再生骨料混凝土毛细管负压和界面过渡区研究

李晓光，王攀奇，张郁，郭志忠，曹永杰; LI Xiaoguang; WANG Panqi; ZHANG Yu; GUO Zhizhong; CAO Yongjie

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李晓光 ¹
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张郁 ¹
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郭志忠 ¹
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曹永杰 ²

1. 长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061； 2. 陕西建新环保科技发展有限公司，陕西西安 710086

中图分类号： TU528.44

最近更新：2022-07-05

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2022.06.004

摘要

研究了再生骨料对混凝土毛细管负压力和界面过渡区（ITZ）性能的影响，分析了不同再生骨料对混凝土早期开裂风险和界面微观形貌的影响.结果表明：天然石子混凝土（NSC）和再生砂浆骨料混凝土（RMC）的毛细管负压力曲线相似，骨料在水泥水化过程中无明显吸释水；与干燥再生砖块骨料混凝土（D‑RBC）相比，饱水再生砖块骨料混凝土（S‑RBC）的毛细管负压增大，毛细管负压力变化平缓，水泥水化充分，开裂时间推迟；D‑RBC的ITZ硬度和弹性模量比S‑RBC略有下降，在实际配制再生砖块骨料混凝土时，可对砖块进行饱水处理，其早期开裂风险最低，且力学性能降低不明显.

关键词

再生骨料; 平衡含水率; 毛细管负压; 纳米压痕; 界面过渡区

目前，中国建筑垃圾已占到城市垃圾的30%~40%，建筑垃圾年排放量更是达到4亿t/a的水平^［

1‑2］.为了解决这个问题，再生骨料混凝土（RAC）应运而生^{［参考文献 3‑6}3‑6］.

由于再生骨料的吸水特性不同于天然骨料，配制过程中的预湿程度会影响其性能，尤其会导致早期开裂问题突出.有关研究中，李佳彬等^［

7］探究了再生骨料混凝土基本性能与再生粗骨料的高吸水性之间的关系；王宁等^{［参考文献 8

百度学术}8］研究了再生细骨料的干燥状态及饱和状态对混凝土性能的影响.通过对不同种类再生骨料混凝土毛细管负压力测试，能够有效预估再生骨料混凝土的早期开裂风险.再生骨料混凝土的界面过渡区（ITZ）往往被看作混凝土的“薄弱环节”^{［参考文献 9‑10}9‑10］.目前，Otsuki等^{［参考文献 11

百度学术}11］研究发现再生骨料和新、旧水泥浆在界面上会产生2个界面过渡区，新界面过渡区由许多微孔和裂纹组成，这些微孔和裂纹也会吸收水，导致新界面过渡区的水含量高，严重影响了RAC的极限强度.Xiao等^{［参考文献 12

百度学术}12］利用扫描电镜（SEM）和纳米压痕等试验发现RAC的新、旧界面过渡区中存在明显的空隙和高浓度的氢氧化钙，新、旧界面过渡区的厚度分别为40~50、55~65 μm，旧界面过渡区的平均压痕模量是旧水泥基体的70%~80%，而新界面过渡区的平均压痕模量是新水泥基体的80%~90%，微裂纹和高孔隙率导致混凝土的力学性能下降.

本文利用毛细管负压测试仪，研究了不同再生骨料混凝土早期水化干燥过程中毛细管负压的变化情况，探讨不同再生骨料处理方式对水泥浆早期开裂的影响；同时利用纳米力学测试仪，研究了干燥状态、保水状态再生砖块骨料混凝土中界面过渡区的纳米力学特征差异.通过综合分析，得到再生骨料混凝土的优化配制方案，以保证再生骨料混凝土的质量，为实际工程提供技术支持.

1 试验

1.1 原材料

本文采用的骨料为天然砂石、再生水泥砂浆块和再生砖块，其中再生水泥砂浆块和再生砖块取自陕西建新环保科技发展有限公司.再生砖块的压碎指标为16%，饱和面干状态下砖块的表观密度为1.97 g/cm³，干燥状态下砖块的表观密度为1.59 g/cm³，饱和吸水率为19.6%（质量分数，文中涉及的吸水率、水灰比等均为质量分数或质量比）.

水泥（C）为陕西乾县海螺水泥有限责任公司生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；天然碎石粒径为4.75~9.50 mm；天然河砂为细度模数2.9、含泥量0.6%的中砂；Ⅱ级粉煤灰（FA）；外加剂为聚羧酸减水剂（SP），减水率为30%.

1.2 试件制备

经分拣和处理获得4种骨料：天然砂石、再生砂浆、干燥状态再生砖块和保水状态再生砖块.再生砂浆的吸水率在3.0%左右，远低于再生砖块的吸水率，因此本试验不考虑再生砂浆吸水问题，仅对再生砖块进行干燥及饱水处理.

骨料的粒径控制在4.75~9.50 mm，将天然石子、再生砂浆、再生砖块分别与水泥浆拌和后制成天然石子混凝土（NSC）、再生砂浆骨料混凝土（RMC）、干燥状态再生砖块骨料混凝土（D‑RBC）和保水状态再生砖块骨料混凝土（S‑RBC），其配合比见表1，其中S‑RBC的粗骨料包含干燥再生砖块（126 kg/m³）和吸附水（25 kg/m³）.将不同配比的浆体搅拌均匀后在40 mm×40 mm×160 mm的钢试模中成型，试件终凝后拆模放入（20±1） ℃、相对湿度保持在95%的标准养护箱中养护至28 d.

表1 NSC和RAC的配合比

Table 1 Mix proportion of NSC and RAC ( kg/m³ )

Specimen	Aggregate	C	FA	Water	SP
D‑RBC	126.0	180.0	46.0	80.0	2.8
S‑RBC	151.0	180.0	46.0	55.0	2.8
NSC	194.0	160.0	40.0	80.0	2.6
RMC	147.0	160.0	40.0	80.0	2.6

1.3 试验方法

用电热恒温干燥箱将再生砖块烘干并置于水中48 h，使其达到吸水饱和状态.将吸水饱和状态的砖块蒸发至设定含水率W_s=0%、5.0%、10.0%、15.0%、18.5%（吸水饱和状态），用精度0.001 g的分析天平称量不同含水率再生砖块的质量m.用单层厚0.34 mm滤纸（单层滤纸可以过滤胶凝材料且仅允许水分进入）包裹不同含水率的再生砖块，将其放入80 mL、水灰比为0.5的水泥浆中，5 h后取出，将包裹滤纸取下，用湿毛巾擦干表面，称量吸（释）水后的质量m₁.经0.5水灰比的水泥浆浸泡后，再生砖块对水泥的吸附较少，且当再生砖块达到平衡含水率后，其对水泥的吸附量可忽略不计，因此在本试验中不考虑砖块吸浆的情况.再生砖块的吸释水达到动态平衡时，最终含水率W和吸释水率 $Δ$ W为：

W = \frac{m_{1} - m}{m} \times 100 %

（1）

Δ W = W - W_{s}

（2）

用ALMEMO 710型毛细管负压测试仪，测试水泥浆体初凝前毛细管负压的变化，预测不同骨料RAC的早期开裂情况.将天然石子或不同种类再生骨料与水灰比为0.5的水泥净浆拌和均匀后，浇筑在100 mm×100 mm×100 mm的模具中，在针管内和传感器处注入蒸馏水，用注射器不断抽吸针管内空气，保证只有蒸馏水存在.将针管尖端插入浆体4~5 cm，避免堵塞针管端部.开始试验后，初凝前每隔30 s记录1次数据.

采用TI 950型纳米力学测试仪的准静态方法测试技术，测试骨料与水泥净浆界面过渡区域硬度和弹性模量的变化规律.每个样品跨过界面区域划3条直线，长度均为135 μm，每条直线方向设置28个测试点，测试点之间的间距为5 µm，分别测量压痕点的硬度H和弹性模量E_r.

2 结果与分析

2.1 再生砖块的含水率

再生砖块的吸释水率和含水率见图1.由图1可知：随着再生砖块设定含水率的增加，再生砖块吸释水率逐渐降低，且当再生砖块达到一定含水率时将向水泥浆中释水，最后再生砖块所含的水与水泥浆中游离水交换达到平衡状态；当再生砖块设定含水率处于拟合曲线与最终含水率相交的位置时，再生砖块与水泥浆不再发生水分交换，此时的含水率即是该水灰比条件下再生砖块的平衡含水率（17.25%）.在工程应用中，可参照此平衡含水率对砖块进行预湿，以保证混凝土的水灰比处于稳定值.

图1 再生砖块的吸释水率和含水率

Fig.1 $Δ$ W and W of recycle bricks

2.2 不同骨料RAC的毛细管负压

毛细管负压是因为大气压力和水压力之间存在差值，在毛细管中的空气-水界面处形成弯液面而导致的.在干燥的悬浮液中，水分的流失会导致液相中毛细管负压力的增加.毛细管负压变化区域主要发生在水泥水化从早期诱导期向中期加速期转变的反应阶段.NSC和不同骨料RAC的毛细管负压力曲线见图2.由图2可见，RAC毛细管负压曲线随时间变化的整体趋势相同，均存在明显的曲线转折区：在曲线转折之前，RAC毛细管负压均没有较大改变，此时混凝土内部孔压处于平衡状态；水泥浆内部自由水含量低于外表面蒸发水含量时，曲线进入明显的转折区，曲线变陡，斜率增大，毛细管负压迅速增加.此时水化反应加速进行，不断消耗的水分使毛细管临界半径减小，收缩不断增大，从而使浆体内部孔压急剧降低，浆体产生体积收缩.又因浆体在早期几乎没有强度，无法抵抗其本身收缩，较大塑性收缩力使浆体开裂，同时也导致空气进入浆体内部来平衡毛细管负压，内部的毛细管负压快速趋于0 Pa，浆体开裂.

图2 NSC和不同骨料RAC的毛细管负压力值曲线

Fig.2 Capillary negative pressure curve of NSC and RAC with different aggregates

由图2还可见：RMC与NSC的开裂时间接近，均在3.6 h左右产生裂缝，原因是再生砂浆与天然石子的吸水率较接近，在水泥水化过程中不会出现明显的吸释水现象，两者的毛细管负压力曲线没有明显差异；由于D‑RBC的再生砖块没有经过预湿处理，在水泥水化反应初期，水泥浆内部自由水被再生砖块吸收，水泥水化程度不充分，导致其毛细管负压明显减小；S‑RBC在水化反应时，饱水再生砖块的部分水释放到水泥浆体中，增大了基体局部水灰比，形成自养护机制，减少了混凝土自收缩，推迟了开裂时间^［

13‑14］.

2.3 SEM分析

NSC和不同骨料RAC界面过渡区的SEM照片见图3.由图3可见：NSC的水化水泥石在界面区分布不均匀，结构总体较为疏松多孔，在一些骨料和水泥石联结处还可以看到较明显的裂缝，可见对于普通混凝土而言，其界面过渡区为薄弱环节；RMC的水泥砂浆相与再生砂浆相的微观形貌相似，均为水化硅酸钙（C‑S‑H）凝胶等包裹骨料，并在新旧砂浆的ITZ观测到明显裂隙；D‑RBC在水泥水化过程中，再生砖块表面较粗糙且有较大的吸水能力，使界面区水胶比降低，消除了水膜和分层现象，有效减轻了界面区的“边壁效应”；S‑RBC中的饱水再生砖块在水化过程中，将水分释放到水泥基体中，增大了其局部水灰比，使水泥水化充分，增强了ITZ区域；由于再生砖块的吸释水效应，D‑RBC和S‑RBC的界面过渡区都没有观测到明显的裂缝.

图3 NSC和不同骨料RAC界面过渡区的SEM照片

Fig.3 SEM images of ITZ of NSC and RAC with different aggregates

2.4 界面过渡区分析

将用于SEM测试的试件进行表面抛光处理后，进行界面力学性能测试.NSC和不同骨料RAC界面测试位置见图4.将a、b、c这3个跨界面方向上的硬度和弹性模量与其平均值相比的均方根差变化较大区域定义为界面过渡区（ITZ）^［

15‑16］.根据计算所得均方根差，划分了ITZ，采集ITZ的性能指标，并对a、b、c这3个测试位置的结果取平均值，得到平均硬度

\bar{H}

、相对硬度偏差H_r、平均弹性模量

\bar{E}

_r、相对弹性模量偏差

Δ

E_r、平均ITZ厚度

\bar{d}

_ITZ、相对ITZ厚度偏差d_{ITZ， r}，结果见表2.由表2可见：NSC的ITZ硬度和弹性模量显著高于其他RAC，但其ITZ厚度最小，平均值为45.7 µm.较高的力学性能指标以及较小的ITZ厚度表明，NSC的ITZ性能明显优于RAC，宏观力学性能也同样高于RAC；RMC的ITZ硬度和弹性模量与NSC相比明显降低，但优于再生砖块骨料RAC，其ITZ的厚度最大，达到了70.1 µm，同时其指标的相对偏差较高，这是由于再生砂浆边界较为复杂，再生砂浆本身存在不均匀性等诸多因素共同导致的；虽然RMC的ITZ厚度大于再生砖块骨料RAC，但其ITZ的力学性能更高，且再生砂浆自身具有较高强度，使得RMC的力学性能高于以再生砖块为骨料的RAC.

图4 NSC和不同骨料RAC界面测试位置

Fig.4 Text location of interface of NSC and RAC with different aggregates

表2 NSC和不同骨料RAC界面过渡区的性能指标

Table 2 Performance indicators of IZT of NSC and RAC with different aggregates

RAC	$\bar{H}$ /GPa	H_r	$\bar{E}$ _r/GPa	$Δ$ E_r	$\bar{d}$ _ITZ /µm	d_{ITZ, r}
NSC	1.11	0.72	44.1	0.37	45.7	0.008
RMC	0.72	0.61	24.6	0.35	70.1	0.130
D‑RBC	0.55	0.51	16.3	0.39	62.5	0.140
S‑RBC	0.46	0.89	10.2	0.46	65.4	0.080

与S‑RBC相比，D‑RBC由于具有的一定的吸水能力，导致其界面区域局部水灰比较低，ITZ区域的硬度和弹性模量均高于S‑RBC，ITZ的厚度略低于S‑RBC.然而，D‑RBC的ITZ硬度和弹性模量的相对偏差均小于S‑RBC，ITZ厚度的相对偏差大于S‑RBC，这是因为S‑RBC的ITZ区域形成了1层水膜，降低了界面厚度的偏差，增加了ITZ的厚度.由此可见，对再生砖块进行饱水处理，将对ITZ的力学性能略有不利的影响.

3 结论

（1）再生砖块在0.5水灰比的水泥浆体中的平衡含水率为17.25%.在工程应用中，可参照此平衡含水率对再生砖块进行预湿，使再生砖块与水泥浆不发生水分交换，以保证混凝土水灰比处于稳定值.

（2）天然石子混凝土（NSC）、再生砂浆骨料混凝土（RMC）的毛细管负压力曲线较为接近，原因是再生砂浆与天然石子的吸水率接近，在水泥水化过程中不会出现明显的吸释水现象，因此两者的早期开裂时间接近.

（3）保水状态再生砖块骨料混凝土（S‑RBC）的毛细管负压值大于干燥状态再生砖块骨料混凝土（D‑RBC），毛细管负压力曲线变化平缓，水泥水化反应充分，开裂时间推迟.对再生砖块进行预湿处理，可以明显改善再生骨料混凝土的自收缩现象，推迟开裂时间，降低混凝土早期开裂风险.

（4）再生砖块特有的吸释水特性，使得S‑RBC和D‑RBC的界面过渡区（ITZ）得到增强，没有观测到明显裂缝，而NSC、RMC的（ITZ）出现了明显的裂缝.D‑RBC的ITZ硬度和弹性模量均高于S‑RBC，但两者ITZ的厚度相近，再生砖块经饱水处理后，ITZ的力学性能略有下降，但降幅有限.

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