再生骨料混凝土界面過渡區(qū)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上再生骨料混凝土界面過渡區(qū)性能研究 學(xué) 院：材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)：材料學(xué) 姓 名：蔡琳琳 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師：蘇興華 再生骨料混凝土界面過渡區(qū)性能研究摘要：界面過渡區(qū)（ITZ）用作砂漿基體和粗骨料之間的橋梁，即使各個(gè)部件具有高剛度，由于這些橋梁中的斷裂（即界面過渡區(qū)域中的空隙和微裂紋），混凝土的剛度也會(huì)很低。因此，在評(píng)估混凝土的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮界面過渡帶的性質(zhì)。特別是在再生骨料混凝土中，由于與普通骨料混凝土相比，有更多的界面過渡帶。本研究采用兩種實(shí)驗(yàn)方法，分析再生骨料對(duì)再生骨料混凝土的影響：裝載后再生骨料混凝土的破壞形狀和再生骨料對(duì)再生骨料混凝土強(qiáng)度的影響；通過顯微

2、硬度試驗(yàn)，在骨料和砂漿之間界面過渡區(qū)的力學(xué)性能發(fā)生的變化。關(guān)鍵詞：再生骨料混凝土；界面過渡區(qū)；顯微硬度Study on Properties of Recycled Aggregate Concrete Interfacial Transition ZoneAbstract: The interface transition zone (ITZ) serves as a bridge between the mortar matrix and the coarse aggregate. Even if the components have high rigidity, the stiffne

3、ss of the concrete will be due to the rupture in these bridges (ie, voids and microcracks in the interface transition zone) Very low Therefore, in assessing the strength of concrete, should consider the nature of the interface transition zone. Especially in the recycled aggregate concrete, there is

4、more interface transition zone compared with ordinary aggregate concrete. In this study, two experimental methods were used to analyze the effect of recycled aggregate on recycled aggregate concrete: the failure shape of recycled aggregate concrete and the effect of recycled aggregate on the strengt

5、h of recycled aggregate concrete. Through microhardness test, The mechanical properties of the interface transition zone between the material and the mortar are changed.Key words: recycled aggregate concrete; interface transition zone; microhardness0 引言1824年英國泥水工Joseph Aspdin發(fā)明了波特蘭水泥，1861年巴黎黎花匠蒙耶（Mo

6、nier）發(fā)明了鋼筋混凝止并獲得專利。此后，海凝上結(jié)構(gòu)得到了大力推廣和發(fā)展，幾乎涵蓋了現(xiàn)代主木工程的所有領(lǐng)域，起著不可替代的重要作用。然而，隨著世界城市化進(jìn)程的加快，一方面人們對(duì)能源和材料的需求量越來越大，另一方面，既有建筑的拆除和自然災(zāi)害的頻發(fā)又產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，這兩方面原因直接加重了全球能源危機(jī)和環(huán)境問題。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，逐漸給自然環(huán)境帶來了巨大的負(fù)面壓力，其中固體廢棄物的污染問題已經(jīng)日益突顯出來。建筑垃圾作為固體廢棄物中的一種，已經(jīng)成為我國城市最大的固體廢棄物。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國僅在建筑物的改建、擴(kuò)建和舊建筑物拆除時(shí)每年就要產(chǎn)生0.30.4億噸混凝土固體廢棄物1。除此之

7、外，地震等自然災(zāi)害在給社會(huì)造成巨大災(zāi)難的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生龐大的建筑垃圾，在5.12汶川大地震中產(chǎn)生的混凝土固體廢棄物就達(dá)到了將近 2 億噸2。從保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及地球資源的觀點(diǎn)出發(fā)，有效處理和再生利用固體廢棄物，使它成為循環(huán)型可利用再生資源，不僅有利于保護(hù)天然骨料資源的枯竭，也能減輕對(duì)環(huán)境的破壞，保護(hù)人類生存的環(huán)境，走上可持續(xù)發(fā)展的良性循環(huán)道路3。 1 背景介紹再生混凝土，是指將建筑垃圾破碎制成再生骨料，骨料經(jīng)加工、分級(jí)、清洗后，制成再生粗骨料或再生細(xì)骨料，與天然骨料混合制成的新型混凝土。歐美等國家最先開始對(duì)再生混凝止的研巧，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上制定了專口的再生骨料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。美國大部分地區(qū)己將再生混凝

8、±運(yùn)用于公路建設(shè)中，其中，15個(gè)州制定了相關(guān)規(guī)范，再生混凝止己走向?qū)嵱没?998年，德國頒布了在混凝圖中采用再生集料的應(yīng)用指南，并且完全利用再生混凝土建造了一棟6層辦公樓，與美國相似，目前德國主要在公路路面中使用再生混凝±；法國將建筑垃圾中的混凝土與磚石砌體混合，破碎處理后制成磚石混凝土砌塊，澳大利亞的格里菲思大學(xué)研究表明，只要再生骨料滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)用于基層材料時(shí)，其性能完全可以與天然骨料相媳美。1.1 再生骨料混凝土的微觀組成再生混凝止是由水、水泥、砂、天然粗骨料、再生粗骨料按照一定配合比混合攬拌養(yǎng)護(hù)成型的人造石材。硬化成型的再生混凝±中含有水泥砂漿、天然骨

9、料、再生骨料、新界面過渡區(qū)和老界面過渡區(qū)。這里的新界面過渡區(qū)指的是天然骨料新砂漿界面或再生粗骨料中的舊骨料新砂漿界面、再生粗骨料中的舊砂漿新砂漿界面；老界面過渡區(qū)指的是再生粗骨料中的舊骨料舊砂漿界面，如圖1所示。圖1 再生混凝上微觀結(jié)構(gòu)示意圖混凝土中骨料與砂漿的彈性模量不同，使得混凝±在加載過程中，由于變形不協(xié)調(diào)而易在骨料與砂漿界面產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞，因此，骨料砂漿界面為混凝止中最薄弱界面。再生混凝土彈性模量低于天然混凝土，所以，可認(rèn)為在一定程度上減小了骨料與砂漿之間由于彈性模量相差太大而引起的應(yīng)力集中破壞。然而再生粗骨料性質(zhì)較脆，基體混凝止在長(zhǎng)期使用過程中，已經(jīng)存在損傷、老化等現(xiàn)象，

10、再生粗骨料在制備過程中經(jīng)過破碎清洗等過程，也容易在骨料內(nèi)部產(chǎn)生初始裂紋；再生粗骨料表面常常裹附一層或部分舊砂漿，舊砂漿的存在不僅影響骨料吸水率和水灰比，而且舊砂漿強(qiáng)度低，容易在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞。綜合可知，再生混凝土較天然混凝土存在更多類型界面，各相界面粘結(jié)程度、密實(shí)度和界面性質(zhì)均不相同，因此，必然會(huì)造成再生混凝土與天然混凝土不同的力學(xué)性能。1.2 再生骨料混凝土的結(jié)構(gòu)分析再生骨料混凝土與普通骨料混凝土相比，有更多的界面過渡帶，如圖2所示。圖2是再生骨料混凝土（RAC）的剖視圖。圖2 酚酞溶液處理過的再生骨料混凝土剖視圖從圖2中我們可以清楚地看到在再生骨料混凝土中，不僅有舊水泥沙漿和骨料之間

11、的舊界面過渡區(qū)，還有新水泥砂漿和骨料間的界面過渡區(qū)，以及有舊水泥砂漿和新水泥砂漿之間的界面，也就是說，相對(duì)于普通混凝土，再生混凝土的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，含有多種砂漿和界面過渡區(qū)4-8。有學(xué)者認(rèn)為再生骨料與砂漿之間的界面過渡帶對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度幾乎沒有影響，與普通混凝土相似；還有學(xué)者認(rèn)為再生骨料混凝土中的界面過渡帶使其比普通混凝土弱。產(chǎn)生這些矛盾的結(jié)果和和原因是因?yàn)殛P(guān)于再生骨料對(duì)再生骨料混凝土的影響科學(xué)證據(jù)不足。以及人們對(duì)于使用再生骨料的了解程度不高也不確定。因此需要關(guān)于使用再生骨料的再生骨料混凝土的強(qiáng)度的基本信息，以及可以使用回收骨料的次數(shù)，通過分析回收的界面過渡區(qū)的性質(zhì)變化以及界面過渡帶的骨料和砂漿和粘結(jié)

12、強(qiáng)度等信息來完善對(duì)再生骨料混凝土界面過渡區(qū)的了解和研究。2 試驗(yàn)2.1 實(shí)驗(yàn)原料天然砂粒（NS）采用河砂，天然粗骨料（NG）為常見的碎石以及回收粗骨料（RG）。 使用尺寸等級(jí)符合ASTM C778要求的標(biāo)準(zhǔn)砂和粗骨料，其中天然砂粒（NS）通過控制分級(jí)至5mm，天然粗骨料（NG）和回收粗骨料（RG）通過控制分級(jí)至25mm，回收粗骨料的比重和吸收符合KS F 2573的要求。天然粗骨料，NS和再生粗骨料的主要物理性質(zhì)如表1所示。表1 骨料的物理性能最大聚集粒度（mm）吸水率（%）密度（g/cm3）細(xì)度模量體積密度（g/cm3）天然粗骨料251.632.586.521642回收粗骨料251.932.

13、506.621615天然砂520682.532.791455 使用韓國雙龍水泥有限公司的I型波特蘭水泥，其化學(xué)性能符合ASTM C150的要求，如表2所示。表2 水泥的化學(xué)性能SiO2Fe2O3CaOMgOAl2O3Lg-loss21.922.8360.182.156.612.572.2 試驗(yàn)樣品分別在回收骨料利用率為0%和100%兩個(gè)比例各制備10個(gè)直徑100毫米高200毫米圓筒樣品，具體樣品性能如表3所示，引氣劑的使用是調(diào)整目標(biāo)坍落度以達(dá)到180±25mm和空氣含量為4.5±1.5，并且盡可能的減少游離水的量，除了用于攪拌水泥的所需水。圓筒樣品在水中固化28±

14、2 后20 d脫模。表3 樣品性能樣品W/C（%）S/A（%）單位質(zhì)量（N/m3）水泥水天然砂天然粗骨料回收粗骨料外加劑天然骨料混凝土5042343171.5712.5964.302.06再回收骨料混凝土5042343171.5712.509832.92.062.3 試驗(yàn)過程2.3.1 壓縮拉伸試驗(yàn)方法通過壓縮和拉伸試驗(yàn)測(cè)量再生骨料和再生骨料混凝土的破壞形狀，對(duì)照混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為27MPa，試驗(yàn)在10000N / min的負(fù)載控制下測(cè)試，機(jī)器容量500 kN。2.3.2 顯微硬度試驗(yàn)方法顯微硬度試驗(yàn)是通過維氏壓頭測(cè)量比界面過渡區(qū)更小的局部區(qū)域的材料的硬度的方法。 由于混凝土屬于脆性材料，

15、因此為了容易地識(shí)別通過維氏壓頭在樣品表面上形成的菱形凹痕，使用研磨拋光機(jī)將表面用120粒度的磨損材料拋光，然后使用超聲波清洗器也將樣品洗滌10分鐘，從而在拋光后除去樣品表面上的異物。其中用于顯微硬度測(cè)試的樣品在固化時(shí)間28天后，將圓筒切成10mm（寬度）30mm（長(zhǎng)度）1mm（高度）的樣品。在準(zhǔn)備的樣品中，共六個(gè)樣品（兩種天然骨料混凝土和四種再生骨料混凝土）。用于顯微硬度試驗(yàn)的樣品如圖3所示。圖3 顯微硬度測(cè)試樣品   在距離聚集體內(nèi)部90µm到300µm的距離內(nèi)測(cè)維氏顯微硬度，測(cè)試負(fù)載為10 g，接觸時(shí)間為10 s，如圖4所示。圖4 顯微硬度測(cè)試圖 為了更好地評(píng)

16、估新的界面過渡帶，在粗骨料下面的聚集體和砂漿基體之間的界面上測(cè)量顯微硬度，由于在骨料顆粒下由于內(nèi)部滲水而導(dǎo)致該位置具有最弱的界面過渡區(qū)。同時(shí)對(duì)于舊的界面過渡帶，由于原混凝土的鑄造方向無法區(qū)分，因此對(duì)粗骨料周圍的界面進(jìn)行隨機(jī)測(cè)量，這里把距聚集體表面10-50 mm距離處測(cè)得的維氏顯微硬度平均值定義為“界面過渡區(qū)維氏顯微硬度”。3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1 拉伸和壓縮試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論天然骨料混凝土（NAC）和再生骨料混凝土（RAC）的新拌和硬化性能如表4所示。表4 新拌混凝土硬化性能樣品含氣量（%）坍落度（mm）壓縮強(qiáng)度（MPa）抗張強(qiáng)度（MPa）天然骨料混凝土4.718328.27.2再回收骨料混凝土4.8

17、15723.76.4 從表中我們可以看到再生骨料混凝土的坍落度比天然骨料混凝土的坍落度降低，抗壓強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別比天然粗骨料混凝土降低了16和11。3.1.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果圖5 拉伸試驗(yàn)后混凝土的破壞形狀通過拉伸試驗(yàn)，天然粗骨料混凝土和再生骨料混凝土的破壞形狀如圖5所示。對(duì)于天然粗骨料混凝土制成的圓筒樣品，裂縫沿著骨料和砂漿表面之間的界面過渡區(qū)域延伸，進(jìn)而導(dǎo)致樣品失效。而再生骨料混凝土的破壞不僅由于砂漿和骨料之間的界面過渡區(qū)破壞而且還有再生粗骨料的內(nèi)部的微裂縫擴(kuò)展。同時(shí)在再生骨料混凝土失效樣品可以看到左右形狀呈現(xiàn)出完美的雙邊對(duì)稱性，因此認(rèn)為再生粗骨料內(nèi)的微裂紋可能對(duì)再生骨料混凝土的破壞產(chǎn)生不

18、利地影響。 Ke等人觀察到，這些再生骨料混凝土的失效形式與輕質(zhì)混凝土相似9。同時(shí)再生骨料混凝土的破壞受老砂漿與新型砂漿之間的粘結(jié)破壞的影響，Nagataki10等人認(rèn)為特別是回收粗骨料中的微裂紋是影響再生骨料混凝土的破壞的主要因素。3.1.2 壓縮試驗(yàn)結(jié)果圖6 壓縮試驗(yàn)后混凝土的破壞形狀在天然骨料混凝土和再生骨料混凝土圓筒樣品進(jìn)行壓縮試驗(yàn)后失效形狀如圖6所示。天然骨料混凝土的圓柱樣品在天然粗骨料（NG）和水泥砂漿之間的界面過渡區(qū)（ITZ）處發(fā)生裂紋。相比較而言，再生骨料混凝土的圓筒樣品則是伴隨著再生粗骨料（RG）和水泥砂漿之間的界面過渡區(qū)域的裂紋發(fā)展以及再生粗骨料本身的破壞而失效。此外，觀察發(fā)

19、現(xiàn)在壓縮試驗(yàn)后的再生骨料混凝土中，回收的粗骨料容易因通過再生粗骨料與砂漿之間的界面過渡區(qū)的破壞而從砂漿中分離出來，并且比較兩者樣品的失效形式，再生粗骨料混凝土界面過渡區(qū)的裂縫比天然粗骨料混凝土的更大和更寬。3.2 顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論根據(jù)天然粗骨料和再生骨料混凝土中使用的每種骨料外側(cè)的距離分別測(cè)量的顯微硬度試驗(yàn)結(jié)果如圖7（a）（b）所示。（a） （b）圖7 （a）（b）分別為天然骨料混凝土和再生骨料混凝土的維氏顯微硬度測(cè)試結(jié)果在天然粗骨料混凝土的樣品中，如圖7（a）所示，在距離聚集體和新水泥砂漿90-120µm之間的界面過渡區(qū)域顯微硬度試驗(yàn)值是最低的，可以看到顯微硬度試驗(yàn)值會(huì)隨著離

20、開界面過渡區(qū)域而增大，在距離聚集體150µm其值逐漸保持恒定。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與Otsuki11等人的結(jié)果相似，他們報(bào)道在粗骨料和水泥砂漿間界面過渡區(qū)的微小間隙有利于維氏壓頭的移動(dòng)。在再生骨料混凝土的樣品中，如圖7（b）所示。 再生骨料與舊砂漿帶之間的舊界面過渡帶（90-120 µm）的顯微硬度平均值為3.35，這個(gè)平均值為小于普通骨料混凝土在該區(qū)域的平均值4.30。在舊砂漿區(qū)（120-180µm）顯微硬度值逐漸增加，而在新的界面過渡帶（180-210µm）發(fā)現(xiàn)顯微硬度值又開始下降。在新砂漿區(qū)（210µm后），顯微硬度值再次增加。通過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)新界

21、面過渡帶的平均值為5.63，比舊界面過渡帶的平均值3.35提高了68.6。與舊界面過渡帶和舊砂漿區(qū)相比，新界面過渡帶和新砂漿區(qū)的顯微硬度值均較大。當(dāng)再生骨料混凝土樣品表面受到維氏壓頭負(fù)載時(shí)，重新承受負(fù)載的砂漿被推到樣品外部，被推出的砂漿與維氏壓頭的體積相同。由于該砂漿被推到外面，并且壓頭被壓入微孔和/或微裂縫（再生的粗骨料產(chǎn)生時(shí)由沖擊引起的），故聚集體和砂漿之間的界面過渡區(qū)的硬度值最低。因此，在使用再生骨料混凝土?xí)r，可以通過使用水泥漿料環(huán)氧樹脂材料填充微孔和微裂紋的方法以及在骨料表面上形成薄的技術(shù)來提高再生骨料混凝土的強(qiáng)度。4 結(jié)論通過拉伸和壓縮試驗(yàn)觀察分析再生骨料混凝土和天然骨料混凝土的失效

22、形式以及顯微硬度試驗(yàn)測(cè)試骨料和砂漿間界面過渡區(qū)硬度值的變化，得出以下結(jié)論：（1） 再生骨料混凝土在壓縮拉伸試驗(yàn)下骨料和砂漿間界面過渡帶斷裂的失效模式與天然骨料混凝土不同，再生骨料混凝土通常是由于骨料內(nèi)部裂紋的存在而造成破壞，而且再生骨料比天然骨料更容易從砂漿中脫落，其也觀察到較寬的界面過渡帶裂紋；（2） 在再生骨料與舊砂漿間的界面過渡區(qū)（90-120µm）的顯微硬度試驗(yàn)平均值3.35小于同一區(qū)域在天然骨料和水泥砂漿間的平均值4.30。同時(shí)再生骨料混凝土中再生骨料和舊砂漿的舊界面過渡區(qū)（ITZ）顯微值3.35低于新界面過渡區(qū)（ITZ）平均顯微硬度值5.65；（3） 舊界面過渡區(qū)比新界面

23、過渡區(qū)弱的原因是再生骨料在生產(chǎn)過程中由于沖擊而引起的裂紋和空隙造成的。 參考文獻(xiàn)：1 張金喜，張建華，鄔長(zhǎng)森 再生混凝土性能和孔結(jié)構(gòu)的研究J 建筑材料學(xué)報(bào)，2006，9( 2) : 142-1472 崔正龍，北辻政文，田中禮治 固體廢棄物再生骨料混凝土的耐久性試驗(yàn)研究J 硅酸鹽通報(bào)，2009，28( 5) : 1042-10453 崔正龍，莊 宇，汪振雙 關(guān)于再生骨料混凝土干燥收縮裂縫的試驗(yàn)研究J 四川大學(xué)學(xué)報(bào)( 工程科學(xué)版) ，2010，42( 5) : 160-1634 CRUMBIE A K. Characterisation of the microstructure of concr

24、ete D. London: University of London. 1994.5 ETXEBERRIA M. VAZQUEZ E. MARIA. Microstructure analysis of hardened recycled aggregate concrete J. Magazine of Concrete Research, 2006. 58(10): 683-690.6POON C S. SHUI Z H, LAM I. Effect of microstructure of ITZ on compressive strength of concrete prepared with recycled aggregates J. Construction and Building Materials, 2004, 18(6): 461-468.7JEONG H, Processing and properties of recycled aggregate concrete D. Urbana IL: University of Illinois at U