再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)淺析

【摘要】目前，已有研究表明再生混凝土的多方面性能與普通混凝土均有差異，包括和易性、力學(xué)性能、耐久性等，對(duì)再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)的研究也在逐步深入。硬化后的混凝土由骨料、水泥漿、界面過(guò)渡去組成，其中界面過(guò)渡區(qū)是聯(lián)系骨料和水泥漿的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也在很大程度上影響混凝土的性能。本文歸納了再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)的研究成果，對(duì)比再生混凝土和普通混凝土在界面過(guò)渡區(qū)的差異，分析了造成再生混凝土較之普通混凝土性能差異的內(nèi)在原因。

【關(guān)鍵詞】再生骨料；界面過(guò)渡區(qū)；微觀結(jié)構(gòu)特征

1、引言

目前我國(guó)對(duì)各種建筑垃圾的處理方式仍然以棄置為主，屬于被動(dòng)的處理方式，廢棄建筑垃圾的利用率還很低，開(kāi)展對(duì)建筑垃圾的處理和再利用工作，對(duì)于解決城市建設(shè)中的建筑垃圾具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，利用廢棄混凝土制作再生骨料是建筑垃圾利用的一個(gè)重要方向。目前，我國(guó)再生骨料混凝土的研究和利用還處在起步階段，需要進(jìn)一步對(duì)再生混凝土各項(xiàng)性能進(jìn)行研究。

很多研究結(jié)果已經(jīng)表明，再生混凝土的各項(xiàng)性能較之于普通混凝土有所降低，如和易性方面，Nixon [1]結(jié)論表明，與普通混凝土相比，混凝土中同時(shí)采用再生粗骨料和再生細(xì)骨料時(shí)，混凝土的坍落度會(huì)降低，水泥用量也會(huì)增加。并且，采用再生細(xì)骨料，除了坍落度受影響外，用水量也會(huì)急劇增加，實(shí)際利用時(shí)，需要采用減水劑，對(duì)此進(jìn)行彌補(bǔ)。力學(xué)性能方面，M. Casuccio[2]研究表明，再生混凝土強(qiáng)度降低1～15%，彈性模量降低13～18%，斷裂能降低27～45%，而改善砂漿和再生粗骨料界面粘結(jié)性能可以改善混凝土的斷裂性能。在對(duì)再生混凝土諸多的研究中，比較明確的是再生骨料的摻入對(duì)再生混凝土性能的影響顯著，這是因?yàn)椋偕橇系纳a(chǎn)制作過(guò)程中，會(huì)使再生骨料產(chǎn)生很多初始裂紋，尤其是再生細(xì)骨料，并且還會(huì)使再生骨料中存在部分的水泥細(xì)顆粒，這些因素導(dǎo)致再生混凝土吸水率增高，表觀密度和堆積密度降低，并對(duì)再生混凝土的各項(xiàng)性能產(chǎn)生顯著的影響。因此研究再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)有重要的意義。

2、再生粗骨料的微觀特征

一般認(rèn)為，殘留在再生骨料表面的水泥漿是影響再生混凝土性能的重要因素，此外，新生水泥漿和界面區(qū)也會(huì)影響再生混凝土的性能。M. Chakradhara Rao[3]研究了來(lái)源于不同拆除建筑物的再生骨料對(duì)過(guò)渡區(qū)微觀特點(diǎn)的影響，包括再生骨料中的未水化水泥、水化化合物以及多孔性等。結(jié)果表明，再生粗骨料的吸水率是天然粗骨料的2.7至3.5倍；再生骨料的針片狀指標(biāo)比天然骨料要好，這是因?yàn)橹谱髟偕橇喜捎玫氖穷€式破碎機(jī)，使得再生骨料更多的呈現(xiàn)出圓形；不論普通混凝土還是再生骨料混凝土，經(jīng)過(guò)28天的養(yǎng)護(hù)后，水泥均未完全水化。普通混凝土中剩余未水化水泥顆粒占比為9.5～11%，而再生骨料混凝土中此比例為11～13%。三種不同基體混凝土來(lái)源的再生骨料混凝土中的水化物（主要是水化硅酸鈣和氫氧化鈣，還有少量高硫型硫鋁酸鈣和單硫型硫鋁酸鈣）占比幾乎是一樣的，但卻比相應(yīng)的普通混凝土中占比要小。水化硅酸鈣（C-S-H凝膠）是水化物中主要的水化產(chǎn)物，它對(duì)混凝土的強(qiáng)度有貢獻(xiàn)，并且粘合了水泥漿和粗骨料，提高過(guò)渡區(qū)的密實(shí)性。C-S-H凝膠是一種多孔性物質(zhì)，表面積比其它水化產(chǎn)物大的多。在水泥水化過(guò)程中，各種水化產(chǎn)物逐漸填滿原來(lái)由水所占據(jù)的空間，大量箔片狀、纖維狀C-S-H凝膠交叉攀附，使分散的水泥顆粒及其水化產(chǎn)物連結(jié)起來(lái)，構(gòu)成三維的牢固結(jié)合較密實(shí)的整體。試驗(yàn)中三種再生混凝土水化物占比相對(duì)于普通混凝土降低，這導(dǎo)致其過(guò)渡區(qū)的密實(shí)度比普通混凝土的要低。

水化過(guò)程中，由于水化硅酸鈣會(huì)附著于水泥顆粒附近，堵塞水泥顆粒表面的孔隙口，這使骨料表面區(qū)殘留水泥顆粒的孔隙量比水泥漿的要大。同時(shí)，由于水化產(chǎn)物在水化過(guò)程中的移動(dòng)，界面過(guò)渡區(qū)水化產(chǎn)物的水化程度與水泥漿中的也不相同。從骨料表面向外大約30μm屬于過(guò)渡區(qū)。 由于沿過(guò)渡區(qū)和水泥漿厚度方向水化物、未水化水泥及孔隙的數(shù)量在變化，因此這一截面描述了從骨料到水泥漿之間這些化合物是如何分布的。試驗(yàn)中，無(wú)論是普通混凝土還是三種再生混凝土，水泥漿越靠近骨料表面，未水化水泥的量越大。普通混凝土在離骨料表面10～20μm的范圍內(nèi)，未水化水泥量占水泥漿中未水化水泥的1/3，而再生混凝土中這個(gè)比例達(dá)到1/2，而在距離骨料表面超過(guò)50μm的范圍以后，普通混凝土和再生混凝土未水化水泥的量幾乎一致。這表明在離骨料10～20μm的范圍內(nèi)，再生混凝土未水化水泥量大于普通混凝土，原因在于再生骨料的高吸水性使得骨料附近的水泥得不到足夠的水來(lái)進(jìn)行水化作用。在10～40μm的范圍內(nèi)，再生混凝土中未水化水泥比例為8.15～8.75%，而普通混凝土中只有5.25～5.94%。正是考慮到未水化水泥的梯度分布，研究者把界面過(guò)渡區(qū)的寬度定為40～50μm。

水化硅酸鈣和氫氧化鈣等水化物在過(guò)渡區(qū)的分布在再生混凝土中也表現(xiàn)出一定的差異性。在再生混凝土中，離骨料表面越遠(yuǎn)，水化硅酸鈣含量越高，而氫氧化鈣的含量卻是在逐步降低的，這和普通混凝土類似。然而，在0～40μm的距離內(nèi)，普通混凝土中氫氧化鈣含量比再生混凝土高；同樣，在0～20μm的距離內(nèi)，普通混凝土中水化硅酸鈣也比再生混凝土的高。這使普通混凝土過(guò)渡區(qū)比再生混凝土的要密實(shí)。這解釋了再生混凝土比普通混凝土強(qiáng)度降低的內(nèi)在因素。

孔隙的分布方面，在試驗(yàn)中，無(wú)論普通混凝土還是再生混凝土中，隨著距離骨料距離增加，孔隙的含量逐步減少。在最初的10μm的范圍內(nèi)，再生混凝土中的孔隙含量比普通混凝土中高20～25%左右。這些結(jié)果表明，再生混凝土的界面過(guò)渡區(qū)不如普通混凝土的密實(shí)，并且孔隙含量更高。盡管再生混凝土中殘余水泥顆粒可能會(huì)與新生水泥漿進(jìn)一步發(fā)生水化反應(yīng)，但其孔隙含量仍高于普通混凝土。

3、結(jié)論

再生混凝土的界面過(guò)渡區(qū)不如普通混凝土的密實(shí)，殘余在再生骨料表面的舊有水泥顆粒在水化初始階段會(huì)消耗更多的水，這也使骨料表面附近的孔隙量進(jìn)一步增加。由于再生骨料的高吸水性，再生混凝土中水泥水化程度低于普通混凝土。并且，普通混凝土中界面過(guò)渡區(qū)中水化產(chǎn)物含量比再生混凝土高，這也使得再生混凝土過(guò)渡區(qū)密實(shí)性不如普通混凝土，進(jìn)而影響到其宏觀性能。

參考文獻(xiàn)

[1] P. J. Nixon. Recycled concrete as an aggregate for concrete—a review[J]. Materials and Structures： Research and Testing， 1978， 11（65）：371～378.

[2] M. Casuccio， M.C. Torrijos， G. Giaccio， R. Zerbino. Failure mechanism of recycled aggregate concrete. Construction and Building Materials， 2008， 22： 1500–1506.

[3] M. Chakradhara Rao， S.K. Bhattacharyya， S.V. Barai. Microstructure of recycled aggregate concrete[J]. Journal of Structual Engineering，2011，38（1）：75～83.

作者簡(jiǎn)介：吳帥帥（1987～），男，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)研究生。