腐蝕環(huán)境下再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)研究

安新正，楊瑩瑩，陳 科，劉 燕

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001)

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腐蝕環(huán)境下再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)研究

安新正1，楊瑩瑩1，陳 科1，劉 燕2

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001)

為推廣耐久性設(shè)計(jì)在再生混凝土結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，在考慮再生粗骨料來(lái)源的復(fù)雜性和再生混凝土初始損傷的影響基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來(lái)我國(guó)再生混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)研究與應(yīng)用成果，根據(jù)普通混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)原則，分析研究腐蝕環(huán)境條件下再生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)問(wèn)題，然后確立腐蝕環(huán)境條件下再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的基本方法。結(jié)果表明：在再生混凝土與普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同的情況下，當(dāng)30%<再生粗骨料取代率≤50%及再生粗骨料取代率>50%時(shí)，鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)適當(dāng)分別增加3 mm和5 mm，而再生混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)適當(dāng)分別延長(zhǎng)24 h和48 h。

再生混凝土結(jié)構(gòu)；腐蝕環(huán)境；耐久性設(shè)計(jì)；耐久性質(zhì)量控制

再生混凝土是由再生骨料替代部分(或全部)天然骨料后經(jīng)配制而成的混凝土材料。再生混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的再生與循環(huán)利用，保護(hù)環(huán)境都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在腐蝕介質(zhì)環(huán)境的作用下，再生混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)的使用期限內(nèi)，能夠滿足其設(shè)計(jì)適用性與安全性的能力是再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的基本要求[1]。對(duì)待建再生混凝土結(jié)構(gòu)采用耐久性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證其實(shí)現(xiàn)耐久性服役壽命的關(guān)鍵。近年來(lái)，在再生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了廣泛的調(diào)查與研究[2-4]，能夠?yàn)樾陆ńY(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)提供一些研究方法和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但不夠系統(tǒng)，基本上還處于初期階段。相關(guān)的研究成果都已表明，再生混凝土在耐久性能上與天然骨料混凝土存在著一定的差異性[5-7]。因此，依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的相關(guān)理論、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)[8-10]，對(duì)再生混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)的耐久性設(shè)計(jì)還存在著許多值得注意的問(wèn)題。本文針對(duì)腐蝕介質(zhì)環(huán)境作用下再生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題，分析研究再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的基本方法及耐久性質(zhì)量控制要求，旨在為設(shè)計(jì)工作者進(jìn)行再生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)提供幫助。

1 影響再生混凝土結(jié)構(gòu)性能的環(huán)境因素

再生混凝土結(jié)構(gòu)工作性能的退化，主要由結(jié)構(gòu)中受力鋼筋的銹蝕損傷及再生混凝土材料力學(xué)性能退化損傷引起。這些損傷都與作用在再生混凝土結(jié)構(gòu)表面的微環(huán)境有著十分密切的關(guān)系。微環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用程度會(huì)因結(jié)構(gòu)物所處區(qū)域的不同而有所差異，因此對(duì)結(jié)構(gòu)物所處區(qū)域的微環(huán)境進(jìn)行調(diào)查分析很有必要。

1.1 引發(fā)鋼筋銹蝕損傷的環(huán)境因素

碳化和氯離子侵蝕是引發(fā)再生混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕損傷的兩個(gè)主要因素[11-12]。再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面微環(huán)境中的二氧化碳向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散并引發(fā)再生混凝土碳化。當(dāng)碳化深度達(dá)到受力鋼筋表面位置并使鋼筋表面鈍化膜消失后，鋼筋開(kāi)始銹蝕。鋼筋銹蝕的速率由微環(huán)境作用的條件和再生混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)所決定。

1.2 引起再生混凝土腐蝕損傷的環(huán)境因素

再生混凝土腐蝕損傷包括鹽類結(jié)晶膨脹引發(fā)的物理?yè)p傷，和由化學(xué)反應(yīng)的生成物引發(fā)的化學(xué)損傷兩個(gè)方面。鹽類在再生混凝土內(nèi)部的空隙及微裂縫中逐漸結(jié)晶并累積填充，并引發(fā)膨脹應(yīng)力，當(dāng)膨脹應(yīng)力超過(guò)再生混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便引發(fā)混凝土開(kāi)裂，導(dǎo)致再生混凝土材料的力學(xué)破壞[13]?；瘜W(xué)損傷主要包括：硫酸根離子與混凝土中氫氧化鈣(水泥水化產(chǎn)物)化學(xué)反應(yīng)引發(fā)的損傷，以及再生混凝土內(nèi)部堿集料反應(yīng)引發(fā)的損傷。前者化學(xué)反應(yīng)生成鈣礬石(或石膏)，這些生成物填充于再生混凝土中的空隙和微裂縫之中，并隨時(shí)間的延續(xù)而逐漸累積充滿再生混凝土的空隙和微裂縫，同時(shí)又吸水腫脹產(chǎn)生膨脹應(yīng)力并最終造成再生混凝土材料的力學(xué)性能退化；后者為再生混凝土內(nèi)堿活性骨料與其孔隙溶液之間的堿-滑料反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物吸水后體積膨脹并最終造成再生混凝土材料的破壞，堿集料反應(yīng)一旦發(fā)生其破壞后果將非常嚴(yán)重[14]。當(dāng)下國(guó)內(nèi)外對(duì)堿集料反應(yīng)的控制措施主要由控制再生混凝土配料中水泥的含堿量、外加劑、摻合料及混凝土的總含堿量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 耐久性設(shè)計(jì)控制因素的確定

材料耐久性損傷必然引起構(gòu)件承載性能的退化，是再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久服役壽命降低的直接原因。因此，對(duì)再生混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，通常要考慮微環(huán)境因素作用下材料的耐久性損傷與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性損傷的相關(guān)關(guān)系，應(yīng)將以下因素作為主要控制因素：再生混凝土的抗?jié)B性、水泥的礦物成分、再生混凝土及其集料中堿的含量、構(gòu)件中受力鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度和裂縫寬度。

微環(huán)境作用下的再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷，包含再生混凝土性能損傷和鋼筋銹蝕損傷。因此，再生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)，應(yīng)該在滿足設(shè)計(jì)安全裕度的前提下，分別從材料層面及結(jié)構(gòu)層面上確定耐久性設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)。

依據(jù)參閱文獻(xiàn)[8-9]的相關(guān)要求，在表1列出了再生混凝土結(jié)構(gòu)物在結(jié)構(gòu)層面上的耐久性設(shè)計(jì)控制因素與微環(huán)境因素的相關(guān)性。

依據(jù)參閱文獻(xiàn)[8-9]的相關(guān)要求，在表2列出了再生混凝土材料層面耐久性設(shè)計(jì)的控制因素與微環(huán)境因素的相關(guān)性。

表1 結(jié)構(gòu)層面耐久性設(shè)計(jì)控制因素與微環(huán)境因素相關(guān)性

表2 材料層面耐久性設(shè)計(jì)控制因素與微環(huán)境因素相關(guān)性

3 區(qū)域環(huán)境條件與作用等級(jí)的確定

再生混凝土結(jié)構(gòu)物所處的場(chǎng)址環(huán)境是直接作用于工程結(jié)構(gòu)不同部位的微環(huán)境。為了更合理、更科學(xué)地對(duì)再生混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，應(yīng)依據(jù)結(jié)構(gòu)物所處微環(huán)境的差異將結(jié)構(gòu)物進(jìn)行設(shè)計(jì)部位劃分。比如，可以把無(wú)干濕交替作用的結(jié)構(gòu)部位劃分為上部結(jié)構(gòu)，把有干濕交替作用的結(jié)構(gòu)部位劃分為中部結(jié)構(gòu)，把承受地下水、土壤直接作用的結(jié)構(gòu)部位劃分為地下結(jié)構(gòu)。首先，在再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的初步階段，要針對(duì)其區(qū)域環(huán)境進(jìn)行年平均溫度、年平均濕度、地下水位變化范圍、地下水與土中主要有害介質(zhì)含量、pH值等水文與氣候的相關(guān)調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析。然后，再依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同部位處微環(huán)境的調(diào)查分析結(jié)果，并參照文獻(xiàn)[9]對(duì)作用于再生混凝土結(jié)構(gòu)上的微環(huán)境作用類別、作用等級(jí)進(jìn)行相關(guān)確定。

4 耐久性設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制

由于目前在再生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)上還沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范可依，設(shè)計(jì)者一般依據(jù)已有的普通混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法，在考慮環(huán)境侵蝕作用給工程結(jié)構(gòu)帶來(lái)的不利影響時(shí)，應(yīng)著重考慮再生混凝土材料自身缺陷帶來(lái)的不利影響。

4.1 結(jié)構(gòu)層面的耐久性設(shè)計(jì)

4.1.1 裂縫控制

再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土表層裂縫損傷可為環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的侵蝕作用提供有利條件。研究表明[15-17]，混凝土的裂縫寬度對(duì)其結(jié)構(gòu)的耐久性使用壽命，尤其是對(duì)處于干濕循環(huán)且有較強(qiáng)侵蝕性地下水、土壤侵蝕環(huán)境作用下的地下結(jié)構(gòu)的耐久性使用壽命具有重要影響?？紤]到再生混凝土與普通混凝土構(gòu)件在開(kāi)裂效應(yīng)上存在較大的差異性[18]，進(jìn)行再生混凝土結(jié)構(gòu)受荷裂縫、溫度裂縫等的控制設(shè)計(jì)上應(yīng)依據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)研究成果進(jìn)行合理和科學(xué)的設(shè)計(jì)。如果沒(méi)有針對(duì)設(shè)計(jì)工程的實(shí)際試驗(yàn)研究成果可以參照，可以依據(jù)普通混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范，取同等條件下普通混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性允許裂縫寬度減去0.05 mm，以確保再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性使用壽命不會(huì)因結(jié)構(gòu)的裂縫問(wèn)題而嚴(yán)重降低。

4.1.2 保護(hù)層厚度確定

鋼筋保護(hù)層厚度對(duì)再生混凝土結(jié)構(gòu)的碳化耐久性壽命和氯離子侵蝕作用耐久性壽命有著重要的影響，因此再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)包括針對(duì)碳化過(guò)程的耐久性設(shè)計(jì)與針對(duì)氯離子侵入過(guò)程的耐久性設(shè)計(jì)。相關(guān)鋼筋保護(hù)層厚度的耐久性設(shè)計(jì)方法主要包括：傳統(tǒng)方法、指數(shù)方法、因子法和數(shù)學(xué)模型法。由于再生混凝土在建筑工程中應(yīng)用較少，還基本上處于初期階段，再加上再生骨料來(lái)源的復(fù)雜性，當(dāng)下還沒(méi)有十分可靠的再生混凝土碳化耐久性壽命和氯離子侵蝕耐久性壽命的相關(guān)數(shù)學(xué)模型研究成果，設(shè)計(jì)者在耐久性設(shè)計(jì)上還主要采用“傳統(tǒng)方法”。

依據(jù)“傳統(tǒng)方法”，為了保證再生混凝土保護(hù)層厚度的充裕度，再生混凝土構(gòu)件的鋼筋保護(hù)層厚度(xc)由以下三個(gè)方面的取值確定：按相應(yīng)微環(huán)境條件下普通混凝土構(gòu)件確定鋼筋最小保護(hù)層厚度(xd,min)；考慮再生混凝土與普通混凝土性能差異性可能帶來(lái)的不利影響，需要增加的差異附加值(xf)；再生混凝土在施工中可能帶來(lái)的操作允差(△x)。即，再生混凝土構(gòu)件鋼筋保護(hù)層厚度的取值可按下式進(jìn)行：

xc=xd,min+xf+△x

基于目前的相關(guān)研究成果，上式中操作允差△x可取10 mm，差異附加值xf可依據(jù)再生混凝土中再生粗骨料取代率的不同，按下列具體情況進(jìn)行取值：當(dāng)再生粗骨料來(lái)源為廢棄混凝土，且再生粗骨料取代率≤30%時(shí)，可取xf=0 mm；當(dāng)再生粗骨料來(lái)源為廢棄混凝土，且30%<再生粗骨料取代率≤50%時(shí)，可取xf=3 mm；當(dāng)再生粗骨料來(lái)源為廢棄混凝土，且再生粗骨料取代率>50%時(shí)，可取xf=5 mm。

4.2 材料層面耐久性設(shè)計(jì)

再生混凝土材料耐久性劣化是其所處的微環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)與再生混凝土中的有效成分進(jìn)行反應(yīng)的結(jié)果[19]。因此，在進(jìn)行再生混凝土的耐久性設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)依據(jù)再生混凝土結(jié)構(gòu)所處微環(huán)境的調(diào)查結(jié)果(侵蝕性介質(zhì)情況、凍融條件等)及耐久性設(shè)計(jì)壽命要求，對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度性能指標(biāo)及配合比設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的具體要求(譬如，參照表2中材料層面耐久性設(shè)計(jì)的控制因素與引起耐久性損傷的環(huán)境因素的相關(guān)性來(lái)選擇水泥的品種、集料的種類與性質(zhì)、外加劑、摻合料、配合比等)，并使再生混凝土材料相關(guān)性能指標(biāo)(密實(shí)性、抗凍性、抗裂性等)滿足耐久性設(shè)計(jì)要求。由于再生粗骨料來(lái)源及組成的差別，特別強(qiáng)調(diào)的是再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)應(yīng)在充分借鑒現(xiàn)代混凝土性能改良技術(shù)(如：摻加粉煤灰、磨細(xì)礦渣微粉、硅灰等技術(shù))并結(jié)合相關(guān)侵蝕性介質(zhì)(碳化、氯離子滲透等)耐久性試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上確定。

4.3耐久性質(zhì)量控制

4.3.1 施工及養(yǎng)護(hù)

要使再生混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)的耐久性壽命，還必須在設(shè)計(jì)上對(duì)再生混凝土及其結(jié)構(gòu)的施工及養(yǎng)護(hù)工藝提出嚴(yán)格要求。由于再生粗骨料存在較多的宏觀缺陷(骨料微裂紋、骨料部分表面殘存舊砂漿)，因此在再生混凝土的生產(chǎn)中，可以要求再生粗骨料采用預(yù)處理技術(shù)處理過(guò)的再生粗骨料，以提高再生混凝土拌合料的基本性能。在設(shè)計(jì)上嚴(yán)格規(guī)定再生混凝土澆注中的一次澆注高度及振搗方法、振搗時(shí)間，以控制再生混凝土的均勻性和密實(shí)性。

在再生混凝土澆注后的養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)上，結(jié)合再生混凝土結(jié)構(gòu)所處得微觀環(huán)境及再生混凝土耐久性配合比設(shè)計(jì)中所采用的原材料的具體情況(如：環(huán)境、水泥品種、外加劑等)，給出具體的養(yǎng)護(hù)方法。特別注意的是應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)再生混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間，以減小其收縮徐變效應(yīng)?；谀壳暗南嚓P(guān)研究成果，具體延長(zhǎng)時(shí)間可依據(jù)再生混凝土中再生粗骨料取代率的不同，按下列具體情況進(jìn)行取值：當(dāng)再生粗骨料來(lái)源為廢棄混凝土，且再生粗骨料取代率≤30%時(shí)，可不考慮延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間；當(dāng)再生粗骨料來(lái)源為廢棄混凝土，且30%<再生粗骨料取代率≤50%時(shí)，延長(zhǎng)時(shí)間可取24 h；當(dāng)再生粗骨料來(lái)源為廢棄混凝土，且再生粗骨料取代率>50%時(shí)，延長(zhǎng)時(shí)間可取48 h。

4.3.2 日常維護(hù)

日常維護(hù)設(shè)計(jì)是再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，設(shè)計(jì)者應(yīng)依據(jù)再生混凝土結(jié)構(gòu)所處的微觀環(huán)境的類型與作用等級(jí)、結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)使用壽命，對(duì)再生混凝土結(jié)構(gòu)(特別是結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位)的正常維護(hù)、檢驗(yàn)方法與檢查間隔時(shí)間進(jìn)行詳細(xì)而具體的設(shè)計(jì)，從而有利于管理者根據(jù)再生混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際的劣化情況，采取及時(shí)的補(bǔ)救措施，確保再生混凝土結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性。

5 結(jié)論

本研究提出了依據(jù)結(jié)構(gòu)不同部位所處的微環(huán)境及相關(guān)耐久性質(zhì)量控制要求下再生混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)的基本方法。再生混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度的設(shè)計(jì)控制值應(yīng)比同條件下普通混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度允許值[W]低0.05 mm；鋼筋保護(hù)層厚度和再生混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間的取值應(yīng)在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，考慮再生粗骨料取代率對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性能的影響，進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾?。具體為：當(dāng)30%<再生粗骨料取代率≤50%及再生粗骨料取代率>50%時(shí)，鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)適當(dāng)分別增加3 mm和5 mm，而再生混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)適當(dāng)分別延長(zhǎng)24 h和48 h。

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(責(zé)任編輯王利君)

Study of durability design method for recycled concrete structures exposed to corrosion environment

An Xinzheng1,Yang Yingying1,Chen Ke1,Liu Yan2

(1. College of Civil Engineering, Hebei University of Engineering, Hebei Handan 056038, China; 2. College of Urban and Rural Construction, Agricultural University of Hebei, Hebei Baoding 071001, China)

In order to propose application of durability design technology in the design of recycled concrete structures to extend the applied field of durability design, the durability design of recycled concrete structure exposed to corrosion environment was analyzed based on the durability design of concrete structure, and the important achievements obtained on the study and application of recycled concrete structure in China. A basic design method for durable recycled concrete structure is presented in this paper. The environmental factor and the quality control requirement to guarantee the durability of recycled concrete structure are taken into consideration in the method. The results show that when the recycled coarse aggregate replacement ratio is 30%～50% and the recycled coarse aggregate replacement ratio is more than 50%, the protection cover of reinforcing bar should increase respectively 3 mm and 5 mm ,and the curing time of recycled concrete should increase respectively 24 hour and 48 hour.

recycled concrete structure; corrosion environment; durability design; durability quality control

2016-02-28

河北省自然科學(xué)基金(E2015204111)項(xiàng)目資助；河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃(15273609D)項(xiàng)目資助特約專稿

安新正(1963-)，男，河南鎮(zhèn)平，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)耐久性理論與設(shè)計(jì)。

1673-9469(2016)02-0015-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.004

TU201.1

A