再生混凝土中老砂漿對界面過渡區(qū)的影響

再生混凝土中老砂漿對界面過渡區(qū)的影響

根據(jù)之前的研究，可替代混凝土的強(qiáng)度將比普通混凝土低，但與普通混凝土和普通混凝土的性質(zhì)不同。生骨材料包括天然骨材料、硬化塊、天然骨材料和硬化漿糊的結(jié)合體。將天然骨材料混合到混凝土中后，老砂漿的性能不同于天然骨材料，因此不可避免地會影響混凝土界面的性能。不同研究者采用的再生粗骨料不同,差異主要存在于原始廢舊混凝土的強(qiáng)度等級、老砂漿含量和強(qiáng)度、表面粉塵含量和骨料級配等.再生粗骨料的表面粉塵含量和吸水率會進(jìn)一步影響界面過渡區(qū)的性能.這就使得了不同研究者得到的結(jié)論差異較大,造成再生混凝土力學(xué)性能的離散性.孔德玉利用不同強(qiáng)度的廢舊混凝土作為骨料,包括15～20MPa、35～40MPa、55～60MPa3種強(qiáng)度的骨料,試驗(yàn)結(jié)果顯示,3種骨料壓碎指標(biāo)依次降低,制得的再生混凝土強(qiáng)度也表現(xiàn)出依次升高的趨勢.Padmini的研究也證明了這一點(diǎn).孫紹能研究了天然骨料表面粉塵含量對普通混凝土抗壓強(qiáng)度的影響,結(jié)果顯示粉塵含量越高時混凝土強(qiáng)度越低.對于再生骨料,表面粉塵含量較高,含泥量也高,對界面過渡區(qū)的力學(xué)性能影響較大,所以研究再生骨料表面粉塵含量對再生混凝土力學(xué)性能的影響顯得更加必要.李坤研究了再生骨料清潔狀態(tài)對再生混凝土力學(xué)性能的影響,結(jié)果顯示清潔的再生骨料制備的再生混凝土強(qiáng)度較未清洗的高出5%～8%.以上幾個方面闡述了再生混凝土相對普通混凝土力學(xué)性能劣化的本質(zhì)原因,但是這些原因的研究缺乏綜合分析,而且各個因素的影響程度也有待進(jìn)一步探究.筆者利用細(xì)微觀試驗(yàn)、形貌觀察和計算機(jī)分析等手段,綜合分析再生混凝土力學(xué)性能的本質(zhì)影響因素和破壞機(jī)理.1再生混凝土性能分析首先制備普通混凝土試塊,為了區(qū)分砂漿和石子,水泥采用白水泥,石子采用黑色石子,砂子采用一般河砂.養(yǎng)護(hù)28d后切割斷面研究骨料和硬化砂漿分布及含量,斷面照片如圖1(a)所示,利用圖像處理軟件區(qū)分兩種材料的數(shù)值圖形如圖1(b)所示,圖中黑色區(qū)域?yàn)樘烊还橇?白色為硬化水泥砂漿.取3個斷面圖形研究天然骨料和硬化砂漿的含量,以像素數(shù)代表所選區(qū)域的面積,可以得到兩種材料的面積百分比含量如表1所示.然后將該普通混凝土破碎成再生粗骨料,再次利用該再生粗骨料、普通硅酸鹽水泥(灰水泥)、河砂以及水配制再生混凝土,制成棱柱體試塊,養(yǎng)護(hù)28d后利用切割機(jī)切割斷面,研究再生混凝土中天然骨料、老砂漿和新砂漿的含量和分布.斷面照片如圖2(a)所示,利用圖像處理軟件區(qū)分兩種材料的數(shù)值圖形如圖2(b)所示,圖中黑色區(qū)域?yàn)樘烊还橇?白色為老硬化水泥砂漿,灰色新硬化水泥砂漿.取3個斷面圖形研究各成分的含量,可以得到3種材料的面積百分比含量如表2所示.根據(jù)已有研究證明混凝土中集料的體積百分比與某一斷面處的集料的面積百分比基本相等,所以表1和表2中各種材料的面積百分比可代表其體積含量.由表2可知再生骨料中老砂漿的體積含量為47.4%,由砂漿密度2000kg/m3,天然石子密度2600kg/m3,得老砂漿質(zhì)量百分比含量為41%.沈大慶利用煅燒的方法分離粗骨料和砂漿,得到再生骨料中老砂漿的含量平均為42.1%.袁飚利用濃硫酸浸泡的方法剔除老砂漿,得到C20和C30的廢舊混凝土制得的再生粗骨料中老砂漿含量分別為44.8%和40.4%.由上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),再生混凝土中新老砂漿總量為75%,而普通混凝土中的砂漿含量為55.3%.砂漿含量的增加必然對再生混凝土力學(xué)性能造成影響,這也造成再生混凝土的力學(xué)性能趨于接近砂漿的力學(xué)性能,即表現(xiàn)出強(qiáng)度低、脆性大.已有的研究絕大部分證明了再生混凝土強(qiáng)度較低,脆性表現(xiàn)在應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€的下降段,下降段越陡則脆性越大,筆者對再生混凝土應(yīng)力應(yīng)變系全曲線的研究證明了這一點(diǎn).另外已有研究證明界面過渡區(qū)是混凝土材料力學(xué)性能的薄弱點(diǎn),對于再生混凝土,界面過渡區(qū)可分3種情形:天然骨料和老砂漿之間;天然骨料和新砂漿之間;老砂漿和新砂漿之間.這3種界面過渡區(qū)在圖2中都能找到,分別對應(yīng)黑色和白色交界處,黑色和灰色交界處,白色和灰色交界處.2再生骨料、老砂漿和老界面界面過渡區(qū)的差異界面過渡區(qū)對再生混凝土力學(xué)性能的影響不可忽視,但是目前這方面還沒有相對成熟的研究方法,多數(shù)研究者往往利用掃描電鏡的方法,觀察界面過渡區(qū)形貌,從而能夠定性的分析其對再生混凝土性能的影響.利用掃描電鏡觀察了再生混凝土中3種界面過渡區(qū)形貌的異同.經(jīng)過大量界面過渡區(qū)形貌的觀察,最后選取部分具有代表性的圖片如圖3—圖5所示.圖3放大倍數(shù)為260倍,其中包含天然骨料、老砂漿和新砂漿,以及新老界面過渡區(qū).可以發(fā)現(xiàn)老界面過渡區(qū)比較密實(shí),而新界面過渡區(qū)比較疏松,厚度范圍也比較大,這是由于再生骨料表面粉塵較多而造成.圖4為天然骨料和新砂漿之間的界面過渡區(qū),圖5為老砂漿和新砂漿之間的界面過渡區(qū),放大倍數(shù)均為3000倍.通過兩個圖比較可以發(fā)現(xiàn),圖4中水泥石結(jié)晶顆粒較大,圖5中結(jié)晶顆粒較小較均勻,這可能是老砂漿的吸水率較高,使界面過渡區(qū)局部范圍內(nèi)水灰比的變化造成.界面過渡區(qū)都表現(xiàn)出結(jié)晶疏松、孔隙率高的特點(diǎn),其厚度大約為15～30μm,局部可能出現(xiàn)較大孔洞造成界面過渡區(qū)范圍變大.3再生混凝土試塊有限元模型再生混凝土由天然粗骨料、老界面、老砂漿、新界面和新砂漿組成,本模擬采用只含有一個圓形骨料的再生混凝土塊(見圖6),試塊的截面尺寸為100mm×100mm,厚度為20mm.天然粗骨料的直徑為20mm,老界面厚度為0.05mm,老砂漿厚度為2.5mm,新界面為0.05mm,其余部分為新砂漿.通過有限元軟件ANSYS對再生混凝土試件進(jìn)行單向加載模擬分析.天然粗骨料、老界面、老砂漿、新界面和新砂漿均采用SOLID65塊體單元模擬,材料特性采用線彈性受壓本構(gòu)關(guān)系,考慮單元受拉開裂.參考一些對石材、砂漿和界面過渡區(qū)的研究結(jié)果[9,10,11,12,13,14],取單元彈性模量、泊松比和抗拉強(qiáng)度等參數(shù)如表3.利用實(shí)體建模中的點(diǎn)、線、面、體等,建立命令和布爾運(yùn)算,建立實(shí)體模型,賦予相應(yīng)幾何模型的材料屬性,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分,形成的有限元模型見圖7.模型頂部X、Y向位移自由;底部約束Y方向的自由度,且約束試件邊緣中間第1370節(jié)點(diǎn)X方向的自由度.在Y方向施加豎向均布荷載10kN/mm2,選擇靜力分析,荷載按線性增加.計算結(jié)果表明:1)再生混凝土試塊中X、Y和Z向的應(yīng)力云圖,如圖8所示.其中,在應(yīng)力云圖中,壓應(yīng)力為負(fù),拉應(yīng)力為正.X向應(yīng)力的最大值為1.27MPa(拉),最小值為-2.68MPa(壓),都位于老界面處;Y向應(yīng)力的最大值為-4.29MPa,最小值為-14.99MPa,分別位于新界面和天然粗骨料處;Z向應(yīng)力的最大值為1.94MPa,最小值為-2.66MPa,分別位于天然粗骨料和老界面處.結(jié)果表明,天然粗骨料兩側(cè)的老界面在X方向處于受拉狀態(tài);試塊各部位在Y方向均處于受壓狀態(tài);由于材料泊松比的差異,在Z方向(厚度),天然粗骨料和老界面接觸處產(chǎn)生相互作用的拉壓應(yīng)力.2)當(dāng)拉應(yīng)力超過一定值后,將導(dǎo)致單元產(chǎn)生裂縫.再生混凝土試塊的裂縫開展情況,如圖9所示.在天然粗骨料左右兩側(cè)的老界面處最先出現(xiàn)裂縫,隨著荷載的增大,在新界面處也開始出現(xiàn)裂縫,裂縫不斷擴(kuò)展,最后在老砂漿處也出現(xiàn)了裂縫.裂縫在Z方向(厚度)分布均勻.表明老界面是再生混凝土的薄弱部位,容易發(fā)生破壞,對再生混凝土力學(xué)性能具有很大的影響.4再生骨料強(qiáng)度對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響再生混凝土和普通混凝土的本質(zhì)區(qū)別在于多了老硬化水泥砂漿,它的存在影響界面過渡區(qū)的性能.但是從宏觀角度,再生混凝土力學(xué)性能的影響因素中,起決定性作用的還應(yīng)該是新硬化水泥砂漿,因?yàn)槠浜空?0%或更多,而且新硬化水泥砂漿是作為基體,粗骨料是作為填充材料的.已有研究證明水灰比仍然是決定再生混凝土強(qiáng)度的最主要因素,筆者也充分說明了這一點(diǎn).筆者設(shè)計試驗(yàn)利用不同強(qiáng)度等級的廢舊混凝土加工成再生骨料,包括C20、C30、C40和C50,然后制備不同設(shè)計強(qiáng)度等級的再生混凝土,包括C20、C30和C40,水灰比分別為0.74、0.55、0.43,水泥采用P·O42.5,再生粗骨料取代率為100%.制備再生混凝土澆筑立方體抗壓試塊,試驗(yàn)測試其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度,以期研究影響再生混凝土力學(xué)性能的本質(zhì)因素.抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,圖10(a)為實(shí)測抗壓強(qiáng)度,圖中圖例C20等代表采用的再生骨料的原始強(qiáng)度等級為C20.圖10(b)為實(shí)測抗壓強(qiáng)度值與設(shè)計強(qiáng)度值之間的差值,從中可以分析再生骨料強(qiáng)度對再生混凝土強(qiáng)度的影響.由圖10(a)可以看出,隨水灰比的降低,再生混凝土抗壓強(qiáng)度也大幅提高;隨著再生骨料原始混凝土強(qiáng)度等級的提高,再生混凝土的抗壓強(qiáng)度也隨之提高.由圖10(b)可以發(fā)現(xiàn),C20的再生骨料制備的再生混凝土其抗壓強(qiáng)度都低于設(shè)計強(qiáng)度,C50的情形則都高于設(shè)計強(qiáng)度.另外還發(fā)現(xiàn),對于水灰比為0.43的情形,由于新硬化水泥砂漿的強(qiáng)度較高,如果再生骨料中老硬化水泥砂漿強(qiáng)度低于新硬化水泥砂漿,則嚴(yán)重削弱整個再生混凝土的抗壓強(qiáng)度.根據(jù)再生混凝土抗壓試塊破碎后的形貌觀察可以發(fā)現(xiàn),立方體和棱柱體試件破壞形態(tài)與普通混凝土基本相同.破裂面除了新砂漿內(nèi)部的破裂痕跡,能看到明顯沿界面過渡區(qū)的破裂.但是局部范圍也能發(fā)現(xiàn)老砂漿的破裂,尤其是對于C20廢舊混凝土的再生骨料,3種水灰比的再生混凝土都有沿老砂漿內(nèi)部的破裂.從破壞形態(tài)也證明了再生混凝土強(qiáng)度與原始廢舊混凝土強(qiáng)度等級有密切關(guān)系.根據(jù)以上分析,對于再生混凝土的制備給出以下建議,預(yù)期的再生混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于原始廢舊混凝土的強(qiáng)度等級,最好高出10MPa的強(qiáng)度等級,配制的再生混凝土可基本不受原始廢舊混凝土強(qiáng)度等級的影響.劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示.由圖11(a)可以看出,隨水灰比的降低,再生混凝土劈拉強(qiáng)度呈增加趨勢;隨著再生骨料原始混凝土強(qiáng)度等級的提高,再生混凝土的劈拉強(qiáng)度增加的趨勢不明顯,僅在水灰比0.43情形下隨之增加,由圖11(b)更容易看出這一點(diǎn).則說明再生混凝土的劈拉強(qiáng)度受再生骨料原始混凝土強(qiáng)度等級的影響較小,而主要取決于新硬化水泥砂漿的強(qiáng)度,即水灰比.由劈裂抗拉試塊破裂的形貌觀察發(fā)現(xiàn),破裂面基本上沿新砂漿和界面過渡區(qū),僅在水灰比為0.43的情形下發(fā)現(xiàn)有少量老砂漿的破裂.由于再生骨料中含有少量碎磚,破裂面中也有碎磚的破裂.另外根據(jù)前期抗折試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),再生混凝土抗折強(qiáng)度基本不受再生粗骨料取代率影響,只與新水泥砂漿的強(qiáng)度有關(guān).劈裂抗拉試驗(yàn)的受拉斷裂面位置被人為的確定,即在上下兩墊塊之間,所以,試驗(yàn)得到的強(qiáng)度與該位置內(nèi)部骨料分布等情形有關(guān),如果該位置處有老砂漿,則測得的劈拉強(qiáng)度會受其影響.抗折試驗(yàn)和軸心抗拉試驗(yàn)的斷裂面位置沒有被人為確定,斷裂是在薄弱部位發(fā)生,所以斷裂面除了新砂漿的破壞,就是界面過渡區(qū)的破壞,而不受再生骨料中老砂漿的強(qiáng)度的影響.5新老界面過渡區(qū)性能評價1)一般情況下再生混凝土中硬化砂漿總量約為75%,總量的增加造成了再生混凝土的力學(xué)性能的降低.2