再生混凝土界面過渡區定量分析

徐福衛，田 斌，徐 港

(1.三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002； 2.湖北文理學院 土木工程與建筑學院，湖北 襄陽 441053)

1 問題的提出

再生混凝土是由再生骨料按一定比例摻入天然骨料，與水泥、水和外加劑等按比例拌和、制備成型后，養護硬化而成的一種非均質復合材料。不同于天然骨料，再生骨料表面附著有老砂漿，老砂漿含有大量機械破碎廢棄混凝土時產生的損傷裂紋，這也是導致再生骨料的孔隙率高、吸水性強、密度相對較低的主要因素之一。從微觀層面分析，再生混凝土組分包含原生骨料、原生骨料與新砂漿之間的界面過渡區、原生骨料與其表面附著老砂漿之間的界面過渡層(以下稱老界面層)、老砂漿層、老砂漿與新砂漿之間的界面過渡層(以下稱新界面過渡層)、新砂漿基體。本文將老界面層、老砂漿層、新界面層(也就是原生粗骨料表面至新砂漿基體部分結構)合稱為再生界面過渡區(ITZ)，將原生粗骨料與新砂漿之間的界面過渡區稱為普通界面過渡區，如圖1所示。

普通混凝土界面過渡區是指骨料與砂漿基體之間的過渡區域。1983年解松善[1]研究混凝土界面過渡區時，從骨料至砂漿的過渡區域，將界面過渡區分為：滲透擴散層、接觸層、富集層、弱效應層等4層的微觀結構模型，如圖2所示。根據BERGER的邊壁效應[2]可知，骨料表面附近水膜層的水灰比要高于水泥漿體的水灰比，容易在骨料周邊形成較大晶體的鈣礬石等結晶化合物，以致界面過渡區結構疏松，孔隙率高。疏松的結構和較高的孔隙率使得界面黏結強度和抵抗滲透的能力降低，使界面過渡區成為混凝土中的薄弱環節。吳中偉[3]院士在研究混凝土界面過渡區微觀結構中發現，氫氧化鈣和鈣礬石含量較多、晶體較大、生長取向明顯，水灰比高、孔隙率大，是混凝土中的薄弱點，也是復合材料的基本問題，更是關鍵問題，決定了復合材料的宏觀力學性能。

圖2 普通混凝土界面過渡區微觀結構示意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，因此其界面過渡區存在再生界面過渡區(見圖3(a))和普通界面過渡區(見圖3(b))兩類界面過渡區。與普通界面過渡區相比，再生界面過渡區中含有老界面層和老砂漿層，使得再生界面過渡區的結構更復雜，疏松程度、孔隙率都更高。Etxeberria等[4]在研究再生混凝土的界面過渡區結構時發現，普通界面過渡區的粘結強度比新界面層更高，老界面層是3種界面中最薄弱的界面。Dhir[5]發現再生混凝土界面過渡區的新界面層中存在大量的CH晶體，晶體排列取向明顯，也是再生混凝土最薄弱之處。李文貴等[6]采用類似于Buyukozturk[7]和Liu[8]的模型試驗方法，開展了含有9顆圓柱形再生骨料的模型試驗，出現老界面層的孔隙率高于老砂漿的孔隙率，新界面層的孔隙率高于新砂漿的孔隙率；較大水灰比(0.67)的再生混凝土裂縫主要沿新界面層出現和發展，而較小水灰比(0.40)的再生混凝土的裂縫主要沿老界面層出現和發展。

圖3 再生混凝土界面過渡區示意Fig.3 Schematic diagram of recycled concrete ITZ

界面過渡區(特別是再生界面過渡區)是再生混凝土裂縫發生和發展的區域，也是再生混凝土中最薄弱位置。國內外針對再生混凝土界面過渡區的結構和開裂機理研究成果不少，但界面過渡區對再生混凝土性能影響的程度如何，界面過渡區的定量計算還不是很清楚，這方面的報道也較少。本文對再生混凝土界面過渡區的厚度和體積進行定量分析，得出再生混凝土界面過渡區厚度和體積的計算方法，為進一步深入研究再生混凝土界面過渡區對再生混凝土力學性能的影響提供參考。

2 界面過渡區定量分析

普通界面過渡區與普通混凝土中的界面過渡區是相同的，其定量分析可以參照普通混凝土界面過渡區的研究成果[9]進行。以下主要是再生界面過渡區的定量分析，同時假設再生骨料是經過對廢棄混凝土的機械破碎、篩分、清洗等常規生產流程加工而成的，未進行二次強化處理。

2.1 再生界面過渡區厚度

自再生骨料里面的原生骨料表面至新砂漿內邊緣的再生界面過渡區包含有老界面層、老砂漿層、新界面層。再生骨料是由廢棄混凝土機械破碎而來，由廢棄混凝土生產的再生骨料表面附著大量的老砂漿，老砂漿由老界面層和老砂漿層組成，因此要定量分析再生界面過渡區的厚度，應先計算再生骨料外附著老砂漿的厚度，再根據老砂漿的厚度和新界面層的厚度來計算再生界面過渡區的厚度。再生骨料外附著的老砂漿直接影響再生骨料吸水率，為此，文獻[10]將老砂漿附著率簡化為吸水率的單因素函數：

wa=F(ws)

(1)

式中：wa為再生骨料吸水率；ws為再生骨料老砂漿附著率。

考慮機械破壞對再生骨料的損傷導致其實測吸水率偏大，引入修正系數λ(其取值一般為1.2～1.3)，則公式(1)修正為

(2)

文獻[11]的試驗研究結果表明：再生骨料砂漿附著率與吸水率、表觀密度和壓碎指標之間有較好的線性相關性。鑒于式(2)中取值的隨意性和不確定性，式(2)的表達式可以直接采用線性表達式：

wa=a·ws+b

(3)

根據相關研究，當再生骨料最大粒徑為16 mm時，a=0.177，b=0.36[12]；當再生骨料最大粒徑為32 mm時，a=0.0825，b=1.2828[13]。

根據式(3)，可得砂漿附著率的表達式為

ws=(wa-b)/a

(4)

曹蓓蓓[14]研究了水泥砂漿、石灰巖、卵石和綠片巖等不同材料在不同溫度下受溫度影響的線膨脹率，不同組分材料線膨脹率隨溫度變化而變化不一。當溫度較低(≤120℃)時，不同組分材料之間線膨脹率差距較小，最大只有0.04%，但溫度升高到800℃時，綠片巖的線膨脹率達到了C40中水泥砂漿的一倍以上，常用卵石的線膨脹率也將近達到了C40中水泥砂漿的一倍，差異明顯。砂漿的定量分析可以通過高溫煅燒試驗獲得，高溫-煅燒試驗主要是利用原生骨料、水泥石和老砂漿之間的受熱后不同的線膨脹系數不同，受熱后產生各相材料的熱應變不一致，在原生骨料和老砂漿之間的界面產生熱應力，由于熱應力的發展致使老砂漿從原生骨料表面剝離。再生骨料經過高溫煅燒后，放入高速球磨機中，利用球磨珠的相互碰撞將附著在原生骨料表面的老砂漿分離出來，以此獲得再生骨料表面附著砂漿的含量，因此含水率和砂漿含量之間的表達式可表示為

(5)

式中：ΔG=GRag-Gag為再生骨料中砂漿含量，GRag為烘干后再生骨料樣品重量；Gag為高溫煅燒后篩余再生骨料重量。

由此可得再生骨料砂漿含量體積為

(6)

式中：ρs為砂漿的表觀密度。

將式(5)代入式(6)，式(6)則變換為

(7)

根據式(4)和式(7)可得砂漿含量體積與吸水率之間的關系為

(8)

則篩余后的再生骨料(也就是再生骨料中的原生骨料部分)Gag所占體積為：Vag=VRag-Vs，VRag為再生骨料的體積。相關研究[15-18]表明：混凝土中骨料的體積比與某個斷面處骨料的面積比基本相等，由此可以計算出再生骨料某一界面處老砂漿和原生骨料的面積比，從而得到再生骨料附著砂漿的厚度。因此再生骨料中老砂漿與原生骨料的面積比為

(9)

式中：Vag為原生骨料的體積。

由式(9)得到粒徑D為的再生骨料外面附著老砂漿的厚度ts為

(10)

(11)

2.2 界面過渡區體積分數

在再生混凝土中，界面過渡區包含再生界面過渡區和普通界面過渡區，如果不考慮界面層之間的重疊效應，直徑為D的球形骨料外的界面過渡區體積VITZ(D)可用式(12)計算：

(12)

(13)

化簡后為

(14)

若V(D)為再生界面過渡區的體積時，t取再生界面過渡區厚度計算值；若V(D)為普通界面過渡區的體積時，t取普通界面過渡區厚度值。

界面過渡區與混凝土骨料的體積之比也是反映混凝土性能的指標之一，界面過渡區體積占比越少，則混凝土的強度相對越高。界面過渡區的體積與再生混凝土中原生骨料體積之比為

(15)

式中：P為界面過渡區與原生骨料的體積比。

3 算例分析

根據文獻[16]的研究數據，標號C20～C50的廢棄混凝土破碎后制備的再生粗骨料中砂漿含量如表1所列。

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

按照再生粗骨料粒徑為5～25 mm的一級配，不同粒徑的再生粗骨料外附著老砂漿的厚度如表2所示。

從表2可以看出：廢棄混凝土強度對再生骨料表面砂漿附著厚度影響明顯，其表面附著的砂漿平均厚度隨再生骨料的粒徑增加而增加。

表2 不同粒徑的再生粗骨料外附著老砂漿的平均厚度Tab.2 Average thickness of recycled coarse aggregate with different particle sizes attached to old mortar mm

文獻[3]指出，普通混凝土界面過渡區厚度一般為30～40 μm。陳惠蘇等[9]從普通混凝土界面過渡區的定量計算中得到的界面過渡區厚度也不超過100 μm。魏鴻等[19]測定普通界面過渡區的厚度約為40 μm。將普通界面過渡區的厚度近似取為40 μm，新界面層厚度取為60 μm，則再生混凝土中不同粒徑骨料外界面過渡區厚度如表3所列。

表3 不同粒徑的骨料外界面過渡區厚度Tab.3 Thickness of aggregate ITZ with different particle sizes mm

根據式(13)或式(14)，可計算出不同粒徑的骨料外界面過渡區體積分數(見表4)。表4中數據顯示單個骨料外界面過渡區體積隨骨料粒徑的增加而增加，隨廢棄混凝土強度增加而減少。

表4 不同粒徑的骨料外界面過渡區體積Tab.4 The volume of aggregate ITZ with different particle sizes mm3

若再生骨料摻量為30%，再生混凝土(以下簡稱RC30)界面過渡區體積如表5所示。界面過渡區體積與骨料(包含再生骨料和天然骨料)體積之比如表6所列。

表5 RC30中不同粒徑的骨料外界面過渡區體積Tab.5 The volume of ITZ with different particle sizes in RC30 mm3

從表5可以看出：界面過渡區體積隨骨料粒徑的增加而增加，隨廢棄混凝土強度增加而減少。從表6的數據和趨勢可以看出：隨著廢棄混凝土的強度增加，再生混凝土界面過渡區體積與骨料的體積之比減少；隨著骨料粒徑的增大，再生混凝土界面過渡區的體積與骨料的體積之比也呈減少趨勢。由于界面過渡區是再生混凝土裂縫產生和擴展的初始位置，對混凝土來說是薄弱位置，界面過渡區體積占比越少，對再生混凝土強度來說是越有利。

表6 RC30中不同粒徑的骨料外界面過渡區體積與骨料體積比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，其再生骨料的摻量是不一樣的。若不考慮廢棄混凝土的強度，不同的再生骨料摻量對再生混凝土界面過渡區的體積與骨料的體積之比影響如表7所列。

表7 不同摻量再生骨料下界面過渡區與骨料體積比Tab.7 ITZ and coarse aggregate volume ratio under different admixtures of recycled aggregate %

表7中的數據是以強度為C30的廢棄混凝土所生產的再生骨料來計算的。由表7可以看出：隨著再生骨料摻量的增加，再生混凝土界面過渡區的體積與骨料的體積之比也呈增加趨勢，表明再生骨料的摻量越多，界面過渡區的體積在再生混凝土中占比越高，對再生混凝土的宏觀力學性能的不利影響也將越大，這與文獻[17-18]的研究成果相吻合。從這個層面上說，界面過渡區與骨料的體積比也可以作為再生混凝土的宏觀力學性能表征的參數之一。

4 結 論

通過對再生混凝土界面過渡區組成和分析，給出了界面過渡區厚度和體積定量計算公式，結合相關文獻的數據進行了計算，對比驗證了采用定量計算公式計算再生混凝土界面過渡區的厚度和體積的可行性。同時得出以下結論。

(1) 再生骨料外附著老砂漿的厚度、再生界面過渡區的厚度和體積、外界面過渡區的體積隨骨料粒徑的增加而增加，隨廢棄混凝土的強度升高而降低。

(2) 界面過渡區的體積與骨料體積之比隨粒徑增加而減少，隨廢棄混凝土強度升高而降低。

(3) 隨著再生骨料摻量的增加，界面過渡區與骨料的體積比也隨之增加，對再生混凝土的不利影響也將越大，此體積比也可作為再生混凝土宏觀力學性能的表征參數之一，為定量分析界面過渡區對再生混凝土力學性能影響提供參考。