再生混凝土界面过渡区定量分析

徐福卫，田 斌，徐 港

(1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002； 2.湖北文理学院 土木工程与建筑学院，湖北 襄阳 441053)

1 问题的提出

再生混凝土是由再生骨料按一定比例掺入天然骨料，与水泥、水和外加剂等按比例拌和、制备成型后，养护硬化而成的一种非均质复合材料。不同于天然骨料，再生骨料表面附着有老砂浆，老砂浆含有大量机械破碎废弃混凝土时产生的损伤裂纹，这也是导致再生骨料的孔隙率高、吸水性强、密度相对较低的主要因素之一。从微观层面分析，再生混凝土组分包含原生骨料、原生骨料与新砂浆之间的界面过渡区、原生骨料与其表面附着老砂浆之间的界面过渡层(以下称老界面层)、老砂浆层、老砂浆与新砂浆之间的界面过渡层(以下称新界面过渡层)、新砂浆基体。本文将老界面层、老砂浆层、新界面层(也就是原生粗骨料表面至新砂浆基体部分结构)合称为再生界面过渡区(ITZ)，将原生粗骨料与新砂浆之间的界面过渡区称为普通界面过渡区，如图1所示。

普通混凝土界面过渡区是指骨料与砂浆基体之间的过渡区域。1983年解松善[1]研究混凝土界面过渡区时，从骨料至砂浆的过渡区域，将界面过渡区分为：渗透扩散层、接触层、富集层、弱效应层等4层的微观结构模型，如图2所示。根据BERGER的边壁效应[2]可知，骨料表面附近水膜层的水灰比要高于水泥浆体的水灰比，容易在骨料周边形成较大晶体的钙矾石等结晶化合物，以致界面过渡区结构疏松，孔隙率高。疏松的结构和较高的孔隙率使得界面黏结强度和抵抗渗透的能力降低，使界面过渡区成为混凝土中的薄弱环节。吴中伟[3]院士在研究混凝土界面过渡区微观结构中发现，氢氧化钙和钙矾石含量较多、晶体较大、生长取向明显，水灰比高、孔隙率大，是混凝土中的薄弱点，也是复合材料的基本问题，更是关键问题，决定了复合材料的宏观力学性能。

图2 普通混凝土界面过渡区微观结构示意Fig.2 Microstructure of ordinary concrete ITZ

再生混凝土的骨料中既有再生骨料，又有天然骨料，因此其界面过渡区存在再生界面过渡区(见图3(a))和普通界面过渡区(见图3(b))两类界面过渡区。与普通界面过渡区相比，再生界面过渡区中含有老界面层和老砂浆层，使得再生界面过渡区的结构更复杂，疏松程度、孔隙率都更高。Etxeberria等[4]在研究再生混凝土的界面过渡区结构时发现，普通界面过渡区的粘结强度比新界面层更高，老界面层是3种界面中最薄弱的界面。Dhir[5]发现再生混凝土界面过渡区的新界面层中存在大量的CH晶体，晶体排列取向明显，也是再生混凝土最薄弱之处。李文贵等[6]采用类似于Buyukozturk[7]和Liu[8]的模型试验方法，开展了含有9颗圆柱形再生骨料的模型试验，出现老界面层的孔隙率高于老砂浆的孔隙率，新界面层的孔隙率高于新砂浆的孔隙率；较大水灰比(0.67)的再生混凝土裂缝主要沿新界面层出现和发展，而较小水灰比(0.40)的再生混凝土的裂缝主要沿老界面层出现和发展。

图3 再生混凝土界面过渡区示意Fig.3 Schematic diagram of recycled concrete ITZ

界面过渡区(特别是再生界面过渡区)是再生混凝土裂缝发生和发展的区域，也是再生混凝土中最薄弱位置。国内外针对再生混凝土界面过渡区的结构和开裂机理研究成果不少，但界面过渡区对再生混凝土性能影响的程度如何，界面过渡区的定量计算还不是很清楚，这方面的报道也较少。本文对再生混凝土界面过渡区的厚度和体积进行定量分析，得出再生混凝土界面过渡区厚度和体积的计算方法，为进一步深入研究再生混凝土界面过渡区对再生混凝土力学性能的影响提供参考。

2 界面过渡区定量分析

普通界面过渡区与普通混凝土中的界面过渡区是相同的，其定量分析可以参照普通混凝土界面过渡区的研究成果[9]进行。以下主要是再生界面过渡区的定量分析，同时假设再生骨料是经过对废弃混凝土的机械破碎、筛分、清洗等常规生产流程加工而成的，未进行二次强化处理。

2.1 再生界面过渡区厚度

自再生骨料里面的原生骨料表面至新砂浆内边缘的再生界面过渡区包含有老界面层、老砂浆层、新界面层。再生骨料是由废弃混凝土机械破碎而来，由废弃混凝土生产的再生骨料表面附着大量的老砂浆，老砂浆由老界面层和老砂浆层组成，因此要定量分析再生界面过渡区的厚度，应先计算再生骨料外附着老砂浆的厚度，再根据老砂浆的厚度和新界面层的厚度来计算再生界面过渡区的厚度。再生骨料外附着的老砂浆直接影响再生骨料吸水率，为此，文献[10]将老砂浆附着率简化为吸水率的单因素函数：

wa=F(ws)

(1)

式中：wa为再生骨料吸水率；ws为再生骨料老砂浆附着率。

考虑机械破坏对再生骨料的损伤导致其实测吸水率偏大，引入修正系数λ(其取值一般为1.2～1.3)，则公式(1)修正为

(2)

文献[11]的试验研究结果表明：再生骨料砂浆附着率与吸水率、表观密度和压碎指标之间有较好的线性相关性。鉴于式(2)中取值的随意性和不确定性，式(2)的表达式可以直接采用线性表达式：

wa=a·ws+b

(3)

根据相关研究，当再生骨料最大粒径为16 mm时，a=0.177，b=0.36[12]；当再生骨料最大粒径为32 mm时，a=0.0825，b=1.2828[13]。

根据式(3)，可得砂浆附着率的表达式为

ws=(wa-b)/a

(4)

曹蓓蓓[14]研究了水泥砂浆、石灰岩、卵石和绿片岩等不同材料在不同温度下受温度影响的线膨胀率，不同组分材料线膨胀率随温度变化而变化不一。当温度较低(≤120℃)时，不同组分材料之间线膨胀率差距较小，最大只有0.04%，但温度升高到800℃时，绿片岩的线膨胀率达到了C40中水泥砂浆的一倍以上，常用卵石的线膨胀率也将近达到了C40中水泥砂浆的一倍，差异明显。砂浆的定量分析可以通过高温煅烧试验获得，高温-煅烧试验主要是利用原生骨料、水泥石和老砂浆之间的受热后不同的线膨胀系数不同，受热后产生各相材料的热应变不一致，在原生骨料和老砂浆之间的界面产生热应力，由于热应力的发展致使老砂浆从原生骨料表面剥离。再生骨料经过高温煅烧后，放入高速球磨机中，利用球磨珠的相互碰撞将附着在原生骨料表面的老砂浆分离出来，以此获得再生骨料表面附着砂浆的含量，因此含水率和砂浆含量之间的表达式可表示为

(5)

式中：ΔG=GRag-Gag为再生骨料中砂浆含量，GRag为烘干后再生骨料样品重量；Gag为高温煅烧后筛余再生骨料重量。

由此可得再生骨料砂浆含量体积为

(6)

式中：ρs为砂浆的表观密度。

将式(5)代入式(6)，式(6)则变换为

(7)

根据式(4)和式(7)可得砂浆含量体积与吸水率之间的关系为

(8)

则筛余后的再生骨料(也就是再生骨料中的原生骨料部分)Gag所占体积为：Vag=VRag-Vs，VRag为再生骨料的体积。相关研究[15-18]表明：混凝土中骨料的体积比与某个断面处骨料的面积比基本相等，由此可以计算出再生骨料某一界面处老砂浆和原生骨料的面积比，从而得到再生骨料附着砂浆的厚度。因此再生骨料中老砂浆与原生骨料的面积比为

(9)

式中：Vag为原生骨料的体积。

由式(9)得到粒径D为的再生骨料外面附着老砂浆的厚度ts为

(10)

(11)

2.2 界面过渡区体积分数

在再生混凝土中，界面过渡区包含再生界面过渡区和普通界面过渡区，如果不考虑界面层之间的重叠效应，直径为D的球形骨料外的界面过渡区体积VITZ(D)可用式(12)计算：

(12)

(13)

化简后为

(14)

若V(D)为再生界面过渡区的体积时，t取再生界面过渡区厚度计算值；若V(D)为普通界面过渡区的体积时，t取普通界面过渡区厚度值。

界面过渡区与混凝土骨料的体积之比也是反映混凝土性能的指标之一，界面过渡区体积占比越少，则混凝土的强度相对越高。界面过渡区的体积与再生混凝土中原生骨料体积之比为

(15)

式中：P为界面过渡区与原生骨料的体积比。

3 算例分析

根据文献[16]的研究数据，标号C20～C50的废弃混凝土破碎后制备的再生粗骨料中砂浆含量如表1所列。

表1 再生粗骨料的砂浆含量Tab.1 Mortar content of recycled coarse aggregate %

按照再生粗骨料粒径为5～25 mm的一级配，不同粒径的再生粗骨料外附着老砂浆的厚度如表2所示。

从表2可以看出：废弃混凝土强度对再生骨料表面砂浆附着厚度影响明显，其表面附着的砂浆平均厚度随再生骨料的粒径增加而增加。

表2 不同粒径的再生粗骨料外附着老砂浆的平均厚度Tab.2 Average thickness of recycled coarse aggregate with different particle sizes attached to old mortar mm

文献[3]指出，普通混凝土界面过渡区厚度一般为30～40 μm。陈惠苏等[9]从普通混凝土界面过渡区的定量计算中得到的界面过渡区厚度也不超过100 μm。魏鸿等[19]测定普通界面过渡区的厚度约为40 μm。将普通界面过渡区的厚度近似取为40 μm，新界面层厚度取为60 μm，则再生混凝土中不同粒径骨料外界面过渡区厚度如表3所列。

表3 不同粒径的骨料外界面过渡区厚度Tab.3 Thickness of aggregate ITZ with different particle sizes mm

根据式(13)或式(14)，可计算出不同粒径的骨料外界面过渡区体积分数(见表4)。表4中数据显示单个骨料外界面过渡区体积随骨料粒径的增加而增加，随废弃混凝土强度增加而减少。

表4 不同粒径的骨料外界面过渡区体积Tab.4 The volume of aggregate ITZ with different particle sizes mm3

若再生骨料掺量为30%，再生混凝土(以下简称RC30)界面过渡区体积如表5所示。界面过渡区体积与骨料(包含再生骨料和天然骨料)体积之比如表6所列。

表5 RC30中不同粒径的骨料外界面过渡区体积Tab.5 The volume of ITZ with different particle sizes in RC30 mm3

从表5可以看出：界面过渡区体积随骨料粒径的增加而增加，随废弃混凝土强度增加而减少。从表6的数据和趋势可以看出：随着废弃混凝土的强度增加，再生混凝土界面过渡区体积与骨料的体积之比减少；随着骨料粒径的增大，再生混凝土界面过渡区的体积与骨料的体积之比也呈减少趋势。由于界面过渡区是再生混凝土裂缝产生和扩展的初始位置，对混凝土来说是薄弱位置，界面过渡区体积占比越少，对再生混凝土强度来说是越有利。

表6 RC30中不同粒径的骨料外界面过渡区体积与骨料体积比Tab.6 The volume ratio of ITZ and coarse aggregate volume with different particle sizes in RC30 %

不同用途的再生混凝土，其再生骨料的掺量是不一样的。若不考虑废弃混凝土的强度，不同的再生骨料掺量对再生混凝土界面过渡区的体积与骨料的体积之比影响如表7所列。

表7 不同掺量再生骨料下界面过渡区与骨料体积比Tab.7 ITZ and coarse aggregate volume ratio under different admixtures of recycled aggregate %

表7中的数据是以强度为C30的废弃混凝土所生产的再生骨料来计算的。由表7可以看出：随着再生骨料掺量的增加，再生混凝土界面过渡区的体积与骨料的体积之比也呈增加趋势，表明再生骨料的掺量越多，界面过渡区的体积在再生混凝土中占比越高，对再生混凝土的宏观力学性能的不利影响也将越大，这与文献[17-18]的研究成果相吻合。从这个层面上说，界面过渡区与骨料的体积比也可以作为再生混凝土的宏观力学性能表征的参数之一。

4 结 论

通过对再生混凝土界面过渡区组成和分析，给出了界面过渡区厚度和体积定量计算公式，结合相关文献的数据进行了计算，对比验证了采用定量计算公式计算再生混凝土界面过渡区的厚度和体积的可行性。同时得出以下结论。

(1) 再生骨料外附着老砂浆的厚度、再生界面过渡区的厚度和体积、外界面过渡区的体积随骨料粒径的增加而增加，随废弃混凝土的强度升高而降低。

(2) 界面过渡区的体积与骨料体积之比随粒径增加而减少，随废弃混凝土强度升高而降低。

(3) 随着再生骨料掺量的增加，界面过渡区与骨料的体积比也随之增加，对再生混凝土的不利影响也将越大，此体积比也可作为再生混凝土宏观力学性能的表征参数之一，为定量分析界面过渡区对再生混凝土力学性能影响提供参考。