硫酸鹽干濕循環(huán)對(duì)再生骨料混凝土性能的影響

賈文亮，張 琴，李 昊

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

?

硫酸鹽干濕循環(huán)對(duì)再生骨料混凝土性能的影響

賈文亮，張 琴，李 昊

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

為了探討再生骨料混凝土在硫酸鹽作用下的耐久性能，選取再生粗骨料替代率為50%、100%的兩組再生混凝土和普通骨料混凝土進(jìn)行硫酸鹽環(huán)境中的干濕循環(huán)試驗(yàn)。從侵蝕后混凝土表觀形貌，質(zhì)量、強(qiáng)度、超聲波速經(jīng)時(shí)變化規(guī)律分析混凝土的損傷特性。結(jié)果表明：再生骨料混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力小于普通骨料混凝土，且抗侵蝕能力隨著再生骨料替代率的增加而降低。硫酸鹽侵蝕后，混凝土質(zhì)量、強(qiáng)度、超聲波速經(jīng)時(shí)變化曲線由上升段與下降段兩部分組成。超聲波法可以反映再生骨料混凝土侵蝕后的損傷特征。最后，建立了無(wú)量綱化超聲波速與抗壓強(qiáng)度之間的演化方程。

硫酸鹽； 干濕循環(huán)； 再生骨料混凝土； 超聲波速； 損傷特征

1 引 言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展，世界范圍內(nèi)城市化建設(shè)速度不斷加快，廢舊建筑拆遷改造產(chǎn)生的大量廢棄混凝土排放量逐年增加，對(duì)環(huán)境造成了非常嚴(yán)重的破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1-2]，美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)每年產(chǎn)生的廢棄混凝土以千萬(wàn)噸為計(jì)，而我國(guó)每年產(chǎn)生的建筑垃圾高達(dá)35億噸[3]。如何解決如此龐大的建筑垃圾成為一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。再生混凝土具有綠色、無(wú)污染、可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)，近年來(lái)再生骨料混凝土發(fā)展方興未艾。硫酸鹽侵蝕是影響混凝土耐久性的重要因素之一，我國(guó)西部地區(qū)土壤以及水溶液中含有大量的硫酸鹽，這些地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)受硫酸鹽侵蝕非常嚴(yán)重，尤其是水工混凝土經(jīng)常遭受水位變化引起干濕作用的影響，對(duì)混凝土造成嚴(yán)重侵蝕[4]。因此，本文選取再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，簡(jiǎn)稱RAC)和普通骨料混凝土(Natural Aggregate Concrete，簡(jiǎn)稱NAC)在硫酸鹽溶液中的干濕循環(huán)試驗(yàn)，探討干濕循環(huán)作用對(duì)再生骨料混凝土耐久性能的影響規(guī)律，為再生骨料混凝土在我國(guó)西部地區(qū)使用提供一定借鑒。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原材料

水泥：蒙西P·O 42.5水泥；砂子：天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.71，其他物理性能見(jiàn)表1；粗骨料：普通骨料選用粒徑連續(xù)級(jí)配天然碎石，再生骨料選用經(jīng)破碎后的混凝土(原設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30)，骨料級(jí)配良好，其他物理性能見(jiàn)表1；水：普通自來(lái)水；外加劑：高效引氣減水劑。

表1 骨料物理性能

2.2 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)及相關(guān)性能

試驗(yàn)基準(zhǔn)組為普通骨料混凝土，通過(guò)再生骨料取代普通骨料(卵石與碎石的混合料)組成兩組再生骨料混凝土。再生粗骨料比表面積較大，且棱角分明，試驗(yàn)選用40%的砂率使再生骨料混凝土具有良好的工作性能。其配合比及基本性能見(jiàn)表2。

表2 混凝土配合比及其相關(guān)指標(biāo)

2.3 試驗(yàn)方法

為了研究不同再生粗骨料替代率對(duì)再生骨料混凝土性能的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了多次硫酸鹽環(huán)境中干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究干濕循環(huán)經(jīng)時(shí)變化對(duì)再生骨料混凝土質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度和超聲波速的變化規(guī)律。試驗(yàn)所用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗壓試驗(yàn)結(jié)果乘以換算系數(shù)0.95。侵蝕溶液為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MgSO4溶液。具體試驗(yàn)方法為：試件養(yǎng)護(hù)26 d后置于(80±5) ℃的烘箱中48 h，待冷卻后放入MgSO4溶液中。干濕循環(huán)制度為：MgSO4溶液浸泡15 h→風(fēng)干1 h→烘干6 h→冷卻2 h→MgSO4溶液浸泡15 h，一個(gè)循環(huán)周期為1 d。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面破壞形態(tài)

圖1為3組混凝土干濕循環(huán)100次的宏觀形貌。由圖1(a)可見(jiàn)，NAC混凝土經(jīng)過(guò)100次干濕循環(huán)后表面形成很多微小裂紋，并且有部分砂漿剝蝕，棱角處侵蝕比較嚴(yán)重。由圖1(b)可見(jiàn)，N-RAC混凝土表面有多處較寬的裂縫，并且逐漸向貫穿裂縫發(fā)展；表面起鼓現(xiàn)象非常嚴(yán)重，砂漿與基體已經(jīng)不能很好的膠結(jié)，并且有白色硫酸鹽結(jié)晶物析出。圖1(c)可見(jiàn)，RAC混凝土侵蝕最為嚴(yán)重，表層砂漿幾乎完全脫落，甚至有粗骨料外露現(xiàn)象，已經(jīng)不能保持完整的形貌。這主要是因?yàn)榱蛩猁}與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膨脹性復(fù)鹽，當(dāng)膨脹性復(fù)鹽的壓應(yīng)力大于水泥基材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)引起混凝土表面砂漿剝落。文獻(xiàn)[5]表明，混凝土抗?jié)B透性隨著再生粗骨料替代率的增加而降低。RAC組混凝土進(jìn)行了100%再生粗骨料替代，外部硫酸鹽溶液可以更快的進(jìn)入混凝土內(nèi)部對(duì)混凝土造成損傷，宏觀表現(xiàn)為RAC組混凝土侵蝕破壞比其他兩種嚴(yán)重。硫酸鹽的滲入是一個(gè)由表及里的緩緩過(guò)程，硫酸鹽首先與混凝土表層的水化產(chǎn)物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，復(fù)鹽首先在混凝土表層富集。所以，混凝土表層的腐蝕程度要比內(nèi)部嚴(yán)重很多。

圖1 3組混凝土試件表觀形貌特征(a)NAC;(b)N-RAC;(c)RACFig.1 Morphology characteristics in surface of 3 groups concrete

3.2 質(zhì)量經(jīng)時(shí)變化規(guī)律

3組混凝土質(zhì)量經(jīng)時(shí)變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，3組混凝土凝結(jié)硬化后(干濕循環(huán)次數(shù)為0次)質(zhì)量大小為NAC>N-RAC>RAC。產(chǎn)生這樣的原因是因?yàn)镹-RAC與RAC都摻有不同比例的再生粗骨料，由表1可知再生粗骨料(RA)的密度小于普通粗骨料(NA)，因此，硬化后再生骨料混凝土的質(zhì)量隨著粗骨料替代率的增加而減小。

150次干濕循環(huán)全過(guò)程內(nèi)3組混凝土質(zhì)量經(jīng)時(shí)變化規(guī)律具有一定的相似性：由上升段與下降段兩部分組成。上升段發(fā)生在干濕循環(huán)70次左右，經(jīng)過(guò)最大值后混凝土質(zhì)量開(kāi)始快速下降，混凝土表面出現(xiàn)不同程度的掉渣、脫皮等現(xiàn)象。不論是上升段還是下降段，RAC組混凝土質(zhì)量變化斜率均為最大，NAC質(zhì)量曲線斜率最小?；炷临|(zhì)量的增加主要來(lái)源于兩部分：一部分是由于外界水分進(jìn)入所引起。再生骨料混凝土吸水率與再生骨料替代率呈線性關(guān)系，當(dāng)再生骨料替代率為50%時(shí)，混凝土的吸水率為4.00%；當(dāng)替代率為100%時(shí)，混凝土的吸水率高達(dá)7.01%[6]。另外一部分是因?yàn)榱蛩猁}與水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鹽類物質(zhì)引起質(zhì)量增加，硫酸鹽與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的快慢程度主要與混凝土內(nèi)部硫酸鹽滲入量有關(guān)，混凝土自身抗?jié)B性能越小，硫酸鹽滲入量越大。由3.1可知，RAC混凝土的抗?jié)B性能最小，所以RAC組再生骨料混凝土質(zhì)量增長(zhǎng)最為迅速。經(jīng)過(guò)極值點(diǎn)后質(zhì)量開(kāi)始快速下降，150次循環(huán)后NAC、N-RAC、RAC3組混凝土質(zhì)量下降分別為初始質(zhì)量的93.7%、90.9%、86.9%，降幅為RAC>N-RAC>NAC。再生粗骨料表面包裹著一層硬化后的水泥砂漿，替代率越大，骨料中砂漿含量就越高。砂漿的孔隙率比較大，鈣礬石、石膏和硫酸鹽等結(jié)晶物在砂漿孔隙中形成了很大的膨脹應(yīng)力，從而引起水泥砂漿開(kāi)裂，在混凝土表層形成較寬的裂縫。

3.3 強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律

3組混凝土干濕循環(huán)后強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可見(jiàn)：干濕循環(huán)初期，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著侵蝕時(shí)間的增加而增加，經(jīng)過(guò)極值點(diǎn)后，強(qiáng)度隨侵蝕時(shí)間的增加而下降。強(qiáng)度增長(zhǎng)現(xiàn)象是因?yàn)椋?1)干濕循環(huán)初期，混凝土處于一種養(yǎng)護(hù)狀態(tài)，促進(jìn)水泥水化[7]。(2)硫酸鹽類結(jié)晶填充了混凝土內(nèi)部微孔隙，增加了混凝土密實(shí)度，從而增加承壓面積，進(jìn)而增加了混凝土抗壓強(qiáng)度。干濕循環(huán)中后期，由于硫酸鹽晶體在混凝土孔隙內(nèi)不斷富集，最終造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小裂紋[8]。這種裂紋為硫酸鹽的進(jìn)入提供了便利條件，進(jìn)而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，造成混凝土強(qiáng)度下降。

NAC混凝土強(qiáng)度最大值為干濕循環(huán)60次，RAC、N-RAC混凝土強(qiáng)度最大值為干濕循環(huán)45次，3組混凝土最大值的差異比較小。RAC、N-RAC兩組混凝土抗?jié)B性能小于NAC混凝土，所以硫酸鹽進(jìn)入這兩組混凝土的量要大于NAC混凝土，硫酸鹽晶體在RAC、N-RAC內(nèi)增長(zhǎng)比較迅速，所以這兩組混凝土強(qiáng)度極值點(diǎn)出現(xiàn)早于NAC混凝土。另外，RAC、N-RAC兩組混凝土都存在不同質(zhì)量的再生骨料，再生骨料在破碎過(guò)程中砂漿受到不同程度的初始損傷，從而形成一定的初始裂紋，對(duì)混凝土強(qiáng)度造成一定的影響[9]。經(jīng)過(guò)150次循環(huán)后3組混凝土的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)不能滿足30 MPa，RAC混凝土強(qiáng)度下降為23.5 MPa。150次循環(huán)后NAC、N-RAC、RAC混凝土的強(qiáng)度下降為初始強(qiáng)度的83.9%、77.4%、72.3%。

圖2 3組混凝土質(zhì)量經(jīng)時(shí)變化規(guī)律Fig.2 Relationship between mass and dry-wet cycles of 3 groups concrete

圖3 3組混凝土強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化規(guī)律Fig.3 Relationship between compressive strength and dry-wet cycles of 3 groups concrete

3.4 超聲波速經(jīng)時(shí)變化規(guī)律

圖4 3組混凝土超聲波速經(jīng)時(shí)變化規(guī)律Fig.4 Relationship between ultrasonic velocity and dry-wet cycles of 3 groups concrete

混凝土強(qiáng)度無(wú)損檢測(cè)方法有回彈法、超聲波法、超聲-回彈綜合法等，超聲波法是利用聲波在混凝土中的傳播速度的快慢反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度?；炷翐p傷后，引起內(nèi)部出現(xiàn)裂紋或局部疏松，聲波將會(huì)繞過(guò)或反射穿過(guò)試件，從而增加聲波傳輸路徑，降低波速[10-11]。圖4為干濕循環(huán)后混凝土超聲波速經(jīng)時(shí)變化關(guān)系。由圖4可見(jiàn)，干濕循環(huán)后混凝土超聲波速的變化規(guī)律與強(qiáng)度變化規(guī)律相類似，由上升段與下降段兩部分組成。且超聲波速極值點(diǎn)與強(qiáng)度極值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間相同。下降階段3組混凝土超聲波速數(shù)值大小關(guān)系為NAC>N-RAC>RAC，由此表明，隨著再生骨料替代率的增加，混凝土的抗侵蝕能力逐漸降低，內(nèi)部密實(shí)度也隨著再生骨料含量的增加而降低。NAC與RAC所不同的是粗骨料，再生骨料混凝土粗骨料與砂漿界面區(qū)實(shí)質(zhì)上是新舊砂漿界面區(qū)。而再生骨料混凝土界面區(qū)的密實(shí)程度以及抗侵蝕能力小于普通骨料混凝土，因此，有更多的硫酸鹽對(duì)此區(qū)域進(jìn)行損傷，從而降低界面區(qū)密實(shí)度，降低聲波傳播速度。NAC、N-RAC、RAC組混凝土干濕循環(huán)120次到150次的下降幅度比較明顯，表明硫酸鹽干濕循環(huán)加速了混凝土后期的侵蝕程度。干濕循環(huán)150次后，RAC混凝土超聲波速下降為87.2%，由圖1(c)可見(jiàn)，RAC組混凝土已經(jīng)不能滿足完整的形貌。

3.5 強(qiáng)度與超聲波速的關(guān)系

超聲波速可以反映混凝土內(nèi)部的密實(shí)程度，混凝土內(nèi)部越密實(shí)，則強(qiáng)度越高，耐久性能越好，波速越快[12]。由圖3、4可見(jiàn)，干濕循環(huán)損傷全過(guò)程內(nèi)超聲波速與強(qiáng)度的變化規(guī)律相類似，且極值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間一致?？梢?jiàn)，強(qiáng)度與超聲波速之間存在一種必然聯(lián)系。圖5表示3組混凝土超聲波速與強(qiáng)度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，由圖5可見(jiàn)，3組混凝土超聲波速與強(qiáng)度之間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。為了更好地表示3組混凝土強(qiáng)度與超聲波速的關(guān)系，將強(qiáng)度與超聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，對(duì)無(wú)量綱化數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行回歸演化，其演化結(jié)果如式(1)所示。由圖6可以看出：3組混凝土超聲波速與強(qiáng)度之間存在較好的線性關(guān)系，演化結(jié)果與測(cè)試值之間的誤差比較小。由此說(shuō)明，再生骨料混凝土干濕循環(huán)侵蝕后其抗壓強(qiáng)度也可采用超聲波法測(cè)試。

(1)

式中：σ、σ0分別表示干濕循環(huán)0次和n次混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，V、V0分別表示干濕循環(huán)0次和n次混凝土的超聲波速。

圖5 混凝土超聲波速與強(qiáng)度的關(guān)系(a)NAC;(b)N-RAC;(c)RACFig.5 Relationship between compressive strength and ultrasonic velocity

圖6 混凝土超聲波速與強(qiáng)度的關(guān)系擬合Fig.6 Fitting of compressive strength and ultrasonic velocity

4 結(jié) 論

(1)再生骨料混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力小于普通骨料混凝土，抗侵蝕能力隨著再生骨料替代率的增加而降低。硫酸鹽侵蝕后再生骨料混凝土表層砂漿剝蝕比較嚴(yán)重，100%替代率下再生骨料混凝土干濕循環(huán)100次后已經(jīng)不能保持完整形貌;

(2)再生骨料混凝土與普通骨料混凝土干濕循環(huán)全過(guò)程中，質(zhì)量、強(qiáng)度和超聲波速經(jīng)時(shí)變化規(guī)律相類似，變化曲線由上升段和下降段兩部分組成，上升段極值點(diǎn)相差比較小。下降階段，再生骨料混凝土的損傷劣化速度大于普通骨料混凝土，且隨再生骨料替代率的增加而增大;

(3)超聲波速可以敏感的反映再生骨料混凝土侵蝕后內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化，并且與侵蝕后抗壓強(qiáng)度之間存在較好的線性關(guān)系，以此為基礎(chǔ)，建立了無(wú)量綱化的超聲波波速與抗壓強(qiáng)度之間的演化方程。

[1] 張向?qū)?陳宗平,薛建陽(yáng).再生混凝土的物理與力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào),2015,34(6):1684-1689.

[3] 新華網(wǎng).我國(guó)每年建筑垃圾產(chǎn)生35億噸,資源化利用亟待提高[EB/OL].http://news.xinhuanet.com/house/cs/2015-12/14/c_1117446482.htm.

[4] 王海龍,董宜森,孫曉燕,等.干濕交替環(huán)境下混凝土受硫酸鹽侵蝕劣化機(jī)理[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2012,46(7):1255-1261.

[5] 吳祖達(dá).再生骨料混凝土性能研究[D].廈門:華僑大學(xué),2014.

[6] 李雯霞,張 雄,劉 昕.再生混凝土中再生骨料取代率、漿含量、表觀密度和吸水率的關(guān)系探討[J].混凝土,2009,(10):60-63.

[7] 韓俊濤,申向東.浮石混凝土力學(xué)性能及抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)研究[J].新型建筑材料,2013,40(9):15-18.

[8] 王 琴.混凝土在干濕循環(huán)與硫酸鹽侵蝕雙重因素作用下的損傷研究[D].揚(yáng)州:揚(yáng)州大學(xué),2008.

[9] Xiang-Hao W U,Yue P J.Experimental study on chloride Ion penetration into recycled aggregate concrete[J].JournalofBuildingMaterials,2011,14(3):381-380.

[10] 曹凌堅(jiān),呂朝坤.超聲法檢測(cè)高溫后混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].混凝土,2009,(6):19-20.

[11] 李 藝.礦物摻合料再生混凝土抗壓強(qiáng)度及非破損檢測(cè)試驗(yàn)[D].延吉:延邊大學(xué),2012.

[12] 安新正,易 成,趙長(zhǎng)彪,等.硫酸鹽環(huán)境下再生混凝土的損傷演化研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,29(2):1-6.

Effect of Sulfate Dry-Wet Cycles on the Performance of Recycled Aggregate Concrete

JIAWen-liang,ZHANGQin,LIHao

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

To study durability of recycled aggregate concrete with the help of sulfate,the experiment of dry-wet cycle based on recycled aggregate concrete of which was 50 and 100 percent of replacement rates with two groups of recycled aggregate concrete and natural aggregate concrete.The damage development was evaluated by apparent characteristics of attacked concrete under the condition of sulfate,mass,compressive strength and ultrasonic velocity changes over erosion time.The results showed that the sulphate-resistance of recycled aggregate concrete is not as good as natural aggregate concrete.And the ability of erosion resistance is decreasing with the increase of the replacement ratio of recycled aggregate.After the erosion of sulfate,the change curve is ascending and descending,in which the mass,compressive strength and ultrasonic velocity of concrete are related with time.The method of ultrasonic reflects the damage feature of recycled aggregate concrete after the erosion of sulfate.As a result,the evolution equation of dimensionless ultrasonic and compressive strength was built.

sulfate;dry-wet cycle;recycled aggregate concrete;ultrasonic velocity;damage characteristic

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51169014)

賈文亮(1981-)，男，講師.主要從事建筑材料、建筑學(xué)方面的教學(xué)和研究.

TU528.01

A

1001-1625(2016)12-3981-06