骨料界面特性对混凝土力学性能的影响.pdf

第 1 7卷第 4期 2 0 1 4年 8月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI L DI NG MATE RI ALS Vo 1 17， No 4 Aug ， 2 0 1 4 文章 编 号 ： 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 O 1 4 ) O 4 一 O 5 9 8 O 8 骨料界面特性对 混凝土力学性 能的影响 董 芸 ， 杨华全。 ， 张 亮 ， 林 育强。 ( 1 武汉大 学 水利水 电学 院 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 2 ； 2 长江科 学 院 ， 湖 北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ：采用计 算 机 断 层 扫 描 成 像 ( C T) 技 术 、 扫 描 电镜 ( S E M ) 、 X 射 线 能 谱 仪 ( E D S ) 、 显 微 硬 度 ( MH) 等各 种微 细观测 试手段 对砂 岩 、 锈 染砂 岩 、 锈 面砂 岩 、 板 岩及 大理 岩 骨料界 面特 性 开展 了试 验研 究 ， 分析 了以上 几种 骨料 的界 面特 性对 混凝 土力 学性 能 的影 响机 理 研 究表 明 ： 不 同骨料 界 面 区微 结 构相差很 大 ， 不 同骨料的化 学成 分和 矿物 组成 影 响 了界 面 区水化 产 物 的数 量 、 形 态 、 尺寸 和 生长发育特性； 骨料的界面区显微硬度与界 面区钙硅比有 良好的对应关 系， 钙硅 比越大则界 面显 微硬 度越 低 ； 大理岩 混凝 土 的起 裂 强 度 明 显低 于砂 岩 、 板 岩 和 锈 染 砂 岩 混 凝 土 ， 且 相 同荷 栽 条 件 下 ， 大理 岩混凝 土 的裂纹 面积远 高 于其他 骨料混 凝土 关 键词 ：骨料 ； 界 面特 性 ；C T技术 ； 显微 硬度 ；钙硅 比 ； 界 面过渡 区 中图分 类号 ： TU5 2 8 0 4 1 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 4 0 0 7 Ef f e c t s o f Ag g r e g a t e I n t e r f a c e Ch a r a c t e r i s t i c s o n t h e M e c h a ni c a l Pr o p e r t y o f Co nc r e t e D0NG Yu n ，Y_A NG H ua q ua n。， ZH A NG Li an g。， LJ N Yuq i an g ( 1 S c h o o l o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o we r E n g i n e e r i n g ，W u h a n Un i v e r s i t y ，W u h a n 4 3 0 0 7 2，Ch i n a ； 2 Ch 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 ) Abs t r a c t ：The a gg r e g a t e i nt e r f a c e c ha r a c t e r i s t i c s o f s a nd s t on e，r us t d ye s a nds t o n e，s u r f a c e r us t s a nd s t on e， s l a t e a n d ma r b l e we r e i n v e s t i g a t e d b y me a n s o f t h e c o mp u t e r i z e d t o mo g r a p h y ( CT)t e c h n o l o g y ，s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p e ( S EM ) ，e n e r g y d i s p e r s i v e s p e c t r o me t e ( EDS )a n d mi c r o h a r d n e s s ( M H)a n d t h e me c h a n i s m o f i nt e r f a c e f e a t ur e s o f t he a bo v e a g g r e g a t e s o n me c ha ni c a l p r o pe r t i e s o f c o nc r e t e we r e s t u d i e d I t wa s s h o wn t h a t t h e mi c r o s t r u c t u r e s o f d i f f e r e n t a g g r e g a t e s i n t e r r a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ( I TZ )v a r y c o n s i d e r a b l y The c he mi c a l c o mpo s i t i o n，mi ne r a l c o mpo s i t i on a nd s u r f a c e t e x t u r e o f d i f f e r e n t a g gr e g a t e s a f f e c t t he q ua n t i t y，s h a pe，s i z e a nd g r o wt h c ha r a c t e r i s t i c s o f t he hy dr a t e d p r o d uc t o f I TZTh e m i c r o ha r d ne s s i s we l l r e - l a t e d t o t h e mo l a r r a t i o o f Ca O t o S i O2 ( c s )o f t h e I TZTh e h i g h e r c n s ，t h e l o we r mi c r o h a r d n e s s The i n i t i a l c r a c k i ng s t r e n gt h o f ma r bl e a gg r e g a t e c o nc r e t e i s s i g ni f i c a n t l y l o we r t ha n t ho s e o f s a nd s t on e， s l a t e a n d r us t dy e s a nds t o ne a g g r e ga t e c o nc r e t e I n t h e s a m e 1 o a d c o n di t i o n，t he c r a c ki n g a r e a r a t i o o f ma r b l e a g g r e g a t e c on c r e t e i s f a r hi ghe r t h a n o t he r a g gr e ga t e c o nc r e t e Ke y wo r d s： a g gr e g a t e； i nt e r f a c e c h a r a c t e r i s t i c s； CT t e c h no l o gy； mi c r o ha r d ne s s； m o l a r r a t i o o f Ca O t o S i O，；i n t e r f a c i a l t r a ns i t i o n z o ne ( I TZ) 界面 过 渡 区 ( I TZ ) 是 混 凝 土 中 的薄 弱 区 域 界 面过渡区主要有三大特征 ： 低密度或高孔隙率 ； 大 量呈 优先取 向的氢氧 化钙 晶体 ； 微 裂缝 界 面过 渡 区 的微结 构对混 凝 土 的强 度 、 变 形 性 能 和 耐久 性 有 重 要 影响 界 面过渡 区 的性 质 除了受 水泥 用量 、 品种 和性能 ， 掺和料种类 、 质量和掺加比例， 水胶比， 养护 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 3 0 4 ；修订 日期 ： 2 0 1 3 - 0 4 0 3 基金项 目： 国家 自然科学基金重点项 目( 5 1 1 3 9 0 0 1 ) ； 国家青年科学基金资助项 目( 5 1 1 0 9 0 1 5 ) 第一作者 ： 董芸 ( 1 9 7 5 一) ， 女 ， 上海人 ， 长江科学院高级工程师， 硕士 E ma i l ： d o n g y u 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 第 4 期 董芸 ， 等 ： 骨料界 面特性对混凝 土力学性 能的影 响 条件等 因素 的影 响外 ， 还 与骨 料 的特 性 密切 相关 骨 料的尺寸、 级配 、 形状、 吸水率、 化学和矿物组成等对 界面过 渡 区的性 能 具 有非 常 重要 的影 响 此 外 ， 由 于 浆体与骨料的弹性模量和线膨胀系数等的差异， 使界 面过渡区成为混凝土中应力最为集 中的区域 ， 因此浆 体一 骨料界 面的特性及其 抵抗外 力变 形 的能力在 很大 程度 上决定着 混凝土 的力学性 能和耐久性 能 四川雅 砻 江锦屏 一级 水 电站 大奔 流沟砂 岩 料 场 部分 料 层段 夹杂 有其 他岩 性 的岩石 ， 包 括锈 染 砂 岩 、 锈 面砂 岩 、 板 岩及 大 理岩 这些 杂质 骨料 混入 混 凝 土 后 ， 将不 可避 免 地 对 锦屏 一级 水 电站 大 坝 混 凝 土 的 性 能产 生 影 响 本 文 采 用 扫 描 电镜 ( S E M) 、 X 射 线 能谱 仪 ( E D S ) 、 显 微 硬 度 ( MH) 等 各 种 微 细 观 测 试 手段 对 以上 骨料 的界 面 特 性 开 展 了试 验 研 究 ， 同 时 料混凝土的细观损伤破坏过程 ， 结合混凝土的抗拉 强 度 ， 分 析不 同骨 料 的界 面特 性 对 混 凝 土 力学 性 能 的影响 机理 1 试验原材料 水 泥 ： 峨 胜 4 2 5中 热 硅 酸 盐 水 泥 ， 其 化 学 组 成”和物理 力学 性 能 见表 1 ， 2 ； 粉 煤 灰 ： 宣 威 电厂 工 级粉 煤 灰 ， 需 水 量 比 9 3 ； 外 加 剂 ： 北 京 冶 建 J G 一 3 缓凝 高效 减水 剂 ， 减 水 率 2 3 5 ， 山西 黄 河 HJ AE A 型 引 气 剂 ； 细 骨 料 ： 大 理 岩 人 工 砂 ， 细 度 模 数 2 3 9 ， 石 粉含量 1 5 ， 坚 固性 5 5 ， 吸 水 率 0 8 ， 表观密度 2 6 9 0 k g m。 ； 粗骨料 ： 分别为砂岩、 锈染砂 岩 、 锈 面 砂 岩 、 板 岩 及 大 理岩 5种 粗 骨料 ， 其 基 本 性 能见表 3 ， 岩 相鉴 定 结 果 见表 4 ， 锈 面 化学 成 分 分 析 采用计算机断层扫描成像 ( C T) 技术分析 了不同骨 结果见表 5 表 1 水泥的化 学组成 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n ( b y ma s s )o f c e me n t e 。 却 ； t io “ C r u s h i n d e x C o n s is t e n c e) g y p m m ( k g m 。 ) ( b y m a s s ) ( b y m a s s 。 。 1 )本文所 涉及 的组成 、 需水 量比、 水胶 比等均 为质量 分数或质量 比 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 0 0 建筑材料学报 第 1 7 卷 2 试验方法 将锈 染砂 岩 、 大 理 岩 、 板 岩 、 砂 岩 加 工成 粒径 为 2 5 5 0 mm 的较 粗 颗 粒 ， 筛 除 大 理 岩 人 工 砂 中 2 5 mm 以 上 颗 粒 混 凝 土 中粗 骨 料 与 大 理 岩 人 工 砂 的质 量 b 匕 为 1： 1 ， 按 照粉 煤 灰掺 量 3 5 ， 水 胶 比 0 3 0在砂浆 8字 试 模 中成 型 小 尺 寸 混凝 土抗 拉 强 度试件 ， 每组 6块试件 试件成型后标准养护至 2 8 ， 9 0 d龄期 ， 采 用 C MT4 3 0 4型 3 0 k N 微 机 电子 万 能 试 验机 进行 8字模 抗拉 强度 试验 在水灰 比为 0 3 0 ， 粉煤灰掺量为 3 5 9 5 的搅拌均 匀的净浆中， 加入颗粒尺寸为 2 5 5 0 mm， 体积分 数为 4 O 的不 同岩性 骨料 ， 成 型 4 0 mmx4 0 mm 4 0 mm立方体试样 ， 每组 3 5块 ， 将其标准养护至 2 8 ， 9 0 d 龄 期 ， 用 切 片机 切 割 成 1 0 mm 厚 的正 方 形 薄 片 ， 抛光 后进行 显 微硬度 测试 ； 同时 选取试 样 中心 部位 的小碎 块 用无水 乙醇 终止水 化 ， 在 6 O下 干燥 至恒重， 选取含有骨料一 水泥浆体界面过渡区的新鲜 平 整断 面用 于 I T Z水 化产 物 S E M 形 貌 分析 和 E D S 化 学成分 分 析 扫 描 电镜 为 日本 电子 生 产 的 J S M- 6 6 1 0 L A 型 ， 工作 电压 2 O k V， 工作 距 离 1 0 mm； 显微 硬度计为上海联尔试验设备有限公司生产的 HVs _ 1 0 0 0型数 显显 微硬 度计 采 用 S i e me n s S e n s a t i o n 4 O医 用 螺 旋 X 射 线 C T扫描仪进行混凝土细观损伤试验 选用 锦屏一 级水电站大坝 四级配强度等级 为 C 。 。 3 5的混 凝土 配合 比， 湿筛筛除大于 2 0 mm 粒径 的粗骨料， 成型 6 0 1 2 0 mm的一级配混凝土圆柱体试件( 在试件 上附加了加载装置) ， 粗骨料分别为锈染砂岩 、 大理 岩 、 板岩及砂岩骨料 试件标准养护至规定龄期后 ， 首 先沿 未施加 荷 载的试 件轴 心方 向等距 离选 取 儿 J 7等 7个圆形扫描断面进行初次扫描 ； 初次扫描终 止后 ， 对试件 进行 单轴加 压 ， 在试件 持荷 状态 下再 次 进行 C T扫描 ， 扫描断面位置不变； 逐步增加荷载 ， 进行不 同持荷状态下的 C T扫描 3 试 验结果及分析 3 1 不 同骨料 对混凝 土抗 拉强 度 的影响 8字模小尺寸混凝土抗拉强度试验结果见表 6 由于试验采用的粗骨料尺寸均为 2 5 5 0 mm， 因 此 骨料级 配 的影 响 可 以排 除 ， 并 且 骨料 粒 形 的影 响 也较 小 ， 试验结 果 反 映 的 主要 是 不 同 岩性 骨料 的 化 学 成分 、 矿 物 组成 及 表 面织 构 的影 响 由表 6可 见 ， 锈染砂岩混凝土与大理岩混凝土的抗拉强度相近， 但比砂岩混凝土的抗拉强度低 3 4 ， 板岩混凝 土 的抗 拉强 度 比砂 岩混凝 土 高 8 9 6 1 0 表 6 混凝土抗拉强度 Ta b l e 6 Te n s i l e s t r e ng t h o f c o n c r e t e T e n s i l e s t r e n g t h MP a C o mp a r e t o B D 2 8 d 9 0 d 2 8 d 9 0 d 3 2 不 同骨料 界面 区的显 微硬 度 不 同骨料界 面 区显微 硬度 见 图 1 由图 1可 见 ， 随着与骨料界面距离 的增加， 不同骨料浆体的显微 硬 度均有 增大 的趋 势 在距 骨料 界面 1 0 0 0 m 左 右 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 第 4 期 董芸 ， 等 ： 骨料界面特性对混凝土力学性能 的影响 6 0 3 未水化 粉煤 灰颗 粒 和 结 晶 良好 团 聚堆 积 的C a ( OH) z 晶体 同时还可看到 ， 锈染砂岩界面区针状钙矾石晶 体所 占比例最高， 晶体尺寸较大 ， 多呈 团聚状堆积 ； 板岩界面区针状钙矾石 晶体多呈网状堆积 ， 晶体 尺 寸较大 ； 砂岩和大理 岩骨料界面 区的针状钙矾石呈 放射状 向外 辐射 延伸 ， 此 外 大理岩 骨料 界 面 区的 C a ( OH) 。 晶体所 占比例最高 根据吸附理论 6 ， 大 理岩 骨料 表 面 的方 解 石 C a C O。对水 泥 水 化 释 放 出 的 C a 。 +具有优先 吸附作用 ， 因此 C a ( OH) z晶体更 易在大理岩骨料表面成核生长 另外， E D S分析表 明， 锈 面 砂 岩 界 面 区 针 状 钙 矾 石 晶 体 较 少 ， 但 C a ( OH) 晶体所 占比例较高 C a ( OH) z 晶体在骨料 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 第 4期 董芸 ， 等 ： 骨料界面特性对混凝土力学性能的影响 6 O 5 岩表面的簇 团生长现象和 c a ( OH) 。晶体在大理岩 骨料表面强烈的择优生长趋势 ， 使锈染砂岩和大理 岩骨料界面过渡区增 大， 其界面 区强度明显低于锈 面砂岩 、 板岩和砂岩 ； 骨料的界面区显微硬度与界面 区钙硅比有着 良好的对应关系 5 参考 文献 ： 1 2 3 4 MEHTA P K， MONTEI RO P J M Con c r e t e l Mi c r o s t r uc t u r e， p r o p e r t i e s a n d ma t e r i a l s M 3 r d e d Ne w Yo r k l Th e Mc Gr a w- H i l l Pr of e s s i o n a l ， 2 0 0 6 I 3 - 4 陈惠苏， 孙伟， S T R O E V E N P 水泥基复合材料界面对材料宏 观性能的影响 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 5 ， 8 ( 1 ) ： 5 1 6 1 CHEN Hu i s u， S UN W e i S TR0EVEN P Re v i e w on t he s t u d y o f e f f e c t o f I TZ o n t h e ma c r o p r o p e r t i e s o f c e me n t i t i o us t o m p o s i t e J J o u r n a l o f B u i l d in g Ma t e r i a l s 2 0 0 5 ， 8 ( 1 ) ： 5 1 6 1 ( i n Ch i ne s e ) 姜袁 ， 柏巍 戚永乐 ， 等 基于 C T扫描数 据的混凝 土 细观结构 的三维重 建 J 三 峡 大学 学 报 。 自然科 学 版 ， 2 0 0 8 ， 3 0( 1 ) t 5 2 5 5 儿ANG Yu a n ， B AI W e i QI Yo n g l e ， e t a 1 R e c o n s t r u c t i o n o f 3 D mo d e l o f c o n c r e t e me s a s t r u c t u r e wi t h C T o r i g i n a l d a t a J J o u r na l o f Ch i na Th r e e Go r g e s Un i v e r s i t y l Na t u r a l S c i e nc e ， 2 0 0 8， 3 0( 1 )l 5 2 - 5 5 ( i n Ch i ne s e ) 刘汉昆 ， 孙超 ， 李杰 基 于 c T扫描的混凝土三维 细观数值模拟 6 7 8 J 建筑科学与工程学报 ， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 ) ： 5 4 5 9 L I U Ha n k u n ， S UN C h a o ， L I J i e Th r e e - d e me n s i o n a 1 me s o s c o p i c n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f c o n c r e t e b a s e d o n CT s c a n E J J o u r na l o f Ar c h i t e c t u r e a n d Ci v i 1 En gi n e e r i n g， 2 0 1 0， 2 7 ( 1)： 5 4 5 9 ( i n Ch i ne s e ) 陈益 民， 许仲 梓 高性 能水泥 制备 和应用 的科学 基础 M 北 京 ： 化学工业出版社 ， 2 0 0 8 ： 2 4 4 2 4 6 CHEN Yi mi n， XU Z h o n g z i S c i e n t i f i c b a s i s o f h i gh p e r f o r m a n c e c e me n t p r e p a r a t i o n a n d a p p l i c a t i o n M B e i j in g ： C h e mi s t r y I n d u s t r y Pr e s s ， 2 0 0 8； 2 4 4 - 2 4 6 ( i n Ch i ne s e ) 章春梅 ， RAMAc HAN DR AN V s 碳酸钙微 集料 对硅酸 三钙 水化的影响E J 硅酸盐学报 ， 1 9 8 8 ， 1 6 ( 2 ) ： 1 1 0 一 l 1 7 ZHANG Ch u n me i RAMACHANDRAN V S Ef f e c t s o f c a l c i u m c a r b o na t e mi c r o a g gr e g a t e o n t he h y d r a t i o n o f t r i c a l c i u m s i l i c a t e J J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y ， 1 9 8 8 ， 1 6 ( 2 )： 1 1 0 1 1 7 ( i n Ch i n e s e ) DARW I N D Th e i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o ne ： “Di r e c t ” e v i d e n c e o n c o m p r e s s i v e r e s p o n s e e l Mi c r o s t r u c t u r e o f C e me n t - B a s e d S y s t e ms B o n d i n g a n d I n t e r f a c e s i n C e me n t i t i o u s Ma t e r i a l s ( MRS Vo l 3 7 0 ) P i t t s bu r g h： Ma t e r i a l s Re s e a r c h So c i e t y， 1 9 9 5： 4 l 9 4 27 CHEN Z Y， WANG J G Ef f e c t o f b o n d s t r e n g t h b e t we e n a g g r e g a t e a nd c e me n t p a s t e o n t he me c h a n i c a l be h a v i o u r o f c o n c r e t e c B o n d i n g i n C e me n t i t i o u s C o mp o s i t e s ( MR S Vo l 3 7 0) P i t t s bu r g h： Ma t e r i a l s Re s e a r c h S o c i e t y， 1 98 8： 41 4 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m