再生混凝土單軸受壓下多重界面過渡區(qū)的破壞機理研究

郭 嘉，高 嵩，班順莉，宮堯堯，孟書靈

(1.青島理工大學土木工程學院，青島 266000;青島騰遠設(shè)計事務(wù)所有限公司，青島 266000;3.中建西部建設(shè)新疆有限公司，烏魯木齊 830000)

0 引 言

黨的十九大報告明確指出，我國在未來的發(fā)展過程中要注重綠色環(huán)保,資源節(jié)約[1]。在第75屆聯(lián)合國大會上我國又提出，在2030年前和2060年前實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的目標。眾所周知，混凝土在生產(chǎn)過程中的碳排放量是巨大的，建筑失效后廢棄混凝土的不合理處置也會造成環(huán)境破壞和資源浪費兩方面問題[2]。因此，探索建筑垃圾資源利用的新途徑是十分必要的。再生粗骨料(recycled coarse aggregate, RCA)由建筑廢棄物破碎、分揀、篩分獲得，是一種綠色資源，RCA的推廣和應用已成為節(jié)約資源、改善環(huán)境的有效手段。

由于RCA表面附著一層老漿體，RCA物理性能較天然骨料有一定差距，并且有研究[3]表明,RCA的摻量增大會對混凝土的性能表現(xiàn)出削弱效果。因此，有必要對RCA進行強化處理，骨料強化可分為化學強化和機械強化。Gao等[4]通過納米二氧化硅(nano silicon, NS)溶液浸泡和碳化處理的化學強化方法對RCA改性，發(fā)現(xiàn)改性后再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete, RAC)的抗氯離子侵蝕性能明顯提升。Zeng等[5]將RCA浸泡在NS懸浮液中，發(fā)現(xiàn)納米改性處理可以改善RAC耐久性。李秋義等[6]通過顆粒整形的物理方法去除RCA上附著的老砂漿，降低了RCA空隙率、吸水率和壓碎指標。由于RCA的原生缺陷，RAC相比于普通混凝土表現(xiàn)出較差的性能，對RCA進行改性處理可以在一定程度上彌補其性能損失。

多重界面過渡區(qū)(interface transition zones， ITZs)通常被視為RAC的薄弱環(huán)節(jié)，對ITZs的強化研究成為當下熱點，但因RAC界面復雜且難以定位，對ITZs進行精準測度和研究難度變大。Chen等[7]使用碳化鋼渣骨料，形成了質(zhì)量更好的ITZs并獲得了與天然骨料混凝土相近的抗壓強度，這為增強ITZs結(jié)構(gòu)而補償由再生骨料導致的強度損失帶來了新的見解。Hosan等[8]通過加入NS和納米碳酸鈣，有效改善了ITZs區(qū)域水化產(chǎn)物的模量和硬度，并使RAC 28 d抗壓強度顯著提升。上述研究發(fā)現(xiàn)ITZs的性能提升對RAC的整體性能的增強起到重要作用，ITZs結(jié)構(gòu)的強弱成為制約RAC性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素。

混凝土是一種脆性材料，壓應力導致的側(cè)向拉應變是內(nèi)部損傷演化的源頭[9]，不同物相界面的局部拉應變超出承載極限時會推動微裂縫的產(chǎn)生和擴張。以往通過宏觀唯象分析方法雖然可以得到與試驗結(jié)果相貼合的結(jié)論，但僅能反應特定應力路徑下的材料受力特性，不能準確描述RAC的內(nèi)在破壞機理。韓燕華等[10]對荷載作用下RAC內(nèi)部的微變形演化進行研究，發(fā)現(xiàn)隨RCA取代率增加，試件內(nèi)部變形量也隨之增加。毛靈濤等[11]通過CT技術(shù)對混凝土試件單軸壓縮過程進行原位掃描，發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部的孔隙率與裂隙分形維數(shù)的變化曲線表現(xiàn)出一致性。但現(xiàn)有對RAC內(nèi)部應變演化的研究忽略了RAC自身的非均勻性，未能從細觀角度進行合理解釋。因此，本文從細微觀角度出發(fā)，研究RAC單軸受壓荷載下微裂紋萌生、發(fā)展、相互連通的過程，對粗骨料和ITZs分別進行強化處理，借助微觀測試手段對不同處理方式下RAC的性能指標進行量化分析，探究單軸受壓荷載下ITZs的破壞機理。

1 實 驗

1.1 試驗材料

RCA：初始強度等級為C30的市購再生粗骨料，粒徑4.75～26.50 mm，未經(jīng)強化的簡單破碎再生骨料標記為O-RCA。

細骨料：細度模數(shù)為2.5的青島平度河砂。

水泥：阿爾博牌42.5白水泥。

減水劑：聚羧酸高效減水劑(減水率為25%)。

硅灰：使用山東博肯硅材料有限公司的BK-90原灰，容重260 kg/m3，二氧化硅含量>90%(質(zhì)量分數(shù))，pH值為7，粒徑在0.10～0.15 μm，比表面積15～27 m2/g。

NS溶液：采用博華斯納米科技(寧波)有限公司的Brofos-SiO2-C07二氧化硅溶液，粒徑10 nm，pH值為8，濃度30%(質(zhì)量分數(shù))，黏度5～30 mPa·s。

RCA改性前后的基本性能指標如表1所示，經(jīng)NS溶液強化處理后，RCA的壓碎指標和吸水率均呈下降趨勢，分別降低了12.67%和8.29%，表明NS溶液可以提升RCA的性能指標。

表1 改性前后RCA基本性能指標Table 1 Basic performance indexes of pre-and post-treatment RCA

1.2 試樣制備及配合比設(shè)計

在配制試件前，RCA保持準飽和面干狀態(tài)，即將粗骨料的含水率控制在其吸水率的±0.5%范圍內(nèi)。設(shè)計強度為C30的再生粗骨料混凝土配合比。

試驗采用針對性強化，對再生粗骨料和砂漿進行不同形式的處理，對比不同物相對RAC力學性能的影響程度。強化手段分為兩類：骨料強化和砂漿強化。

骨料強化：將O-RCA浸泡在質(zhì)量分數(shù)為3%的NS溶液中[12]，持續(xù)72 h后取出風干，標記為N-RCA，使用N-RCA制備的混凝土記為N-RAC。

砂漿強化：在砂漿中摻入硅灰提升砂漿性能，硅灰摻量為水泥質(zhì)量的6%，采用內(nèi)摻法替代水泥用料。加入硅灰，使用O-RCA制備的混凝土記為S-RAC。

試驗所用RAC配合比見表2，使用未被強化的骨料和砂漿所配制的試樣標記為O-RAC。N-RAC配比與O-RAC相同，僅替代粗骨料進行強化；S-RAC與O-RAC所用骨料一致，通過在砂漿中內(nèi)摻硅灰進行強化。

表2 RAC配合比設(shè)計Table 2 Mix proportion of RAC

1.3 試驗方法

1.3.1 單軸壓縮荷載作用下應變變化過程記錄

數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation, DIC)技術(shù)是一種無接觸的應變分析方法，其工作原理是追蹤測試物表面隨機散斑的相關(guān)性獲而得物體運動和變形的信息。已有諸多學者將其應用在混凝土領(lǐng)域進行研究[13-14]。本文利用DIC技術(shù)，研究RAC在單軸壓縮荷載下的不同物相的應變變化。

在對同一批次試塊進行破壞過程記錄之前，將試樣切割、打磨、拋光，使混凝土內(nèi)部的物相明晰。首先使用雙刃切割機切除10 mm厚的外表面，切割后的RAC經(jīng)打磨、拋光后作為待測試樣。并在試件的兩個受力面均勻涂抹凡士林以減小試件與試驗機壓力板間的摩擦力。利用工業(yè)相機記錄試樣在壓縮荷載下的破壞過程，基于試塊切割面的材質(zhì)紋理圖像實現(xiàn)對RAC破壞過程中的應變變化的原位分析，處理后的試樣如圖1所示。試塊經(jīng)切割后內(nèi)部骨料、砂漿的紋理均為可視狀態(tài)，在記錄單軸受壓過程時可將應變變化的位置與物相的成分和界限進行對照分析。

圖1 受壓破壞過程的試塊切割面Fig.1 Cutting surface of test block during compression failure

1.3.2 宏觀性能測試

依據(jù)《混凝土用再生粗骨料》 (GB/T 25177—2010)[15]測定RCA的性能指標，根據(jù)《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)[16]測定RAC在3 d、7 d、28 d的抗壓強度。

1.3.3 顯微硬度

顯微硬度能夠反映外荷載作用下RAC局部塑性變形能力，因此可通過顯微硬度值來表征材料的微觀力學強度。取28 d齡期的混凝土進行切片，切片尺寸為100 mm×100 mm×10 mm，利用砂紙對試樣逐級打磨直至表面光亮。試驗使用顯微硬度計測定試樣顯微硬度，加載過程中施加10 g載荷，停留時間為10 s，結(jié)果如圖2所示。再生粗骨料-新砂漿界面過渡區(qū)標記為ITZOA-NM，再生粗骨料-舊砂漿界面過渡區(qū)標記為ITZOA-OM，舊砂漿-新砂漿界面過渡區(qū)標記為ITZOM-NM。

圖2 顯微硬度示意圖Fig.2 Schematic diagram of microhardness

1.3.4 掃描電鏡和背散射電子樣品制備

取標養(yǎng)28 d的試樣切片，并利用無水乙醇終止水化，待無水乙醇置換出試樣內(nèi)部的水分后，再通過切割、打磨等步驟制作相應試樣。用于SEM的試件取自然斷面進行過觀察；用于BSE的試件切割成15 mm左右的立方體，利用環(huán)氧樹脂固化待觀測面的孔結(jié)構(gòu)。微觀測試樣品制備流程如圖3所示。

圖3 微觀測試樣品制備流程Fig.3 Sample preparation process used for microscopic test

2 基于DIC技術(shù)的普通再生混凝土應變演化規(guī)律

2.1 DIC技術(shù)

DIC技術(shù)將物體表面的自然紋理或人工噴漆等的散斑圖像視為物體變形和位移的信息載體，通過計算變形前后圖像中子區(qū)的相關(guān)性，得出位移和變形結(jié)果[17]。DIC技術(shù)示意圖如圖4所示，觀測面變形前后的計算對象分別為參考子區(qū)和目標子區(qū)，對參考子區(qū)中A點f(x0,y0)的位置進行追蹤，在目標子區(qū)中匹配到A′點g(x0′,y0′)，即得到A點的位移場為u(x,y)和v(x,y)。對所有子區(qū)進行相同步驟處理即可獲取全場位移信息。本文采取混凝土切割后的天然紋理作為散斑進行圖像處理。

圖4 DIC技術(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of DIC

2.2 應變演化規(guī)律

單軸壓縮時，泊松效應引起的側(cè)向拉應變是普通再生混凝土(O-RAC)結(jié)構(gòu)失效主要原因, 拉損傷方向與壓應力方向垂直, 裂縫方向與加載方向平行。O-RAC單軸受壓的應變變化過程基本分為三個階段：(1)裂縫相對穩(wěn)定期,砂漿與粗骨料的界面或者砂漿內(nèi)部形成微裂縫；(2)穩(wěn)定裂縫發(fā)展期,隨應力增大微裂紋逐漸延伸和擴展，并聯(lián)通成為宏觀裂縫；(3)不穩(wěn)定裂縫發(fā)展期,砂漿不斷損傷，與RCA的粘結(jié)面被徹底破壞，O-RAC逐漸喪失承載力。圖5、圖6、圖7分別對應三個階段水平方向應變變化情況。選取未經(jīng)過強化處理的O-RAC進行受壓過程應變分析。

圖5 第一階段(σ/σmax∈0.30～0.50)水平方向應變Fig.5 Horizontal strain of phase I(σ/σmax∈0.30～0.50)

圖6 第二階段(σ/σmax∈0.50 ～0.75)水平方向應變Fig.6 Horizontal strain of phase Ⅱ (σ/σmax∈0.50～0.75)

圖7 第三階段(σ/σmax∈0.75～0.90)水平方向應變Fig.7 Horizontal strain of phase Ⅲ(σ/σmax∈0.75～0.90)

在加載初期，試件應變主要表現(xiàn)為壓應變，再生粗骨料發(fā)揮骨架支撐作用承擔大部分應力[18]，隨著荷載增大，應力逐漸均勻分配到整個試件，并由上而下進行傳遞，頂部壓應變約為底部的2～3倍，此時的應變值較低。這一階段試塊所受壓應力較小，部分微小裂縫開始出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象并沿著骨料-新砂漿界面開始發(fā)展，如圖5(c)所示。此時的微裂縫對O-RAC的宏觀變形性能無明顯影響，即使此階段荷載重復作用或持載更長時間，微裂縫也不會有較大發(fā)展。

當O-RAC應力水平增大至峰值應力的50%～75%時，O-RAC的應力增大，原有的粗骨料界面裂縫逐漸延伸和增寬，一些界面裂縫逐漸延伸至砂漿基體，其他骨料界面又出現(xiàn)新的粘結(jié)裂縫。如圖6所示，試件應變由壓應變轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?，試件中部出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，當荷載逐漸增大，試件左側(cè)出現(xiàn)了新的裂縫，新裂縫的寬度隨應力升高而增大。試件中部最先出現(xiàn)應力集中區(qū)域的應變值基本保持不變，新生成裂縫的應變逐漸增大并超過了最先出現(xiàn)的裂縫區(qū)域，此時的應變值數(shù)量級仍較低為10-3。這一階段，O-RAC內(nèi)部微裂縫發(fā)展較多，變形增長較大。但當荷載不再增大，微裂縫的發(fā)展將停滯，裂縫形態(tài)保持穩(wěn)定。

當O-RAC承受更大的荷載時，粗骨料界面處的裂縫會突然加寬和延伸，擴展到水泥砂漿中，砂漿中已有裂縫的發(fā)展速度加快，并逐漸和相鄰粗骨料界面裂縫相連。這些裂縫逐漸聯(lián)通，貫通裂縫的方向大致平行于壓應力方向。這一階段應力增長不大，而裂縫發(fā)展迅速，應變增長大。如圖7所示，界面裂縫區(qū)域的應變值由0.04增長為0.12。即使應力不再增大，裂縫也會繼續(xù)發(fā)展，不再保持穩(wěn)定狀態(tài)。貫通裂縫將破壞試件的整體性，試件逐漸喪失承載力直至破壞。

O-RAC單軸受壓時試件先發(fā)展豎向裂縫，然后裂縫逐漸變寬并且沿加載方向擴展延伸。O-RCA的品質(zhì)對O-RAC強度有一定影響，老砂漿的強度較低時，裂縫會穿過O-RCA上附著的老砂漿。粗骨料基體一般沒有損傷，裂縫和破碎都發(fā)生在新老砂漿區(qū)域。試驗結(jié)果顯示，最初應力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在試件中部位置，表明該區(qū)域有微裂紋的萌生和發(fā)展。但隨著荷載增大，左下角的粗骨料與新砂漿界面處也出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，表明此處有新的微裂紋產(chǎn)生，并替代最初應力集中的區(qū)域發(fā)展成為主裂縫，此處界面的橫向拉應變超過極限拉應變時，試件發(fā)生破壞。

3 結(jié)果與討論

3.1 抗壓強度

不同齡期RAC的抗壓強度如圖8所示，O-RAC由未經(jīng)強化處理的O-RCA制備，抗壓強度值最低。骨料強化和砂漿強化對試件抗壓強度均有所提升，N-RAC和S-RAC抗壓強度較O-RAC分別提升了17.86%和35.55%，并且在水化早期，強化效果便有所體現(xiàn)。N-RAC抗壓強度低于S-RAC，說明僅對骨料進行強化可以提升RAC的物理性能，但強化水泥漿所帶來的提升效果更加可觀。

圖8 不同齡期以及不同類型RAC抗壓強度Fig.8 Compressive strength of different ages and different types of RAC

氫氧化鈣(Ca(OH)2)的生長速度快，在ITZs中大量富集，致使ITZs的孔隙率較高，也使ITZs成為混凝土強度的薄弱部位[19]。硅灰的粒徑相比于水泥熟料更小，能夠起到“成核”作用，使水化產(chǎn)物沉積于硅灰表面，加速水泥早期的水化反應[20]，其火山灰活性可與Ca(OH)2反應生成水化硅酸鈣(C-S-H)，優(yōu)化ITZs孔隙結(jié)構(gòu)，進而增強再生骨料混凝土抗壓強度[21-22]。

3.2 顯微硬度

顯微硬度測試結(jié)果如表3所示，ITZs顯微硬度值低于砂漿基體。摻入硅灰對ITZOA-OM顯微硬度影響較小，原因是硅灰以摻合料的形式加入砂漿拌合物中，主要存在于砂漿基體中未能有效進入該界面，硅灰對新砂漿基體強度提升顯著，并對ITZOA-NM顯微硬度有較大的改善效果。RAC的顯微硬度基本不受外界因素影響，但對骨料上附著舊砂漿的強度有提升，這可能是因為納米粒徑的SiO2顆?？梢耘c老砂漿中未水化的Ca(OH)2反應生成C-S-H填充界面過渡區(qū)的孔洞[23]，NS浸泡處理對ITZOA-OM的強度有提升作用。

表3 RAC顯微硬度匯總Table 3 Summary of microhardness of RAC

圖9、圖10、圖11為根據(jù)顯微硬度值繪制的等高線圖，由顯微硬度分布圖可清晰的區(qū)分RAC各物相的位置和界限，以及界面過渡區(qū)的大致寬度。圖9(a)、(b)、(c)分別表示O-RAC、N-RAC、S-RAC的ITZOA-NM處的顯微硬度分布情況?？梢杂^察到，O-RAC的ITZOA-NM寬度最大約為80 μm，NS浸泡處理后的ITZOA-NM寬度明顯降低，摻入硅灰的S-RAC的ITZOA-NM寬度最低約為55 μm，寬度值降低約31%，硅灰對于骨料新砂漿界面的強化效果最為顯著。

圖9 ITZOA-NM界面顯微硬度分布Fig.9 Microhardness distribution of ITZOA-NM

圖10(a)、(b)、(c)分別為O-RAC、N-RAC、S-RAC的骨料舊砂漿界面處的顯微硬度分布情況。通過對比可知NS浸泡處理后的ITZOA-OM寬度顯著降低，約為61 μm，硅灰的摻入對ITZOA-OM并無明顯強化效果。

圖10 ITZOA-OM界面顯微硬度分布Fig.10 Microhardness distribution of ITZOA-OM

圖11(a)、(b)、(c)分別表示O-RAC、N-RAC、S-RAC的新老砂漿ITZ處顯微硬度分布情況，硅灰的摻入對該界面強化效果顯著，ITZ寬度對比O-RAC降低約20%。上述三種界面過渡區(qū)中，NS浸泡骨料處理可以改善ITZOA-OM，砂漿強化可以改善ITZOA-NM和ITZOM-NM。這是因為NS浸泡骨料處理是在拌合混凝土前進行強化，此時的再生骨料中只存在ITZOA-OM，因此對ITZOM-NM和ITZOA-NM未能起到最大強化作用。而硅灰在拌合水泥時加入，微硅灰顆?？梢越佑|到ITZOA-NM和ITZOM-NM，因此對這兩個界面的強化作用較為明顯。

圖11 ITZOM-NM界面顯微硬度分布Fig.11 Microhardness distribution of ITZOM-NM

結(jié)合O-RAC、N-RAC、S-RAC的抗壓強度，顯微硬度值結(jié)果與抗壓強度測試結(jié)果表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即S-RAC各界面強度較O-RAC均有提升，這與S-RAC抗壓強度值最高的結(jié)果相符；N-RAC的老骨料-老砂漿界面強度值較高，對N-RAC抗壓強度的提升有一定貢獻。通過橫向?qū)Ρ?，O-RAC各類ITZ寬度值均最高，骨料強化可以有效降低老骨料-老砂漿界面過渡區(qū)寬度，砂漿強化可以有效降低老骨料-新砂漿界面過渡區(qū)和新老砂漿界面過渡區(qū)寬度。通過縱向?qū)Ρ热N界面過渡區(qū)發(fā)現(xiàn)ITZOA-NM寬度最大且顯微硬度值最低，與單軸受壓過程中表現(xiàn)的破壞界面大多數(shù)出現(xiàn)在ITZOA-NM相對應。

3.3 界面過渡區(qū)孔隙率

RAC結(jié)構(gòu)復雜多樣，界面過渡區(qū)水泥水化不充分，水泥顆粒較難填充于骨料表面的空間，導致多重ITZs的力學性能較差，對混凝土強度和耐久性影響顯著。

為分析比較再生混凝土ITZs疏松程度，以BSE圖像同心膨脹法[24]計算ITZs孔隙率，首先選取包含ITZs的樣張，然后標記骨料砂漿界面，以10 μm為間距計算骨料邊界不同距離的孔隙率。設(shè)定灰度閾值以區(qū)分不同物相成分，本文中設(shè)定孔隙的灰度下限為0，上限根據(jù)文獻[25]中介紹方法確定，設(shè)定閾值上下限后，孔隙的顯示結(jié)果如圖12所示。每件樣品拍攝10幅照片，ITZs孔隙率取10幅照片計算結(jié)果的平均值。圖中亮色區(qū)域為未水化水泥熟料，暗色區(qū)域表示孔隙。

圖12 背散射成像計算孔隙率過程Fig.12 Porosity calculation process by BSE

新老砂漿的界限并不明顯，因此ITZs孔隙率的計算并不包含新老砂漿界面?？紫堵视嬎憬Y(jié)果如圖13所示，O-RAC孔隙率偏高，硅灰的摻入可以顯著減小距離骨料較近處的ITZOA-NM孔隙率，但是硅灰對ITZOA-OM的孔隙率并沒有明顯的修補作用。NS對ITZOA-NM孔隙率的改善效果不及硅灰，但明顯降低了ITZOA-OM的孔隙率。骨料強化和砂漿強化對ITZs孔隙率的作用效果與顯微硬度測試結(jié)果表現(xiàn)出相同趨勢，即硅灰僅對ITZOA-NM有明顯優(yōu)化，但NS對ITZOA-NM以及ITZOA-OM均有一定程度修補。

因為火山灰效應的存在，NS可以消耗Ca(OH)2生成C-S-H。同時根據(jù)成核效應，NS高比表面積的特性可以為C-S-H提供成核位點形成簇狀結(jié)構(gòu)，改善C-S-H原本松散的結(jié)構(gòu)形式，使ITZs的空間結(jié)構(gòu)更均勻穩(wěn)定。由圖13可知，距骨料表面越近，強化效果越明顯,與骨料表面距離較遠時，強化前后ITZs的孔隙率基本持平。結(jié)合顯微硬度試驗結(jié)果，孔隙率高的ITZs對應的顯微硬度值也較低。

圖13 ITZOA-NM和ITZOA-OM孔隙率Fig.13 Porosity of ITZOA-NM and ITZOA-OM

3.4 界面過渡區(qū)微觀形貌

試樣掃描電鏡照片如圖14～圖16所示，O-RAC試樣的微觀形貌表現(xiàn)出較差的空間結(jié)構(gòu)，從圖14(a)、(b)可看出孔隙的含量較高，ITZs有多處裂縫，由圖14(b)可以清楚觀察到ITZs處疏松的空間結(jié)構(gòu)，當混凝土受力時，孔隙周圍容易產(chǎn)生應力集中。圖15(a)、(b)分別為NS浸泡處理后骨料對應的ITZOA-NM和ITZOA-OM，通過對比可知：ITZOA-NM處存在大量鈣礬石，結(jié)晶之間相互堆疊導致空間結(jié)構(gòu)疏松[26]；ITZOA-OM經(jīng)過NS強化后具有更密實的空間結(jié)構(gòu)以及更少的缺陷，老骨料和老砂漿的界面不易辨別。如圖16(a)所示，該處水化產(chǎn)物相對豐富，硅灰的摻入使得界面處的結(jié)構(gòu)變得更為致密，雖然仍有缺陷存在，但相比O-RAC的界面過渡區(qū)，已經(jīng)表現(xiàn)出明顯的改善效果。由圖16(b)可以看出大量的C-S-H凝膠填充了界面過渡區(qū)，結(jié)合抗壓強度與顯微硬度測試結(jié)果可知，致密的空間結(jié)構(gòu)有利于RAC抵抗荷載帶來的破壞。

圖14 O-RAC微觀形貌Fig.14 Micro morphology of O-RAC

圖15 N-RAC微觀形貌Fig.15 Micro morphology of N-RAC

圖16 S-RAC微觀形貌Fig.16 Micro morphology of S-RAC

4 破壞機理分析

三類RAC的破壞特性如圖17所示。O-RAC所表現(xiàn)的破壞特性為破壞面主要發(fā)生在ITZOA-NM，且應力傳遞路徑經(jīng)過ITZOA-OM時會穿過該界面；N-RAC所表現(xiàn)的破壞特性為破壞面大都發(fā)生在ITZOA-NM，貫通裂縫幾乎不包含ITZOA-OM；S-RAC所表現(xiàn)的破壞特性為一部分破壞面發(fā)生在ITZOA-NM，但貫通裂縫經(jīng)過ITZOA-OM的概率大大增加。由此不難看出，貫通裂縫發(fā)生在三類界面處的概率與其相應的孔隙率成反比，即界面過渡區(qū)孔隙率越大，貫通裂縫發(fā)生在該界面的概率越大。

圖17 三類RAC的破壞特性Fig.17 Destructive characteristics of three types of RAC

根據(jù)格里菲斯的斷裂力學理論，混凝土孔隙斷裂時的臨界應力與孔隙率成反比[27]。這與試驗中三類RAC所表現(xiàn)出的破壞特性相吻合。試驗所用O-RCA初始強度等級為C30，新砂漿的強度為30 MPa，新老砂漿強度相差不大。而單軸受壓時，破壞面大部分發(fā)生在ITZOA-NM面處，與顯微硬度和孔隙率測試結(jié)果相吻合，ITZOA-NM表現(xiàn)出最低的顯微硬度值和最大的界面區(qū)寬度以及較高的孔隙率。但經(jīng)過強化處理，破壞面發(fā)生在強化界面的概率變小，未被強化的界面有更大概率發(fā)生或經(jīng)歷破壞。對骨料強化而言，NS溶液不僅提升了老砂漿的顯微硬度值，同時降低了ITZOA-OM的寬度和孔隙率，貫通裂縫穿過老砂漿的概率降低。對砂漿強化而言，硅灰提升了新砂漿的顯微硬度值，同時降低了ITZOM-NM和ITZOA-NM的寬度和孔隙率，貫通裂縫經(jīng)過ITZOM-NM和ITZOA-NM的概率有所下降。

作為典型的非均質(zhì)復合材料，RAC受壓破壞的本質(zhì)是細觀局部拉應力造成微裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展、連續(xù)損傷的過程。根據(jù)試驗記錄的破壞過程可知：RAC受壓時存在多個破碎面呈現(xiàn)柱狀破碎，而非形成單一主破碎面。試件承載兩端受約束時，損傷演化表現(xiàn)出側(cè)邊效應，即損傷由平行于壓力方向的外表面向試件內(nèi)部發(fā)展，側(cè)邊距離試件軸心越遠相鄰點的變形越大。RAC受壓時，由于骨料和砂漿材料的泊松比不同，試件將產(chǎn)生垂直于壓應力方向的受拉應力，當拉應力超出ITZs抗拉強度時，破壞發(fā)生且應力得到釋放。ITZs中包含較多Ca(OH)2晶體，但其粘結(jié)能力較差，且易形成取向性結(jié)構(gòu)，其較小的比表面積對應較弱的范德華力，使得ITZs的抗拉強度成為破壞發(fā)生的決定因素。ITZs在RAC中充當砂漿和骨料間的橋梁角色，即使試件各組成部分的剛度足夠大，但“橋梁”受孔隙率和微裂縫影響無法有效傳遞應力使復合材料的剛度降低,即由于ITZs的存在，RAC在低于骨料和砂漿強度的應力水平下就發(fā)生了破壞。但再生粗骨料混凝土中包含復雜的界面過渡區(qū)，多重界面之間的相對強度高低也成為影響裂縫發(fā)展的重要因素，針對性的強化處理會提升對應界面的強度，使得未得到強化界面的相對強度下降，增大了被破壞概率。

5 結(jié) 論

(1)基于DIC技術(shù)的原位應變分析方法可以實時展示荷載作用下內(nèi)部材料的應變變化規(guī)律，實現(xiàn)了RAC內(nèi)部應變演化過程的可視化和定量分析，為進一步研究再生骨料混凝土內(nèi)部裂縫的開展模式和開裂機理提供新的思路。

(2)控制試件制備流程、養(yǎng)護條件等環(huán)境因素相同的情況下，骨料強化和砂漿強化對再生骨料混凝土抗壓強度較未強化試樣分別提升了17.86%和35.55%。僅強化骨料對再生骨料混凝土的抗壓強度提升有限，對砂漿進行強化卻可以大幅度提升抗壓強度。

(3)在相同養(yǎng)護條件下，硅灰和納米二氧化硅的加入可以提升砂漿顯微硬度值，使結(jié)構(gòu)更加致密。骨料強化可以降低老骨料-老砂漿界面過渡區(qū)的寬度和孔隙率；砂漿強化可以有效降低老骨料-新砂漿以及新老砂漿界面過渡區(qū)的寬度和孔隙率。針對特定界面進行強化可以降低貫通裂縫在此產(chǎn)生的概率，未經(jīng)強化界面發(fā)生的破壞將更大概率引起結(jié)構(gòu)失效。