再生水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)及影響分析

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 摘要：采用掃描電鏡(SEM)對再生集料、再生水泥混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進行了觀察，并分析了再生水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)的形成過程及影響因素。結(jié)果表明，再生水泥混凝土形成初期，微觀結(jié)構(gòu)的表面疏松多孔，新老漿體界面區(qū)出現(xiàn)了氫氧化鈣晶體和鈣礬石晶體的富集；隨著齡期的增長，再生水泥混凝土的微觀結(jié)構(gòu)逐漸地變得致密結(jié)實，內(nèi)部產(chǎn)生了大量的硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣晶體。水泥的石膏含量、集料的礦物組成和表面構(gòu)造對再生水泥混凝土的微觀結(jié)構(gòu)有著重要的影響，荷載、溫度和濕度以及環(huán)境侵蝕介質(zhì)在不同程度上影響著再生水泥混凝土內(nèi)部微細裂紋的產(chǎn)生。

  關(guān)鍵詞：再生水泥混凝土；微觀結(jié)構(gòu)；影響因素；晶體；齡期 中圖分類號：U416                        Abstract: The microstructure of recycled aggregate and recycled concrete was characterized by means of scanning electron microscope (SEM), based on which the formation process and influence factors of recycled concrete microstructure s were discussed. The results indicated that the microstructure’s surface of RC was loose and porous in the initial period of RC developing, the calcium hydroxide crystals and ettringite crystals were accumulated in the interfacial transition zone, the microstructure of RC was becoming more dense and tight and there are plenty of calcium silicate gels and calcium hydroxide crystals produced while the curing age growth. There are many factors have important influence on the microstructure of RC, which includes the content of gypsum in cement and mineral compositions and external structures of aggregate, besides, the loads, temperature and moisture, and environment erosion mediums will partly impact the development of internal cracks in RC.   Key words:  Recycled concrete, Microstructure, Influence Factor, Crystal， curing age   0 引言 水泥混凝土是以水泥漿為基體的非勻質(zhì)多相復合材料，其中水泥漿是連續(xù)相，集料是分布于其中的分散相，集料與水泥漿體之間的結(jié)合是影響混凝土力學性能的主要因素。國內(nèi)外研究表明^[1~4]，再生水泥混凝土的組成和結(jié)構(gòu)比普通水泥混凝土更為復雜，再生水泥混凝土內(nèi)部存在著多種結(jié)合界面，其微觀結(jié)構(gòu)受多種因素影響。對再生水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)的研究有助于深入掌握再生水泥混凝土的結(jié)構(gòu)特點，為改善再生水泥混凝土的力學性能和耐久性提供依據(jù)。借助掃描電鏡設(shè)備，本文對再生集料及再生水泥混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進行了研究，并分析了再生水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響因素。 1 試驗材料及方法 1.1 試驗原材料 水泥采用普通的32.5號硅酸鹽水泥，其性能指標見表1。再生集料來源于舊水泥混凝土路面，將廢舊水泥混凝土路面由人工破碎成符合級配要求的碎塊。選取少量含有石料和已硬化水泥漿體（為表述方便，以下簡稱為原生砂漿）的混凝土小塊備用。一部分直接用作再生集料的觀察試樣；另一部分則和水泥凈漿拌和，經(jīng)養(yǎng)生后作為再生水泥混凝土的觀察試樣。再生集料的性能均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，其各項參數(shù)見表2。 表1 試驗用水泥基本性能指標

性能指標 SO₂含量 80μm篩余量(%) 需水量(%) 凝結(jié)時間(min) 抗折強度(MPa) 抗壓強度(MPa) 初凝 終凝 3d 28d 3d 28d 數(shù)值 19.85 0.4 27.2 145 248 6.3 8.8 27.6 49.8

表2 集料性能指標 性能指標 表觀密度(g·cm^-3) 吸水率(%) 壓碎值(%) 針片狀含量(%) 數(shù)值 2.37 5.28 12.7 6.2 1.2 樣品制備 再生集料的SEM試樣：選取含有石料和原生砂漿的再生集料若干，沿著石料和水泥漿的結(jié)合面將其橫向劈裂成小塊單元。選取斷面(面積約為1cm²)中能清楚看到石料和原生砂漿結(jié)合面的小塊若干，將其放入無水乙醇中中止水化，觀察前取出烘干。 再生水泥混凝土的SEM試樣：選取再生集料若干并劈裂成小塊，方法同上。對斷裂面做簡單清潔處理后直接與水灰比為0.40的水泥凈漿拌和成型，放入標準養(yǎng)護室中。養(yǎng)護至規(guī)定齡期后，將試樣取出并沿著結(jié)合面劈裂成小塊，選取能清晰看到不同結(jié)合界面的小塊作為試樣，將試樣放入無水乙醇中中止水化，觀察前取出烘干。 1.3 試驗方法 利用SEM觀察再生集料表面的微觀結(jié)構(gòu)，首先選擇不同材料的界面結(jié)合處作為觀察區(qū)域，然后沿著粘結(jié)界面對晶體組成做進一步的觀察，最后借助SEM圖像對再生水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)特征進行分析。 2 結(jié)果與討論 2.1 再生集料微觀結(jié)構(gòu) 圖1為再生集料的微觀形貌圖。圖1a)為再生集料的微觀形貌，從圖中可以看到位于中間的水化產(chǎn)物跟周邊的石料結(jié)合得十分緊密，能看到部分漿體已經(jīng)侵入了石料表面。這表明經(jīng)過長期的發(fā)展，水泥的水化和其它物理化學作用已經(jīng)得以充分發(fā)揮，使得石料和水泥漿基體之間的結(jié)合變得異常緊密。    a)再生集料形貌                           b)硬化水泥砂漿表面 圖1再生集料微觀結(jié)構(gòu)形貌 圖1b)為移去石料后的原生砂漿表面水化物的微觀形貌圖。從中可以發(fā)現(xiàn)，石料表面區(qū)域的水化物與周邊的水化物在形態(tài)上有著不同：石料表面區(qū)域的水化物多呈針片狀結(jié)構(gòu)，并有少量的針棒狀晶體出現(xiàn)，而周邊區(qū)域的水化物多為層疊片狀或條狀結(jié)構(gòu)。對晶體的進一步分析發(fā)現(xiàn)，針片狀晶體主要是結(jié)晶良好的氫氧化鈣，針棒狀晶體則為鈣礬石，這說明在界面區(qū)內(nèi)生成了更多的氫氧化鈣和鈣礬石晶體。 2.2 再生水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu) 再生水泥混凝土采用原生砂漿與新拌水泥漿體制成試件，養(yǎng)護7天和28天后切片試驗，其微觀形貌如圖2所示。 從圖2a)中可以看出，齡期為7天時，再生水泥混凝土中原生砂漿(左側(cè)區(qū)域)的表面較平整、結(jié)構(gòu)致密，水化物之間聯(lián)系緊密且多成塊狀或片狀堆積；新拌水泥漿體水化物(右側(cè)區(qū)域)表面結(jié)構(gòu)疏松，各種水化物之間相互交錯，新漿體形成的晶體分布較均勻。新漿體的水化物與原生砂漿表面連接較差，新老漿體之間能夠較好地區(qū)分出來。 從圖2b)可見，試樣經(jīng)28天養(yǎng)護后，砂漿結(jié)合區(qū)域內(nèi)新生成的水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)比7d時要均勻得多。新老砂漿之間結(jié)合得更好，部分新生水化產(chǎn)物“攀附”在老混凝土的表面，使新老漿體在其結(jié)合面處相互咬合，形成一個整體。   a)7天                                       b)28天 圖2 再生水泥混凝土砂漿微觀形貌 經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，原生砂漿表面微細孔隙眾多，容易吸收水分，使得水泥顆粒能深入到原生砂漿內(nèi)部的孔隙中進行水化反應。在水化初期，新拌水泥漿體生成了大量的針棒狀鈣礬石和針片狀的氫氧化鈣晶體，這些晶體便附著在原生砂漿的表面。隨著水化反應的進一步發(fā)生，水化硅酸鈣晶體在水化水泥顆粒周圍形成致密的外殼并不斷增長變大。到水化后期，外殼就阻礙了水泥顆粒的進一步水化，從而減少了水分的消耗。這些較大尺寸結(jié)構(gòu)的形成和多余水分蒸發(fā)后留下的孔隙就使得整個砂漿結(jié)構(gòu)在混凝土的硬化早期看起來疏松多孔。 經(jīng)28天的齡期發(fā)展后，再生水泥混凝土的大部分水化反應已經(jīng)完成，產(chǎn)生了大量的硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣晶體，而鈣礬石晶體的數(shù)量較少。隨著水化反應的逐漸完成，小體積的水化物晶體不斷填充在原生砂漿的孔隙中，這些新生的水化物與原生砂漿既有的水化物相互交織在一起，從而使得整個微觀結(jié)構(gòu)更加致密。此外，再生砂漿表面存在的少量游離鈣離子和氫氧根離子也參與了新的水化反應而生成了硅酸鈣凝膠，在一定程度上增強了新舊漿體之間的化學結(jié)合。因此，隨著齡期的增長，新生砂漿自身結(jié)構(gòu)變得越來越致密，新舊砂漿之間的結(jié)合也越來越緊密。 2.3 微觀結(jié)構(gòu)影響因素分析 微觀結(jié)構(gòu)是影響混凝土力學性能和耐久性的重要內(nèi)因，而再生水泥混凝土的微觀結(jié)構(gòu)比普通水泥混凝土更為復雜和多樣，其微觀結(jié)構(gòu)的性能也受到多方面因素的影響。 2.3.1 原材料及制備條件 1)水泥  水泥中石膏含量影響鈣礬石晶體在結(jié)合區(qū)域的形成與生長，當水泥中硅酸鈣和鋁酸鈣的含量相對較高時，生成的氫氧化鈣和鈣礬石也較多，這會增大微觀結(jié)構(gòu)表面的孔隙率從而削弱再生混凝土的結(jié)構(gòu)性能。為了改善這種狀況，可以在混凝土的配制中摻入活性混合料，使其參與二次水化反應以吸收氫氧化鈣，從而降低微觀結(jié)構(gòu)的表面孔隙率。 2)集料  集料的礦物組成和表面構(gòu)造會影響水化產(chǎn)物的生長以及新舊砂漿間的結(jié)合性能，進而影響到混凝土的力學性能。一方面，集料表面的活性成分和酸堿特性會參與或影響水泥的水化反應，影響到氫氧化鈣和鈣礬石的生成，從而改變了再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)性能。另一方面，由于水泥水化過程中生產(chǎn)的膠凝材料粒子會隨著水分的流動和遷移進入到集料表面的微細孔隙中，因此集料表面微細孔隙的結(jié)構(gòu)和尺寸會對新舊漿體間的粘結(jié)性能產(chǎn)生影響。 2.3.2環(huán)境因素 1)荷載作用  在使用過程中，荷載的變化會對水泥混凝土的性能產(chǎn)生顯著的影響，相關(guān)研究表明^[5]：當荷載幅度超過閾值時，混凝土結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)微裂紋，同時已有的裂紋也會隨著荷載的提高或延續(xù)而進一步擴展。室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)：在單軸壓縮荷載小于極限荷載的30%時，試件原有裂紋一直保持穩(wěn)定；當荷載達極限荷載的70%~90%時，裂紋穿過基體與其它裂紋搭接，并形成連續(xù)裂紋。 2)溫度或濕度  成型工藝中的溫度和濕度影響著再生水泥混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。溫度不僅影響膠凝材料的水化速度以及成核生長過程，同時由于集料與漿體之間膨脹系數(shù)的差別，溫度應力也會引起其微觀結(jié)構(gòu)的變化。此外，混凝土內(nèi)外的濕度梯度可能會在新舊漿體間引起過大的體積變化，導致集料與漿體之間產(chǎn)生微裂紋，從而降低混凝土的結(jié)構(gòu)性能。 3)環(huán)境介質(zhì)  在材料使用過程中，水、侵蝕介質(zhì)等外部環(huán)境介質(zhì)的作用也可能使再生水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化(包括裂紋自愈合及劣化兩個方面)。一方面，外部水分的侵入使得混凝土中的未水化水泥粒子進一步水化，水化的作用使固相體積產(chǎn)生膨脹，從而使得混凝土孔隙率降低。另一方面，水蒸汽或薄膜水作為溶劑帶走水化物表面的游離離子，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)由致密轉(zhuǎn)為疏松。另外，侵蝕性介質(zhì)以水為載體進入材料內(nèi)部與水化產(chǎn)物反應形成易于溶出的組分，或形成膨脹產(chǎn)物而產(chǎn)生過量膨脹，或由于干濕循環(huán)在材料內(nèi)部結(jié)晶產(chǎn)生膨脹破壞等，從而改變再生水泥混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。 3 結(jié)論 借助掃描電鏡對再生集料、再生水泥混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進行了研究，分析了原材料、制備條件與環(huán)境因素對再生水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響，得出了以下相關(guān)結(jié)論： （1）再生集料的微觀形貌觀察表明，原生石料和水泥漿基體結(jié)合得相當密實，石料表面的砂漿內(nèi)產(chǎn)生了大量結(jié)晶良好的氫氧化鈣晶體和少量的鈣礬石晶體。 （2）再生水泥混凝土在水化初期生成了相當數(shù)量的大尺寸晶體，這些晶體附著在原生砂漿的表面，這些晶體和水分流失后形成的孔隙使得再生水泥混凝土在強度早期形成的微觀結(jié)構(gòu)疏松多孔。 （3）再生水泥混凝土水化后期產(chǎn)生了大量小尺寸的硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣晶體，大尺寸鈣礬石晶體的數(shù)量減少；觀察發(fā)現(xiàn)新生水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)均勻而致密，新舊水泥漿體之間結(jié)合緊密。 （4）原材料、制備條件以及環(huán)境因素等方面對再生水泥混凝土微觀結(jié)構(gòu)具有重要影響。   參考文獻: [1]Berger.R.L, Cahn.D.S, Mc Gregor.J.D. Calcium hydroxide as a binder in Portland cement paste[J]. J Am Ceram Soc.1970.53(1):57-57 [2]Zheng J. Microstructure of concrete: stereological analysis and some mechanical implications[D]. Delft:Delft University Press.2000. [3]Bentur.A. Odler.I. Development and nature interracial microstructure[R]. Bodmin: E&Fn Spron. 1996.19-44 [4]宋瑞旭.高強度再生骨料和再生高性能混凝土實驗研究[J].混凝土.2003(2)：29-31 [5]Netami.K.M, Monteirop.J.M. A new method to observe three-dimensional fractures in concrete using liquid metal porosimetry technique[J]. Cem Concr Res.1997.27(9):1333-1341