納米材料改性再生骨料混凝土斷裂性能

羅素蓉， 林 倩， 李煒源， 王德輝

（福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州 350116）

再生骨料混凝土（RAC）對實(shí)現(xiàn)建筑垃圾再利用、節(jié)約天然資源具有重要意義［1-3］.但再生骨料表面附著的老舊砂漿使骨料周圍存在多重界面過渡區(qū)［4-6］，且因再生骨料生產(chǎn)需進(jìn)行多次破碎，導(dǎo)致骨料內(nèi)部存在一定數(shù)量的微裂紋［7］.研究表明［8-9］，隨著再生骨料取代率的增加，其內(nèi)部多重界面過渡區(qū)及微裂紋等微觀結(jié)構(gòu)缺陷使RAC 的斷裂韌度與斷裂能有所下降，構(gòu)件裂紋擴(kuò)展速率增大，裂縫更加密集，并且斷裂多發(fā)生在再生骨料表面，呈現(xiàn)從骨料表面開裂到骨料斷裂的過渡. 由此可見，再生骨料對RAC 的斷裂性能產(chǎn)生較大不利影響.而RAC 的斷裂性能又是構(gòu)件使用壽命及承載能力的關(guān)鍵因素［8］，故改善RAC 斷裂性能具有重要意義.

納米材料粒徑小、活性高，常被用來減少RAC微結(jié)構(gòu)上的缺陷［10-12］.納米 SiO2與納米 CaCO3能夠有效改善界面過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，填充再生骨料內(nèi)部微裂縫，提高 RAC 的基本力學(xué)性能與耐久性［13-18］.摻入適量的納米SiO2粉末對RAC 雙K 斷裂參數(shù)具有一定的提升作用［19］，但關(guān)于納米材料增強(qiáng)RAC 斷裂性能的研究還很有限，尤其缺少納米材料改性RAC微觀結(jié)構(gòu)與斷裂性能之間的內(nèi)在關(guān)系研究.

鑒于此，本文采用非標(biāo)準(zhǔn)試件的三點(diǎn)彎曲梁斷裂試驗，來研究不同摻量的納米SiO2（納米硅溶膠和納米SiO2粉末）和納米CaCO3粉末對RAC 斷裂性能的影響，以雙K 斷裂參數(shù)和斷裂能指標(biāo)評價納米材料的改性效果，并結(jié)合納米壓痕試驗來探究納米SiO2和納米CaCO3粉末對RAC 微觀結(jié)構(gòu)的影響，以建立RAC 宏觀性能與微觀性能之間的聯(lián)系.

1 試驗

1.1 原材料及配合比

水泥為煉石牌P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，表觀密度為3 150 kg/m3，比表面積為352 m2/kg；粉煤灰為福建華電可門發(fā)電有限公司產(chǎn)Ⅱ級粉煤灰，表觀密度為2 300 kg/m3，比表面積為442 m2/kg；再生粗骨料（RCA）由福建省某片區(qū)混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑物拆除的廢棄混凝土經(jīng)機(jī)械破碎、清洗并篩分后得到，粒徑為5～20 mm，老砂漿附著率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的附著率、水膠比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比）為20.1%，各項指標(biāo)符合Ⅱ類再生粗骨料要求［20］；天然粗骨料（NCA）為天然碎石，粒徑為5～20 mm；天然細(xì)骨料為福州市河砂，細(xì)度模數(shù)為1.78；減水劑為聚羧酸高效減水劑；拌和水為實(shí)驗室自來水；納米硅溶膠（NSL）為 CS-30 型 nano-SiO2分散液；納米 SiO2粉末（NSP）為親水型SiO2白色粉末；納米CaCO3粉末（NCP）中的CaCO3含量為99%.膠凝材料的化學(xué)組成見表1.粗骨料及納米材料的物理性能分別見表2、3.

表1 膠凝材料的化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions of cementitious materials w/%

表2 粗骨料的物理性能Table 2 Physical properties of coarse aggregates

表3 納米材料的物理性能Table 3 Physical properties of nano-materials

本試驗考慮4 個變量，分別為再生粗骨料取代率、納米硅溶膠摻量、納米SiO2粉末摻量及納米CaCO3粉末摻量.其中3 種納米材料等質(zhì)量取代水泥，摻入再生粗骨料混凝土中.設(shè)置再生粗骨料取代率為0%、50%和100%，摻入納米材料的試驗組采用100% 再生粗骨料取代率. 參考已有研究成果［16-17，21-23］，將 NSL 與 NSP 的摻量選為一致，分別為0.5%、1.0%和1.5%；NCP 的摻量為1.0%、2.0%和3.0%.本試驗將混凝土的水膠比設(shè)置為0.42，砂率設(shè)置為33%，其配合比及基本力學(xué)性能見表4.

表4 混凝土配合比及基本力學(xué)性能Table 4 Mix proportions and mechanical properties of concretes

1.2 三點(diǎn)彎曲梁試驗

參考文獻(xiàn)［24-25］，試驗采用非標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲梁試件，其尺寸（長（l）×高（h）×寬（t））取為750 mm×200 mm×100 mm，試件凈跨（S）為600 mm，預(yù)制裂縫高度（a0）為80 mm，初始縫高比（a0/h）為0.4.三點(diǎn)彎曲梁試驗簡圖見圖1.由于斷裂試驗起裂具有瞬時性，起裂荷載較難測得，故各試驗組均澆筑5 根試件，并采用鋼模成型，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行試驗，試驗值取結(jié)果平均值，以確保數(shù)據(jù)真實(shí)可靠.

采用位移控制下的靜力加載模式進(jìn)行加載.為獲得穩(wěn)定的加載數(shù)據(jù)，加載前對試件進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓后以5×10-4mm/s 的加載速率進(jìn)行試驗.荷載（P）及試件豎向位移均由疲勞試驗機(jī)的內(nèi)置傳感器采集；裂縫張口位移（CMOD）通過夾式引伸計采集；應(yīng)變由在裂縫尖端上部對稱布置的一系列應(yīng)變片和8通道IMC 應(yīng)變采集儀采集，應(yīng)變片布置見圖2.

圖2 應(yīng)變片布置圖Fig.2 Layout of strain gauge（size：mm）

1.3 斷裂參數(shù)與斷裂能計算

采用非標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲梁雙K 斷裂參數(shù)計算方法，并結(jié)合前人經(jīng)驗加以修正［25-26］，將試件自重納入考慮范圍.混凝土試件裂縫擴(kuò)展單位面積所需的能量稱為斷裂能（Gf），是除雙K 斷裂參數(shù)外，衡量混凝土斷裂性能的另一重要指標(biāo).雙K 斷裂參數(shù)與斷裂能的具體計算公式見文獻(xiàn)［27］.本試驗對其中的彈性模量（E，GPa）計算式進(jìn)行了修改，如式（1）所示：

式中：h0為夾式引伸計刀口薄鋼板厚度，m；ci為初始柔度，對P-CMOD 曲線上升段進(jìn)行線性擬合，得到上升段的斜率即為ci.

1.4 納米壓痕試驗

試驗選取單顆粒型圓潤且有明顯老砂漿附著的再生骨料，澆筑邊長為30 mm 的正方體小型試件.試件脫模養(yǎng)護(hù)至28 d 后，先將其切割成邊長為15 mm的正方體試樣，再鑲嵌、打磨拋光，用于納米壓痕試驗.

將RAC 中的老骨料-老砂漿界面過渡區(qū)記為ITZ1，老骨料-新砂漿界面過渡區(qū)記為ITZ2，老砂漿-新砂漿界面過渡區(qū)記為ITZ3.其中ITZ1和ITZ2采用的壓痕點(diǎn)陣為 11 μm×11 μm 的正方形矩陣，需要說明的是，為避免相鄰壓痕點(diǎn)距離過于接近，導(dǎo)致局部區(qū)域變形，將相鄰2 個壓痕點(diǎn)間距設(shè)置為10 μm（圖3（a））.由于老砂漿與新砂漿之間的界面過渡區(qū)較不明顯，需要橫向擴(kuò)大壓痕點(diǎn)陣，以保證界面過渡區(qū)處于壓痕區(qū)域中間位置，故 ITZ3采用 21 μm×11 μm 的長方形矩陣（圖3（b））.

圖3 納米壓痕11×11 和21×11 點(diǎn)陣示意圖Fig.3 Schematic of nano indentation 11×11 and 21×11 lattice（size：μm）

試驗采用載荷控制的加載模式.當(dāng)壓頭壓入待測試樣表面后，先以恒定速率加載10 s 至峰值荷載2 000 μN(yùn)，持荷5 s后再以同樣的速率卸載至0 μN(yùn).將所獲得的矩陣模量數(shù)據(jù)通過Origin 軟件繪制出該壓痕區(qū)域的楊氏模量云圖和分布圖，并根據(jù)納米壓痕試驗中各相的壓痕楊氏模量值（表 5）［28-31］，分析納米SiO2（納米硅溶膠和納米SiO2粉末）和納米CaCO3粉末對水泥水化過程和水化產(chǎn)物的影響.

表5 納米壓痕試驗中各相的壓痕楊氏模量值Table 5 Young′s modulus value of phase from nanoindentation［28-31］

2 結(jié)果和分析

2.1 基本力學(xué)性能

由表4 可知：隨著納米材料摻量的增加，RAC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；當(dāng)納米硅溶膠摻量為0.5%、納米SiO2粉末摻量為0.5%和納米CaCO3粉末摻量為1.0%時，3 種納米材料對RAC 28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果最好，分別較未摻納米材料的RAC100 組試件提高了33.5%、25.2%及31.3%；1.0%納米硅溶膠、0.5%納米SiO2粉末和1.0%納米CaCO3粉末對RAC 28 d抗壓強(qiáng)度的提升效果最好，分別為RAC100 組試件的107.2%、105.0%及105.4%；但摻量為1.5%納米硅溶膠、1.5%納米SiO2粉末及3.0%納米CaCO3粉末使RAC 28 d 抗壓強(qiáng)度有所下降，為RAC100 組試件的96.8%、96.5%、87.6%.由此可見，摻量合適的納米材料對RAC 的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有積極影響.

2.2 雙K 斷裂參數(shù)與斷裂能

圖4 為 RAC100 組試件的荷載-應(yīng)變（P-ε）曲線、荷載-撓度曲線（P-δ）與荷載-裂縫張口位移（P-CMOD）曲線，圖中RAC100-X 表示第X 根試件.由以上曲線得到RAC100 組試件的起裂荷載（Pin）i、最大荷載（Pmax）和裂縫端部張口位移臨界值（CMODc）［32］.各試件的斷裂試驗結(jié)果如表 6 所示 .其中CV 為各試驗組變異系數(shù)，能夠反映試驗組的離散程度；ac為有效裂縫長度.

圖 4 RAC100 組試件的 P-ε、P-δ 和 P-CMOD curve 曲線Fig.4 P-ε，P-δ，P-CMOD curve of RAC100 specimens

由表 6 可見：RAC 的斷裂韌度和斷裂能（G）f隨著再生粗骨料取代率的增加而下降，當(dāng)再生粗骨料取代率分別為50%和100%時，起裂韌度（KIiCn）i分 別下降5.9%、15.6%，失穩(wěn)韌度（KIuCn）分別下降11.8%、15.5%，斷裂能（G）f分別下降18.7%和23.6%.可見再生骨料內(nèi)部缺陷不僅加速混凝土內(nèi)部的裂紋開展，并且總體趨于耗費(fèi)低能量就可達(dá)到失穩(wěn)狀態(tài)，從而導(dǎo)致RAC 雙K 斷裂韌度與斷裂能下降.

由表 6 還可見：（1）納米材料對 RAC 起裂韌度（KIiCn）i的提升效果顯著，呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢；1.0%納米硅溶膠、0.5%納米SiO2粉末與2.0%納米CaCO3粉末對RAC 起裂韌度（KIiCn）i的提升效果最佳，分別提高59.5%、55.2%及53.9%.（2）納米材料對RAC 失穩(wěn)韌度（KIuCn）與斷裂能（G）f的影響也呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢——1.0%納米硅溶膠、0.5%納米SiO2粉末、2.0%納米CaCO3粉末對失穩(wěn)韌度（KIuCn）與斷裂能（G）f的提升效果最佳，失穩(wěn)韌度（KIuCn）分別為RAC100 組試件的106.1%、107.2%、109.7%，斷裂能（G）f分別為RAC100 組試件的 104.2%、107.3%、109.7%，但摻量為1.5%納米硅溶膠、1.5%納米SiO2粉末、3.0%納米CaCO3粉末對RAC 失穩(wěn)韌度（KIuCn）與斷裂能（G）f均產(chǎn)生不利影響.由此可見，適量的納米SiO2與納米CaCO3粉末對RAC 斷裂性能有增強(qiáng)效果.高摻量的納米材料會產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象［33］，該現(xiàn)象嚴(yán)重時可使試件內(nèi)部缺陷增多，抵抗裂縫擴(kuò)展的能力減弱，最終導(dǎo)致試件斷裂能（Gf）下降. 文獻(xiàn)［16，19，21］也發(fā)現(xiàn)納米材料摻量對混凝土性能的影響存在先提高后降低的趨勢，同時納米SiO2粉末的最佳摻量低于納米硅溶膠，說明納米SiO2的分散狀態(tài)影響改性效果.

表6 RAC 試件雙K 斷裂參數(shù)及斷裂能Table 6 Double-K fracture parameters and fracture energy of RAC specimens

2.3 試件破壞形態(tài)

試件預(yù)制裂縫上方斷裂截面的破壞形態(tài)見圖5.由圖5 可見，摻入納米材料后，斷裂試件斷裂面出現(xiàn)了更多裂縫貫通再生骨料的情況.因為納米材料的填充效應(yīng)與活性效應(yīng)改善了RAC 的界面過渡區(qū)，提高了界面微觀結(jié)構(gòu)的致密程度［34］，具有更強(qiáng)的抵抗裂縫開展的能力，使得裂縫發(fā)展通過骨料內(nèi)部的現(xiàn)象增加.

圖5 試件預(yù)制裂縫上方斷裂面破壞形態(tài)Fig.5 Failure forms above the crack of specimens

2.4 界面過渡區(qū)的納米壓痕分析

圖6 為RAC 試件典型界面過渡區(qū)的壓痕點(diǎn)陣楊氏模量分布云圖.將壓痕區(qū)域內(nèi)每個壓痕點(diǎn)的楊氏模量值進(jìn)行統(tǒng)計分析，可得不同納米材料摻量下各試驗組3 種界面過渡區(qū)的界面特征參數(shù)，如表7所示.由表7 可知，納米材料的摻入對ITZ1影響不大，但可以提高ITZ2與ITZ3中的C-S-H 凝膠含量，減少孔隙和CH 晶體含量，從而提高界面密實(shí)程度.

圖6 RAC 試件典型界面過渡區(qū)的壓痕點(diǎn)陣楊氏模量分布云圖Fig.6 Distribution cloudy map of typical interface indentation lattice Young"s modulus of RAC specimens

圖7 為摻入不同納米材料的RAC 界面過渡區(qū)的楊氏模量概率分布.

由表7 和圖7（a）～（c）可見：（1）摻入納米材料后，ITZ1界面寬度幾乎沒有變化，各試件的模量均值仍在23 GPa附近，未出現(xiàn)明顯增強(qiáng)效果（.2）摻入納米材料前后ITZ1界面的各區(qū)間模量值（表5）出現(xiàn)的概率較為相近，ITZ1界面存在較多C-S-H凝膠（10～35 GPa），而孔隙（0～10 GPa）和CH晶體（35～50 GPa）含量較少，界面密實(shí)程度較高，在不施加外力作用時，納米顆粒難以進(jìn)入ITZ1界面內(nèi)部發(fā)揮作用，所以摻入納米材料后ITZ1的壓痕模量變化不大.

表7 不同納米材料摻量下各界面的界面特征參數(shù)Table 7 Characteristic parameters of various interface with different nano-material content

由表 7 和圖 7（d）～（f）可見：（1）摻入納米材料后ITZ2界面的模量均值發(fā)生較大改變，但界面厚度幾乎沒有變化.（2）RAC100 組試件的ITZ2界面模量處于孔隙和CH 晶體模量范圍的概率較大，但摻入納米材料后孔隙和CH 晶體大量減少，同時，納米SiO2和納米CaCO3粉末使C-S-H 凝膠概率大幅度提高.這是因為摻入納米SiO2和納米CaCO3粉末后，納米SiO2的火山灰效應(yīng)和兩者的晶核效應(yīng)改善了CH 晶體的富集和排列，促進(jìn)生成致密程度更高的C-S-H，減少了CH 晶體含量；同時水化產(chǎn)物和富余的納米顆粒具有填充作用，導(dǎo)致界面內(nèi)部孔隙數(shù)量進(jìn)一步減少.但當(dāng)納米SiO2摻量達(dá)到1.5%、納米CaCO3粉末摻量達(dá)到3.0%后，因團(tuán)聚原因，不能起到上述作用.

由表 7 和圖 7（g）～（i）可見：納米 SiO2和納米CaCO3粉末對ITZ3界面模量的影響與ITZ2相似，但當(dāng)納米材料摻量較大時，模量分布圖中C-S-H 凝膠部分較為豐滿，同時CH 晶體含量顯著降低.可見對于新、老砂漿之間的ITZ3界面，適當(dāng)提高納米材料摻量有助于C-S-H 凝膠的生成；此外，界面厚度由50 μm降低到40～45 μm.這可能是由于老砂漿具有一定的吸水率，在少部分水分進(jìn)入到老砂漿孔隙內(nèi)部時，納米顆粒富集于老砂漿外表面，造成局部水灰比發(fā)生變化，同時，由于納米SiO2和納米CaCO3粉末能夠改善并細(xì)化尺寸較大且定向排列的CH 晶體，由晶核效應(yīng)生成致密的網(wǎng)狀水化產(chǎn)物，使界面過渡區(qū)厚度減小、模量發(fā)生變化.

圖7 摻入不同納米材料的RAC 界面過渡區(qū)的模量概率分布Fig.7 Probability distribution of modulus in the interface transition region of RAC with different nano materials

此外，由表7 中的ITZ2與ITZ3各模量試驗結(jié)果可知，與摻入納米CaCO3粉末相比，摻入納米SiO2更有利于減少CH 晶體含量和孔隙率.

根據(jù)2.3 中試件預(yù)制裂縫上方斷裂面破壞形態(tài)可以看出，摻入納米材料后，RAC 斷裂面中完整裸露的再生骨料數(shù)量減少，再生骨料斷面和老砂漿斷面數(shù)量增多.這可能是適量納米SiO2和納米CaCO3粉末改善了ITZ2和ITZ3界面的致密程度，提高了界面黏結(jié)強(qiáng)度，增加了2 種界面破壞時所需要的能量，使得裂縫擴(kuò)展更傾向于貫穿再生骨料或其表面附著的老砂漿.當(dāng)該情況出現(xiàn)概率增加時，裂縫擴(kuò)展至試件破壞時所需的總能量相應(yīng)增加，最終表現(xiàn)為三點(diǎn)彎曲梁試件的起裂荷載、失穩(wěn)荷載和斷裂能增加.受起裂荷載和失穩(wěn)荷載變化的影響，起裂韌度和失穩(wěn)韌度也將獲得相應(yīng)的提高.但過多納米SiO2和納米CaCO3粉末易產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，削弱改善效果.

3 結(jié)論

（1）適當(dāng)摻量的納米SiO2和納米CaCO3粉末能夠有效提高RAC 的抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度.

（2）RAC 的起裂韌度、失穩(wěn)韌度和斷裂能隨著再生粗骨料取代率的增大而減小.摻入適量的納米SiO2和納米 CaCO3粉末能夠提高 RAC 的雙 K 斷裂韌度和斷裂能.其中，1.0%納米硅溶膠、0.5%納米SiO2粉末、2.0%納米CaCO3粉末提升效果最佳.摻入納米材料可使RAC 的起裂韌度超越普通混凝土，但失穩(wěn)韌度仍達(dá)不到普通混凝土的標(biāo)準(zhǔn).

（3）摻入納米SiO2和納米CaCO3粉末可將RAC內(nèi)部老砂漿-新砂漿界面厚度減小5～10 μm，對老骨料-老砂漿界面內(nèi)部物質(zhì)含量幾乎無影響，而在摻量適宜的情況下可提高老骨料-新砂漿和老砂漿-新砂漿界面內(nèi)C-S-H 凝膠含量，減少CH 晶體含量、孔隙率和未水化水泥顆粒數(shù)量.摻入納米SiO2試驗組的老骨料-新砂漿和老砂漿-新砂漿界面內(nèi)的CH 晶體含量和孔隙率減少幅度大于摻入納米CaCO3粉末的試驗組.