界面过渡区对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响

覃荷瑛， 杨玉兰

(1.广西岩土力学与工程重点实验室， 广西 桂林　541004；　2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林　541004)



界面过渡区对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响

覃荷瑛1,2， 杨玉兰2

(1.广西岩土力学与工程重点实验室， 广西 桂林541004；2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林541004)

[摘要]试验设计制作了三系列含有不同界面区长度和骨料横截面面积的再生混凝土和普通混凝土试块，利用快速氯离子渗透性试验对试块进行了抗氯离子渗透性能的测定，以探讨界面区对普通和再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响。试验结果表明，对普通混凝土，界面区的渗透系数约为砂浆渗透系数的58倍。对再生混凝土，界面区的渗透系数约为砂浆渗透系数的290倍，约为普通混凝土的界面区渗透系数的6.3倍。对掺有8%硅灰的再生混凝土，界面区的渗透系数约为砂浆渗透系数的66倍，与普通混凝土的界面区渗透系数较接近。可见再生混凝土的界面区是其抗氯离子渗透性能的薄弱环节；硅灰的掺入，能较好地改善界面区的性能。

[关键词]界面过渡区； 再生混凝土； 抗氯离子渗透性能； 快速氯离子渗透性试验； 硅灰

0引言

混凝土是一种由多组分组成的增强复合材料，可分为水泥基、粗骨料以及二者之间的界面过渡区三相，此三相在性能上存在着很大的差异。粗骨料是混凝土的“骨架”，普通混凝土的粗骨料采用的天然岩石经破碎而成的石子，而再生混凝土采用的是经过处理后的废弃混凝土块。与天然石子相比，废弃混凝土块具有孔隙率大、密度低、压碎指标值高、吸水率高等特点；在生产为再生粗骨料的过程中，其表面和内部产生了较多的裂纹；界面过渡区是混凝土中的薄弱环节，在很大程度上决定着混凝土的强度及耐久性性能。在研究混凝土材料不同尺度上的性能、缺陷以及相关机制时，可采用微观尺度、细观尺度和宏观尺度等不同的尺度方法。混凝土中氯离子渗透系数往往是骨料分布密度的函数[1]，对混凝土抗氯离子渗透性能的分析更关键的还应该从其细观结构入手，结合理论和试验进行研究。大量的研究结果表明，与普通混凝土相比，再生混凝土较强度低、弹性模量小、耐久性差[2-9]。混凝土中的水泥基、粗骨料及界面过渡区此三相以往的研究表明，将矿物掺合料尤其是硅灰掺入混凝土，利用其形态效应、填充效应、火山灰效应，可改善混凝土的各种性能[10]。本试验研究从细观尺度出发，在水泥砂浆(分别掺和不掺硅灰)中植入规则的天然粗骨料和再生粗骨料，制造出不同的界面区长度和不同骨料横截面面积，以研究混凝土中粗骨料和水泥砂浆之间的界面过渡区对普通混凝土和再生混凝土的抗氯离子渗透性影响规律，以及矿物掺合料硅灰对界面过渡区的改善。

1原材料及试验方案

1.1原材料

粗骨料： 采用天然碎石为普通混凝土试块的粗骨料；将实验室中废弃的钢筋混凝土板破碎后得到的混凝土碎块，进行人工清洗和筛分分级，使其级配良好，作为再生粗骨料。细骨料采用天然河砂，细度模数2.80，级配良好。骨料的基本性能见表1。

表1 骨料的基本性能Table1 Thebasicpropertiesofaggregates骨料类型粒径范围/mm堆积密度/(kg·m-3)表观密度/(kg·m-3)压碎指标/%吸水率/%天然粗骨料5～2516102760 9.101.2再生粗骨料5～251300259017.566.8细骨料<518202600――

水泥： 普通硅酸盐水泥42.5。其3，28 d的抗压强度和抗折强度分别为19.5、45.5 和4.5、8.0 MPa，比表面积312 m2/kg，标准稠度用水量26.5%。 矿物掺和料采用武汉新必达微硅灰有限公司生产的NR940级硅粉，其比表面积为19500 m2/kg，密度为2.26 g/cm3。

1.2试验方案

1.2.1试验方法及原理

本文采用快速氯离子渗透性试验方法测试试块的抗氯离子渗透性能，其试验过程如下：按标准的养护条件将试件养护至28 d龄期后，切成50 mm (厚度)×100 mm(直径)的圆柱体，放在真空饱水机进行饱水，而后将试件固定在分别盛有浓度为0.3 mol/L NaOH溶液和3.0% NaCl溶液的两溶液池之间，对两溶液池进行持续时间为9 h、电压为24 V的外加直流电场作用。在通电过程中，每1 min记录一次电流。通过电流-时间函数曲线计算出总电通量。再利用硝酸银溶液显色法测试试件的氯离子渗透深度，试件中氯离子在渗透系数利用Nernst-Plank方程获得[11]，如式(1)所示。

(1)

(2)

式中: Cd为自由氯离子浓度值，一般取值0.07 mol/L；C0：溶液中自由氯离子浓度值。

1.2.2砂浆及母体混凝土的试块制作及试验

砂浆的抗氯离子渗透性试验分为纯水泥砂浆以及用8%的硅灰等量替代水泥的砂浆两种；砂浆和再生粗骨料母体混凝土的抗氯离子渗透性试验按以上试验过程进行，其配合比及试验结果见表2。

1.2.3界面区的抗氯离子渗透性试验

为了测出混凝土(含再生混凝土)的粗骨料与砂浆间的界面过渡区渗透系数，将形状规则的、不同骨料面积和周长的棱柱体粗骨料(分天然和再生粗骨料)放入砂浆中，制成含规则粗骨料的混凝土试块。对试块进行抗氯离子渗透试验，得到通电量和渗透深度，根据式(1)求出其氯离子渗透系数。

表2 砂浆的配合比及试验结果Table2 Mixdesignandthetestresultsofmortarspecimen试样类型用水量/(kg·m-3)水泥用量/(kg·m-3)砂/(kg·m-3)石/(kg·m-3)硅灰/(kg·m-3)通电量Q/C渗透深度/mm渗透系数D(×10-8cm2/s)纯水泥砂浆200450600―024308.010.87含5%硅灰砂浆230414600―3621507.29.32C402004506001150015785.67.35

试件分为3个系列： NC系列，其粗骨料为天然石子，砂浆为纯水泥砂浆；RC系列，其粗骨料为再生混凝土碎块，砂浆为纯水泥砂浆；RSi系列，其粗骨料为再生混凝土碎块，砂浆为水泥砂浆加上用8%的硅灰；每一系列试件含二组，第一组(A1～A3)的骨料横截面积相等，但界面区长度不等，即骨料周长不等，自A1至A3周长依次增加；第二组(A4～A6) 界面区长度相等，即骨料横截面周长相等，但骨料横截面积不等，自A4至A6，骨料面积依次减少。试件中粗骨料大小、数量、面积及周长见表3。其中砂浆的配合比见表2。

规则骨料混凝土试件制作好后，按以上试验方法进行抗氯离子渗透性试验。部分试件如图1所示。

表3 规则骨料混凝土试件及其试验结果Table2 Thetestresultsoftheruleaggregateconcretespecimen系列编号骨料类型砂浆类型骨料尺寸(cm)骨料面积(cm2)骨料周长(m)砂浆含量试块渗透系数(×10-12m2/s)拟合渗透系数(×10-12m2/s)NC—A1天然骨料纯水泥砂浆4×4,1个160.160.79610.8010.42NC—A2天然骨料纯水泥砂浆2×4,2个160.240.79611.2510.76NC—A3天然骨料纯水泥砂浆2×2,4个160.320.79610.1411.07NC系列NC—A4天然骨料纯水泥砂浆6×6,1个360.240.5428.647.63NC—A5天然骨料纯水泥砂浆2×2,4×4200.240.74510.1510.13NC—A6天然骨料纯水泥砂浆2×2,3个120.240.84710.9011.38RC—A1再生骨料纯水泥砂浆4×4,1个160.160.79616.2416.86RC—A2再生骨料纯水泥砂浆2×4,2个160.240.79619.7619.28RC—A3再生骨料纯水泥砂浆2×2,4个160.320.79623.3621.70RC系列RC—A4再生骨料纯水泥砂浆6×6,1个360.240.54218.7017.37RC—A5再生骨料纯水泥砂浆2×2,4×4200.240.74517.4018.89RC—A6再生骨料纯水泥砂浆2×2,3个120.240.84719.2119.66RSi—A1再生骨料水泥+8%硅灰4×4,1个160.160.79610.9511.19RSi—A2再生骨料水泥+8%硅灰2×4,2个160.240.79612.1711.50RSi—A3再生骨料水泥+8%硅灰2×2,4个160.320.79611.8311.87RSi系列RSi—A4再生骨料水泥+8%硅灰6×6,1个360.240.54210.2210.35RSi—A5再生骨料水泥+8%硅灰2×2,4×4200.240.74512.1211.32RSi—A6再生骨料水泥+8%硅灰2×2,3个120.240.84712.4511.74

图1　规则骨料的混凝土试件Figure 1　The rule aggregate concrete specimen

2试验结果及分析

利用快速氯离子渗透性试验方法对规则骨料混凝土试件进行测试，根据试件的通电量、渗透深度，利用式(1)、式(2)计算出试件的氯离子渗透系数，结果表3。从细观角度分析，试块的通电量与氯离子渗透系数、试块的截面面积成正比，因此整个混凝土试件的渗透系数如下：

(3)

式中:Dc： 试块的氯离子渗透系数，Ac：试块的截面面积，Dm：砂浆的氯离子渗透系数，Am：砂浆截面面积；Da：粗骨料的氯离子渗透系数，Aa：粗骨料的截面面积，对天然粗骨料而言，Da=0；DI：界面区的氯离子渗透系数，AI：界面区的截面面积；等于粗骨料的边长与界面区厚度的乘积，即AI=lah。

以Dm和DIh为未知量。对数据结果进行拟合。

2.1NC系列试块

对砂浆为纯水泥砂浆、规则骨料为天然粗骨料的NC系列试块的实验数据进行拟合为：

(4)

相关系数r2=0.7583，根据式(3)，得Dm=12.30×10-12m2/s，DIh=3.16×10-14m/s；Larbi[11]和Scrivener[12]等分别利用半定量X射线衍射、背射图像技术得到混凝土的界面过渡区厚度约为40 μm和50 μm；Yang[13]计算得到界面过渡区厚度同样约为50 μm。本文界面区厚度采用50 μm，则计算出界面区渗透系数为：DI=632.00×10-12m2/s，约是砂浆渗透系数的58倍。拟合的结果见表3和图2。

图2　NC系列试块砂浆含量、界面区长度和渗透系数的关系Figure 2　Relationship among mortar content, length of ITZ and chloride diffusion coefficient of NC series specimen

2.2RC系列试块

对砂浆为纯水泥砂浆、规则骨料为再生粗骨料的RC系列试块的实验数据进行拟合，将式(3)变为：

(5)

根据表3的实验数据，拟合为：

(6)

相关系数r2=0.7859，依据式(5)得Da=6.05×10-12m2/s，Dm=13.56×10-12m2/s，(DI-Da)h=23.71×10-14m/s。

以往的研究成果[14,15]表明，再生混凝土的界面区厚度比天然骨料混凝土厚度稍大，约为60 μm，本文取60 μm，计算得到的界面区渗透系数为：DI=3957.72×10-12m2/s，约是砂浆渗透系数的290倍，约为天然骨料混凝土的界面区渗透系数的6.3倍。拟合的结果见表3和图3。

图3　RC系列试块砂浆含量、界面区长度和渗透系数的关系Figure 3　Relationship among mortar content, length of ITZ and chloride diffusion coefficient of RC series specimen

2.3 RSi系列试块

对砂浆为水泥砂浆+8%的硅灰等量替代水泥、规则骨料为再生粗骨料的RSi系列试块的实验数据进行拟合，依据表3的实验数据和式(5)进行拟合：

(7)

相关系数r2=0.7269，依据式(5)得Da=6.16×10-12m2/s，Dm=11.38×10-12m2/s，(DI-Da)h=3.81×10-14m/s；拟合的结果见表3和图4所示。

图4　RSi系列试块砂浆含量、界面区长度和渗透系数的关系Figure 4　Relationship among mortar content, length of ITZ and chloride diffusion coefficient of RSi series specimen

前期研究成果表明[2]，掺有硅灰的再生混凝土在较大程度上改善了界面过渡区的性能，减小了界面过渡区的厚度，因此本文对于RSi系列试块，界面过渡区的厚度同样取为50 μm，计算得到的界面区渗透系数为：DI=762.00×10-12m2/s，约是砂浆渗透系数的66倍；与天然骨料混凝土的界面区渗透系数接近。

比较NC和RC两系列试块试验结果可知，对再生混凝土而言，其粗骨料与砂浆之间界面过渡区的氯离子渗透系数比天然骨料混凝土界面过渡区的氯离子渗透系数要大的多，主要原因是再生骨料表面和内部一定量的旧砂浆造成的高吸水率在再生混凝土拌合时吸水较多，使得界面过渡区结构疏松；再者再生混凝土的界面过渡区易产生的微裂缝经扩展后贯穿，为氯离子的渗透提供了捷径。Otsuki[2]、Poon[16]等人利用扫描电镜对再生混凝土的界面微观结构进行观测，发现再生混凝土比天然骨料混凝土的界面结构薄弱，其界面的水化产物形状不规则且疏松多孔、粘结较差，有较多的微裂缝产生并扩展贯穿，为氯离子等有害化学物质的渗透提供了捷径，从而导致混凝土抗渗性严重下降。董芸[17]等利用各种微细观观测手段发现混凝土界面过渡区中有着易贯穿的微裂缝、高孔隙率、高钙硅比的水化产物以及呈优先取向的氢氧化钙晶体，是混凝土中的薄弱环节，对混凝土的强度及耐久性有很大的影响。后而活性掺和料硅灰掺入到混凝土中，因其具有火山灰效应和密实填充效应。在很大程度上降低孔隙率，减小水化产物的钙硅比，从而改善再生混凝土的界面结构，使其抗氯离子渗透性能增强。

3结语

① 从细观角度分析，混凝土由水泥基、粗骨料以及二者之间的界面过渡区三相组成，此三相中，界面过渡区是混凝土抗氯离子渗透性能最薄弱环节。天然骨料混凝土界面过渡区的渗透系数为其水泥砂浆渗透系数的58倍左右；再生骨料混凝土界面区的渗透系数为其水泥砂浆渗透系数的290倍左右。

② 因再生混凝土的界面过渡区结构疏松以及其易产生的微裂缝经扩展后贯穿，为氯离子的渗透提供了捷径，从而导致再生混凝土的抗氯离子渗透性能比天然骨料混凝土差。从试验结果可知，再生混凝土界面过渡区的氯离子渗透系数约为天然骨料混凝土的6倍。

③ 活性掺和料硅灰能改善再生混凝土的界面结构，使其抗氯离子渗透性能增强。文中利用8%的硅灰等量替代水泥，能在很大程度减小再生混凝土界面过渡区的氯离子渗透系数，其值接近天然骨料混凝土的界面渗透系数。

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Influence of the Interfacial Transition Zone on Anti Chloride Ion Permeability of Recycled Concrete

QIN Heying1,2, YANG Yulan2

(1.Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Guilin,Guangxi 541004, China;2.College of Civil Engineering and Architecture Guilin University of Technology, Guilin,Guangxi 541004, China)

[Abstract]Three series of ordinary and recycled concrete specimens with different interface zone length and aggregate cross-sectional area are analyzed by experiments in order to study on the influence of the interfacial transition zone (ITZ) on anti chloride ion permeability of recycled concrete by accelerated chloride migration test. The results show that the chloride ion diffusion coefficient of ITZ is about 58 times as much as that of the mortar in the oridinary concrete; and in the recycled concrete, the coefficient of ITZ is about 290 times as much as that of the mortar and is about 6.3 times as much as that of ITZ of the oridinary concrete; but for recycled concrete with 8% silica fume, the coefficient of ITZ is about 66 times as much as that of the mortar and is close to that of ITZ of the oridinary concrete. We can see that the interfacial zone is the weak link of the anti-chloride ion permeability in the recycled aggregate concrete and silica fume has good effect on improving the performance of them.

[Key words]interfacial transition zone; recycled concrete; anti-chloride ion permeability; accelerated chloride migration test; silica fume

[中图分类号]TU 528

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0070-05

[作者简介]覃荷瑛(1972-)，女,湖南邵阳人,副教授,博士,主要研究方向为混凝土结构耐久性；杨玉兰(1990-),女,广西南宁人,硕士研究生,主要研究方向为混凝土结构计算。

[基金项目]广西自然科学基金项目(2013GXNSFAA019299)；广西岩土力学与工程重点实验室资助课题(No.11-CX-04)；桂林理工大学人才基金(002401003391)

[收稿日期]2014-10-20