再生骨料混凝土界面过渡区.docx
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再生骨料混凝土界面过渡区
再生骨料混凝土界面过渡区性能研究
学院：
材料科学与工程学院
专业：
材料学
姓名：
蔡琳琳
学号：
2016131009
指导教师：
苏兴华
再生骨料混凝土界面过渡区性能研究
摘要：
界面过渡区（ITZ）用作砂浆基体和粗骨料之间的桥梁，即使各个部件具有高刚度，由于这些桥梁中的断裂（即界面过渡区域中的空隙和微裂纹），混凝土的刚度也会很低。
因此，在评估混凝土的强度时，应考虑界面过渡带的性质。
特别是在再生骨料混凝土中，由于与普通骨料混凝土相比，有更多的界面过渡带。
本研究采用两种实验方法，分析再生骨料对再生骨料混凝土的影响：
装载后再生骨料混凝土的破坏形状和再生骨料对再生骨料混凝土强度的影响；通过显微硬度试验，在骨料和砂浆之间界面过渡区的力学性能发生的变化。
关键词：
再生骨料混凝土；界面过渡区；显微硬度
StudyonPropertiesofRecycledAggregateConcreteInterfacialTransitionZone
Abstract:
Theinterfacetransitionzone（ITZ）servesasabridgebetweenthemortarmatrixandthecoarseaggregate.Evenifthecomponentshavehighrigidity,thestiffnessoftheconcretewillbeduetotheruptureinthesebridges（ie,voidsandmicrocracksintheinterfacetransitionzone）VerylowTherefore,inassessingthestrengthofconcrete,shouldconsiderthenatureoftheinterfacetransitionzone.Especiallyintherecycledaggregateconcrete,thereismoreinterfacetransitionzonecomparedwithordinaryaggregateconcrete.Inthisstudy,twoexperimentalmethodswereusedtoanalyzetheeffectofrecycledaggregateonrecycledaggregateconcrete:
thefailureshapeofrecycledaggregateconcreteandtheeffectofrecycledaggregateonthestrengthofrecycledaggregateconcrete.Throughmicrohardnesstest,Themechanicalpropertiesoftheinterfacetransitionzonebetweenthematerialandthemortararechanged.
Keywords:
recycledaggregateconcrete;interfacetransitionzone;microhardness
0引言
1824年英国泥水工JosephAspdin发明了波特兰水泥，1861年巴黎黎花匠蒙耶（Monier）发明了钢筋混凝止并获得专利。
此后，海凝上结构得到了大力推广和发展，几乎涵盖了现代主木工程的所有领域，起着不可替代的重要作用。
然而，随着世界城市化进程的加快，一方面人们对能源和材料的需求量越来越大，另一方面，既有建筑的拆除和自然灾害的频发又产生了大量的建筑垃圾，这两方面原因直接加重了全球能源危机和环境问题。
随着我国国民经济的不断发展，逐渐给自然环境带来了巨大的负面压力，其中固体废弃物的污染问题已经日益突显出来。
建筑垃圾作为固体废弃物中的一种，已经成为我国城市最大的固体废弃物。
据不完全统计，我国仅在建筑物的改建、扩建和旧建筑物拆除时每年就要产生0.3～0.4亿吨混凝土固体废弃物［1］。
除此之外，地震等自然灾害在给社会造成巨大灾难的同时，也会产生庞大的建筑垃圾，在5.12汶川大地震中产生的混凝土固体废弃物就达到了将近2亿吨［2］。
从保护生态环境以及地球资源的观点出发，有效处理和再生利用固体废弃物，使它成为循环型可利用再生资源，不仅有利于保护天然骨料资源的枯竭，也能减轻对环境的破坏，保护人类生存的环境，走上可持续发展的良性循环道路［3］。
1背景介绍
再生混凝土，是指将建筑垃圾破碎制成再生骨料，骨料经加工、分级、清洗后，制成再生粗骨料或再生细骨料，与天然骨料混合制成的新型混凝土。
欧美等国家最先开始对再生混凝止的研巧，并在试验的基础上制定了专口的再生骨料质量标准。
美国大部分地区己将再生混凝±运用于公路建设中，其中，15个州制定了相关规范，再生混凝止己走向实用化；1998年，德国颁布了《在混凝图中采用再生集料的应用指南》，并且完全利用再生混凝土建造了一栋6层办公楼，与美国相似，目前德国主要在公路路面中使用再生混凝±；法国将建筑垃圾中的混凝土与砖石砌体混合，破碎处理后制成砖石混凝土砌块，澳大利亚的格里菲思大学研究表明，只要再生骨料满足质量标准，当用于基层材料时，其性能完全可以与天然骨料相媳美。
1.1再生骨料混凝土的微观组成
再生混凝止是由水、水泥、砂、天然粗骨料、再生粗骨料按照一定配合比混合揽拌养护成型的人造石材。
硬化成型的再生混凝±中含有水泥砂浆、天然骨料、再生骨料、新界面过渡区和老界面过渡区。
这里的新界面过渡区指的是天然骨料－新砂浆界面或再生粗骨料中的旧骨料－新砂浆界面、再生粗骨料中的旧砂浆－新砂浆界面；老界面过渡区指的是再生粗骨料中的旧骨料－旧砂浆界面，如图1所示。
图1再生混凝上微观结构示意图
混凝土中骨料与砂浆的弹性模量不同，使得混凝±在加载过程中，由于变形不协调而易在骨料与砂浆界面产生应力集中破坏，因此，骨料－砂浆界面为混凝止中最薄弱界面。
再生混凝土弹性模量低于天然混凝土，所以，可认为在一定程度上减小了骨料与砂浆之间由于弹性模量相差太大而引起的应力集中破坏。
然而再生粗骨料性质较脆，基体混凝止在长期使用过程中，已经存在损伤、老化等现象，再生粗骨料在制备过程中经过破碎清洗等过程，也容易在骨料内部产生初始裂纹；再生粗骨料表面常常裹附一层或部分旧砂浆，旧砂浆的存在不仅影响骨料吸水率和水灰比，而且旧砂浆强度低，容易在此处产生应力集中破坏。
综合可知，再生混凝土较天然混凝土存在更多类型界面，各相界面粘结程度、密实度和界面性质均不相同，因此，必然会造成再生混凝土与天然混凝土不同的力学性能。
1.2再生骨料混凝土的结构分析
再生骨料混凝土与普通骨料混凝土相比，有更多的界面过渡带，如图2所示。
图2是再生骨料混凝土（RAC）的剖视图。
图2酚酞溶液处理过的再生骨料混凝土剖视图
从图2中我们可以清楚地看到在再生骨料混凝土中，不仅有旧水泥沙浆和骨料之间的旧界面过渡区，还有新水泥砂浆和骨料间的界面过渡区，以及有旧水泥砂浆和新水泥砂浆之间的界面，也就是说，相对于普通混凝土，再生混凝土的结构更为复杂，含有多种砂浆和界面过渡区［4-8］。
有学者认为再生骨料与砂浆之间的界面过渡带对粘结强度几乎没有影响，与普通混凝土相似；还有学者认为再生骨料混凝土中的界面过渡带使其比普通混凝土弱。
产生这些矛盾的结果和和原因是因为关于再生骨料对再生骨料混凝土的影响科学证据不足。
以及人们对于使用再生骨料的了解程度不高也不确定。
因此需要关于使用再生骨料的再生骨料混凝土的强度的基本信息，以及可以使用回收骨料的次数，通过分析回收的界面过渡区的性质变化以及界面过渡带的骨料和砂浆和粘结强度等信息来完善对再生骨料混凝土界面过渡区的了解和研究。
2试验
2.1实验原料
天然砂粒（NS）采用河砂，天然粗骨料（NG）为常见的碎石以及回收粗骨料（RG）。
使用尺寸等级符合ASTMC778要求的标准砂和粗骨料，其中天然砂粒（NS）通过控制分级至5mm，天然粗骨料（NG）和回收粗骨料（RG）通过控制分级至25mm，回收粗骨料的比重和吸收符合KSF2573的要求。
天然粗骨料，NS和再生粗骨料的主要物理性质如表1所示。
表1骨料的物理性能
最大聚集粒度（mm）
吸水率（%）
密度（g/cm3）
细度模量
体积密度（g/cm3）
天然粗骨料
25
1.63
2.58
6.52
1642
回收粗骨料
25
1.93
2.50
6.62
1615
天然砂
5
2068
2.53
2.79
1455
使用韩国双龙水泥有限公司的I型波特兰水泥，其化学性能符合ASTMC150的要求，如表2所示。
表2水泥的化学性能
SiO2
Fe2O3
CaO
MgO
Al2O3
Lg-loss
21.92
2.83
60.18
2.15
6.61
2.57
2.2试验样品
分别在回收骨料利用率为0%和100%两个比例各制备10个直径100毫米高200毫米圆筒样品，具体样品性能如表3所示，引气剂的使用是调整目标坍落度以达到180±25mm和空气含量为4.5±1.5％，并且尽可能的减少游离水的量，除了用于搅拌水泥的所需水。
圆筒样品在水中固化28±2℃后20d脱模。
表3样品性能
样品
W/C（%）
S/A（%）
单位质量（N/m3）
水泥
水
天然砂
天然粗骨料
回收粗骨料
外加剂
天然骨料混凝土
50
42
343
171.5
712.5
964.3
0
2.06
再回收骨料混凝土
50
42
343
171.5
712.5
0
9832.9
2.06
2.3试验过程
2.3.1压缩拉伸试验方法
通过压缩和拉伸试验测量再生骨料和再生骨料混凝土的破坏形状，对照混凝土的平均抗压强度为27MPa，试验在10000N/min的负载控制下测试，机器容量500kN。
2.3.2显微硬度试验方法
显微硬度试验是通过维氏压头测量比界面过渡区更小的局部区域的材料的硬度的方法。
由于混凝土属于脆性材料，因此为了容易地识别通过维氏压头在样品表面上形成的菱形凹痕，使用研磨抛光机将表面用120粒度的磨损材料抛光，然后使用超声波清洗器也将样品洗涤10分钟，从而在抛光后除去样品表面上的异物。
其中用于显微硬度测试的样品在固化时间28天后，将圆筒切成10mm（宽度）30mm（长度）1mm（高度）的样品。
在准备的样品中，共六个样品（两种天然骨料混凝土和四种再生骨料混凝土）。
用于显微硬度试验的样品如图3所示。
图3显微硬度测试样品
在距离聚集体内部90µm到300µm的距离内测维氏显微硬度，测试负载为10g，接触时间为10s，如图4所示。
图4显微硬度测试图
为了更好地评估新的界面过渡带，在粗骨料下面的聚集体和砂浆基体之间的界面上测量显微硬度，由于在骨料颗粒下由于内部渗水而导致该位置具有最弱的界面过渡区。
同时对于旧的界面过渡带，由于原混凝土的铸造方向无法区分，因此对粗骨料周围的界面进行随机测量，这里把距聚集体表面10-50mm距离处测得的维氏显微硬度平均值定义为“界面过渡区维氏显微硬度”。
3实验结果
3.1拉伸和压缩试验结果与结论
天然骨料混凝土（NAC）和再生骨料混凝土（RAC）的新拌和硬化性能如表4所示。
表4新拌混凝土硬化性能
样品
含气量（%）
坍落度（mm）
压缩强度（MPa）
抗张强度（MPa）
天然骨料混凝土
4.7
183
28.2
7.2
再回收骨料混凝土
4..8
157
23.7
6.4
从表中我们可以看到再生骨料混凝土的坍落度比天然骨料混凝土的坍落度降低，抗压强度和拉伸强度分别比天然粗骨料混凝土降低了16％和11％。
3.1.1拉伸试验结果
图5拉伸试验后混凝土的破坏形状
通过拉伸试验，天然粗骨料混凝土和再生骨料混凝土的破坏形状如图5所示。
对于天然粗骨料混凝土制成的圆筒样品，裂缝沿着骨料和砂浆表面之间的界面过渡区域延伸，进而导致样品失效。
而再生骨料混凝土的破坏不仅由于砂浆和骨料之间的界面过渡区破坏而且还有再生粗骨料的内部的微裂缝扩展。
同时在再生骨料混凝土失效样品可以看到左右形状呈现出完美的双边对称性，因此认为再生粗骨料内的微裂纹可能对再生骨料混凝土的破坏产生不利地影响。
Ke等人观察到，这些再生骨料混凝土的失效形式与轻质混凝土相似[9]。
同时再生骨料混凝土的破坏受老砂浆与新型砂浆之间的粘结破坏的影响，Nagataki[10]等人认为特别是回收粗骨料中的微裂纹是影响再生骨料混凝土的破坏的主要因素。
3.1.2压缩试验结果
图6压缩试验后混凝土的破坏形状
在天然骨料混凝土和再生骨料混凝土圆筒样品进行压缩试验后失效形状如图6所示。
天然骨料混凝土的圆柱样品在天然粗骨料（NG）和水泥砂浆之间的界面过渡区（ITZ）处发生裂纹。
相比较而言，再生骨料混凝土的圆筒样品则是伴随着再生粗骨料（RG）和水泥砂浆之间的界面过渡区域的裂纹发展以及再生粗骨料本身的破坏而失效。
此外，观察发现在压缩试验后的再生骨料混凝土中，回收的粗骨料容易因通过再生粗骨料与砂浆之间的界面过渡区的破坏而从砂浆中分离出来，并且比较两者样品的失效形式，再生粗骨料混凝土界面过渡区的裂缝比天然粗骨料混凝土的更大和更宽。
3.2显微硬度试验结果与结论
根据天然粗骨料和再生骨料混凝土中使用的每种骨料外侧的距离分别测量的显微硬度试验结果如图7（a）（b）所示。
（a）（b）
图7（a）（b）分别为天然骨料混凝土和再生骨料混凝土的维氏显微硬度测试结果
在天然粗骨料混凝土的样品中，如图7（a）所示，在距离聚集体和新水泥砂浆90-120µm之间的界面过渡区域显微硬度试验值是最低的，可以看到显微硬度试验值会随着离开界面过渡区域而增大，在距离聚集体150µm其值逐渐保持恒定。
该实验的结果与Otsuki[11]等人的结果相似，他们报道在粗骨料和水泥砂浆间界面过渡区的微小间隙有利于维氏压头的移动。
在再生骨料混凝土的样品中，如图7（b）所示。
再生骨料与旧砂浆带之间的旧界面过渡带（90-120µm）的显微硬度平均值为3.35，这个平均值为小于普通骨料混凝土在该区域的平均值4.30。
在旧砂浆区（120-180µm）显微硬度值逐渐增加，而在新的界面过渡带（180-210µm）发现显微硬度值又开始下降。
在新砂浆区（210µm后），显微硬度值再次增加。
通过计算，发现新界面过渡带的平均值为5.63，比旧界面过渡带的平均值3.35提高了68.6％。
与旧界面过渡带和旧砂浆区相比，新界面过渡带和新砂浆区的显微硬度值均较大。
当再生骨料混凝土样品表面受到维氏压头负载时，重新承受负载的砂浆被推到样品外部，被推出的砂浆与维氏压头的体积相同。
由于该砂浆被推到外面，并且压头被压入微孔和/或微裂缝（再生的粗骨料产生时由冲击引起的），故聚集体和砂浆之间的界面过渡区的硬度值最低。
因此，在使用再生骨料混凝土时，可以通过使用水泥浆料环氧树脂材料填充微孔和微裂纹的方法以及在骨料表面上形成薄的技术来提高再生骨料混凝土的强度。
4结论
通过拉伸和压缩试验观察分析再生骨料混凝土和天然骨料混凝土的失效形式以及显微硬度试验测试骨料和砂浆间界面过渡区硬度值的变化，得出以下结论：
（1）再生骨料混凝土在压缩拉伸试验下骨料和砂浆间界面过渡带断裂的失效模式与天然骨料混凝土不同，再生骨料混凝土通常是由于骨料内部裂纹的存在而造成破坏，而且再生骨料比天然骨料更容易从砂浆中脱落，其也观察到较宽的界面过渡带裂纹；
（2）在再生骨料与旧砂浆间的界面过渡区（90-120µm）的显微硬度试验平均值3.35小于同一区域在天然骨料和水泥砂浆间的平均值4.30。
同时再生骨料混凝土中再生骨料和旧砂浆的旧界面过渡区（ITZ）显微值3.35低于新界面过渡区（ITZ）平均显微硬度值5.65；
（3）旧界面过渡区比新界面过渡区弱的原因是再生骨料在生产过程中由于冲击而引起的裂纹和空隙造成的。
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