界面過渡區(qū)對(duì)再生混凝土抗氯離子滲透性能的影響

覃荷瑛， 楊玉蘭

(1.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林　541004；　2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林　541004)

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界面過渡區(qū)對(duì)再生混凝土抗氯離子滲透性能的影響

覃荷瑛1,2， 楊玉蘭2

(1.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 桂林541004；2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林541004)

[摘要]試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了三系列含有不同界面區(qū)長度和骨料橫截面面積的再生混凝土和普通混凝土試塊，利用快速氯離子滲透性試驗(yàn)對(duì)試塊進(jìn)行了抗氯離子滲透性能的測(cè)定，以探討界面區(qū)對(duì)普通和再生混凝土抗氯離子滲透性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)普通混凝土，界面區(qū)的滲透系數(shù)約為砂漿滲透系數(shù)的58倍。對(duì)再生混凝土，界面區(qū)的滲透系數(shù)約為砂漿滲透系數(shù)的290倍，約為普通混凝土的界面區(qū)滲透系數(shù)的6.3倍。對(duì)摻有8%硅灰的再生混凝土，界面區(qū)的滲透系數(shù)約為砂漿滲透系數(shù)的66倍，與普通混凝土的界面區(qū)滲透系數(shù)較接近?？梢娫偕炷恋慕缑鎱^(qū)是其抗氯離子滲透性能的薄弱環(huán)節(jié)；硅灰的摻入，能較好地改善界面區(qū)的性能。

[關(guān)鍵詞]界面過渡區(qū)； 再生混凝土； 抗氯離子滲透性能； 快速氯離子滲透性試驗(yàn)； 硅灰

0引言

混凝土是一種由多組分組成的增強(qiáng)復(fù)合材料，可分為水泥基、粗骨料以及二者之間的界面過渡區(qū)三相，此三相在性能上存在著很大的差異。粗骨料是混凝土的“骨架”，普通混凝土的粗骨料采用的天然巖石經(jīng)破碎而成的石子，而再生混凝土采用的是經(jīng)過處理后的廢棄混凝土塊。與天然石子相比，廢棄混凝土塊具有孔隙率大、密度低、壓碎指標(biāo)值高、吸水率高等特點(diǎn)；在生產(chǎn)為再生粗骨料的過程中，其表面和內(nèi)部產(chǎn)生了較多的裂紋；界面過渡區(qū)是混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)，在很大程度上決定著混凝土的強(qiáng)度及耐久性性能。在研究混凝土材料不同尺度上的性能、缺陷以及相關(guān)機(jī)制時(shí)，可采用微觀尺度、細(xì)觀尺度和宏觀尺度等不同的尺度方法?；炷林新入x子滲透系數(shù)往往是骨料分布密度的函數(shù)[1]，對(duì)混凝土抗氯離子滲透性能的分析更關(guān)鍵的還應(yīng)該從其細(xì)觀結(jié)構(gòu)入手，結(jié)合理論和試驗(yàn)進(jìn)行研究。大量的研究結(jié)果表明，與普通混凝土相比，再生混凝土較強(qiáng)度低、彈性模量小、耐久性差[2-9]?；炷林械乃嗷?、粗骨料及界面過渡區(qū)此三相以往的研究表明，將礦物摻合料尤其是硅灰摻入混凝土，利用其形態(tài)效應(yīng)、填充效應(yīng)、火山灰效應(yīng)，可改善混凝土的各種性能[10]。本試驗(yàn)研究從細(xì)觀尺度出發(fā)，在水泥砂漿(分別摻和不摻硅灰)中植入規(guī)則的天然粗骨料和再生粗骨料，制造出不同的界面區(qū)長度和不同骨料橫截面面積，以研究混凝土中粗骨料和水泥砂漿之間的界面過渡區(qū)對(duì)普通混凝土和再生混凝土的抗氯離子滲透性影響規(guī)律，以及礦物摻合料硅灰對(duì)界面過渡區(qū)的改善。

1原材料及試驗(yàn)方案

1.1原材料

粗骨料： 采用天然碎石為普通混凝土試塊的粗骨料；將實(shí)驗(yàn)室中廢棄的鋼筋混凝土板破碎后得到的混凝土碎塊，進(jìn)行人工清洗和篩分分級(jí)，使其級(jí)配良好，作為再生粗骨料。細(xì)骨料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.80，級(jí)配良好。骨料的基本性能見表1。

表1 骨料的基本性能Table1 Thebasicpropertiesofaggregates骨料類型粒徑范圍/mm堆積密度/(kg·m-3)表觀密度/(kg·m-3)壓碎指標(biāo)/%吸水率/%天然粗骨料5～2516102760 9.101.2再生粗骨料5～251300259017.566.8細(xì)骨料<518202600――

水泥： 普通硅酸鹽水泥42.5。其3，28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為19.5、45.5 和4.5、8.0 MPa，比表面積312 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量26.5%。 礦物摻和料采用武漢新必達(dá)微硅灰有限公司生產(chǎn)的NR940級(jí)硅粉，其比表面積為19500 m2/kg，密度為2.26 g/cm3。

1.2試驗(yàn)方案

1.2.1試驗(yàn)方法及原理

本文采用快速氯離子滲透性試驗(yàn)方法測(cè)試試塊的抗氯離子滲透性能，其試驗(yàn)過程如下：按標(biāo)準(zhǔn)的養(yǎng)護(hù)條件將試件養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后，切成50 mm (厚度)×100 mm(直徑)的圓柱體，放在真空飽水機(jī)進(jìn)行飽水，而后將試件固定在分別盛有濃度為0.3 mol/L NaOH溶液和3.0% NaCl溶液的兩溶液池之間，對(duì)兩溶液池進(jìn)行持續(xù)時(shí)間為9 h、電壓為24 V的外加直流電場(chǎng)作用。在通電過程中，每1 min記錄一次電流。通過電流-時(shí)間函數(shù)曲線計(jì)算出總電通量。再利用硝酸銀溶液顯色法測(cè)試試件的氯離子滲透深度，試件中氯離子在滲透系數(shù)利用Nernst-Plank方程獲得[11]，如式(1)所示。

(1)

(2)

式中: Cd為自由氯離子濃度值，一般取值0.07 mol/L；C0：溶液中自由氯離子濃度值。

1.2.2砂漿及母體混凝土的試塊制作及試驗(yàn)

砂漿的抗氯離子滲透性試驗(yàn)分為純水泥砂漿以及用8%的硅灰等量替代水泥的砂漿兩種；砂漿和再生粗骨料母體混凝土的抗氯離子滲透性試驗(yàn)按以上試驗(yàn)過程進(jìn)行，其配合比及試驗(yàn)結(jié)果見表2。

1.2.3界面區(qū)的抗氯離子滲透性試驗(yàn)

為了測(cè)出混凝土(含再生混凝土)的粗骨料與砂漿間的界面過渡區(qū)滲透系數(shù)，將形狀規(guī)則的、不同骨料面積和周長的棱柱體粗骨料(分天然和再生粗骨料)放入砂漿中，制成含規(guī)則粗骨料的混凝土試塊。對(duì)試塊進(jìn)行抗氯離子滲透試驗(yàn)，得到通電量和滲透深度，根據(jù)式(1)求出其氯離子滲透系數(shù)。

表2 砂漿的配合比及試驗(yàn)結(jié)果Table2 Mixdesignandthetestresultsofmortarspecimen試樣類型用水量/(kg·m-3)水泥用量/(kg·m-3)砂/(kg·m-3)石/(kg·m-3)硅灰/(kg·m-3)通電量Q/C滲透深度/mm滲透系數(shù)D(×10-8cm2/s)純水泥砂漿200450600―024308.010.87含5%硅灰砂漿230414600―3621507.29.32C402004506001150015785.67.35

試件分為3個(gè)系列： NC系列，其粗骨料為天然石子，砂漿為純水泥砂漿；RC系列，其粗骨料為再生混凝土碎塊，砂漿為純水泥砂漿；RSi系列，其粗骨料為再生混凝土碎塊，砂漿為水泥砂漿加上用8%的硅灰；每一系列試件含二組，第一組(A1～A3)的骨料橫截面積相等，但界面區(qū)長度不等，即骨料周長不等，自A1至A3周長依次增加；第二組(A4～A6) 界面區(qū)長度相等，即骨料橫截面周長相等，但骨料橫截面積不等，自A4至A6，骨料面積依次減少。試件中粗骨料大小、數(shù)量、面積及周長見表3。其中砂漿的配合比見表2。

規(guī)則骨料混凝土試件制作好后，按以上試驗(yàn)方法進(jìn)行抗氯離子滲透性試驗(yàn)。部分試件如圖1所示。

表3 規(guī)則骨料混凝土試件及其試驗(yàn)結(jié)果Table2 Thetestresultsoftheruleaggregateconcretespecimen系列編號(hào)骨料類型砂漿類型骨料尺寸(cm)骨料面積(cm2)骨料周長(m)砂漿含量試塊滲透系數(shù)(×10-12m2/s)擬合滲透系數(shù)(×10-12m2/s)NC—A1天然骨料純水泥砂漿4×4,1個(gè)160.160.79610.8010.42NC—A2天然骨料純水泥砂漿2×4,2個(gè)160.240.79611.2510.76NC—A3天然骨料純水泥砂漿2×2,4個(gè)160.320.79610.1411.07NC系列NC—A4天然骨料純水泥砂漿6×6,1個(gè)360.240.5428.647.63NC—A5天然骨料純水泥砂漿2×2,4×4200.240.74510.1510.13NC—A6天然骨料純水泥砂漿2×2,3個(gè)120.240.84710.9011.38RC—A1再生骨料純水泥砂漿4×4,1個(gè)160.160.79616.2416.86RC—A2再生骨料純水泥砂漿2×4,2個(gè)160.240.79619.7619.28RC—A3再生骨料純水泥砂漿2×2,4個(gè)160.320.79623.3621.70RC系列RC—A4再生骨料純水泥砂漿6×6,1個(gè)360.240.54218.7017.37RC—A5再生骨料純水泥砂漿2×2,4×4200.240.74517.4018.89RC—A6再生骨料純水泥砂漿2×2,3個(gè)120.240.84719.2119.66RSi—A1再生骨料水泥+8%硅灰4×4,1個(gè)160.160.79610.9511.19RSi—A2再生骨料水泥+8%硅灰2×4,2個(gè)160.240.79612.1711.50RSi—A3再生骨料水泥+8%硅灰2×2,4個(gè)160.320.79611.8311.87RSi系列RSi—A4再生骨料水泥+8%硅灰6×6,1個(gè)360.240.54210.2210.35RSi—A5再生骨料水泥+8%硅灰2×2,4×4200.240.74512.1211.32RSi—A6再生骨料水泥+8%硅灰2×2,3個(gè)120.240.84712.4511.74

圖1　規(guī)則骨料的混凝土試件Figure 1　The rule aggregate concrete specimen

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

利用快速氯離子滲透性試驗(yàn)方法對(duì)規(guī)則骨料混凝土試件進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)試件的通電量、滲透深度，利用式(1)、式(2)計(jì)算出試件的氯離子滲透系數(shù)，結(jié)果表3。從細(xì)觀角度分析，試塊的通電量與氯離子滲透系數(shù)、試塊的截面面積成正比，因此整個(gè)混凝土試件的滲透系數(shù)如下：

(3)

式中:Dc： 試塊的氯離子滲透系數(shù)，Ac：試塊的截面面積，Dm：砂漿的氯離子滲透系數(shù)，Am：砂漿截面面積；Da：粗骨料的氯離子滲透系數(shù)，Aa：粗骨料的截面面積，對(duì)天然粗骨料而言，Da=0；DI：界面區(qū)的氯離子滲透系數(shù)，AI：界面區(qū)的截面面積；等于粗骨料的邊長與界面區(qū)厚度的乘積，即AI=lah。

以Dm和DIh為未知量。對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行擬合。

2.1NC系列試塊

對(duì)砂漿為純水泥砂漿、規(guī)則骨料為天然粗骨料的NC系列試塊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合為：

(4)

相關(guān)系數(shù)r2=0.7583，根據(jù)式(3)，得Dm=12.30×10-12m2/s，DIh=3.16×10-14m/s；Larbi[11]和Scrivener[12]等分別利用半定量X射線衍射、背射圖像技術(shù)得到混凝土的界面過渡區(qū)厚度約為40 μm和50 μm；Yang[13]計(jì)算得到界面過渡區(qū)厚度同樣約為50 μm。本文界面區(qū)厚度采用50 μm，則計(jì)算出界面區(qū)滲透系數(shù)為：DI=632.00×10-12m2/s，約是砂漿滲透系數(shù)的58倍。擬合的結(jié)果見表3和圖2。

圖2　NC系列試塊砂漿含量、界面區(qū)長度和滲透系數(shù)的關(guān)系Figure 2　Relationship among mortar content, length of ITZ and chloride diffusion coefficient of NC series specimen

2.2RC系列試塊

對(duì)砂漿為純水泥砂漿、規(guī)則骨料為再生粗骨料的RC系列試塊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，將式(3)變?yōu)椋?/p>

(5)

根據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合為：

(6)

相關(guān)系數(shù)r2=0.7859，依據(jù)式(5)得Da=6.05×10-12m2/s，Dm=13.56×10-12m2/s，(DI-Da)h=23.71×10-14m/s。

以往的研究成果[14,15]表明，再生混凝土的界面區(qū)厚度比天然骨料混凝土厚度稍大，約為60 μm，本文取60 μm，計(jì)算得到的界面區(qū)滲透系數(shù)為：DI=3957.72×10-12m2/s，約是砂漿滲透系數(shù)的290倍，約為天然骨料混凝土的界面區(qū)滲透系數(shù)的6.3倍。擬合的結(jié)果見表3和圖3。

圖3　RC系列試塊砂漿含量、界面區(qū)長度和滲透系數(shù)的關(guān)系Figure 3　Relationship among mortar content, length of ITZ and chloride diffusion coefficient of RC series specimen

2.3 RSi系列試塊

對(duì)砂漿為水泥砂漿+8%的硅灰等量替代水泥、規(guī)則骨料為再生粗骨料的RSi系列試塊的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，依據(jù)表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和式(5)進(jìn)行擬合：

(7)

相關(guān)系數(shù)r2=0.7269，依據(jù)式(5)得Da=6.16×10-12m2/s，Dm=11.38×10-12m2/s，(DI-Da)h=3.81×10-14m/s；擬合的結(jié)果見表3和圖4所示。

圖4　RSi系列試塊砂漿含量、界面區(qū)長度和滲透系數(shù)的關(guān)系Figure 4　Relationship among mortar content, length of ITZ and chloride diffusion coefficient of RSi series specimen

前期研究成果表明[2]，摻有硅灰的再生混凝土在較大程度上改善了界面過渡區(qū)的性能，減小了界面過渡區(qū)的厚度，因此本文對(duì)于RSi系列試塊，界面過渡區(qū)的厚度同樣取為50 μm，計(jì)算得到的界面區(qū)滲透系數(shù)為：DI=762.00×10-12m2/s，約是砂漿滲透系數(shù)的66倍；與天然骨料混凝土的界面區(qū)滲透系數(shù)接近。

比較NC和RC兩系列試塊試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)再生混凝土而言，其粗骨料與砂漿之間界面過渡區(qū)的氯離子滲透系數(shù)比天然骨料混凝土界面過渡區(qū)的氯離子滲透系數(shù)要大的多，主要原因是再生骨料表面和內(nèi)部一定量的舊砂漿造成的高吸水率在再生混凝土拌合時(shí)吸水較多，使得界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)疏松；再者再生混凝土的界面過渡區(qū)易產(chǎn)生的微裂縫經(jīng)擴(kuò)展后貫穿，為氯離子的滲透提供了捷徑。Otsuki[2]、Poon[16]等人利用掃描電鏡對(duì)再生混凝土的界面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)再生混凝土比天然骨料混凝土的界面結(jié)構(gòu)薄弱，其界面的水化產(chǎn)物形狀不規(guī)則且疏松多孔、粘結(jié)較差，有較多的微裂縫產(chǎn)生并擴(kuò)展貫穿，為氯離子等有害化學(xué)物質(zhì)的滲透提供了捷徑，從而導(dǎo)致混凝土抗?jié)B性嚴(yán)重下降。董蕓[17]等利用各種微細(xì)觀觀測(cè)手段發(fā)現(xiàn)混凝土界面過渡區(qū)中有著易貫穿的微裂縫、高孔隙率、高鈣硅比的水化產(chǎn)物以及呈優(yōu)先取向的氫氧化鈣晶體，是混凝土中的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)混凝土的強(qiáng)度及耐久性有很大的影響。后而活性摻和料硅灰摻入到混凝土中，因其具有火山灰效應(yīng)和密實(shí)填充效應(yīng)。在很大程度上降低孔隙率，減小水化產(chǎn)物的鈣硅比，從而改善再生混凝土的界面結(jié)構(gòu)，使其抗氯離子滲透性能增強(qiáng)。

3結(jié)語

① 從細(xì)觀角度分析，混凝土由水泥基、粗骨料以及二者之間的界面過渡區(qū)三相組成，此三相中，界面過渡區(qū)是混凝土抗氯離子滲透性能最薄弱環(huán)節(jié)。天然骨料混凝土界面過渡區(qū)的滲透系數(shù)為其水泥砂漿滲透系數(shù)的58倍左右；再生骨料混凝土界面區(qū)的滲透系數(shù)為其水泥砂漿滲透系數(shù)的290倍左右。

② 因再生混凝土的界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)疏松以及其易產(chǎn)生的微裂縫經(jīng)擴(kuò)展后貫穿，為氯離子的滲透提供了捷徑，從而導(dǎo)致再生混凝土的抗氯離子滲透性能比天然骨料混凝土差。從試驗(yàn)結(jié)果可知，再生混凝土界面過渡區(qū)的氯離子滲透系數(shù)約為天然骨料混凝土的6倍。

③ 活性摻和料硅灰能改善再生混凝土的界面結(jié)構(gòu)，使其抗氯離子滲透性能增強(qiáng)。文中利用8%的硅灰等量替代水泥，能在很大程度減小再生混凝土界面過渡區(qū)的氯離子滲透系數(shù)，其值接近天然骨料混凝土的界面滲透系數(shù)。

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Influence of the Interfacial Transition Zone on Anti Chloride Ion Permeability of Recycled Concrete

QIN Heying1,2, YANG Yulan2

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin,Guangxi 541004, China;2.College of Civil Engineering and Architecture Guilin University of Technology, Guilin,Guangxi 541004, China)

[Abstract]Three series of ordinary and recycled concrete specimens with different interface zone length and aggregate cross-sectional area are analyzed by experiments in order to study on the influence of the interfacial transition zone (ITZ) on anti chloride ion permeability of recycled concrete by accelerated chloride migration test. The results show that the chloride ion diffusion coefficient of ITZ is about 58 times as much as that of the mortar in the oridinary concrete; and in the recycled concrete, the coefficient of ITZ is about 290 times as much as that of the mortar and is about 6.3 times as much as that of ITZ of the oridinary concrete; but for recycled concrete with 8% silica fume, the coefficient of ITZ is about 66 times as much as that of the mortar and is close to that of ITZ of the oridinary concrete. We can see that the interfacial zone is the weak link of the anti-chloride ion permeability in the recycled aggregate concrete and silica fume has good effect on improving the performance of them.

[Key words]interfacial transition zone; recycled concrete; anti-chloride ion permeability; accelerated chloride migration test; silica fume

[中圖分類號(hào)]TU 528

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0070-05

[作者簡(jiǎn)介]覃荷瑛(1972-)，女,湖南邵陽人,副教授,博士,主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)耐久性；楊玉蘭(1990-),女,廣西南寧人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)計(jì)算。

[基金項(xiàng)目]廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFAA019299)；廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助課題(No.11-CX-04)；桂林理工大學(xué)人才基金(002401003391)

[收稿日期]2014-10-20