再生骨料混凝土毛細管負壓和界面過渡區(qū)研究

李曉光， 王攀奇， 張 郁， 郭志忠， 曹永杰

（1.長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061；2.陜西建新環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，陜西 西安 710086）

目前，中國建筑垃圾已占到城市垃圾的30%~40%，建筑垃圾年排放量更是達到4 億t/a 的水平［1?2］.為了解決這個問題，再生骨料混凝土（RAC）應運而生［3?6］.

由于再生骨料的吸水特性不同于天然骨料，配制過程中的預濕程度會影響其性能，尤其會導致早期開裂問題突出.有關研究中，李佳彬等［7］探究了再生骨料混凝土基本性能與再生粗骨料的高吸水性之間的關系；王寧等［8］研究了再生細骨料的干燥狀態(tài)及飽和狀態(tài)對混凝土性能的影響.通過對不同種類再生骨料混凝土毛細管負壓力測試，能夠有效預估再生骨料混凝土的早期開裂風險.再生骨料混凝土的界面過渡區(qū)（ITZ）往往被看作混凝土的“薄弱環(huán)節(jié)”［9?10］.目前，Otsuki 等［11］研究發(fā) 現(xiàn) 再 生 骨 料 和 新、舊水泥漿在界面上會產生2 個界面過渡區(qū)，新界面過渡區(qū)由許多微孔和裂紋組成，這些微孔和裂紋也會吸收水，導致新界面過渡區(qū)的水含量高，嚴重影響了RAC 的 極 限 強 度.Xiao 等［12］利 用 掃 描 電 鏡（SEM）和納米壓痕等試驗發(fā)現(xiàn)RAC 的新、舊界面過渡區(qū)中存在明顯的空隙和高濃度的氫氧化鈣，新、舊界面過渡區(qū)的厚度分別為40~50、55~65 μm，舊界面過渡區(qū)的平均壓痕模量是舊水泥基體的70%~80%，而新界面過渡區(qū)的平均壓痕模量是新水泥基體的80%~90%，微裂紋和高孔隙率導致混凝土的力學性能下降.

本文利用毛細管負壓測試儀，研究了不同再生骨料混凝土早期水化干燥過程中毛細管負壓的變化情況，探討不同再生骨料處理方式對水泥漿早期開裂的影響；同時利用納米力學測試儀，研究了干燥狀態(tài)、保水狀態(tài)再生磚塊骨料混凝土中界面過渡區(qū)的納米力學特征差異.通過綜合分析，得到再生骨料混凝土的優(yōu)化配制方案，以保證再生骨料混凝土的質量，為實際工程提供技術支持.

1 試驗

1.1 原材料

本文采用的骨料為天然砂石、再生水泥砂漿塊和再生磚塊，其中再生水泥砂漿塊和再生磚塊取自陜西建新環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司.再生磚塊的壓碎指標為16%，飽和面干狀態(tài)下磚塊的表觀密度為1.97 g/cm3，干燥狀態(tài)下磚塊的表觀密度為1.59 g/cm3，飽和吸水率為19.6%（質量分數，文中涉及的吸水率、水灰比等均為質量分數或質量比）.

水泥（C）為陜西乾縣海螺水泥有限責任公司生產的強度等級為42.5 的普通硅酸鹽水泥；天然碎石粒徑為4.75~9.50 mm；天然河砂為細度模數2.9、含泥量0.6%的中砂；Ⅱ級粉煤灰（FA）；外加劑為聚羧酸減水劑（SP），減水率為30%.

1.2 試件制備

經分揀和處理獲得4 種骨料：天然砂石、再生砂漿、干燥狀態(tài)再生磚塊和保水狀態(tài)再生磚塊.再生砂漿的吸水率在3.0%左右，遠低于再生磚塊的吸水率，因此本試驗不考慮再生砂漿吸水問題，僅對再生磚塊進行干燥及飽水處理.

骨料的粒徑控制在4.75~9.50 mm，將天然石子、再生砂漿、再生磚塊分別與水泥漿拌和后制成天然石子混凝土（NSC）、再生砂漿骨料混凝土（RMC）、干燥狀態(tài)再生磚塊骨料混凝土（D?RBC）和保水狀態(tài)再生磚塊骨料混凝土（S?RBC），其配合比見表1，其中S?RBC 的粗骨料包含干燥再生磚塊（126 kg/m3）和吸附水（25 kg/m3）.將不同配比的漿體攪拌均勻后在40 mm×40 mm×160 mm 的鋼試模中成型，試件終凝后拆模放入（20±1）℃、相對濕度保持在95%的標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至28 d.

表1 NSC 和RAC 的 配 合 比Table 1 Mix proportion of NSC and RAC kg/m3

1.3 試驗方法

用電熱恒溫干燥箱將再生磚塊烘干并置于水中48 h，使其達到吸水飽和狀態(tài).將吸水飽和狀態(tài)的磚塊蒸發(fā)至設定含水率Ws=0%、5.0%、10.0%、15.0%、18.5%（吸水飽和狀態(tài)），用精度0.001 g 的分析天平稱量不同含水率再生磚塊的質量m.用單層厚0.34 mm 濾紙（單層濾紙可以過濾膠凝材料且僅允許水分進入）包裹不同含水率的再生磚塊，將其放入80 mL、水灰比為0.5 的水泥漿中，5 h 后取出，將包裹濾紙取下，用濕毛巾擦干表面，稱量吸（釋）水后的質量m1.經0.5 水灰比的水泥漿浸泡后，再生磚塊對水泥的吸附較少，且當再生磚塊達到平衡含水率后，其對水泥的吸附量可忽略不計，因此在本試驗中不考慮磚塊吸漿的情況.再生磚塊的吸釋水達到動態(tài)平衡時，最終含水率W和吸釋水率ΔW為：

用ALMEMO 710 型毛細管負壓測試儀，測試水泥漿體初凝前毛細管負壓的變化，預測不同骨料RAC 的早期開裂情況.將天然石子或不同種類再生骨料與水灰比為0.5 的水泥凈漿拌和均勻后，澆筑在100 mm×100 mm×100 mm 的模具中，在針管內和傳感器處注入蒸餾水，用注射器不斷抽吸針管內空氣，保證只有蒸餾水存在.將針管尖端插入漿體4~5 cm，避免堵塞針管端部.開始試驗后，初凝前每隔30 s記錄1 次數據.

采用TI 950 型納米力學測試儀的準靜態(tài)方法測試技術，測試骨料與水泥凈漿界面過渡區(qū)域硬度和彈性模量的變化規(guī)律.每個樣品跨過界面區(qū)域劃3 條直線，長度均為135 μm，每條直線方向設置28 個測試點，測試點之間的間距為5 μm，分別測量壓痕點的硬度H和彈性模量Er.

2 結果與分析

2.1 再生磚塊的含水率

再生磚塊的吸釋水率和含水率見圖1.由圖1 可知：隨著再生磚塊設定含水率的增加，再生磚塊吸釋水率逐漸降低，且當再生磚塊達到一定含水率時將向水泥漿中釋水，最后再生磚塊所含的水與水泥漿中游離水交換達到平衡狀態(tài)；當再生磚塊設定含水率處于擬合曲線與最終含水率相交的位置時，再生磚塊與水泥漿不再發(fā)生水分交換，此時的含水率即是該水灰比條件下再生磚塊的平衡含水率（17.25%）.在工程應用中，可參照此平衡含水率對磚塊進行預濕，以保證混凝土的水灰比處于穩(wěn)定值.

圖1 再生磚塊的吸釋水率和含水率Fig.1 ΔW and W of recycle bricks

2.2 不同骨料RAC 的毛細管負壓

毛細管負壓是因為大氣壓力和水壓力之間存在差值，在毛細管中的空氣-水界面處形成彎液面而導致的.在干燥的懸浮液中，水分的流失會導致液相中毛細管負壓力的增加.毛細管負壓變化區(qū)域主要發(fā)生在水泥水化從早期誘導期向中期加速期轉變的反應階段.NSC 和不同骨料RAC 的毛細管負壓力曲線見圖2.由圖2 可見，RAC 毛細管負壓曲線隨時間變化的整體趨勢相同，均存在明顯的曲線轉折區(qū)：在曲線轉折之前，RAC 毛細管負壓均沒有較大改變，此時混凝土內部孔壓處于平衡狀態(tài)；水泥漿內部自由水含量低于外表面蒸發(fā)水含量時，曲線進入明顯的轉折區(qū)，曲線變陡，斜率增大，毛細管負壓迅速增加.此時水化反應加速進行，不斷消耗的水分使毛細管臨界半徑減小，收縮不斷增大，從而使?jié){體內部孔壓急劇降低，漿體產生體積收縮.又因漿體在早期幾乎沒有強度，無法抵抗其本身收縮，較大塑性收縮力使?jié){體開裂，同時也導致空氣進入漿體內部來平衡毛細管負壓，內部的毛細管負壓快速趨于0 Pa，漿體開裂.

圖2 NSC 和不同骨料RAC 的毛細管負壓力值曲線Fig.2 Capillary negative pressure curve of NSC and RAC with different aggregates

由圖2還可見：RMC 與NSC 的開裂時間接近，均在3.6 h左右產生裂縫，原因是再生砂漿與天然石子的吸水率較接近，在水泥水化過程中不會出現(xiàn)明顯的吸釋水現(xiàn)象，兩者的毛細管負壓力曲線沒有明顯差異；由于D?RBC 的再生磚塊沒有經過預濕處理，在水泥水化反應初期，水泥漿內部自由水被再生磚塊吸收，水泥水化程度不充分，導致其毛細管負壓明顯減??；S?RBC 在水化反應時，飽水再生磚塊的部分水釋放到水泥漿體中，增大了基體局部水灰比，形成自養(yǎng)護機制，減少了混凝土自收縮，推遲了開裂時間［13?14］.

2.3 SEM 分析

NSC 和不同骨料RAC 界面過渡區(qū)的SEM 照片見圖3.由圖3 可見：NSC 的水化水泥石在界面區(qū)分布不均勻，結構總體較為疏松多孔，在一些骨料和水泥石聯(lián)結處還可以看到較明顯的裂縫，可見對于普通混凝土而言，其界面過渡區(qū)為薄弱環(huán)節(jié)；RMC 的水泥砂漿相與再生砂漿相的微觀形貌相似，均為水化硅酸鈣（C?S?H）凝膠等包裹骨料，并在新舊砂漿的ITZ 觀測到明顯裂隙；D?RBC 在水泥水化過程中，再生磚塊表面較粗糙且有較大的吸水能力，使界面區(qū)水膠比降低，消除了水膜和分層現(xiàn)象，有效減輕了界面區(qū)的“邊壁效應”；S?RBC 中的飽水再生磚塊在水化過程中，將水分釋放到水泥基體中，增大了其局部水灰比，使水泥水化充分，增強了ITZ 區(qū)域；由于再生磚塊的吸釋水效應，D?RBC 和S?RBC 的界面過渡區(qū)都沒有觀測到明顯的裂縫.

圖3 NSC 和不同骨料RAC 界面過渡區(qū)的SEM 照片F(xiàn)ig.3 SEM images of ITZ of NSC and RAC with different aggregates

2.4 界面過渡區(qū)分析

將用于SEM 測試的試件進行表面拋光處理后，進行界面力學性能測試.NSC 和不同骨料RAC 界面測試位置見圖4.將a、b、c這3 個跨界面方向上的硬度和彈性模量與其平均值相比的均方根差變化較大區(qū)域定義為界面過渡區(qū)（ITZ）［15?16］.根據計算所得均方根差，劃分了ITZ，采集ITZ 的性能指標，并對a、b、c這3 個測試位置的結果取平均值，得到平均硬度-H、相對硬度偏差Hr、平均彈性模量-Er、相對彈性模量偏差ΔEr、平均ITZ 厚度-dITZ、相對ITZ 厚度偏差dITZ，r，結果見表2.由表2 可見：NSC 的ITZ 硬度和彈性模量顯著高于其他RAC，但其ITZ 厚度最小，平均值為45.7 μm.較高的力學性能指標以及較小的ITZ 厚度表明，NSC 的ITZ 性能明顯優(yōu)于RAC，宏觀力學性能也同樣高于RAC；RMC 的ITZ 硬度和彈性模量與NSC 相比明顯降低，但優(yōu)于再生磚塊骨料RAC，其ITZ 的厚度最大，達到了70.1μm，同時其指標的相對偏差較高，這是由于再生砂漿邊界較為復雜，再生砂漿本身存在不均勻性等諸多因素共同導致的；雖然RMC 的ITZ 厚度大于再生磚塊骨料RAC，但其ITZ的力學性能更高，且再生砂漿自身具有較高強度，使得RMC 的力學性能高于以再生磚塊為骨料的RAC.

圖4 NSC 和不同骨料RAC 界面測試位置Fig.4 Text location of interface of NSC and RAC with different aggregates

表2 NSC 和不同骨料RAC 界面過渡區(qū)的性能指標Table 2 Performance indicators of IZT of NSC and RAC with different aggregates

與S?RBC 相比，D?RBC 由于具有的一定的吸水能力，導致其界面區(qū)域局部水灰比較低，ITZ 區(qū)域的硬度和彈性模量均高于S?RBC，ITZ 的厚度略低于S?RBC.然而，D?RBC 的ITZ 硬度和彈性模量的相對偏差均小于S?RBC，ITZ 厚度的相對偏差大于S?RBC，這是因為S?RBC 的ITZ 區(qū)域形成了1 層水膜，降低了界面厚度的偏差，增加了ITZ 的厚度.由此可見，對再生磚塊進行飽水處理，將對ITZ 的力學性能略有不利的影響.

3 結論

（1）再生磚塊在0.5 水灰比的水泥漿體中的平衡含水率為17.25%.在工程應用中，可參照此平衡含水率對再生磚塊進行預濕，使再生磚塊與水泥漿不發(fā)生水分交換，以保證混凝土水灰比處于穩(wěn)定值.

（2）天然石子混凝土（NSC）、再生砂漿骨料混凝土（RMC）的毛細管負壓力曲線較為接近，原因是再生砂漿與天然石子的吸水率接近，在水泥水化過程中不會出現(xiàn)明顯的吸釋水現(xiàn)象，因此兩者的早期開裂時間接近.

（3）保水狀態(tài)再生磚塊骨料混凝土（S?RBC）的毛細管負壓值大于干燥狀態(tài)再生磚塊骨料混凝土（D?RBC），毛細管負壓力曲線變化平緩，水泥水化反應充分，開裂時間推遲.對再生磚塊進行預濕處理，可以明顯改善再生骨料混凝土的自收縮現(xiàn)象，推遲開裂時間，降低混凝土早期開裂風險.

（4）再生磚塊特有的吸釋水特性，使得S?RBC 和D?RBC 的界面過渡區(qū)（ITZ）得到增強，沒有觀測到明顯裂縫，而NSC、RMC 的（ITZ）出現(xiàn)了明顯的裂縫.D?RBC 的ITZ 硬度和彈性模量均高于S?RBC，但兩者ITZ 的厚度相近，再生磚塊經飽水處理后，ITZ的力學性能略有下降，但降幅有限.