)7 d水化后的界面上有大量體積較小針棒狀鈣礬石和纖維狀的C-S-H凝膠生成，層狀或片狀的Ca(OH)2晶體生成較少，且分布散亂?？擅黠@觀察到水化物結(jié)構(gòu)松散而形成了骨料與水泥石之間連接較差的帶狀縫隙。從圖1(c)和(d)可見(jiàn)，經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)后，水化產(chǎn)物較7 d致密均勻。有大量密集分布的C-S-H凝膠生成，多數(shù)C-S-H凝膠由纖維狀Ⅰ型凝膠經(jīng)粒子接觸連鎖成網(wǎng)狀或蜂窩狀Ⅱ型凝膠。大量Ca(OH)2晶體也平行于骨料表面層疊生長(zhǎng)，使得骨料與水泥石表面更好地咬合密實(shí)，但是仍可以清楚地看到骨料與水泥石之間的界面，鈣礬石晶體數(shù)量較少。在文獻(xiàn)[6-7]中也出現(xiàn)類似結(jié)論。

微觀分析結(jié)果與試驗(yàn)強(qiáng)度趨勢(shì)相吻合，W2組28 d強(qiáng)度較7 d提高了9.9%，其余各組強(qiáng)度也都提高近10%，如表2所示。W1和W3在7 d和28 d齡期的SEM圖見(jiàn)圖2。觀察這3組圖片分析不同水灰比對(duì)再生磚骨料多孔混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響。

圖2　W1和 W3養(yǎng)護(hù)7和28 d的SEM圖Fig.2　SEM of W1 and W3 after curing for 7 and 28 days

選擇W1和W3試件進(jìn)行電鏡掃描。比較W1和W3可知界面過(guò)渡區(qū)的密實(shí)程度和水灰比有關(guān)系，而密實(shí)程度關(guān)系著混凝土的強(qiáng)度。對(duì)比圖2(a)和(b)可以看出，水灰比較大時(shí)，雖然用水量充分，水化產(chǎn)物發(fā)育較好，但結(jié)構(gòu)疏松，界面過(guò)渡區(qū)縫隙較寬。結(jié)合圖2(c)和(d)分析，當(dāng)水灰比較小時(shí)，水化7 d的水化產(chǎn)物發(fā)育并不太好，晶體尺寸偏小，但由于靠近骨料處水泥顆粒吸收再生磚骨料里的水分，水化產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)較致密，在界面過(guò)渡區(qū)處的縫隙寬度較小。水化28 d的試樣，水化產(chǎn)物相互交織在一起,顆粒大而密實(shí)緊貼再生磚骨料表面。水灰比越大水化越充分，蜂窩狀Ⅱ型C-S-H凝膠越多，而水灰比較小時(shí)針狀晶體較多。

從強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)看，7 d時(shí) W3組抗壓強(qiáng)度是W1組的1.36倍；而28 d時(shí)，W3組抗壓強(qiáng)度是W1組的1.52倍，如表2所示。這一趨勢(shì)與微觀分析基本吻合。

K6在28 d齡期的SEM圖見(jiàn)圖3；P4, P5在28 d齡期的SEM圖見(jiàn)圖4。對(duì)比這些圖片，分析不同目標(biāo)孔隙率對(duì)再生磚骨料多孔混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響。

圖3　K6養(yǎng)護(hù)28 d的SEM圖(×5 000)Fig.3　SEM of K6 after curing for 28 days(×5 000)

圖4　P4，P5養(yǎng)護(hù)28 d的 SEM圖Fig.4　SEM of P4 and P5 after curing for 28 days

摻粉煤灰后的SEM圖中明顯可見(jiàn)球狀粉煤灰顆粒(見(jiàn)圖3)。摻粉煤灰的水泥石中C-S-H凝膠的微觀結(jié)構(gòu)有明顯不同。沒(méi)有摻粉煤灰的水泥漿體中含有較多的結(jié)晶完好、晶粒較大的Ca(OH)2晶體。摻粉煤灰后,水泥石中Ca(OH)2的含量不斷減少,粉煤灰微珠表面已形成致密的水化產(chǎn)物,且其周圍水泥的水化產(chǎn)物也基本是致密的凝膠狀物質(zhì)。可以說(shuō)明粉煤灰已與Ca(OH)2生成了另一種類型C-S-H凝膠。K6組與P5組配合比僅是粉煤灰摻量不同，P5組沒(méi)有摻粉煤灰，而K6組用10%的粉煤灰代替水泥，28 d強(qiáng)度的提高與粉煤灰的作用機(jī)理有一定關(guān)系。

對(duì)比圖4(a)和(b)可見(jiàn)， P4和P5兩組只有目標(biāo)孔隙率不同，水泥石配合比相同，界面過(guò)渡區(qū)微觀形貌未見(jiàn)差異。只是目標(biāo)孔隙率增大是通過(guò)減小水泥漿體積來(lái)實(shí)現(xiàn)的，水泥漿體積減小導(dǎo)致水泥漿膜厚度減小，所以水泥顆粒充分與水接觸使得水化較充分，水泥石結(jié)構(gòu)較密實(shí)。但同時(shí)由于結(jié)構(gòu)較密實(shí)，則更容易形成裂縫和微裂縫，如圖4(b)所示。P4組強(qiáng)度比P5組強(qiáng)度有較大提高，一是由于微觀結(jié)構(gòu)中的微裂縫較多，二是由于孔隙率的增大導(dǎo)致漿膜厚度減小，而多孔混凝土中水泥石承擔(dān)主要強(qiáng)度。

在相同倍數(shù)下，將再生磚骨料多孔混凝土SEM圖與參考文獻(xiàn)[7]中天然骨料混凝土的SEM圖進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，再生磚骨料多孔混凝土的界面過(guò)渡區(qū)與磚骨料相接的邊界不明顯，但是界面過(guò)渡區(qū)密實(shí)性較之天然骨料混凝土好。這是因?yàn)?，再生磚骨料疏松多孔，部分水泥顆粒進(jìn)入骨料孔隙內(nèi)部發(fā)生水化，水化產(chǎn)物與孔隙外部水化產(chǎn)物結(jié)合而產(chǎn)生邊界不明顯的界面過(guò)渡區(qū)，使得水泥石牢牢“抓住”磚骨料。另外，由于拌合混凝土之前，再生磚骨料充分吸水成飽和面干狀態(tài)且再生磚骨料疏松多孔保水性較好，可以為界面過(guò)渡區(qū)水泥水化提供較多的水分，因此較之天然骨料，再生磚骨料多孔混凝土界面過(guò)渡區(qū)更為密實(shí)。

3再生磚骨料多孔混凝土結(jié)構(gòu)模型分析

吳中偉[8]在研究混凝土結(jié)構(gòu)組成時(shí)曾提出中心質(zhì)假說(shuō)。假說(shuō)認(rèn)為混凝土為復(fù)雜的多相聚集體，集料、鋼筋等為中心質(zhì)，膠結(jié)漿體為介質(zhì)，中心質(zhì)與介質(zhì)又各分為大、次、微3個(gè)層次。文獻(xiàn)[9]中也做了同樣分析。凡是大中心質(zhì)對(duì)大介質(zhì)產(chǎn)生吸附、化合、粘結(jié)、強(qiáng)化、晶核作用、晶體取向等物化效應(yīng),稱為大中心質(zhì)效應(yīng)。在混凝土最終結(jié)構(gòu)中存在著各級(jí)中心質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及各級(jí)中心質(zhì)周圍的效應(yīng)圈——結(jié)構(gòu)膜層與水化層,它們對(duì)于混凝土的最終性能有著極其重要的影響。骨料等大中心質(zhì)是通過(guò)中心質(zhì)效應(yīng)，也就是生成結(jié)構(gòu)膜層來(lái)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展和形成起作用的。在混凝土結(jié)構(gòu)中存在著中心質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和中心質(zhì)周圍的介質(zhì)效應(yīng)圈——界面過(guò)渡區(qū)。它們的發(fā)展形成了混凝土的最終強(qiáng)度。

再生磚骨料多孔混凝土是由膠結(jié)漿體粘結(jié)再生磚骨料而形成的多孔骨架，有些文獻(xiàn)將其稱為“沙琪瑪結(jié)構(gòu)”。根據(jù)吳中偉的假說(shuō)對(duì)再生磚骨料多孔混凝土的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析。

3.1中心質(zhì)效應(yīng)

結(jié)合SEM圖5，從放大倍數(shù)較低的SEM圖中可以看出骨料和水泥漿之間的結(jié)合，水泥漿包裹著再生磚骨料。因此可以看作是再生磚骨料分布在介質(zhì)中，形成結(jié)構(gòu)膜層相互連結(jié)成中心質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，成為整個(gè)多孔混凝土結(jié)構(gòu)的骨架。這種效應(yīng)范圍充滿整個(gè)介質(zhì)，使得再生磚骨料顆粒粘結(jié)成整體，混凝土表現(xiàn)出良好性能。這是再生磚骨料的大中心質(zhì)效應(yīng)。水泥熟料粒子水化成水化層形成次中心質(zhì)，水化層充滿整個(gè)次介質(zhì)時(shí)，也使得多孔混凝土表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。觀察較大倍數(shù)的SEM圖，如圖2(c),2(e)和圖3，可以看出各種水化物質(zhì)的連結(jié)，水泥水化形成的各種水化產(chǎn)物由于其各種針狀、纖維狀、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而交織形成的骨架為多孔混凝土的微中心質(zhì)效應(yīng)。

圖5　W2養(yǎng)護(hù)28 d的 SEM圖Fig.5　SEM of W2 after curing for 28 days

3.2介質(zhì)效應(yīng)

結(jié)合較低倍數(shù)的SEM圖(圖5)，水泥水化成的水泥石包裹骨料將其連結(jié)成整體并發(fā)揮強(qiáng)度，在高倍鏡下可見(jiàn)，水化物中網(wǎng)狀、蜂窩狀凝膠物質(zhì)可包裹各種粒狀物質(zhì)并連結(jié)其成為整體。介質(zhì)是中心質(zhì)分散形成的連續(xù)相。介質(zhì)對(duì)中心質(zhì)的效應(yīng)即為介質(zhì)效應(yīng)。再生磚骨料分散成結(jié)構(gòu)膜層即為大介質(zhì)，水泥水化成水化層即為次介質(zhì)，網(wǎng)狀C-S-H凝膠可視為微介質(zhì)。當(dāng)各級(jí)介質(zhì)內(nèi)部均勻分布各級(jí)中心質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，各級(jí)介質(zhì)對(duì)各級(jí)中心質(zhì)存在介質(zhì)效應(yīng)，對(duì)多孔混凝土最終結(jié)構(gòu)性能有重要作用。

3.3骨料大中心質(zhì)與水泥石大介質(zhì)之間的界面過(guò)渡區(qū)

在中心質(zhì)與介質(zhì)之間存在著漸變過(guò)渡層，也就是中心質(zhì)效應(yīng)和介質(zhì)效應(yīng)過(guò)渡區(qū)。如圖5，通過(guò)SEM圖可以看出再生磚骨料大中心質(zhì)與水泥石大介質(zhì)之間存在界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)，并且界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)比再生骨料和水泥石都要復(fù)雜。混凝土正是通過(guò)界面過(guò)渡區(qū)將不同材料粘結(jié)成整體，界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)的好壞決定了混凝土整體性能。由于再生磚骨料的多孔性和表面粗糙性，使得骨料大中心質(zhì)與水泥石大介質(zhì)更好地結(jié)合，界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)密實(shí)，使混凝土表現(xiàn)出優(yōu)良的整體性。

3.4負(fù)中心質(zhì)效應(yīng)

負(fù)中心質(zhì)是指混凝土內(nèi)部孔隙和裂縫。再生磚骨料多孔混凝土的孔結(jié)構(gòu)包括水泥石內(nèi)部微孔隙微裂縫、再生磚骨料內(nèi)部的孔洞和宏觀孔洞。由圖6和7可見(jiàn)，各種微觀裂縫及孔洞遍布骨料和水泥石內(nèi)部，尤其是界面過(guò)渡區(qū)附近周圍較多，而多孔混凝土特有的宏觀孔洞也遍布混凝土內(nèi)部。對(duì)多孔混凝土來(lái)說(shuō)，負(fù)中心質(zhì)較多，形成的負(fù)中心質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)范圍較廣。而負(fù)中心質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土一般起副作用，因此多孔混凝土的強(qiáng)度、耐久性等性能較普通混凝土差。但負(fù)中心質(zhì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)多孔混凝土的透水性、透氣性卻發(fā)揮了積極的作用。另外，通過(guò)SEM圖可以看出，孔洞裂縫周圍水分充足水化充分，水化物結(jié)構(gòu)密實(shí)，這也對(duì)強(qiáng)度形成起到積極作用。這種矛盾使得研究多孔混凝土的負(fù)中心質(zhì)效應(yīng)成為重點(diǎn)。

綜上所述，再生磚骨料多孔混凝土的結(jié)構(gòu)模型為：網(wǎng)絡(luò)化的各級(jí)中心質(zhì)分布在各級(jí)介質(zhì)中，兩者之間存在過(guò)渡層。再生磚骨料大介質(zhì)與水泥石大介質(zhì)粘結(jié)形成整個(gè)結(jié)構(gòu)的骨架，界面過(guò)渡區(qū)使兩者更好地接觸增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性，骨架內(nèi)部充斥著對(duì)透氣性透水性有積極作用的負(fù)中心質(zhì)孔隙。

圖6　放大2 000倍看到的孔洞Fig.6　Hole magnified 2 000 times

圖7　放大500倍看到的微裂縫Fig.7　Micro crack magnified 500 times

4結(jié)語(yǔ)

(1)由于再生磚骨料的多孔性和表面粗糙性使得再生磚骨料多孔混凝土具有較好的界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)密實(shí)，水化產(chǎn)物豐富。

(2)多孔混凝土的水灰比、目標(biāo)孔隙率、養(yǎng)護(hù)齡期、礦物摻料對(duì)結(jié)構(gòu)密實(shí)程度和水化產(chǎn)物的類型、數(shù)量有一定影響，進(jìn)而影響到強(qiáng)度。

(3)多孔混凝土的結(jié)構(gòu)模型與普通混凝土的結(jié)構(gòu)模型有較大差異，多孔混凝土存在較多負(fù)中心質(zhì)效應(yīng)，大中心質(zhì)只有再生磚骨料。在今后的研究中應(yīng)當(dāng)把負(fù)中心質(zhì)效應(yīng)作為重點(diǎn)，盡可能降低負(fù)中心質(zhì)效應(yīng)對(duì)強(qiáng)度、耐久性等性能的消極作用，增強(qiáng)對(duì)透水性、透氣性等性能的積極作用。

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Experimental studies on microstructure and structure model for recycled brick aggregate porous concrete

WANG Yu-jun1， ZHAI Jia-huan2， GAO Tao3， ZHAI Ai-liang1

(1.WaterConservancyandCivilEngineeringCollege,ShandongAgriculturalUniversity，Taian271018,China； 2.TaishanJiyeDevelopmentConstructionLimitedLiabilityCompany,Taian271018,China； 3.InformationScienceandEngineeringCollege,ShandongAgriculturalUniversity,Taian271018,China)

Abstract：In order to further study the microstructures and essentially understand the characteristics and rules of the recycled brick aggregate porous concrete, during the microscopic studies of the recycled brick aggregate porous concrete, the modern microscopic test equipment-scanning electron microscopy (SEM) is applied to the research of the microstructures of the cement-stone-recycled brick aggregate porous concrete. And according to the assumption of central grains developed by Professor WU Zhong-wei，the authors have analyzed and summarized the structure model for the recycled brick aggregate porous concrete, and have done qualitatively researches of the relationships between the microstructures and the macroscopic strength behavior, and then explored the morphology of ITZ (interface transition zone) and the impacts of aggregate’s large center mass effect on the macroscopic properties of the recycled brick aggregate porous concrete. Analysis results show that the recycled brick aggregate porous concrete has better interfacial transition zone structure， the structure is very compact and the hydration products are very rich. Water cement ratio, design porosity, maintenance period and permeability reducing admixture all have a certain effect on the compactness of the structure and the type as well as the quantity of the hydration products, and on the strength of the concrete structures. There are a lot of negative center mass effects in the porous concrete and the large center mass is only in the recycled brick aggregate. Studies of the negative center mass effect should be taken as a key issue in the future.

Key words：recycled brick aggregate; porous concrete; microstructure; SEM (scanning electron microscopy); ITZ (interface transition zone); structure model; assumption of central grains

中圖分類號(hào)：TU528.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-640X(2016)02-0046-08

作者簡(jiǎn)介：王玉軍(1990—)，女，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)工程鑒定與加固工作。

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAL04B05)； 山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013GNC11402)

收稿日期：2015-06-24

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2016.02.007

王玉軍， 翟家歡， 高濤， 等. 再生磚骨料多孔混凝土微觀結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)模型[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2016(2): 46-53. (WANG Yu-jun, ZHAI Jia-huan, GAO Tao, et al. Experimental studies on microstructure and structure model for recycled brick aggregate porous concrete[J]. Hydro-Science and Engineering, 2016(2): 46-53.)

E-mail：gwangyujun@163.com通信作者：翟愛(ài)良( E-mail：zhaial@sdau.edu.cn)