替代率对再生混凝土抗压强度影响的微观机理研究

2023-06-29魏康,李犇,孙峤

西安理工大学学报 2023年1期

魏康, 李犇, 孙峤

(1.大连大学建筑工程学院, 辽宁大连 116622; 2.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院, 广东佛山 528000)

随着我国城市化进程迅速发展,城市旧建筑的不断拆除产生了大量建筑垃圾[1]。而目前我国建筑垃圾利用率低,只有少部分建筑垃圾资源化利用在路基和非承重结构,而大部分是以在郊区堆放或填埋的传统方式进行处理,这对环境造成了极大的污染[2]。再生混凝土[3]是将普通混凝土进行破碎筛分的工艺处理后制成再生粗骨料来替换天然粗骨料,不仅可以解决建筑垃圾的堆放和利用问题,同时也符合国家倡导的绿色可持续发展,具有重大的经济及社会意义。

研究再生混凝土的抗压强度是其能被广泛应用的关键环节和决定要素。文献[4-7]通过研究得出再生混凝土抗压强度随替代率的增加而呈现逐渐降低的规律,但并未进一步对再生混凝土抗压强度逐渐降低的微观机理进行研究。另一方面,文献[8-10]利用电镜(SEM)分析了再生混凝土强度变化的微观机理,并得出界面过渡区是影响其强度因素之一。岳公冰[11]利用利用显微硬度计、SEM等测试技术,研究了再生粗骨料强度对再生混凝土多重界面结构特征、显微结构及性能的影响规律。文献[12-13]利用SEM和对复杂环境下替代率对再生混凝土的耐久性的影响规律进行了研究。白雷雷[14]利用SEM对骨料强化对再生混凝土抗压强度影响的机理进行了分析。Wang等[15]则利用Fourier变换红外光谱(FTIR)从混凝土水化产物的角度对再生混凝土抗冻性能的微观机理进行了研究。文献[16-18]是通过压汞法(MIP)从孔结构的角度研究高温对混凝土孔隙改变的影响及混凝土抗冻性能的微观机理。

而目前通过FTIR和MIP研究替代率对再生混凝土抗压强度影响的微观机理的试验较少,因此,为了更进一步揭示其变化规律的微观机理,本文针对6种不同替代率(0%、20%、40%、60%、80%、100%)的再生混凝土展开了抗压强度试验及对其进行骨料分布观测,探究替代率对再生混凝土抗压强度的影响规律,同时利用FTIR、SEM和MIP进一步研究替代率对再生混凝土抗压强度影响的微观机理,并建立其抗压强度的计算公式。期望研究成果可以进一步推广再生混凝土的应用。

1 试验概括

1.1 原材料

试验所用水泥为广州石井牌P.O 42.5 R级水泥,水是工业蒸馏水,外加剂选用聚羧酸高效减水剂,减水剂为淡黄色液体,减水率为30%。再生粗骨料来自佛山市某建筑材料有限公司,其中包括建筑碎石、少量红砖与瓷砖碎块。天然粗骨料采用连续级配的天然碎石。天然粗骨料与再生粗骨料见图1,天然粗骨料与再生粗骨料的级配组成见表1,级配曲线见图2。天然砂、天然粗骨料和再生粗骨料的基本物理性能见表2。

表1 天然粗骨料和再生粗骨料的级配组成Tab.1 Grading composition of natural coarse aggregate and recycled coarse aggregate

表2 天然砂、天然粗骨料和再生粗骨料的基本物理性能Tab.2 Basic physical properties of natural sand, natural coarse aggregate and recycled coarse aggregate

图1 天然粗骨料和再生粗骨料图片Fig.1 Pictures of natural coarse aggregate and recycled coarse aggregate

图2 天然粗骨料和再生粗骨料的级配曲线Fig.2 Gradation curve of natural coarse aggregate and recycled coarse aggregate

1.2 配合比设计

根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)配制C30再生混凝土,不同替代率的再生混凝土水灰比均为0.59,砂均为712.3 kg/m3,水均为222 kg/m3,减水剂均为1.9 kg/m3,水泥均为376.5 kg/m3,配合比见表3。替代率分别为0%、20%、40%、60%、80%和100%,试件编号分别为RAC0、RAC20、RAC40、RAC60、RAC80、RAC100。

表3 再生混凝土试验配合比Tab.3 Experimental mix proportion of recycled concrete 单位:kg/m3

1.3 试件制作及养护

按照标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082—2009)制作了6组试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试块54个,每组包含6个再生混凝土试件进行抗压强度、微观分析试验和3个再生混凝土试块进行骨料分布观测。室内自然养护1 d后拆模,在标准养护箱(温度为20±2℃,相对湿度≥95%)中养护28 d。

1.4 试验方法

抗压强度试验按照国家规范《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081—2002)进行,利用电液式压力试验机进行抗压试验。

骨料分布观测是利用切割机从浇筑面中间部位进行切割,观察切割面的骨料分布情况。

FTIR试验是首先将抗压试验压碎后的水泥石样品放在50℃真空干燥箱中干燥48 h,同时将溴化钾放于120℃真空干燥箱中进行干燥。选取1 mg干燥后的再生混凝土样品与干燥后的100 mg溴化钾置于玛瑙研钵中进行研磨5 min。然后将研磨后的混合物放入压片模具,将模具放入压力机中压片,压力选用15 MPa,时间为1.5 min。最后将压出的透明锭片放入Fourier变换红外光谱仪中进行测试[19]。

SEM试验是将水泥石样品进行喷金干燥处理后,利用电镜对样品进行观测。

MIP试验是首先将水泥石样品收集在试管中并立即用无水乙醇浸泡24 h以停止水化,然后将再生混凝土样品放到60 ℃真空干燥箱中干燥48 h,干燥结束后利用压汞孔径分析仪中进行测试。

本文采用了DYE-3000型电液式压力试验机,真空干燥箱型号为DZF-6050AB,型号为天光FTIR-960的Fourier变换红外光谱仪,电镜型号为SU-8020/X-MAX80,型号为安东帕PoreMaster 60的压汞孔径分析仪,试验设备见图3。

图3 试验设备Fig.3 Test equipment

2 结果与讨论

2.1 破坏形态

试件受压初期,不同替代率的再生混凝土的破坏形态相似。随着加载力值逐步增加,再生混凝土试件的内部应力不断增加,试件外表面逐渐出现了竖向微小裂缝,随后竖向微小裂缝迅速向上和下两侧延伸,相邻的微小裂缝开始汇集并合成连续裂缝且呈现逐渐变宽的态势。随着加载力值的持续增加,裂缝开始迅速由外表面向内部扩展,竖向裂缝逐步变多、变宽,试件表面出现外鼓、并开始剥落。最后加载力值达到最大值并稳定,加载结束,试件完全破坏,最终破坏形态为四角锥形。替代率为0%、60%和100%的再生混凝土抗压强试验后破坏形态照片见图4。

图4 不同替代率的再生混凝土破坏形态Fig.4 Failure morphology of recycled concrete at different replacement ratios

当替代率为0%时,混凝土的断裂面在天然粗骨料和新砂浆粘结界面出现,天然粗骨料并没有破坏。替代率为60%时,再生混凝土的断裂面开始在新旧砂浆与天然粗骨料以及再生粗骨料的粘结面出现,砂浆与粗骨料形成的界面过渡区成为此时抗压强度的薄弱区域。替代率为100%时,再生粗骨料自身开始发生贯穿性断裂,再生混凝土的断裂面不仅在新旧砂浆和再生粗骨料粘结面出现,而且出现在再生粗骨料之中,此时再生粗骨料的骨架强度成为抗压强度的薄弱区域。

2.2 抗压强度分析

不同替代率再生混凝土抗压强度见图5,图5中抗压强度为6个试件的平均值。从图5中可以看出,随着替代率增加,再生混凝土抗压强度整体呈现逐渐降低的态势,且当替代率从0%增加到60%时,为抗压强度下降缓慢阶段,而当替代率大于60%时,为抗压强度下降快速阶段。这是由于再生粗骨料的孔隙率大,强度低等自身缺陷会降低再生混凝土的强度。当少量的再生粗骨料加入时,对再生混凝土强度的负面影响相对较小,所以当替代率从0%增加到60%时,再生混凝土抗压强度随着替代率的增加呈现缓慢下降的趋势。而当替代率从60%增加到100%时,再生粗骨料的加入对再生混凝土强度的负面影响较大,使得其抗压强度随替代率的增加而快速降低。

图5 不同替代率再生混凝土抗压强度Fig.5 Compressive strength of recycled concrete at different replacement ratios

2.3 骨料分布分析

再生混凝土骨料分布见图6,其中图6(a)为RAC0、RAC20、RAC40的骨料分布图,图6(b)为RAC60、RAC80、RAC100的骨料分布图。由于再生粗骨料特征较为明显:周围包裹着旧砂浆的碎石、红砖与瓷砖碎块。所以图6是先将再生粗骨料用红色进行标记,再将余下的天然粗骨料用蓝色标记而成。由图6(a)可知,随着替代率从0%增加到40%时,再生混凝土试件骨料分布逐渐不均匀,图中出现的空白砂浆区域有所增加。在对试件进行抗压强度试验时,砂浆相较于粗骨料属于强度较弱材料,所以空白砂浆区域是混凝土的强度薄弱面积[20]。所以当替代率逐步增加到40%时,其强度薄弱面积有所增加,对其抗压强度产生不利影响。由图6(b)可知,随着替代率继续增加到60%、80%、及100%时,再生混凝土的强度薄弱面积因骨料分布均匀反而有所减少。然而,此时粗骨料的骨架强度已经成为影响再生混凝土抗压强度的主要因素,由于再生粗骨料本身缺陷的原因,造成其骨架强度低于天然粗骨料的骨架强度。所以当替代率大于60%时,再生混凝土的抗压强度也逐渐降低。

图6 不同替代率的再生混凝土骨料分布Fig.6 Aggregate distribution of recycled concrete at different replacement rates

2.4 微观机理分析

为进一步探究替代率对再生混凝土抗压强度的影响规律,本文选取了0%、60%和100%三种替代率,利用Fourier变换红外光谱(FTIR)对再生混凝土的水化产物进行分析,同时利用电镜(SEM)对其微观全貌进行分析,并通过压汞法(MIP)对再生混凝土的孔结构进行分析以揭示替代率对其抗压强度影响的微观机理。

2.4.1 Fourier变换红外光谱(FTIR)分析

不同替代率的再生混凝土红外光谱图如图7所示,其中图7(a)为455 cm-1波数的Si-O平面内弯曲振动吸收峰红外光谱图。图7(b)为3 643 cm-1波数的Ca(OH)2中O-H振动吸收峰红外光谱图。由图7(a)可以看出,在3种不同替代率下的再生混凝土均发生了Si-O平面内弯曲振动,且随着替代率从0%增加到100%,Si-O平面内弯曲振动吸收峰的强度逐渐减弱,这表明随着替代率的增加,再生混凝土内部水化产物C-S-H凝胶的生成量逐渐减少。由图7(b)中可以发现,当替代率由0%增加到100%时,再生混凝土的Ca(OH)2中O-H振动吸收峰的强度逐渐减弱,这意味着水化产物Ca(OH)2的生成量逐渐减少。而水化产物C-S-H凝胶和Ca(OH)2的减少会阻碍再生混凝土的水化发展,降低其水化程度和微结构的致密程度,从而降低强度。所以,随着替代率的增加,再生混凝土的抗压强度呈现了逐渐降低的规律。

图7 不同替代率的再生混凝土红外光谱图Fig.7 Infrared spectra of recycled concrete at different replacement ratios

2.4.2 电镜(SEM)分析

不同替代率下再生混凝土在1um尺寸下的SEM电镜图见图8。从图8中可以看出,在替代率为0%时,再生混凝土内部孔洞较少,结构较为密实。而当替代率增加到60%时,可以看到孔洞数量有所增加。当替代率达到100%时,从图8中可观察到内部孔洞数量大幅度增加,其内部密实度显著降低。究其原因可能是随着替代率的增加,再生混凝土内部水化程度逐渐降低,水化产物减少,对其内部孔隙的填充效果逐渐降低,因而使其内部孔洞逐渐增多,密实度下降,所以会导致再生混凝土的抗压强度逐渐降低。

图8 不同替代率的再生混凝土SEM电镜图Fig.8 SEM of recycled concrete at different replacement ratios

2.4.3 压汞法(MIP)分析

不同替代率下再生混凝土的孔径分布见图9。由图9可知,随着替代率从0%增加到60%,孔径在100～1 000 nm的孔径分布曲线向上偏移,这意味着在100～1 000 nm范围内的孔径分布逐渐增多。当替代率从60%增加到100%时,孔径在100～1 000 nm的孔径分布曲线再次向上偏移,表明此范围内孔径分布明显再次增多。由于此范围内的孔结构对混凝土强度有害,所以替代率的增加对其抗压强度产生不利影响。由图9中累计孔体积分布图可发现,随着替代率的增加,再生混凝土内部的累计孔体积也在增加,按照累计孔体积从高到低排序为RAC100>RAC60>RAC0。综合分析可发现,随着替代率的增加,再生混凝土内部100～1 000 nm的有害孔结构数量逐渐增加,其内部累计孔体积逐渐增多,密实度逐渐降低,造成其抗压强度逐渐下降。

图9 不同替代率的再生混凝土孔径分布图Fig.9 Pore size distribution of recycled concreteat different replacement ratios

再生混凝土孔隙率、总孔体积和总孔面积见表4。由表4可知当替代率从0%增加到60%时,孔隙率从12.80%上升到13.02%,升高了0.22个百分点。当替代率从60%增加到100%时,孔隙率从13.02%上升到14.53%,升高了1.51个百分点。这是由于再生粗骨料附着砂浆的孔隙较大,随着替代率的增加,再生混凝土中的附着砂浆也随之增多,从而导致其孔隙率逐渐升高。另外,随着替代率增加,再生混凝土的水化过程中的水化产物C-S-H和Ca(OH)2逐渐减少, 再生混凝土的水化程度降低, 最终造成再生混凝土的孔隙率逐渐升高,使其抗压强度逐渐降低。

表4 再生混凝土的孔隙率、总孔体积、总孔面积Tab.4 Porosity, total pore volume and total pore area of recycled concrete

不同替代率再生混凝土孔体积分布见表5。由表5可知,随着替代率从0%增加到60%,再生混凝土无害孔的累计孔体积百分比从21.04%下降到14.62%,下降了6.42个百分比,其有害孔的累计孔体积百分比从78.96%升高到85.38%。而当替代率从60%增加到100%时,再生混凝土无害孔的累计孔体积百分比从14.62%下降到14.13%,下降了0.49个百分点,其有害孔的累计孔体积百分比从85.38%上升到85.87%。这是因为水化产物C-S-H中的凝胶孔对再生混凝土抗压强度无害,当C-S-H填补了再生混凝土有害的孔隙时,可以增加无害孔的累计孔体积百分比,减少有害孔的累计孔体积百分比,优化其孔结构。所以随替代率从0%增加到100%时,再生混凝土的有害孔累计孔体积百分比逐渐增多,其抗压强度逐渐降低。

表5 再生混凝土的孔体积分布Tab.5 Pore volume distribution of recycled concrete

2.5 不同替代率下再生混凝土抗压强度计算公式

依据本试验所得出不同替代率下再生混凝土的抗压强度对其进行多项式拟合,拟合曲线见图10,图10中曲线y为本研究的拟合曲线,曲线y′为文献[7]中的数据拟合曲线。根据拟合曲线y,可以提出不同替代率下再生混凝土抗压强度的计算公式为:

fu=Ax2+Bx+C

(1)

式中:x为再生粗骨料替代率,%;fu为再生混凝土抗压强度的计算值,MPa;A=-5.10268E-4,B=0.01227,C=33.9025。拟合曲线的相关系数为0.993 13。

将利用计算公式得到的再生混凝土抗压强度计算值fu与试验值fcu进行对比,对比结果见表6。由表6可知再生混凝土抗压强度的计算值与试验值比值的平均值为1.000 1,利用计算公式得出的再生混凝土抗压强度计算值与试验值吻合较好。

表6 再生混凝土抗压强度的计算值与试验值对比Tab.6 Comparison of calculated and experimental values of compressive strength of recycled concrete

从图10中可知,当替代率为0%时,曲线y的截距值33.902 5 MPa,曲线y′的截距值为43.363 2 MPa,导致两条拟合曲线截距值相差较大的原因可能是再生粗骨料的来源不同。曲线y与曲线y′都表现出随着替代率的增加,再生混凝土的抗压强度逐渐下降的趋势,并且在替代率大于40%时,下降规律相似。