再生混凝土在硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用下的耐久性能研究

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(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160)

1 研究背景

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的加快，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，消耗了大量建筑材料，以及既有建筑物因使用功能不能滿足要求而被改造與拆除，因此產(chǎn)生大量的廢棄混凝土。這不僅消耗了大量資源，而且引起了極大的環(huán)境問題。將廢棄混凝土通過裂解、破碎、清洗、篩分、分級等一系列工藝后，按一定的級配混合而成的骨料稱為再生骨料，以一定的取代率將再生骨料代替天然骨料配制而成的混凝土稱為再生骨料混凝土簡稱再生混凝土[1]。利用廢棄混凝土制備再生混凝土就是發(fā)展綠色混凝土，是實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要措施之一，正越來越受到工程界的重視，并已成為混凝土研究的熱點(diǎn)[2-5]。

混凝土的耐久性問題日益突出，特別是當(dāng)混凝土在硫酸鹽等腐蝕性環(huán)境中時，其劣化十分嚴(yán)重。國內(nèi)外學(xué)者對混凝土在硫酸鹽與干濕循環(huán)作用下的性能變化進(jìn)行了一定的研究[6],但對于再生混凝土的研究還比較少，同時也沒有考慮多因素對再生混凝土在硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用下在硫酸鹽侵蝕后壽命預(yù)測的影響。

本文通過模擬硫酸鹽與干濕循環(huán)侵蝕條件，對再生混凝土的抗壓和劈拉強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行研究分析，并基于質(zhì)量損失率考慮再生粗骨料取代率、水膠比、粉煤灰摻量的影響，預(yù)測再生混凝土在硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用下的使用壽命，以期為再生混凝土在硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用下的應(yīng)用提供一定的研究基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)原材料

本次試驗(yàn)中水泥采用新疆天山水泥廠P.O42.5R水泥，水泥比表面積380 m2/kg。細(xì)骨料采用水洗砂，各項(xiàng)技術(shù)性質(zhì)均符合《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 52—2006)的要求，顆粒級配符合Ⅰ區(qū)范圍，細(xì)度模數(shù)為3.5。減水劑使用萘系高效減水劑，拌合水和養(yǎng)護(hù)水均使用飲用自來水。水泥、粉煤灰和粗骨料的性能指標(biāo)分別見表1、表2、表3。

表1 水泥的性能指標(biāo)Table 1 Indicators of cement performance

表2 Ⅰ級粉煤灰的性能指標(biāo)Table 2 Indicators of fly ash performance

表3 再生粗骨料的基本性能Table 3 Basic properties of recycled coarse aggregate

表4 再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)Table 4 Design mix proportions of recycled concrete

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)主要考慮再生粗骨料取代率、水膠比、粉煤灰摻量對再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。將已配制好的拌合物制作成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕試驗(yàn)。首先將試件放入溫度為(20±2)℃的5% Na2SO4溶液中浸泡3 d，保證溶液高出試件頂面(20～30)mm，并定期更換溶液，然后取出在室內(nèi)環(huán)境下晾干3 d，此時為一個干濕循環(huán)。分別在干濕循環(huán)0，5，10，20，30，40，50，60次時測定其指標(biāo)，測定指標(biāo)為立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和質(zhì)量損失率。立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度檢測方法參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2006)中相關(guān)內(nèi)容。每次測定3個試件，并取平均值，以此減小誤差。當(dāng)質(zhì)量損失率達(dá)到5%或強(qiáng)度損失達(dá)到25%時，試驗(yàn)終止。再生混凝土配合比設(shè)計(jì)如表4所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 再生粗骨料取代率對再生混凝土耐久性能的影響

圖1是不同再生粗骨料取代率對硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用下的再生混凝土抗壓和劈拉強(qiáng)度的經(jīng)時變化圖。

圖1 不同再生骨料取代率混凝土抗壓強(qiáng)度及其劈拉強(qiáng)度Fig.1 Compressive strength and splitting tensile strength of concrete with different replacement ratio of recycled aggregate

從縱向看，隨著再生粗骨料取代率增大，抗壓和劈拉強(qiáng)度也在增大。從橫向看，在干濕循環(huán)侵蝕0～5次時，抗壓和劈拉強(qiáng)度均得到提高，5～10次時，抗壓和劈拉強(qiáng)度均降低，10～20次時，均又有所提高，且在干濕循環(huán)20次時達(dá)到峰值，20～60次時，抗壓和劈拉強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定，波動幅度較小。

抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度隨再生粗骨料取代率增大而增大的原因是再生粗骨料的吸水率較大，拌和時吸收了大量水分，為之后的養(yǎng)護(hù)過程中水泥的水化提供水分，起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用。初期抗壓和劈拉強(qiáng)度增長的原因，由于腐蝕源SO42-與混凝土中的氫氧化鈣、水化鋁酸鈣反應(yīng)生成了石膏和鈣礬石，以及在干濕循環(huán)作用下，試件中硫酸鹽溶液由于水分蒸發(fā)，產(chǎn)生了硫酸鹽結(jié)晶體，從而填充了骨料與水泥石之間的孔隙，提高了試件的密實(shí)度[7]，進(jìn)而使得試件的抗壓和劈拉強(qiáng)度得到提高。隨著干濕循環(huán)侵蝕次數(shù)增加，生成石膏和鈣礬石的量也將繼續(xù)增加，當(dāng)產(chǎn)生的膨脹力大于試件內(nèi)部拉力時，將發(fā)生骨料與水泥石之間的黏結(jié)破壞[8-9]，試件產(chǎn)生膨脹裂縫，甚至表面水泥石剝落，從而使試件的抗壓和劈拉強(qiáng)度降低。隨著時間的推移，粉煤灰中的SiO2與Ca(OH)2進(jìn)行了二次水化反應(yīng)，生成新的水化凝膠材料[10]，進(jìn)而使抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度提高，且達(dá)到最大值。當(dāng)干濕循環(huán)到中后期時，生成的石膏和鈣釩石產(chǎn)生的膨脹力平衡了粉煤灰二次水化作用產(chǎn)生的膠結(jié)力，以至于中后期的強(qiáng)度基本趨于穩(wěn)定。

由圖1(b)還可發(fā)現(xiàn)，在干濕循環(huán)5～10次時，劈拉強(qiáng)度下降更為迅速，其劣化程度較為嚴(yán)重，這表明劈拉強(qiáng)度受硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用的影響比抗壓強(qiáng)度更為敏感。根據(jù)Santhanam等[11]的研究，試件表面先受侵蝕產(chǎn)生膨脹而受壓,而內(nèi)部未受侵蝕層將會產(chǎn)生拉力,試件的內(nèi)部拉力和施加的劈拉荷載產(chǎn)生了疊加，而表面先受侵蝕層基本不提供抗拉能力，導(dǎo)致再生混凝土劈拉強(qiáng)度明顯降低。另一方面，由于再生粗骨料附著老砂漿，制作再生混凝土?xí)r，形成薄弱新舊砂漿界面，在外荷載作用下，易產(chǎn)生裂縫，而劈拉強(qiáng)度對裂縫更敏感。單從再生粗骨料取代率對抗壓和劈拉強(qiáng)度的影響，當(dāng)再生粗骨料取代率為70%時，在整個硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕過程中，抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度相對較高且波動幅度較小，這表明受硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用影響較小，能達(dá)到較好的抗硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕效果。

3.2 不同水膠比對再生混凝土耐久性能的影響

圖2是不同水膠比對硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用下的再生混凝土抗壓和劈拉強(qiáng)度的經(jīng)時變化圖。從縱向看，抗壓和劈拉強(qiáng)度均隨著水膠比的增大而降低，且水膠比為0.3的試件強(qiáng)度比水膠比為0.4,0.5的試件強(qiáng)度有顯著的提高，水膠比為0.4的試件強(qiáng)度比水膠比為0.5的試件強(qiáng)度也有所提高，但并不顯著。說明當(dāng)水膠比<0.4時對再生混凝土在硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用的影響較大。從橫向看，抗壓與劈拉強(qiáng)度隨干濕循環(huán)侵蝕次數(shù)的變化規(guī)律與圖1的變化規(guī)律基本一致。

圖2 不同水膠比再生混凝土抗壓強(qiáng)度及其劈拉強(qiáng)度Fig.2 Compressive strength and splitting tensile strength of recycled concrete with different water-binder ratio

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因，一方面由于再生粗骨料在破碎時不可避免地產(chǎn)生細(xì)微裂縫、附著砂漿等缺陷，導(dǎo)致試件的密實(shí)度降低，滲透性增大[12]。另一方面隨著水膠比增大，試件內(nèi)部含水量增大，水分蒸發(fā)產(chǎn)生的連通孔隙增多增大，進(jìn)一步導(dǎo)致密實(shí)度降低，滲透性增大，從而使得腐蝕源SO42-更容易進(jìn)入到試件內(nèi)部，加快腐蝕源SO42-與氫氧化鈣、水化鋁酸鈣反應(yīng)生成石膏和鈣釩石的速度。隨著生成石膏和鈣礬石的量不斷增加，將發(fā)生膨脹裂縫破壞，導(dǎo)致試件表面開裂，進(jìn)而為腐蝕源SO42-擴(kuò)散到試件內(nèi)部起到推動作用，導(dǎo)致試件的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度有明顯的降低。而對于水膠比較低的試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，具有密實(shí)度高，滲透性小，另一方面其具有吸附水層薄、裂縫少等微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[13]，因此腐蝕源SO42-很難進(jìn)入到試件內(nèi)部，所以試件的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度相對較高，其抗硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕性能較好。單從不同水膠比對試件的抗拉強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的影響來看，當(dāng)水膠比為0.3時，在整個的硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用過程中，抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均比水膠比為0.4，0.5的試件有顯著提高，且波動幅度也較小，能達(dá)到較好的抗侵蝕效果。

3.3 粉煤灰摻量對再生混凝土耐久性能的影響

圖3是不同粉煤灰摻量對硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用下的再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度的經(jīng)時變化圖。從縱向上看，相比未摻粉煤灰的再生混凝土，粉煤灰摻量在20%～30%的再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均有所提高，總體上隨著粉煤灰摻量增加而增大。從橫向上看，粉煤灰摻量在20%～30%的再生混凝土在整個硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕過程中抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度變化平穩(wěn)，尤其在中后期波動幅度很小，表明摻粉煤灰可以改善再生混凝土的抗侵蝕性能。然而當(dāng)粉煤灰摻量增加到40%時，抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均不理想，單看劈拉強(qiáng)度，到中后期的波動幅度比較大，受硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕影響較明顯，表明摻過量的粉煤灰并達(dá)不到理想的抗侵蝕效果。當(dāng)粉煤灰摻量為30%時，試件的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度在整個硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕過程中基本達(dá)到最大值，且中后期波動幅度小，受硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕影響較小，表明再生混凝土在粉煤灰摻量為30%時能達(dá)到較好的抗侵蝕效果。

圖3 不同粉煤灰摻量再生混凝土抗壓強(qiáng)度及其劈拉強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength and splitting tensile strength of recycled concrete with different fly ash content

這可能是由于粉煤灰的三大效應(yīng)(形態(tài)效應(yīng)、活性效應(yīng)、微集料效應(yīng))的作用下[14-15]，粉煤灰細(xì)微顆粒均勻分散到水泥漿體中，填充、改善了再生混凝土的孔結(jié)構(gòu)，有效地提高再生混凝土的致密性，阻止了腐蝕源SO42-的侵入。粉煤灰的摻入取代了一部分水泥，相對使得C3A 的含量降低，進(jìn)而降低水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣的濃度，減少生成鈣礬石和石膏的產(chǎn)量。后期粉煤灰進(jìn)行二次水化反應(yīng)，不僅消耗了水泥石中大量的水化硅酸鈣，減少了水泥石與硫酸鹽反應(yīng)生成的膨脹物[16]，而且產(chǎn)生了特殊凝膠，均改善了再生混凝土抗硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕的性能。但是摻過量的粉煤灰，將會使得再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度顯著降低，主要因?yàn)榉勖夯业某煞质荢iO2，Al2O3等, 具有較好的火山灰效應(yīng)，但其活性較低，需要水泥水化作用時析出的Ca(OH)2對粉煤灰進(jìn)行適當(dāng)激活，才能使粉煤灰的火山灰效應(yīng)發(fā)揮出來。如果再生混凝土中粉煤灰摻量較大，就會存在沒有水化的粉煤灰，影響其抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度，而此結(jié)論與已有結(jié)論[17-18]基本相同。因此要想提高再生混凝土的抗硫酸鹽與干濕循環(huán)侵蝕性能，要適量摻加粉煤灰，且不應(yīng)超過30%。

4 再生混凝土耐久壽命預(yù)測模型

4.1 自然衰變方程

理論上，混凝土的壽命是無限的，但是在硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用下,混凝土耐久性劣化是由于自身結(jié)構(gòu)的損傷所導(dǎo)致，根據(jù)物質(zhì)衰變方程理論[19],一切現(xiàn)實(shí)存在的物質(zhì)都要衰變，所以再生混凝土也不例外。

假設(shè)再生混凝土耐久性某指標(biāo)的初始值為R0，而Rt為再生混凝土衰變到t時刻的量值，則再生混凝土衰變速率可表示為

(1)

由式(1)積分后得

f=Rt/R0=ke-λt。

(2)

質(zhì)量損失率，則有

(3)

式中：λ為自然衰變系數(shù)；k為待定系數(shù)，為再生粗骨料取代率、水膠比和粉煤灰摻量的影響系數(shù)。

本次試驗(yàn)主要以再生粗骨料取代率(R)、水膠比(W)和粉煤灰摻量(F)作為影響因素，并基于質(zhì)量損失率，預(yù)測再生混凝土的壽命。

當(dāng)fW=fR=fF=f時,有

(4)

4.2 自然衰變系數(shù)的確定

本試驗(yàn)假定當(dāng)原材料、摻合料、水膠比等相同時，再生混凝土的質(zhì)量損失規(guī)律也相同。再生混凝土在硫酸鹽與干濕循環(huán)侵蝕若干天后，當(dāng)質(zhì)量損失率達(dá)到5%時，作為再生混凝土耐久壽命結(jié)束的判斷依據(jù)。通過計(jì)算可求出以質(zhì)量損失率作為再生混凝土耐久性評價(jià)指標(biāo)時的衰變系數(shù)λ=0.000 5。但是根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)研究結(jié)論[20]，一致認(rèn)為普通混凝土的衰變系數(shù)λ≥0.002 ，故本次試驗(yàn)取衰變系數(shù)λ=0.002。則再生混凝土在硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用下的質(zhì)量損失表達(dá)式為

(5)

4.3 抗硫酸鹽侵蝕影響函數(shù)的確定

本試驗(yàn)研究了再生粗骨料取代率為0%,30%,50%,70%,100%，水膠比為0.3,0.4和0.5，以及粉煤灰摻量為0%,20%,30%和40%的再生混凝土在硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用下的侵蝕性能，并分別以再生粗骨料取代率為0%、水膠比為0.3、粉煤灰摻量為30%、再生粗骨料取代率為70%、水膠比為0.3、粉煤灰摻量為30%、再生粗骨料取代率為70%、水膠比為0.3、粉煤灰摻量為0%的再生混凝土試件在硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合作用60次后的質(zhì)量損失率為基準(zhǔn)值，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行曲線擬合。以質(zhì)量損失率為評價(jià)指標(biāo)，再生粗骨料取代率、水膠比和粉煤灰摻量對再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響函數(shù)如圖 4所示。

圖4 再生粗骨料取代率、水膠比和粉煤灰摻量對再生混凝土質(zhì)量損失率的影響函數(shù)Fig.4 Functions of mass loss rate with recycled coarse aggregatereplacement ratio, water-binder ratio, and fly ash content

4.4 硫酸鹽干濕循環(huán)作用下的壽命預(yù)測

假設(shè)腐蝕源SO42-是通過擴(kuò)散作用進(jìn)入再生粗骨料混凝土中，并且遵循物質(zhì)的衰變規(guī)律，同時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將以上所求的影響函數(shù)代入衰變方程，得到基于質(zhì)量損失率的再生混凝土壽命預(yù)測模型為

(6)

其中kw,kr，kf表達(dá)式分別為：

kw= -63.2w2+52.34w-9.524;

kr= -1.461 9r3+1.548 1r2-0.198 2r+0.361 6;

kf= 61.292f3-35.313f2+2.710 8f+1.2 。

式中：w為水膠；r為再生粗骨料取代率；f為粉煤灰摻量。

假設(shè)某工程采用的是再生粗骨料取代率為70%，水膠比為0.3，粉煤灰摻量為30%的再生混凝土。當(dāng)質(zhì)量損失率達(dá)到5%時，那么認(rèn)為再生混凝土工程的壽命結(jié)束。

將以上假設(shè)條件代入式(6)，可求得再生混凝土耐久壽命T=128 a。

5 結(jié) 論

(1)當(dāng)再生粗骨料取代率為70%時，在整個硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕過程中，抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度相對較高，且波動幅度也相對較小，能達(dá)到較好的抗硫酸鹽與干濕循環(huán)侵蝕效果。

(2)無論是抗壓強(qiáng)度還是劈拉強(qiáng)度均隨著水膠比的增大而降低，當(dāng)水膠比為0.3時，再生混凝土抗硫酸鹽與干濕循環(huán)侵蝕性能比較明顯。

(3)相比未摻粉煤灰的再生混凝土，粉煤灰摻量在20%～30%時可以改善再生混凝土的抗硫酸鹽與干濕循環(huán)侵蝕性能;但粉煤灰摻量在40%時，并達(dá)不到很好抗硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕效果。

(4)當(dāng)再生粗骨料為70%、水膠比為0.3、粉煤灰摻量為30%時，能達(dá)到較好的抗硫酸鹽與干濕循環(huán)侵蝕效果，并將此條件代入預(yù)測模型，求得T=128 a。