骨料强化方法对再生混凝土多界面过渡区微观结构的影响.pdf
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1、第 20 卷 第 10 期2023 年 10 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 10October 2023骨料强化方法对再生混凝土多界面过渡区微观结构的影响马昆林1,刘建1,申景涛1,2,刘宝举1,谢友均1,胡明文2,王晓杰2(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075;2.中铁城建集团有限公司,湖南 长沙 410208)摘要:为研究骨料强化方法对再生混凝土中界面过渡区微观结构的影响,采用显微硬度和背散射图像测试的方法,研究骨料整形,硅酸钠溶液浸泡,水泥粉煤灰、水泥矿渣和水泥硅灰
2、裹浆等骨料强化方法对再生混凝土中的旧骨料新浆体、旧骨料旧浆体和新浆体旧浆体之间的3种界面过渡区的显微硬度、界面宽度以及微观形貌的影响。研究结果表明:骨料强化能够提高界面过渡区的显微硬度,降低界面过渡区的宽度,从而改善界面过渡区;骨料整形去除了再生骨料表面的旧浆体,增大了旧骨料与新浆体的接触面积;硅酸钠溶液浸泡通过水玻璃及其水解产物与旧浆体中水化产物之间的化学反应,提高了界面过渡区的密实度;火山灰材料的火山灰效应和填充效应填充了界面过渡区中的孔隙,提高了界面过渡区的密实度。相比于未处理组,水泥硅灰组旧骨料新浆体、旧骨料旧浆体和新浆体旧浆体界面过渡区的显微硬度平均值分别增大了38.7%,63.1%
3、和52.6%,宽度分别减少了40%,46.2%和45.5%。背散射分析表明,骨料强化后再生混凝土界面中的未水化水泥颗粒和孔隙减少,界面过渡区的宽度较低,界面过渡区变密实。研究成果可为再生骨料强化方法的优选,以及再生混凝土性能的提高起到积极的作用。关键词:再生骨料强化;再生混凝土;界面过渡区;显微硬度中图分类号:TU528 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)10-3809-11Influence of aggregate enhancement methods on the microstructure of multiple ITZs
4、 in recycled concreteMA Kunlin1,LIU Jian1,SHEN Jingtao1,2,LIU Baoju1,XIE Youjun1,HU Mingwen2,WANG Xiaojie2(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.China Railway Urban Construction Group Co.,Ltd.,Changsha 410208,China)Abstract:In order to study the influence of
5、aggregate enhancement methods on the microstructure of interfacial transition zones(ITZs)(including the ITZs among old aggregate-new paste,old aggregate-old paste,and new paste-old paste)in recycled concrete,the effect of strengthening methods of recycled aggregate including particle shaping,Na2SiO3
6、 solution immersion and coated by cement-fly ash,cement-slag and cement-silica fume slurries 收稿日期:2022-11-15基金项目:中国中铁科技项目(2021-重点-08)通信作者:马昆林(1976),男,云南昆明人,教授,博士,从事固废资源利用与高性能混凝土材料方面的研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222182铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 10月on ITZs was investigated by microhardness testi
7、ng and backscattered electron image analysis.Results showed that the enhancement of aggregate can increase the microhardness of ITZs and reduce the width of ITZs,resulting in the improvement of ITZs.Particle shaping mainly remove the old paste from the surface of recycled aggregate and increased the
8、 contacting area between the old aggregate and the new paste.Na2SiO3 solution immersion caused the chemical reaction between water glass and its hydrolysis products and the hydration products in the old paste,leading to the increase of density of ITZs.The pozzolanic effect and filling effect of pozz
9、olanic materials filled the pores and then improved the densification of the ITZs.Compared with the untreated group,the microhardness average values of old aggregate-new paste ITZ,old aggregate-old paste ITZ,and new paste-old paste ITZ increased by 38.7%,63.1%,and 52.6%,and the widths decreased by 4
10、0%,46.2%,and 45.5%in the coated cement-silica fume slurry group.The backscattered electron image analysis showed that the unhydrated cement particles and the pores in the ITZs were reduced,decreasing the width of the ITZs and improving the compaction of the ITZs.Results from this paper is helpful fo
11、r the enhancement and application of recycled aggregate and further performance improvement of recycled concrete.Key words:recycled aggregate enhancement;recycled concrete;interfacial transition zone;microhardness.随着我国工业化和城市化进程的发展,大量老旧建筑物被拆除,产生大量的废弃混凝土,严重污染了环境1。同时,我国基础建设的快速发展对天然砂石等原材料需求过大而导致资源匮乏。将废弃
12、混凝土制备成再生骨料并作为混凝土原材料使用,不仅可以解决废弃混凝土的处理问题,还可以节省大量的天然资源,实现资源与环境的可持续发展23。然而,与天然骨料相比,再生骨料(Recycled aggregate,RA)表面附着旧砂浆,具有高吸水率、高压碎值、高孔隙率和低密度的物理特性,且其制备的再生混凝土(Recycled concrete,RC)内部存在多种界面过渡区(Interfacial transition zones,ITZs)4,包括了旧骨料(Old aggregate,OA)新浆体(New paste,NP)之间的ITZ1,旧骨料旧浆体(Old paste,OP)之间的ITZ2和旧浆体
13、新浆体之间的ITZ3,如图1所示。ITZ的局部高水灰比使其内部富集大量的CH晶体,形成比水泥浆基体有更多孔隙的结构5。此外,ITZ的高孔隙率为有害离子的传输提供了通道,荷载作用下,混凝土微裂纹通常在此萌生和扩展,因此,ITZ是混凝土的最薄弱部分67,改善 ITZ 性能是提升 RC 性能的关键。WANG等8研究发现热处理RA减少了ITZ2中裂缝的宽度和长度。BUI等9研究发现Na2SiO3溶液和硅灰预处理 RA 能降低界面的局部水灰比,使ITZ3致密化。ISMAIL等10将RA浸泡在酸溶液中以去除旧浆体,发现处理后的ITZ1更致密。LI等11研究发现碳化提高了 ITZ2的显微硬度,使 ITZ2更
14、加致密。热处理等物理强化需要复杂的设备且能耗高,而骨料整形技术具有工艺简单、产量高等优点,更适用于工程应用。酸性溶液处理RA往往会引入酸根离子而影响RC的耐久性能,同时残留废液也需进一步处理。而 Na2SiO3溶液强化 RA不会对环境产生负面影响12。碳化因其环保性和良好的强化效果而受到许多研究者的关注,然而,碳化的时间、设备以及条件对改善效果有很大影响13。利用火山灰材料改善RA及RC的性能是当前的研究热点。KONG等14研究发现粉煤灰可消耗RA孔隙和附着砂浆表面的CH,进而改善了ITZ3的微观结构。SHABAN等15通过XCT,SEM等方法研究发现水泥粉煤灰浆液预浸泡RA减少了ITZ3中的
15、孔隙和微裂纹,使ITZ3更致密。实际上,不同的强化方法对RC内的ITZs都有强化作用。然而,骨料强化方法对ITZs的改善效果、改善的定量分析和表征还有待深入研究。基于此,本文采用骨料整形,Na2SiO3溶液浸泡,水泥粉煤灰、水泥矿渣和水泥硅灰裹浆等方法对 RA 进行强化处理,并用显微硬度和背散射图像测试了各强化方法下RC中不同ITZs的显微硬度、ITZ宽度和微观形貌,对比分析RA强化方法对RC中多ITZ的影响。3810第 10 期马昆林,等:骨料强化方法对再生混凝土多界面过渡区微观结构的影响1 原材料与试验方法1.1原材料水 泥 使 用 P.I.42.5 基 准 水 泥,密 度 为3.12 g
16、/cm3,粉煤灰使用 F类低钙粉煤灰,矿渣使用S95级磨细矿渣,硅灰由上海艾肯公司提供。原材料化学组成如表1所示。RA为道路混凝土路面拆除后破碎得到的再生混凝土粗骨料,道路混凝土 实 测 强 度 推 定 值 为 C35 等 级。水 玻 璃(Na2SiO39H2O)固含量(以Na2O计)为22.8%。减水剂为聚羧酸高效减水剂(SP),减水率为32%。拌合用水为自来水。1.2试验方法1.2.1样品制备本试验所用RA共分为6组,如表2所示。将单个骨料放置在70.7 mm70.7 mm70.7 mm立方体模具的中心位置。分别制备水灰比为 0.35的水泥净浆和水泥粉煤灰、水泥矿渣、水泥硅灰浆液,并通过
17、SP 调整流动度为 1505 mm。其中,水泥净浆用于 R-U 组、R-PS 组和 R-Na2SiO3组,水泥粉煤灰、水泥矿渣、水泥硅灰浆液分别用于 R-FA组、R-SL组和 R-SF组。将制备好的浆液倒入立方体试模内,并轻微振捣。1 d后拆模,放置在标准养护室标养至28 d龄期。将立方体试样沿中部切割成小型长方体,然后将切开后的样品浸入异丙醇中7 d以终止水泥进一步水化,浸泡完成后将切片放置于真空干燥箱中进行干燥。按照要求制备显微硬度和背散射测试样品。1.2.2显微硬度分析技术使用 HMAS-D1000M 型数字式智能显微硬度计。显微硬度压痕点第1次压痕在骨料(浆体)表面进行,后续压痕在前一
18、次压痕的基础上每隔10 m进行,相邻压痕之间的竖向距离为20 m,以避免重叠(见图2)。整个压痕区域涵盖了距骨料(浆体)表面240 m的距离。从每个ITZ中选取5个部分,并取中位数作为显微硬度的有效值,以获得更具代表性的结果。1.2.3背散射图像分析本试验中背散射图像采集过程中的加速电压为30 kV,放大倍数为500 x。表1 胶凝材料的化学组成Table 1 Chemical composition of cement,fly ash,slag and silica fume类别水泥粉煤灰矿渣硅灰质量分数 w/%SiO221.455.231.092.9Al2O35.226.915.00.4C
19、aO64.62.737.40.6MgO1.71.039.440.6Fe2O33.685.60.310.8SO32.972.01.020.8表2RA的不同强化方式Table 2Methods of RA strengthing组别R-UR-PSR-Na2SiO3R-FAR-SLR-SF预处理方法对照组骨料整形Na2SiO3溶液浸泡水泥粉煤灰浆液浸泡水泥矿渣浆液浸泡水泥硅灰浆液浸泡具体方案未处理的RA。洛杉矶磨耗仪整形强化RA。配制水玻璃模数为1.0的Na2SiO3溶液,室温下将RA加入到配制好的溶液中浸泡1 h后晾干备用。配制水胶比为0.35的水泥粉煤灰、水泥矿渣、水泥硅灰3类火山灰浆液,然后将
20、RA分别浸泡在浆液中以实现表面涂层。其中粉煤灰、矿渣、硅灰掺量分别为胶凝材料总量的20%,20%和5%。图1RC中的ITZFig.1ITZs in RC3811铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 10月2 试验结果与讨论2.1浆体基体显微硬度值标准区域的确定先在试样的新浆体和旧浆体区域随机标记50个点。利用origin软件对测试点的显微硬度值进行统计分析,并通过箱型图的上四分位数和下四分位数来确定浆体基体标准区域的显微硬度值,排除显微硬度值中过大或过小的异常值。将低于标准区域值的显微硬度分布确定为ITZ的分布规律,以达到更准确地判断不同ITZ的显微硬度分布特性的目的。图3为OP基体
21、显微硬度的箱型统计结果。由图3可知,相比于R-U组,R-PS组、R-Na2SiO3组、R-FA组、R-SL组和R-SF组OP基体标准区域的显微硬度的下限值分别提升7.28%,8.45%,22.5%,28.6%和46.0%。因此,RA的不同强化方法均能在一定程度上提高OP的密实程度,增大OP的显微硬度。此外,相比于骨料整形和 Na2SiO3溶液浸泡,火山灰浆液裹浆强化对OP显微硬度的提升效果更显著。图4为NP基体显微硬度的箱型统计结果。由图4可知,相比于R-U组,R-FA组、R-SL组和R-SF组NP基体标准区域的显微硬度的下限值分别提高8.3%,11.7%和28.9%。因此,在水泥净浆中分别掺
22、入粉煤灰、矿渣和硅灰提高了NP的密实度,增大了 NP的显微硬度,且掺入硅灰对 NP的改善效果更显著。2.2骨料整形和Na2SiO3溶液浸泡RA对ITZ显微硬度的影响2.2.1OA-NP界面(ITZ1)图5为骨料整形和Na2SiO3溶液浸泡RA对ITZ1显微硬度的影响。由图5可知,显微硬度在OA内基本不变,靠近界面时逐渐减小并在ITZ1内达到最小,后逐渐增大并在NP基体中基本不变。R-U组ITZ1的显微硬度的范围为42.447.2 MPa,ITZ1的宽度约为75 m。R-PS组ITZ1的显微硬度的范围为 44.747.8 MPa,ITZ1的 宽 度 约 为 65 m。R-Na2SiO3组 ITZ
23、1的 显 微 硬 度 的 范 围 为 46.1图2显微硬度测试样品及压痕点的分布Fig.2Specimen and distribution of indentation points in microhardness testing图3OP基体显微硬度的箱型统计Fig.3Box statistics of microhardness of the OP matrix图4NP基体显微硬度的箱型统计Fig.4Box statistics of microhardness of the NP matrix3812第 10 期马昆林,等:骨料强化方法对再生混凝土多界面过渡区微观结构的影响49.2 M
24、Pa,ITZ1的宽度约为 60 m。相比于 R-U组,R-PS 组和 R-Na2SiO3组 ITZ1的显微硬度值增大,ITZ1的宽度分别降低13.3%和20%。2.2.2OA-OP界面(ITZ2)图6为骨料整形和Na2SiO3溶液浸泡RA对ITZ2显微硬度的影响。由图6可知,OA的显微硬度最大,OP基体次之,ITZ2的显微硬度最小。R-U组ITZ2的显微硬度的范围为32.640.3 MPa,ITZ2的宽度约为65 m。R-PS组ITZ2的显微硬度的范围为41.145.4 MPa,ITZ2的宽度约为60 m。R-Na2SiO3组ITZ2的显微硬度的范围为43.945.9 MPa,ITZ2的宽度约
25、为 50 m。相比于 R-U 组,R-PS 组和R-Na2SiO3组 ITZ2的显微硬度值增大,ITZ2的宽度分别减少7.7%和23.1%。2.2.3NP-OP界面(ITZ3)图7为骨料整形和Na2SiO3溶液浸泡RA对ITZ3显微硬度的影响。由图7可知,显微硬度自NP区域逐渐减小至ITZ3内达到最小,后逐渐增大并在OP区域内基本不变。R-U组ITZ3的显微硬度的范围 为 38.241.7 MPa,ITZ3的 宽 度 约 为 55 m。R-PS组ITZ3的显微硬度的范围为42.445.6 MPa,ITZ3的宽度约为50 m。R-Na2SiO3组ITZ3的显微硬度 的 范 围 为 43.545.
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