再生混凝土中老砂浆对界面过渡区的影响

再生混凝土中老砂浆对界面过渡区的影响

根据之前的研究，可替代混凝土的强度将比普通混凝土低，但与普通混凝土和普通混凝土的性质不同。生骨材料包括天然骨材料、硬化块、天然骨材料和硬化浆糊的结合体。将天然骨材料混合到混凝土中后，老砂浆的性能不同于天然骨材料，因此不可避免地会影响混凝土界面的性能。不同研究者采用的再生粗骨料不同,差异主要存在于原始废旧混凝土的强度等级、老砂浆含量和强度、表面粉尘含量和骨料级配等.再生粗骨料的表面粉尘含量和吸水率会进一步影响界面过渡区的性能.这就使得了不同研究者得到的结论差异较大,造成再生混凝土力学性能的离散性.孔德玉利用不同强度的废旧混凝土作为骨料,包括15～20MPa、35～40MPa、55～60MPa3种强度的骨料,试验结果显示,3种骨料压碎指标依次降低,制得的再生混凝土强度也表现出依次升高的趋势.Padmini的研究也证明了这一点.孙绍能研究了天然骨料表面粉尘含量对普通混凝土抗压强度的影响,结果显示粉尘含量越高时混凝土强度越低.对于再生骨料,表面粉尘含量较高,含泥量也高,对界面过渡区的力学性能影响较大,所以研究再生骨料表面粉尘含量对再生混凝土力学性能的影响显得更加必要.李坤研究了再生骨料清洁状态对再生混凝土力学性能的影响,结果显示清洁的再生骨料制备的再生混凝土强度较未清洗的高出5%～8%.以上几个方面阐述了再生混凝土相对普通混凝土力学性能劣化的本质原因,但是这些原因的研究缺乏综合分析,而且各个因素的影响程度也有待进一步探究.笔者利用细微观试验、形貌观察和计算机分析等手段,综合分析再生混凝土力学性能的本质影响因素和破坏机理.1再生混凝土性能分析首先制备普通混凝土试块,为了区分砂浆和石子,水泥采用白水泥,石子采用黑色石子,砂子采用一般河砂.养护28d后切割断面研究骨料和硬化砂浆分布及含量,断面照片如图1(a)所示,利用图像处理软件区分两种材料的数值图形如图1(b)所示,图中黑色区域为天然骨料,白色为硬化水泥砂浆.取3个断面图形研究天然骨料和硬化砂浆的含量,以像素数代表所选区域的面积,可以得到两种材料的面积百分比含量如表1所示.然后将该普通混凝土破碎成再生粗骨料,再次利用该再生粗骨料、普通硅酸盐水泥(灰水泥)、河砂以及水配制再生混凝土,制成棱柱体试块,养护28d后利用切割机切割断面,研究再生混凝土中天然骨料、老砂浆和新砂浆的含量和分布.断面照片如图2(a)所示,利用图像处理软件区分两种材料的数值图形如图2(b)所示,图中黑色区域为天然骨料,白色为老硬化水泥砂浆,灰色新硬化水泥砂浆.取3个断面图形研究各成分的含量,可以得到3种材料的面积百分比含量如表2所示.根据已有研究证明混凝土中集料的体积百分比与某一断面处的集料的面积百分比基本相等,所以表1和表2中各种材料的面积百分比可代表其体积含量.由表2可知再生骨料中老砂浆的体积含量为47.4%,由砂浆密度2000kg/m3,天然石子密度2600kg/m3,得老砂浆质量百分比含量为41%.沈大庆利用煅烧的方法分离粗骨料和砂浆,得到再生骨料中老砂浆的含量平均为42.1%.袁飚利用浓硫酸浸泡的方法剔除老砂浆,得到C20和C30的废旧混凝土制得的再生粗骨料中老砂浆含量分别为44.8%和40.4%.由上述结果可以发现,再生混凝土中新老砂浆总量为75%,而普通混凝土中的砂浆含量为55.3%.砂浆含量的增加必然对再生混凝土力学性能造成影响,这也造成再生混凝土的力学性能趋于接近砂浆的力学性能,即表现出强度低、脆性大.已有的研究绝大部分证明了再生混凝土强度较低,脆性表现在应力应变全曲线的下降段,下降段越陡则脆性越大,笔者对再生混凝土应力应变系全曲线的研究证明了这一点.另外已有研究证明界面过渡区是混凝土材料力学性能的薄弱点,对于再生混凝土,界面过渡区可分3种情形:天然骨料和老砂浆之间;天然骨料和新砂浆之间;老砂浆和新砂浆之间.这3种界面过渡区在图2中都能找到,分别对应黑色和白色交界处,黑色和灰色交界处,白色和灰色交界处.2再生骨料、老砂浆和老界面界面过渡区的差异界面过渡区对再生混凝土力学性能的影响不可忽视,但是目前这方面还没有相对成熟的研究方法,多数研究者往往利用扫描电镜的方法,观察界面过渡区形貌,从而能够定性的分析其对再生混凝土性能的影响.利用扫描电镜观察了再生混凝土中3种界面过渡区形貌的异同.经过大量界面过渡区形貌的观察,最后选取部分具有代表性的图片如图3—图5所示.图3放大倍数为260倍,其中包含天然骨料、老砂浆和新砂浆,以及新老界面过渡区.可以发现老界面过渡区比较密实,而新界面过渡区比较疏松,厚度范围也比较大,这是由于再生骨料表面粉尘较多而造成.图4为天然骨料和新砂浆之间的界面过渡区,图5为老砂浆和新砂浆之间的界面过渡区,放大倍数均为3000倍.通过两个图比较可以发现,图4中水泥石结晶颗粒较大,图5中结晶颗粒较小较均匀,这可能是老砂浆的吸水率较高,使界面过渡区局部范围内水灰比的变化造成.界面过渡区都表现出结晶疏松、孔隙率高的特点,其厚度大约为15～30μm,局部可能出现较大孔洞造成界面过渡区范围变大.3再生混凝土试块有限元模型再生混凝土由天然粗骨料、老界面、老砂浆、新界面和新砂浆组成,本模拟采用只含有一个圆形骨料的再生混凝土块(见图6),试块的截面尺寸为100mm×100mm,厚度为20mm.天然粗骨料的直径为20mm,老界面厚度为0.05mm,老砂浆厚度为2.5mm,新界面为0.05mm,其余部分为新砂浆.通过有限元软件ANSYS对再生混凝土试件进行单向加载模拟分析.天然粗骨料、老界面、老砂浆、新界面和新砂浆均采用SOLID65块体单元模拟,材料特性采用线弹性受压本构关系,考虑单元受拉开裂.参考一些对石材、砂浆和界面过渡区的研究结果[9,10,11,12,13,14],取单元弹性模量、泊松比和抗拉强度等参数如表3.利用实体建模中的点、线、面、体等,建立命令和布尔运算,建立实体模型,赋予相应几何模型的材料属性,然后进行网格划分,形成的有限元模型见图7.模型顶部X、Y向位移自由;底部约束Y方向的自由度,且约束试件边缘中间第1370节点X方向的自由度.在Y方向施加竖向均布荷载10kN/mm2,选择静力分析,荷载按线性增加.计算结果表明:1)再生混凝土试块中X、Y和Z向的应力云图,如图8所示.其中,在应力云图中,压应力为负,拉应力为正.X向应力的最大值为1.27MPa(拉),最小值为-2.68MPa(压),都位于老界面处;Y向应力的最大值为-4.29MPa,最小值为-14.99MPa,分别位于新界面和天然粗骨料处;Z向应力的最大值为1.94MPa,最小值为-2.66MPa,分别位于天然粗骨料和老界面处.结果表明,天然粗骨料两侧的老界面在X方向处于受拉状态;试块各部位在Y方向均处于受压状态;由于材料泊松比的差异,在Z方向(厚度),天然粗骨料和老界面接触处产生相互作用的拉压应力.2)当拉应力超过一定值后,将导致单元产生裂缝.再生混凝土试块的裂缝开展情况,如图9所示.在天然粗骨料左右两侧的老界面处最先出现裂缝,随着荷载的增大,在新界面处也开始出现裂缝,裂缝不断扩展,最后在老砂浆处也出现了裂缝.裂缝在Z方向(厚度)分布均匀.表明老界面是再生混凝土的薄弱部位,容易发生破坏,对再生混凝土力学性能具有很大的影响.4再生骨料强度对再生混凝土抗压强度的影响再生混凝土和普通混凝土的本质区别在于多了老硬化水泥砂浆,它的存在影响界面过渡区的性能.但是从宏观角度,再生混凝土力学性能的影响因素中,起决定性作用的还应该是新硬化水泥砂浆,因为其含量占50%或更多,而且新硬化水泥砂浆是作为基体,粗骨料是作为填充材料的.已有研究证明水灰比仍然是决定再生混凝土强度的最主要因素,笔者也充分说明了这一点.笔者设计试验利用不同强度等级的废旧混凝土加工成再生骨料,包括C20、C30、C40和C50,然后制备不同设计强度等级的再生混凝土,包括C20、C30和C40,水灰比分别为0.74、0.55、0.43,水泥采用P·O42.5,再生粗骨料取代率为100%.制备再生混凝土浇筑立方体抗压试块,试验测试其抗压强度和劈裂抗拉强度,以期研究影响再生混凝土力学性能的本质因素.抗压强度试验结果如图10所示,图10(a)为实测抗压强度,图中图例C20等代表采用的再生骨料的原始强度等级为C20.图10(b)为实测抗压强度值与设计强度值之间的差值,从中可以分析再生骨料强度对再生混凝土强度的影响.由图10(a)可以看出,随水灰比的降低,再生混凝土抗压强度也大幅提高;随着再生骨料原始混凝土强度等级的提高,再生混凝土的抗压强度也随之提高.由图10(b)可以发现,C20的再生骨料制备的再生混凝土其抗压强度都低于设计强度,C50的情形则都高于设计强度.另外还发现,对于水灰比为0.43的情形,由于新硬化水泥砂浆的强度较高,如果再生骨料中老硬化水泥砂浆强度低于新硬化水泥砂浆,则严重削弱整个再生混凝土的抗压强度.根据再生混凝土抗压试块破碎后的形貌观察可以发现,立方体和棱柱体试件破坏形态与普通混凝土基本相同.破裂面除了新砂浆内部的破裂痕迹,能看到明显沿界面过渡区的破裂.但是局部范围也能发现老砂浆的破裂,尤其是对于C20废旧混凝土的再生骨料,3种水灰比的再生混凝土都有沿老砂浆内部的破裂.从破坏形态也证明了再生混凝土强度与原始废旧混凝土强度等级有密切关系.根据以上分析,对于再生混凝土的制备给出以下建议,预期的再生混凝土强度等级不应低于原始废旧混凝土的强度等级,最好高出10MPa的强度等级,配制的再生混凝土可基本不受原始废旧混凝土强度等级的影响.劈裂抗拉强度试验结果如图11所示.由图11(a)可以看出,随水灰比的降低,再生混凝土劈拉强度呈增加趋势;随着再生骨料原始混凝土强度等级的提高,再生混凝土的劈拉强度增加的趋势不明显,仅在水灰比0.43情形下随之增加,由图11(b)更容易看出这一点.则说明再生混凝土的劈拉强度受再生骨料原始混凝土强度等级的影响较小,而主要取决于新硬化水泥砂浆的强度,即水灰比.由劈裂抗拉试块破裂的形貌观察发现,破裂面基本上沿新砂浆和界面过渡区,仅在水灰比为0.43的情形下发现有少量老砂浆的破裂.由于再生骨料中含有少量碎砖,破裂面中也有碎砖的破裂.另外根据前期抗折试验发现,再生混凝土抗折强度基本不受再生粗骨料取代率影响,只与新水泥砂浆的强度有关.劈裂抗拉试验的受拉断裂面位置被人为的确定,即在上下两垫块之间,所以,试验得到的强度与该位置内部骨料分布等情形有关,如果该位置处有老砂浆,则测得的劈拉强度会受其影响.抗折试验和轴心抗拉试验的断裂面位置没有被人为确定,断裂是在薄弱部位发生,所以断裂面除了新砂浆的破坏,就是界面过渡区的破坏,而不受再生骨料中老砂浆的强度的影响.5新老界面过渡区性能评价1)一般情况下再生混凝土中硬化砂浆总量约为75%,总量的增加造成了再生混凝土的力学性能的降低.2