硫酸鹽侵蝕作用下再生混凝土耐久性研究

付騰歡， 王瑞駿， 何曉瑩， 陶 喆， 馬利平

(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

我國(guó)城市化建設(shè)過(guò)程中，產(chǎn)生了大量建筑垃圾，其中50%～60%為廢棄混凝土。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2010年混凝土垃圾達(dá)2.39×108t。長(zhǎng)期以來(lái)，這些建筑垃圾大都采取填埋的方式進(jìn)行處理，不僅花費(fèi)了大量運(yùn)輸成本，也使得土地資源更加緊張，同時(shí)還會(huì)污染填埋區(qū)的土質(zhì)水質(zhì)，進(jìn)而影響人類生活環(huán)境[1-6]。

再生混凝土的廣泛使用既可緩解建筑骨料日益短缺的局面，又可解決處理廢棄混凝土所帶來(lái)的一系列問(wèn)題，最終達(dá)到“無(wú)害化”和“資源化”。近年來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)再生混凝土做了一系列研究。肖建莊等[7]通過(guò)再生混凝土單軸受壓疲勞試驗(yàn)，考察了疲勞荷載作用下應(yīng)變響應(yīng)的疲勞損傷累積，提出了一個(gè)再生混凝土損傷模型。陳宗平等[8]、余乃宗等[9]研究了不同再生粗骨料取代率、側(cè)向圍壓值、齡期、再生骨料來(lái)源和混凝土強(qiáng)度等級(jí)參數(shù)變化對(duì)再生混凝土三軸受壓力學(xué)性能的影響。雷斌等[10]系統(tǒng)研究了水膠比、水泥用量、再生粗集料性能、礦物摻和料、再生粗集料取代率、荷載水平等因素對(duì)再生混凝土碳化性能的影響。耿歐等[11]采用正交試驗(yàn)的方法研究了溫度、水灰比、粗骨料取代率和水泥用量4個(gè)因素對(duì)再生混凝土碳化深度的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析建立了再生混凝土碳化深度的預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，此預(yù)測(cè)模型所選相關(guān)參數(shù)合理，能較好地預(yù)測(cè)普通大氣環(huán)境下再生混凝土的碳化深度。

其他學(xué)者也進(jìn)行了多因素耦合作用下再生混凝土耐久性能的研究。劉金龍等[12]總結(jié)了近年來(lái)硫酸鹽與應(yīng)力、氯離子、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、碳化以及不同陽(yáng)離子類型等環(huán)境單因素及多因素耦合作用下混凝土耐久性的研究成果，并且對(duì)多因素耦合作用下混凝土抗硫酸鹽耐久性的研究進(jìn)行了展望。劉輝[13]針對(duì)寒冷地區(qū)經(jīng)常與水接觸的海岸和鹽湖水工建筑在晝夜溫差出現(xiàn)凍融破壞的同時(shí)，也可能在水平面浮動(dòng)下，出現(xiàn)干濕交替和硫酸鹽侵蝕的情況進(jìn)行了混凝土凍融循環(huán)后進(jìn)行干濕循環(huán)、混凝土干濕循環(huán)后進(jìn)行凍融循環(huán)和混凝土在凍融循環(huán)干濕循環(huán)交替作用3組對(duì)比試驗(yàn)。趙高升等[14]采用單邊凍融和一維碳化的方法，在凍融循環(huán)和碳化交替作用下，研究混凝土耐久性能的演變規(guī)律及其與氣孔結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，提出在實(shí)際工程中進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)抗凍耐久性設(shè)計(jì)和使用壽命預(yù)測(cè)時(shí)，必須考慮和引進(jìn)碳化與凍融的交替作用的建議。宿曉萍等[15]研究了不同類型的易溶鹽在凍融循環(huán)作用下對(duì)混凝土耐久性能的影響。同時(shí)在復(fù)合鹽侵蝕與凍融循環(huán)雙重因素作用下混凝土耐久性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行混凝土的單鹽-凍融循環(huán)對(duì)比試驗(yàn)，總結(jié)出在凍融交替作用下，硫酸鹽、氯鹽與碳酸氫鹽對(duì)混凝土材料腐蝕破壞的特點(diǎn)、規(guī)律，并進(jìn)一步對(duì)混凝土的鹽凍破壞機(jī)理進(jìn)行分析。

目前，對(duì)再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的研究相對(duì)較少[16-20]。因此，本文通過(guò)對(duì)不同粗骨料取代率的再生混凝土在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈模量和抗壓強(qiáng)度的測(cè)定來(lái)研究再生粗骨料的摻入對(duì)其抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。進(jìn)行了SEM和EDS分析，研究了硫酸鹽侵蝕過(guò)程中再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)變化，更有力地佐證了宏觀結(jié)果。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用P.O 42.5R硅酸鹽水泥(陜西秦嶺水泥廠)，灞河中砂，細(xì)度模數(shù)2.5，汾河卵石，粒徑5～16 mm；再生粗骨料為廢棄混凝土試件經(jīng)破碎加工制成，表1為骨料基本性能。減水劑為西安市紅旗外加劑廠聚羧酸高效減水劑；引氣劑為三萜皂甙高效引氣劑；混凝土拌和與養(yǎng)護(hù)用水為西安市飲用自來(lái)水?；炷僚浜媳热绫?所示。

表1 骨料基本性能

表2 再生混凝土配合比

2.2 試件的制備

再生骨料取代率為0、20%、50%和100%的再生混凝土試件各制作一組，分別記為R0、R20、R50和R100。依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中“抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)”章節(jié)內(nèi)容，試件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件?；炷翝仓?4 h后拆模，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(20 ℃±2 ℃，RH≥95%)養(yǎng)護(hù)28 d。

2.3 試驗(yàn)方法

試件達(dá)到28 d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，將試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱取出，擦拭干凈表面水分，再將試件放入烘箱中，烘干結(jié)束后將試件放置于干燥環(huán)境中冷卻至室溫，然后將試件放入硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)機(jī)中，按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)。再生混凝土試件的浸泡溶液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaSO4溶液，侵蝕試驗(yàn)工況為干濕交替循環(huán)工況，試驗(yàn)過(guò)程中每完成25次干濕循環(huán)測(cè)定一次再生混凝土試件的質(zhì)量和相對(duì)動(dòng)彈模量，每完成50次干濕循環(huán)測(cè)定一次再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 硫酸鹽干濕循環(huán)后再生混凝土試件外觀形態(tài)

經(jīng)過(guò)硫酸鹽干濕循環(huán)0、75、150次后試件外觀形態(tài)見(jiàn)圖1。

從圖1(b)可以看出，硫酸鹽干濕循環(huán)75次后，試件表面出現(xiàn)少量裂隙及孔洞，一兩處區(qū)域出現(xiàn)砂漿松動(dòng)，但并不嚴(yán)重。從圖1(c)可以看出，硫酸鹽干濕循環(huán)150次后，試件表面裂隙及孔洞明顯增多，周邊角落區(qū)域骨料出露明顯，并伴隨有骨料剝落現(xiàn)象。原因在于硫酸鹽干濕循環(huán)初期，再生混凝土內(nèi)部生成膨脹性產(chǎn)物，進(jìn)而在其內(nèi)部產(chǎn)生膨脹性應(yīng)力。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹性產(chǎn)物持續(xù)生成，膨脹應(yīng)力不斷增加，當(dāng)膨脹應(yīng)力大于再生混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，再生混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂隙與孔洞并不斷發(fā)展。

圖1 不同硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)后再生混凝土試件外觀形態(tài)

3.2 質(zhì)量損失率

再生混凝土試件硫酸鹽侵蝕的質(zhì)量損失率按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中：Wn為試件經(jīng)過(guò)n次硫酸鹽干濕循環(huán)后質(zhì)量損失率，%；G0為試件初始測(cè)試質(zhì)量，kg；Gn為試件經(jīng)過(guò)n次硫酸鹽干濕循環(huán)后的質(zhì)量，kg。每完成25次干濕循環(huán)后，取出試件并擦拭干凈表面水分，測(cè)定再生混凝土試件的質(zhì)量，R0、R20、R50和R100 4組試件質(zhì)量隨干濕循環(huán)周期的變化規(guī)律如圖2所示。

從圖2可以看出，在150次干濕循環(huán)結(jié)束后，4組試件的質(zhì)量損失率都不明顯，其中，R0最小，為0.46%；R20、R50和R100相對(duì)稍大，分別為0.95%、1.21%和1.25%。混凝土硫酸鹽侵蝕過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，再生混凝土出現(xiàn)質(zhì)量變化的原因主要在于表面砂漿的剝落。再生混凝土在硫酸鹽侵蝕的過(guò)程中，混凝土試件會(huì)在80 ℃的高溫下進(jìn)行干濕循環(huán)，在高溫條件下再生混凝土表面會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫，從而加速混凝土表面砂漿破壞過(guò)程。在前50次循環(huán)周期中，4組試件的質(zhì)量損失率都增加緩慢；50次循環(huán)周期后，所有試件的質(zhì)量損失率增加速率都變得越來(lái)越快，其中，R100最快，其次為R50，再次為R20，R0最慢?？梢?jiàn)，再生骨料取代率越高，再生混凝土質(zhì)量損失越大且損失速率也越快。

圖2 4組試件質(zhì)量損失率曲線

3.3 相對(duì)動(dòng)彈模量

相對(duì)動(dòng)彈模量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片見(jiàn)圖3。

再生混凝土試件硫酸鹽侵蝕的相對(duì)動(dòng)彈模量按公式(2)計(jì)算：

(2)

式中：Pn為經(jīng)過(guò)n次干濕循環(huán)后試件相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；f0為硫酸鹽干濕循環(huán)前的自振頻率，Hz；fn為硫酸鹽干濕循環(huán)n次后的自振頻率，Hz。R0、R20、R50和R100 4組試件相對(duì)動(dòng)彈模量隨干濕循環(huán)周期的變化規(guī)律如圖4所示。

圖3 相對(duì)動(dòng)彈模量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

圖4 4組試件相對(duì)動(dòng)彈模量曲線

從圖4可以看出，在150次干濕循環(huán)結(jié)束后，4組試件的相對(duì)動(dòng)彈模量下降較明顯，其中，R0變化最小，為79.5%；R20、R50和R100相對(duì)變化較大，分別為65.2%、68.2%和66.7%。在整個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程中，所有試件的相對(duì)動(dòng)彈模量均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降，其中，R0下降最慢，R20、R50和R100相對(duì)較快。分析原因可知， SO42-滲入混凝土孔隙內(nèi)部，與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成膨脹性鈣礬石、石膏晶體，隨著生成產(chǎn)物的增多，膨脹性內(nèi)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度，混凝土內(nèi)部開(kāi)裂、強(qiáng)度損失較大；同時(shí)，伴隨著無(wú)水硫酸鈉結(jié)晶轉(zhuǎn)化成十水硫酸鈉的過(guò)程，體積膨脹產(chǎn)生的結(jié)晶壓力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，也會(huì)使得混凝土孔隙內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋，最終使混凝土結(jié)構(gòu)劣化和破壞。又由于再生骨料的孔隙率高于普通骨料，其滲透性更大，也就使得外部環(huán)境中的SO42-更容易進(jìn)入再生混凝土內(nèi)部，且隨著再生骨料取代率的增加，進(jìn)入試件內(nèi)部的SO42-就更多，試件所受的侵蝕程度和內(nèi)部損傷就越嚴(yán)重。

3.4 抗壓強(qiáng)度變化

抗壓強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片見(jiàn)圖5。

圖5 抗壓強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

分別對(duì)0、50、100、150次干濕循環(huán)后的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 4組試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從圖6(a)可以看出，R0、R20、R50和R100 4組試件抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先小幅增加再逐步減小的過(guò)程。其中，經(jīng)歷50次干濕循環(huán)硫酸鹽侵蝕后，R0、R20、R50和R100 4組試件抗壓強(qiáng)度分別增加了7.2%、2.3%、5.8%和7.7%。從圖6(b)可以看出，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組試件的抗壓強(qiáng)度均有明顯下降。其中，R0下降最少，為22.7%；R20和R50分別下降25.9%與26.1%；R100下降最多，為29.5%。依據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中“抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)”章節(jié)內(nèi)容，當(dāng)抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)達(dá)到75%時(shí)，即可認(rèn)為混凝土試件破壞。因此在硫酸鹽干濕循環(huán)到達(dá)150次時(shí)，R20、R50和R100均已破壞。結(jié)果表明：隨著再生粗骨料取代率的增加，經(jīng)歷150次硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕后抗壓強(qiáng)度的減少率也在增加。原因在于，再生粗骨料具有孔隙率高、密度小和強(qiáng)度較低的特性。在硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕前期，硫酸鹽侵蝕再生混凝土的行為增加了其抗壓強(qiáng)度，隨著侵蝕過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，其抗壓強(qiáng)度開(kāi)始下降。并且隨著再生粗骨料取代率的增加，侵蝕程度也在不斷加重，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的減少率越來(lái)越大。

3.5 再生混凝土微觀分析

一定的條件下，水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2和C-A-H與硫酸鹽反應(yīng)生成鈣礬石晶體，在SO42-濃度超過(guò)1 000 mg/L時(shí)，還會(huì)生成石膏[21]。鈣礬石和石膏晶體的形成都會(huì)使得水泥石體積膨脹，最終使水泥石結(jié)構(gòu)破壞。對(duì)再生骨料取代率為20%且經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)150次之后的試件進(jìn)行EDS分析和SEM掃描，以分析再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)變化。從圖7中的EDS分析可以得出，此針狀晶體的主要成分有：Al、 S、 Ca 和O等化學(xué)元素，再根據(jù)各個(gè)化學(xué)元素的組成含量，可以推斷此針狀物為鈣礬石晶體。SEM掃描圖片見(jiàn)圖8。

圖8(a)顯示在經(jīng)歷了150次硫酸鹽干濕循環(huán)后，再生混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了較多針狀鈣礬石晶體，同時(shí)再生混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了較多裂縫，表明此時(shí)再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了損傷。圖8(b)為檢測(cè)到的板狀石膏晶體，在石膏晶體周圍有大量絮狀水化產(chǎn)物，同時(shí)可以觀察到大量的微小裂縫及孔洞，再次說(shuō)明了再生混凝土在硫酸鹽侵蝕下內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞。

綜上所述，檢測(cè)到鈣礬石及石膏晶體的生成，同時(shí)也觀測(cè)到了再生混凝土內(nèi)部的微小裂縫，這都與3.3節(jié)相對(duì)動(dòng)彈模量數(shù)據(jù)的降低相互對(duì)應(yīng)。

圖7 再生混凝土生成產(chǎn)物及EDS分析結(jié)果

圖8 150次干濕循環(huán)后SEM圖

4 結(jié) 論

(1)不同再生粗骨料取代率對(duì)混凝土在硫酸鹽干濕循環(huán)條件下的質(zhì)量損失率影響不明顯。其中，R0為0.46%，R20、R50和R100分別為0.95%、1.21%和1.25%。所有試件的質(zhì)量損失率都隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷加大，在50次干濕循環(huán)之后增加速率變得越來(lái)越快，且再生骨料取代率越大，質(zhì)量損失率增加越快。

(2)不同再生粗骨料取代率對(duì)混凝土在硫酸鹽干濕循環(huán)條件下的相對(duì)動(dòng)彈模量影響較明顯。其中，R0為79.5%，R20、R50和R100分別為65.2%、68.2%和66.7%。所有試件的相對(duì)動(dòng)彈模量均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸下降，在50次干濕循環(huán)之后下降速率有加快的趨勢(shì)。整體來(lái)說(shuō)，R0下降速度最慢，R20、R50和R100下降速度相差不大且明顯高于R0。試驗(yàn)結(jié)果表明：再生骨料取代率越高，再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力越弱。

(3) 不同再生粗骨料取代率對(duì)混凝土在硫酸鹽干濕循環(huán)條件下的抗壓強(qiáng)度影響較明顯。其中，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)R0、R20、R50和R100的抗壓強(qiáng)度減少率分別為22.7%、25.9%、26.1%和29.5%。4組試件的抗壓強(qiáng)度減少率都隨再生粗骨料取代率的增加而增加。

(4)再生混凝土微觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果顯示：在干濕循環(huán)150次之后，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了針狀鈣礬石晶體和板狀石膏，同時(shí)在混凝土內(nèi)部還有較多裂縫出現(xiàn)。這些微觀測(cè)試結(jié)果證實(shí)了再生混凝土質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)彈模量與抗壓強(qiáng)度降低的宏觀實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。