水泥乳化沥青混凝土细观损伤及微观性能.pdf

第 1 7卷第 1 期 2 0 1 4 年 2 月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG MATE RI ALS Vo 1 1 7， No 1 Fe b， 2 01 4 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 1 0 1 7 7 0 5 水 泥乳化沥青混凝土细观损伤及微观性能 石 妍 ， 彭尚仕 ， 闫小虎 ， 杨 华全 ( 长江科学院 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ：为了给水泥乳化沥青混凝土研究及应用提供技术支持 ， 基于计算机 断层成像( C T) 技术及扫 描 电镜( S E M) 、 X射线衍射( X RD ) 及热重( TG) 等测试手段 ， 对水泥乳化沥青混凝 土的细观损伤规 律及微观性能进行 了试验研究 结果表明： 连续加载过程 中， 水泥乳化 沥青混凝土试件上部分断面 的 C T 平均数 变化较 小 ， 下部分 变化 较 大 、 损 伤 严 重 试 件 的破 坏过 程 分 为压 密 、 扩 容 、 裂 纹 扩展 及 破坏 4个阶段 ， 损伤过程表现 出塑性特征 ， 这源于水泥乳化沥青混凝土低强度、 低弹模的力学性能 乳化沥青与黏土不参与水泥水化 ， 破乳后的沥青包裹水泥颗粒 ， 减缓 了水泥早期水化速度； 后期水 化迅速 ， 结构逐渐致 密， 部分沥青与 C a ( 0H) ， C 。 s ， C s及钙矾石等水化产物相互镶嵌 关键 词 ：水 泥乳化 沥青混凝 土 ； 计 算机 断层 成像 试验 ；细观损 伤 ；微观 机理 中 图分 类 号 ： TU5 2 8 2 文献 标志 码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 9 6 2 9 2 0 1 4 0 1 0 3 2 M e s o _ d a ma g e a n d M i c r o pr o pe r t i e s o f Ce me nt Emu l s i f i e d As p ha l t Co n c r e t e SH I ，PEN G Sha ngs hi ，YA N Xi a o hu，YAN G H u aq u an ( Re s e a r c h Ce n t e r o f W a t e r En g i n e e r i n g S a f e t y a n d Di s a s t e r P r e v e n t i o n o f M i n i s t r y o f W a t e r Re s o u r c e s ， C h a n g j i a n g Ri v e r S c i e n t i f i c Re s e a r c h I n s t i t u t e，Wu h a n 4 3 0 0 1 0，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n CT，S EM ，XRD a n d TG，t h e me s o d a ma g e a n d mi c r o p r o p e r t i e s o f c e me n t e mu l s i f i e d a s pha l t c o nc r e t e w e r e s t udi e d，of f e r i n g t he t e c hni qu e s upp or t f o r t he r e l a t e d r e s e a r c he s The r e s ul t s hows t ha t c ompa r e d t o t he h i ghe r pa r t of t he c r os s s e c t i ons o f s pe c i m e ns ，t he l o w e r pa r t s ha v e a l a r ge r c h a n g e i n t e r ms o f C T a v e r a g e n u mb e r a n d h a v e a mo r e s e r i o u s d a ma g e i n t h e p r o c e s s o f c o n t i n u o u s l o a d i n g Co n c r e t e s p e c i me n h a s e x p e r i e n c e d f o u r s t a g e s o f c o n d e n s e ，e x p a n s i o n o f v o l u me ，c r a c k r a p i d p r o p a g a t i o n a nd f a i l ur e T he p l a s t i c c ha r a c t e r i s t i c s a r e s ho w e d du r i ng t he m e s o d a m a g e p r oc e s s ， whi c h i s o wi ng t o t he l o w s t r e n gt h an d modu l us o f t hi s c on c r e t e Em u l s i f i e d a s p ha l t a nd c l a y a r e n t i nv ol v e d i n hy dr a t i on o f t he c o nc r e t e The a s p ha l t e nc a ps u l a t e s c e m e nt pa r t i c l e s a f t e r de m ul s i f i c a t i on， S O t h a t t he e ar l y hy dr a t i on r a t e o f c e m e nt i s d e c r e a s e d The l a t e hyd r a t i o n i s q ui c k， a nd c o nc r e t e s t r u c t u r e be c o me s c o mp a c t ，a s p h a l t a n d ma i n h y d r a t i o n p r o d u c t s ，s u c h a s Ca( OH ) 2，C3 S，C2 S a n d c a l c i u m e t t r i n g i t e pr o duc t s a r e m ut u a l l y i nl a i d Ke y wo r d s ：c e me n t e mu l s i f i e d a s p h a l t c o n c r e t e ；c o mp u t e r i z e d t o mo g r a p h y ( CT)t e s t ；me s o d a ma g e ； mi c r o me c ha nj s m 水泥乳化沥青混凝土是一种新型混凝土 ， 其组 成材料有水泥、 乳化沥青、 黏土、 砂石等 与普通水泥 混凝土不 同的是 ， 水 泥乳化沥青混凝土具有 中低强 度 、 低弹模和良好 的耐久性等特点 ， 可用于修建水利 水电工程中的大坝防渗墙及道路面 、 基层叫， 具有节 能环保 、 易于施工等优点 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 8 2 4 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 - O l 一 1 0 基金项 目： “ 十二五” 国家科技 支撑计划项 目( 2 0 1 1 B AE 2 7 B 0 0 ) ； 国家 自然科学 基金资 助项 目( 5 1 1 3 9 0 0 1 ， 5 1 1 0 9 0 1 5 ) ； 中央级公益性科 研院 所基本科研业务费资助项 目( C KS F 2 0 1 1 0 1 8 C L) 第一作者 ： 石妍( 1 9 7 9 一 ) ， 女， 河南新 乡人 ， 长江科学院高级工程师 ， 博士 E ma i l ： s h i y a n ma i l c r s r i c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 7 8 建筑材料学报 第 1 7 卷 目前 ， 对 于水 泥 乳化 沥 青 混 凝 土 的研 究 多 集 中 在 其宏 观力 学性 能上 2 。 ， 而对连 续加 载 下 的细 观损 伤规律 以及 微观 机 理 研究 较 少 混 凝 土 是 一种 非 均 质 材料 ， 细观 上是 由骨料 、 水 泥砂浆 及界 面过 渡 区组 成 的三 相材料 混凝 土 的破坏 实际 上是裂 纹 的萌 生 、 扩展和贯通演化过程L 4 计算机断层成像 ( C T) 技术 作为一种无损检测技术 ， 可以动态 、 定量和无损伤量 测 材料 在受力 过程 中的内部裂 纹 演化 过程 ， 它 不 但 能解 释混凝 土 材 料 的宏 观 力 学 特性 ， 还 可 以作 为 建立裂纹模型 、 检验数值模拟的基础 ， 为研究混凝土 细观损伤提供了一条新的途径 同时， 材料宏观及细 观行为是其微观性能的具体反映及 内在微观机理的 外在表现， 因而， 对 比分析水泥乳化沥青混凝土的微 观机理 ， 可更好地解释其宏观及细观行为规律 基于 C T技术 ， 本文实时加载扫描水泥乳化沥 青 昆 凝 土试件 ， 运用 不 同的 图像 处理 方法 ， 研究 水 泥 乳化 沥青 混凝 土 破 坏全 过 程 的损 伤裂 纹 演 变 规律 ； 结合 S E M， X RD及 T G微观测试手段 ， 分析不 同龄 期水化产物的种类 、 形貌、 结构及物相成分 ， 以及乳 化 沥青对 水化 进 度 及水 化 规 律 的影 响 ， 以期 为 水 泥 乳化沥青混凝土的研究及应用提供技术支持 1 试验条件 试验原材料包括 4 2 5中热硅酸盐水泥、 I级粉 煤灰 、 黏土、 乳化沥青 、 石灰岩人工骨料 ( 最 大粒 径 2 0 ram) 水 泥乳化 沥青 混凝 土试 验配合 比见 表 1 ， 其 中水胶比 m m ， 青胶 比 m m 分别为水和乳化沥 青 与胶凝 材料 的 质量 比 ； 黏 土 掺 量及 粉 煤 灰 掺 量 分 别 为黏 土和粉 煤灰 占胶凝 材料 的质 量分数 表 1 水泥乳化沥青混凝土试验 配合 比 T a b l e 1 M i x p r o p o r t i o n o f c e me n t e mu l s i f i e d a s p h a l t c o n c r e t e 参照 D L T 5 1 5 O 一 2 O O 1 水工 混凝 土试验 规程 相关 规定 ， 成型 l O O 2 O 0 mlT l 的 圆柱 体 混 凝 土试 件 ， 潮湿养护至 2 8 d龄期 ； 进行 C T连续加载扫描观 测， 直 至试件破坏 观测设备 为 S i e me n s S e n s a t i o n 4 0 C T试 验机 ， 未 加 围压 ， 扫 描 混 凝 土 试 件全 断 面 ， 每次扫描时， 最小扫描间距 为 0 7 mm 同时按表 1 的配合 比( 去除骨料) 成型水泥乳化沥青净浆试件 ， 在规定龄期进行 S E M， X R D及 TG测试 ， 仪器分别 为 J S M一 5 6 1 0 L V型扫描电子显微镜 、 D Ma x H I A型 X射线衍射仪及 S TA 4 4 9 C型综合热分析仪 2 试验结果及分析 2 1 C T图像 试验 结果 分析 2 1 1 图像 直观分 析法 C T试验提供的是包含 C T数 和灰度值的数字 图像 以 8位数存 储 的灰度 图像重 建矩 阵大小 为 6 4 0 6 4 0 ， 分 辨尺寸 0 1 5 mm， 每个 像素 点 上附带 有 以 1 2位数存储 的 C T数 ， 该数可以显示 4 0 9 6个阶 位 每次荷载扫描可获得 3 9 3张 C T图像 为避免试 验 图片过 多 ， 在 扫 描 时 沿混 凝 土 圆 柱 长度 方 向选 取 7个断 面 ， 每个断 面 间距 2 5 i n m， 如 图 1所示 A l A 2 A 3 A一 4 A一 5 A 6 A 7 图 1 混凝 土断 面选取示 意图 Fi g 1 C r o s s s e c t i o n s o f c o n c r e t e ( s i z e ： ram) C T数表示 被 测 材 料 和 水 的 衰 减 系 数 之 比 ， 材 料密度越高， C T数值越大， 反之 C T数值越小 混凝 土材料中， 骨料 的 C T数为 2 2 0 0 3 0 7 1 ， 硬化水泥 砂浆 的 C T数 为 2 0 0 0 2 2 0 0 ， 界 面过渡 区 的 C T 数 为 1 0 0 0 1 6 0 0 ， 空气 的 C T数 为 一1 0 0 0 _ 3 据 此 可 从混 凝土 C T 图 中分 辨 其 各 相 组 成 由 于 C T 扫 描 图 片较 多 ， 从 中 选 取 荷 载 D 一 2 1 8 ， 5 1 5 ， 5 4 4 ， 5 3 0 MP a 时的混 凝土各 断 面分层 扫描 结果示 于 图 2 ( 图中 a ， 等 的下标为荷载次序) ， 破坏后 混凝土 结构 裂纹 立效 图见 图 3 由图 2可见 ， 因骨料密 度最 大 ， 故 其所 在 区域 在 图 中最为 明亮 ， 可 以清 晰地 辨 别 出 骨料 形 状 及 其 在 断 面 中的空 间分 布位 置 硬 化砂 浆密 度次 之 ， 在 图 中 呈灰色， 而图中黑色区域为孑 L 洞和裂纹区 孔洞的形 成源 于成 型不 完全 密 实 ， 以及 乳 化 沥青 破 乳 后 水 分 参 与水泥后 期水 化 而遗 留 水泥乳 化 沥青 混 凝 土试 件 在 受 压 破 坏 过程 中 ， 下部 分断 面细 观 裂 纹 明显 ， 其 形 成 、 发 展 比较 迅 速 ， 破坏 严重 ， 上部 分断 面细 观裂 纹 不 明显 ( 见 图 3 ) ； 界 面 过渡 区和孔 洞 附 近是 开 裂 的 薄 弱 区 ； 在达 到 极 限 荷载5 4 4 MP a 之前 ， 试件各 断面 裂纹较少 ， 处于压 密和微扩容相互交替 的过程， 达到极限荷载后 ， 出现 裂缝 ， 继续加载， 则混凝土承压荷载降低 ， 裂缝明显 扩展 ， 混凝 土破坏 从 图 3也可看 出 ， 破坏 后水泥 乳 化 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 O 建筑材料学报 第 1 7 卷 图 4 连续加载下混凝土各断 面 C T平 均数 曲线 Fig 4 CT me a n v a l u e c o mp a r i s o n o f e a c h c r o s s s e c t i o n un de r c o nt i nu ous l o a di ng 有不同程度降低 ， A- 1 A一 3断面的 C T平均数变化 幅度 较小 ， A 一 4 A一 7断面 的 C T平 均数 变化 较大 因此 ， 由连 续应 力水 平 下 的 C T平 均 数 发 展 规 律来看， 水泥乳化沥青混凝土损伤演化过程可分为 压密 、 扩容、 裂纹扩展及试件破坏 4个 阶段 此发展 过程在试件下部分断 面上体现得更为完整 ， 而上部 分断面则一直处 于压密与微扩容 的交替状态 试件 下部分断面 C T平均数变化较大 ， 破坏程度更为严 重 ， 这 与直 观分析 的结 论一 致 2 1 3 C T平 均数 与损 伤变量 的关 系 为了对细观扫描图像上 附带的 C T平均数信息 进行检 出和统计 分 析 ， 较 好 地 反 映 混凝 土 损 伤 局 部 变化现 象 ， 用 式 ( 1 ) 来 表达 C T平 均数 与 损伤 变 量 D 的关 系 ： D 一 1一 ( 1 ) 式中： H 。 为 m断面混凝土在初始状态下的全局域 C T平均数 ； H 为 m 断面在某应力 i阶段的全局域 C T平 均数 首先统计得到每个加载阶段各 断面上的 C T平 均数 ， 然后根据式 ( 1 ) 计算得到损伤变量值 ， 由此绘 制 损伤 变量 与应 力关 系 ( D) 曲线 ， 见 图 5 由图 5可见 ， 在荷 载 4 4 1 MP a 之前 ， 损伤变 量 曲 线相对平稳， 混凝土各断面基本 上没有太大损伤产 生 ， 而是处于不 断 压密 和微 扩 容 的强 化 阶段 在该 应 力之后， 各断 面损 伤变量缓慢上 升， 直至极 限荷载 5 4 4 MP a ， 试件遭受破坏 再次施压( 5 3 O MP a ) 时， 试 件已经破坏 ， 所 以此时损伤变量值最大 水泥乳化沥 青混凝土从损 伤到破坏 是一个逐 渐发展 的过 程 ， 且 断 面 A - 1 A _ 3的损伤变量变化较小， 断面 A _ 4 A _ 7 的损伤变量变化较大 ， 这与以上分析的结论一致 普通混凝土损伤变量的发展曲线均有一个 近乎 垂 直 的上升 阶段 ， 此 时 混 凝 土损 伤 急 剧 扩 展 以致 发 004 5 00 40 003 5 0 0 3 0 002 5 Q 00 2 0 001 5 001 O 00 05 O 生脆 性破 坏_ 6 对 比而言 ， 水 泥乳化 沥青 混凝 土 试件 呈 塑性 破坏 特征 ， 试 件 各 断 面 损 伤变 量 曲线 变 化较 为平 缓 ， 而且 变化 幅度较 小 ， 这与此 类混 凝土 本 身 强 度及 弹模 较低 的力 学性 能有 关 2 2 微 观测试 结 果分 析 2 2 1 扫描 电镜 分析 水泥乳化沥青硬化浆体的 S E M 照片见图 6 由 图 6可见 ， 7 d龄期 时 ， 水 泥 处于水 化早 期 ， 有少 量 针 状 、 簇 状 水 化 产 物 C s H 凝 胶 ， C a( OH) ， AF t ， AF m等， 以及未水化的水 泥熟料颗粒 ； 破乳后产生 的沥 青颗 粒 圆润 ， 本 身不 参 与水化 ， 部 分包裹 水 泥颗 粒或者黏土颗粒 ， 从而减缓了水泥水化速度 ， 使混凝 土强 度发 展缓 慢 ； 结 构 内部孑 L 隙较 多 ， 这是 由成 型 过 程中引入的气泡破裂 和水 分蒸发 留下 的“ 空位” 所 致 2 8 d龄期 时， 乳 化沥青释放 的水 分参与水化 反 应 ， 使水化产物逐渐增多， 沥青颗粒 由规则的球形变 成不规则 的球饼 状， 并 附着在水泥水化 产物上 至 9 0 d龄期 ， 水化产物发育相对完善 ， 部分沥青 与水化 产 物相互 镶嵌 ， 结 构较 为致密 2 2 2 X射线衍 射分 析 水 泥乳化 沥青 硬化 浆 体 X R D 图见 图 7 由 图 7 可见 ， 水泥乳化沥青硬化浆体在各个龄期的水化 产 物基本相似 ， 主要是 C a ( OH) ， C 。 S和 C S的衍射 峰 以及 钙 矾 石 的特 征 峰 ， C a C O 。由 C a ( OH) 碳 化 产 生 水 泥水化 产 物 中没 有新 的矿 物相 生成 ， 说 明 沥 青 、 黏土均未与水泥发 生化 学反应 随着龄期 的增 长 ， 水化产物量逐渐增 多 S i O 的存 在是 由于黏土 掺入所致 ， 同时衍射 图谱 中有明显的非晶峰存在 ， 这 是 由沥 青散射 产 生 的 2 2 3 热重 分析 水泥乳化沥青硬 化浆体各 龄期 T G 曲线见 图 8 由图 8可见 ， 随 着温度 的增 长 ， 3个 龄期 的峰 值 变 化规律相似 ； 同时随着龄期的增长， 其质量损失逐渐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m