彭立港,趙羽習(xí),*,曾維來,2,劉承斌
(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058;2.中國建筑國際集團(tuán)有限公司,廣東 深圳 518000)
界面過渡區(qū)(ITZ)是混凝土內(nèi)部的薄弱區(qū)域.由于再生骨料表面附著的老舊水泥砂漿在再生骨料混凝土中引入了含量和種類更復(fù)雜的界面過渡區(qū),再生骨料混凝土的力學(xué)性能及耐久性能通常要比普通骨料混凝土差[1-6].
已有學(xué)者通過測試界面過渡區(qū)的微觀力學(xué)性能和幾何參數(shù),將其與混凝土材料性能建立了直接的相關(guān)關(guān)系.Ryu[7]發(fā)現(xiàn)界面的顯微硬度值越高、寬度越小,混凝土材料性能越強(qiáng).Xiao等[8]在此基礎(chǔ)上,參數(shù)化地揭示了界面過渡區(qū)與新老砂漿性能對再生骨料混凝土本構(gòu)關(guān)系的影響.Adessina等[9]測試了不同介質(zhì)的微觀彈性模量,并通過試驗(yàn)和模型預(yù)測得到了再生骨料混凝土彈性模量和氯離子滲透系數(shù).張鴻儒[10]將界面長度、寬度與再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、超聲波測密實(shí)性和氯離子滲透系數(shù)建立了相關(guān)關(guān)系.但是,上述界面參數(shù)的相關(guān)研究仍存在著一定的局限性,例如顯微硬度、界面寬度、微觀彈性模量等細(xì)微觀性能在工程實(shí)際中難以獲取;界面參數(shù)與混凝土材料耐久性能的相關(guān)關(guān)系較弱,未能綜合考慮到粗骨料數(shù)量、砂漿性能等因素的影響.
為實(shí)現(xiàn)再生粗骨料混凝土界面參數(shù)的輕量化、綜合化描述,本文提出了長度界面參數(shù)、體積界面參數(shù)和廣義界面參數(shù),比較分析了界面參數(shù)與再生粗骨料取代率、水灰比、混凝土力學(xué)性能和耐久性能的關(guān)系,以期揭示再生粗骨料混凝土性能的劣化機(jī)理.
水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥;細(xì)骨料采用含水率1)文中涉及的含水率、取代率和水灰比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.3.8%的天然河砂;天然粗骨料(NCA)采用碎石,其吸水率和表觀密度分別為2.20%和2 680 kg/m3;再生粗骨料(RCA)由廢棄混凝土破碎而得,其吸水率和表觀密度分別為4.16%和2 370 kg/m3.根據(jù)GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中基于吸水率和表觀密度的骨料分類標(biāo)準(zhǔn),本文所用再生粗骨料滿足Ⅱ類骨料的標(biāo)準(zhǔn).2種粗骨料均采用連續(xù)性級配,粒徑范圍為5~20 mm.
為了研究基于界面過渡區(qū)的再生粗骨料混凝土界面參數(shù),設(shè)置了3種再生粗骨料取代率(wRCA=0%、50%、100%,對應(yīng)的混凝土分別記為NAC、RAC50、RAC100)和3種 水 灰 比(mW/mC=0.45、0.55、0.65)共計(jì)9組混凝土,如表1所示.為更好地比較再生粗骨料取代率和水灰比對混凝土性能的影響,本研究中設(shè)置了相同的用水量和單方混凝土質(zhì)量.在室內(nèi)澆筑完成后,將所有試件表面覆膜以減少水分蒸發(fā),養(yǎng)護(hù)1 d后拆模,隨后放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(溫度(20±2)℃,相對濕度95%以上)中養(yǎng)護(hù)至28 d.
表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 1 Mix proportion design of concretes kg/m3
1.3.1 抗壓強(qiáng)度測試
參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,每組混凝土分別澆筑9個(gè)邊長為100 mm的立方體試件,使用WE-100型壓力試驗(yàn)機(jī),分別在3、28、120 d齡期時(shí)測試立方體試件抗壓強(qiáng)度,取每組3個(gè)試件抗壓強(qiáng)度的平均值作為該組混凝土的抗壓強(qiáng)度fc.
1.3.2 抗氯離子滲透性能測試
根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,每組混凝土分別澆筑2個(gè)高200 mm、直徑100 mm的圓柱體試件,養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)使用水冷式金剛石鋸將試件切割得到高50 mm、直徑100 mm的圓柱體試件共6個(gè)(靠近澆筑面的試件舍棄),隨后使用砂紙和銼刀將切割面打磨光滑.采用快速氯離子遷移系數(shù)法,分別在28、120 d齡期時(shí)進(jìn)行通電加速滲透試驗(yàn),測試其快速氯離子遷移系數(shù)(D).通電加速試驗(yàn)結(jié)束后,將試件表面沖洗干凈,并使用壓力試驗(yàn)機(jī)將其沿軸向劈成兩半,立即在劈斷面噴涂0.1 mol/L的Ag NO3溶液,根據(jù)顯色分界線測得氯離子滲透深度.混凝土的快速氯離子遷移系數(shù)可按下式計(jì)算:
式中:U為電壓的絕對值,V;T為陽極溶液的初始和結(jié)束溫度平均值,℃;Xd為氯離子滲透深度平均值,mm;t為試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間,h;L為試件高度,本文中L=50 mm.
1.3.3 界面長度測試
每組混凝土分別澆筑1個(gè)邊長為100 mm的立方體試件,養(yǎng)護(hù)至28 d齡期時(shí)使用水冷式金剛石鋸將試件切割得到長寬均為100 mm、厚度為10 mm的薄片.切割完畢后,使用研磨拋光機(jī)對薄片的切割面進(jìn)行打磨拋光.隨后,將混凝土薄片浸泡于無水乙醇中24 h后取出,放在40℃烘箱中烘干至恒重,以防止水泥繼續(xù)水化.考慮到混凝土中粗骨料空間分布位置和形狀大小等隨機(jī)因素的影響,本研究截取薄片中9個(gè)邊長20 mm的區(qū)域進(jìn)行界面長度測試.
對于天然粗骨料混凝土NAC,其內(nèi)部只存在天然粗骨料、砂漿和二者的界面過渡區(qū)ITZ1.采用Image J軟件,根據(jù)9個(gè)測試區(qū)內(nèi)天然粗骨料與砂漿在灰度值上的差異,提取測試區(qū)內(nèi)天然粗骨料的面積ANA和界面過渡區(qū)ITZ1的長度lITZ1.
對于再生粗骨料混凝土RAC50和RAC100,其內(nèi)部除了天然粗骨料與新砂漿的界面過渡區(qū)ITZ1外,還存在老砂漿與新砂漿之間的界面過渡區(qū)ITZ2以及天然粗骨料與老砂漿之間的界面過渡區(qū)ITZ3.由于老砂漿與新砂漿之間的灰度值較為接近,因而Image J軟件無法區(qū)分識別出新砂漿與老砂漿.因此利用Image J軟件只能獲取再生粗骨料混凝土內(nèi)天然粗骨料的面積ANA,以及界面過渡區(qū)ITZ1、ITZ3的長度之和lITZ1+lITZ3.
為了能獲取再生粗骨料混凝土各測試區(qū)內(nèi)老砂漿的面積AOM和界面過渡區(qū)ITZ2的長度lITZ2,將各組混凝土的測試區(qū)圖像導(dǎo)入Auto CAD軟件,利用Auto CAD軟件的多線段繪制功能繪制測試區(qū)內(nèi)老砂漿的輪廓,進(jìn)而獲取AOM和lITZ2.
參考張鴻儒[10]的研究成果,使用長度界面參數(shù)Rl/A來表征再生粗骨料混凝土內(nèi)界面過渡區(qū)的幾何長度參數(shù),以消除混凝土中粗骨料空間分布不均勻性的影響.長度界面參數(shù)Rl/A具體表達(dá)式[10]如下:
式中:∑l i為在20 mm×20 mm的測試區(qū)內(nèi)各類界面過渡區(qū)的長度之和.
各組混凝土的抗壓強(qiáng)度見表2.從表2可以看出,各組混凝土抗壓強(qiáng)度均隨齡期延長而增大,并且在28 d前(3~28 d)抗壓強(qiáng)度的增長速率遠(yuǎn)大于28 d后(28~120 d)的增長速率.這是由于早齡期時(shí)水泥的水化速率較快,水化產(chǎn)物的填充效應(yīng)比較明顯,因而混凝土抗壓強(qiáng)度能得到快速提升;隨著齡期的延長,未水化的水泥顆粒越來越少,水化進(jìn)程也越來越緩慢,因而抗壓強(qiáng)度的提升也不再明顯.
表2 各組混凝土的抗壓強(qiáng)度和快速氯離子遷移系數(shù)Table 2 Compressive strength and rapid chloride diffusion coefficient of concretes
當(dāng)再生粗骨料取代率與齡期固定時(shí),水灰比越大,混凝土抗壓強(qiáng)度越小.這是因?yàn)楸疚闹兴挠昧渴且欢ǖ?,?dāng)水灰比較大時(shí),意味著水泥用量更少,這會(huì)在混凝土中產(chǎn)生多余的自由水,這部分多余的自由水不能參與水泥的水化過程,而在混凝土中留下更多孔隙;同時(shí),較大的水灰比會(huì)導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)生更多的CH晶體,使得水泥砂漿更加疏松,從而影響混凝土的抗壓強(qiáng)度.
當(dāng)水灰比和齡期固定時(shí),再生粗骨料取代率越高,混凝土抗壓強(qiáng)度越小.這是因?yàn)榻缑孢^渡區(qū)是混凝土內(nèi)的薄弱環(huán)節(jié),再生粗骨料取代率越高,混凝土內(nèi)界面過渡區(qū)的含量和種類就越多,抗壓強(qiáng)度測試加載過程中混凝土就越容易開裂而失效破壞.
各組混凝土的快速氯離子遷移系數(shù)見表2.從表2可以看出,齡期越長,混凝土快速氯離子遷移系數(shù)越小,即混凝土抗氯離子滲透性能越強(qiáng).其機(jī)理解釋與2.1相似,齡期越長,水泥的水化作用越徹底,水化產(chǎn)物對混凝土內(nèi)部孔隙、裂縫等缺陷的填充效應(yīng)也就越明顯,因而混凝土密實(shí)程度越高,抵抗外界侵蝕物質(zhì)(即氯離子)的能力也就越強(qiáng).
當(dāng)再生粗骨料取代率與齡期固定時(shí),水灰比越大,混凝土快速氯離子遷移系數(shù)越大,即混凝土抗氯離子滲透性能越弱.這是因?yàn)樗冶仍酱?,水泥砂漿越疏松多孔,氯離子的滲透通道越多,混凝土抗氯離子滲透性能也就越弱.
當(dāng)水灰比和齡期固定時(shí),再生粗骨料取代率越高,混凝土快速氯離子遷移系數(shù)越大,即混凝土抗氯離子滲透性能越弱.這是因?yàn)榻缑孢^渡區(qū)給氯離子提供了更多的滲透通道.
張鴻儒[10]提出的長度界面參數(shù)Rl/A可以反映混凝土內(nèi)界面過渡區(qū)的二維數(shù)量,其定義為:再生粗骨料混凝土截面內(nèi),單位面積的粗骨料所引入的界面過渡區(qū)的長度總和.本文將其記為ξl.
各組混凝土的長度界面參數(shù)見圖1.從圖1可以看出,對于3種水灰比的混凝土,長度界面參數(shù)均隨著再生粗骨料取代率的提高而變大.這是因?yàn)殡S著再生粗骨料取代率的提高,再生粗骨料表面附著的老砂漿將在混凝土中引入更多的界面過渡區(qū),從而導(dǎo)致混凝土中的界面長度總和變大.同時(shí),再生粗骨料取代率越大,長度界面參數(shù)的離散性就越大.這是由于再生粗骨料表面附著的老砂漿的含量是隨機(jī)的,再生粗骨料取代率越高,老砂漿的含量不確定性就越大,從而導(dǎo)致長度界面參數(shù)的離散性越大.
圖1 各組混凝土的長度界面參數(shù)Rl/AFig.1 Length ITZ parameter of concretes
長度界面參數(shù)ξl未能考慮混凝土內(nèi)再生粗骨料數(shù)量對界面含量的影響.針對這一研究的不足,本節(jié)在長度界面參數(shù)ξl的基礎(chǔ)上建立了能反映再生粗骨料數(shù)量影響的體積界面參數(shù)ξv,并將其定義為:再生粗骨料混凝土內(nèi)界面過渡區(qū)的總體積占混凝土體積的比值.具體表達(dá)形式如下:
式中:VITZ為混凝土切片測試區(qū)內(nèi)界面過渡區(qū)的體積;Vtest為混凝土切片測試區(qū)的體積;dITZ為界面過渡區(qū)的寬度,考慮到界面過渡區(qū)的寬度值相對穩(wěn)定(為45~55μm),故本研究取dITZ=50μm;V0為單方混凝土的體積,V0=1 m3;Va為單方混凝土中粗骨料的體積.
Va的計(jì)算方法如下:
式中:VNA、VRA分別為單方混凝土中天然粗骨料、再生粗骨料的體積;MNCA、MRCA分別為單方混凝土中天然粗骨料、再生粗骨料的質(zhì)量;ρNCA、ρRCA分別為天然粗骨料、再生粗骨料的表觀密度.
9組混凝土單方體積內(nèi),粗骨料總體積Va以及對應(yīng)的體積界面參數(shù)ξv的值如表3所示.
表3 混凝土單方體積內(nèi)的Va和ξvTable 3 Values of Va andξv in concrete per cubic meter
影響混凝土材料性能的因素除了界面體積外,還有混凝土內(nèi)砂漿的性能.而混凝土的水灰比mW/mC一方面能很好地表征砂漿的性能,另一方面在工程實(shí)際中獲取相對簡單.因此,在體積界面參數(shù)ξv的基礎(chǔ)上,同時(shí)考慮水灰比,建立包含更多信息的再生粗骨料混凝土參數(shù),稱為廣義界面參數(shù)ξg.ξg應(yīng)滿足以下2點(diǎn)條件:(1)當(dāng)水灰比一定時(shí),ξg與ξv間存在線性關(guān)系;(2)當(dāng)ξv的值一定時(shí),ξg與水灰比之間存在反比例關(guān)系.基于此,本文提出廣義界面參數(shù)ξg的形式如下:
式中:β1、β2分別為界面體積、水灰比對混凝土材料性能影響程度的系數(shù).
β1和β2與混凝土性能指標(biāo)和齡期有關(guān),對不同齡期下的各項(xiàng)混凝土性能指標(biāo),存在不同的β1和β2值.為了分析廣義界面參數(shù)ξg的有效性,本文通過1st Opt軟件對9組混凝土在各齡期下的抗壓強(qiáng)度和快速氯離子遷移系數(shù)進(jìn)行擬合,獲得β1和β2的值,如表4所示.
表4 各齡期下抗壓強(qiáng)度和快速氯離子遷移系數(shù)所對應(yīng)的β1和β2值Table 4 Values ofβ1 andβ2 for compressive strength and rapid chloride ion diffusion coefficients of concretes at various ages
2.6.1 界面參數(shù)與再生粗骨料取代率的關(guān)系
由于對應(yīng)不同的齡期和不同的性能指標(biāo),存在不同的ξg值,因此本文以28 d齡期下的抗壓強(qiáng)度所對應(yīng)的ξg值為例進(jìn)行分析.界面參數(shù)與再生粗骨料取代率的關(guān)系如圖2所示.
由圖2(a)可見,對于3種混凝土配合比,長度界面參數(shù)ξl的值均隨著再生粗骨料取代率的增大而增大.這是因?yàn)?,長度界面參數(shù)ξl反映的是單位面積粗骨料所引入的界面過渡區(qū)長度,而相比于天然粗骨料,單位面積再生粗骨料上存在更多的界面過渡區(qū).所以,再生粗骨料取代率越高,混凝土截面內(nèi)界面過渡區(qū)的長度更長.
圖2 界面參數(shù)與再生粗骨料取代率的關(guān)系Fig.2 Relationship between interface parameter and RA replacement ratio
由圖2(b)可見,對于3種混凝土水灰比,體積界面參數(shù)ξv的值均隨著再生粗骨料取代率的增大而增大.這是因?yàn)轶w積界面參數(shù)ξv包含了2部分內(nèi)容,分別為長度界面參數(shù)ξl和粗骨料的體積Va.前文已知,長度界面參數(shù)ξl隨著再生粗骨料取代率的增大而增大;對于粗骨料的體積Va,當(dāng)混凝土配合比中粗骨料質(zhì)量一定時(shí),由于再生粗骨料表觀密度較低,因此再生粗骨料取代率越高,單位體積混凝土內(nèi)粗骨料的體積越大.
由圖2(c)可見,對于3種混凝土水灰比,廣義界面參數(shù)ξg均隨著再生粗骨料取代率的增大而增大.這是因?yàn)閺V義界面參數(shù)ξg包含了體積界面參數(shù)ξv和水灰比mW/mC這2個(gè)部分.前文已知,在水灰比一定的前提下,體積界面參數(shù)ξv隨再生粗骨料取代率增大而增大,因此ξg也隨之增大.
2.6.2 界面參數(shù)與混凝土材料性能的關(guān)系
對于界面參數(shù)ξl和ξv,由于其未考慮水灰比的影響,因此取同一齡期下3個(gè)水灰比的混凝土所對應(yīng)相關(guān)系數(shù)的平均值為該齡期下相關(guān)系數(shù)的最終值.
在齡期3、28、120 d時(shí),3個(gè)界面參數(shù)與混凝土抗壓強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)如圖3(a)所示.從圖3(a)中可以發(fā)現(xiàn),在齡期3 d時(shí),界面參數(shù)ξl、ξv與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值,表明彼此之間不存在線性關(guān)系.這是因?yàn)?,在早齡期時(shí),混凝土內(nèi)水泥水化未完全,混凝土的抗壓強(qiáng)度更大程度上受砂漿性能的影響,而混凝土內(nèi)界面含量對抗壓強(qiáng)度的影響較小.但是,在齡期28、120 d時(shí),界面參數(shù)ξl和ξv與抗壓強(qiáng)度擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均提升,且隨著齡期的延長,擬合曲線的線性關(guān)系也增強(qiáng).這是因?yàn)?,隨著齡期的延長,水泥水化完全、砂漿性能相對穩(wěn)定后,混凝土內(nèi)界面含量對抗壓強(qiáng)度的影響增強(qiáng).
對于廣義界面參數(shù)ξg,其與3、28、120 d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)分別為0.884、0.955和0.959.這表明ξg與各齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度之間均存在良好的線性相關(guān)關(guān)系.比較廣義界面參數(shù)ξg與ξl、ξv可以發(fā)現(xiàn),對各齡期下混凝土的抗壓強(qiáng)度,ξg的相關(guān)系數(shù)都更接近1,特別是3 d齡期時(shí)的相關(guān)系數(shù)提升最明顯.這表明ξg與各齡期下抗壓強(qiáng)度的線性關(guān)系更強(qiáng),即ξg的有效性更高.而這是因?yàn)閺V義界面參數(shù)ξg綜合考慮了界面含量和水灰比對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響.
在齡期28、120 d時(shí),3個(gè)界面參數(shù)與混凝土快速氯離子遷移系數(shù)的相關(guān)系數(shù)如圖3(b)所示.由圖3(b)可以發(fā)現(xiàn),與ξl和ξv相比,ξg與各齡期下混凝土快速氯離子遷移系數(shù)的相關(guān)系數(shù)更接近1,尤其是齡期120 d時(shí).這表明廣義界面參數(shù)ξg與各齡期下混凝土的快速氯離子遷移系數(shù)之間的線性關(guān)系更強(qiáng).這是因?yàn)樵偕止橇先〈屎退冶染鶗?huì)影響氯離子在混凝土內(nèi)的遷移,而廣義界面參數(shù)ξg綜合考慮了界面含量和水灰比對混凝土快速氯離子遷移系數(shù)的影響.此外,ξg與齡期28、120 d時(shí)混凝土快速氯離子遷移系數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.985和0.931.因此可以認(rèn)為,廣義界面參數(shù)ξg與各齡期下混凝土的快速氯離子遷移系數(shù)之間存在良好的線性關(guān)系.
圖3 界面參數(shù)與混凝土材料性能的相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficient between interface parameter and material property of concretes
2.6.3 廣義界面參數(shù)的有效性驗(yàn)證
學(xué)術(shù)界和工程界較為重視28 d齡期下混凝土材料的力學(xué)性能和耐久性能.因此,基于表4中對28 d抗壓強(qiáng)度fc,t=28d擬合所得廣義界面參數(shù)的系數(shù)β1和β2,推導(dǎo)出基于廣義界面參數(shù)ξg的抗壓強(qiáng)度模型:
同理,可得28 d快速氯離子遷移系數(shù)D t=28d的模型:
為了檢驗(yàn)基于廣義界面參數(shù)ξg的模型有效性,利用張鴻儒論文[10]中3組再生粗骨料取代率下混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度和快速氯離子遷移系數(shù),通過式(6)、(7)獲得計(jì)算值,并與張鴻儒論文[10]中的實(shí)測值進(jìn)行比較,結(jié)果如圖4所示.
由圖4可知,3組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和快速氯離子遷移系數(shù)的計(jì)算值與實(shí)測值的相對誤差均小于15%.因此,可以認(rèn)為基于廣義界面參數(shù)ξg的模型在一定程度上能預(yù)測28 d齡期下混凝土的抗壓強(qiáng)度和快速氯離子遷移系數(shù)值.
圖4 混凝土材料性能的實(shí)測值與計(jì)算值對比Fig.4 Comparison of experimental data and calculated data of concrete material properties
由于再生粗骨料上附著的老砂漿含量具有隨機(jī)性,因此再生粗骨料混凝土材料性能具有較大的離散性.由圖4還可見,相比于實(shí)測值,通過廣義界面參數(shù)ξg計(jì)算得到的28 d抗壓強(qiáng)度更大、抗氯離子滲透性能更差,這可能是張鴻儒論文[10]與本文所用再生粗骨料中老砂漿含量及性能不一致等原因所致.
(1)隨著再生粗骨料取代率和水灰比的增加,再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗氯離子滲透性能均降低.
(2)長度界面參數(shù)ξl只能表征再生粗骨料取代率對界面含量的影響,未考慮混凝土內(nèi)粗骨料數(shù)量對界面含量的影響.
(3)體積界面參數(shù)ξv同時(shí)考慮了再生粗骨料取代率和粗骨料數(shù)量對界面體積的影響.但是,混凝土性能不僅與界面體積相關(guān),也與砂漿性能相關(guān),而ξv未能反映砂漿對混凝土性能的影響.
(4)廣義界面參數(shù)ξg能綜合反映混凝土內(nèi)界面體積和新砂漿性能對混凝土性能產(chǎn)生的影響,可以定量地揭示再生粗骨料混凝土材料性能的劣化機(jī)理.
(5)廣義界面參數(shù)ξg具有一定的可行性,但其適用性仍存在著一些不足.在后續(xù)研究中,可以基于本研究提出的廣義界面參數(shù)ξg,綜合考慮再生粗骨料成分來源、老砂漿含量及老砂漿性能等因素的影響,建立更加系統(tǒng)全面的界面參數(shù).