硫酸鈉侵蝕下再生混凝土性能研究

陳響榮，王美玲，蔡镕琿，張松安，林 蓬，劉 輝（福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108）

1 研究背景

世界范圍內(nèi)建筑垃圾的過(guò)度排放，使得尋找有效、環(huán)保的建筑廢棄物處理方法變得日益緊迫[1]。在所有建筑垃圾中，廢棄混凝土占比很大。廢棄混凝土可經(jīng)破碎、篩分成為再生集料(Recycled Aggregate)。再生集料可部分或全部替代天然集料用于生產(chǎn)再生集料混凝土(Recycled Aggregate Concrete, RAC)。這是建筑垃圾回收再利用的可行方案，既有助于節(jié)約短期內(nèi)不可再生的天然粗集料，也有助于減少建筑垃圾填埋用地[2-3]。

再生混凝土集料按粒徑范圍可分為粗集料和細(xì)集料。與再生細(xì)集料(Recycled Fine Aggregate, RFA)相比，再生粗集料(Recycled Coarse Aggregate, RCA)的現(xiàn)階段應(yīng)用更為廣泛。雖然再生粗集料在強(qiáng)度等級(jí)相對(duì)較低的非結(jié)構(gòu)混凝土工程中有著許多成功的實(shí)際應(yīng)用[4-6]，但在對(duì)混凝土強(qiáng)度或耐久性要求較高的結(jié)構(gòu)中使用卻相當(dāng)有限[7]。其中，再生集料混凝土的耐久性不足是其在結(jié)構(gòu)應(yīng)用，尤其是在有侵蝕性介質(zhì)環(huán)境中服役時(shí)的主要問(wèn)題。

在所有已知的混凝土耐久性問(wèn)題中，硫酸鹽侵蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命縮短的最常見(jiàn)原因之一[8]。硫酸鹽侵蝕常常包含著化學(xué)和物理過(guò)程。在常見(jiàn)的硫酸鈉（Na2SO4）侵蝕下，硫酸根離子與Ca(OH)2(CH)和3CaO·A12O3·12H2O (C3A)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[9]，生成鈣礬石（3CaO·A12O3·3CaSO4·32H2O, AFt）和石膏（CaSO4·2H2O）等膨脹性腐蝕產(chǎn)物，具體見(jiàn)式（1）和式（2）。

在長(zhǎng)期侵蝕時(shí)，對(duì)孔壁混凝土產(chǎn)生壓力，在孔壁混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、剝落，從而對(duì)混凝土的宏觀性能產(chǎn)生不利影響。上述化學(xué)過(guò)程中也伴隨著水化硅酸鈣(C-S-H)的脫鈣，直接導(dǎo)致水泥砂漿的軟化和性能劣化[10]。物理侵蝕方面，硫酸鹽溶液在混凝土/溶液界面處隨著硫酸鹽溶液蒸發(fā)使得硫酸鹽從過(guò)飽和的孔隙溶液中結(jié)晶析出，鹽結(jié)晶對(duì)孔壁產(chǎn)生壓力，當(dāng)壓力超過(guò)基體的抗拉強(qiáng)度后也會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂[11-12]。物理侵蝕通常發(fā)生在干濕循環(huán)等周期性濕度變化的環(huán)境下[13-14]。硫酸鈉在混凝土孔隙中的過(guò)飽和結(jié)晶有兩種穩(wěn)態(tài)晶體，一種為無(wú)水芒硝（Na2SO4），另一種為芒硝（Na2SO4·10H2O，見(jiàn)式（3 ））。

通常在 32.4 °C 以上穩(wěn)定晶體為無(wú)水芒硝，而在此溫度以下為芒硝，但在相對(duì)濕度＜ 71% 時(shí)，芒硝會(huì)脫水生成無(wú)水芒硝。

近幾十年來(lái)，普通集料混凝土（Natural Aggregate Concrete，NAC）在硫酸鹽侵蝕下性能劣化的研究較為深入，而關(guān)于再生集料混凝土在硫酸鹽侵蝕下性能演變的研究較少，對(duì)硫酸鹽侵蝕下再生集料混凝土性能劣化機(jī)理的研究鮮有報(bào)道[15-18]。相較于普通集料混凝土，再生集料混凝土包含更多薄弱環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)不僅包括老砂漿，也包括多種類(lèi)型的界面過(guò)渡區(qū)(Interfacial Transition Zone, ITZ)。如圖 1（a）所示。在普通集料混凝土中只有一種類(lèi)型的界面過(guò)渡區(qū)（稱(chēng)為 ITZ1），形成于粗集料與新水泥砂漿之間，而在再生集料混凝土中存在三類(lèi)界面過(guò)渡區(qū)，分別是形成于老集料和新砂漿之間的第一類(lèi)界面過(guò)渡區(qū)（ITZ1）、形成于老集料和老砂漿之間的第二類(lèi)界面過(guò)渡區(qū)（ITZ2）和形成于新老砂漿之間的第三類(lèi)界面過(guò)渡區(qū)(ITZ3)，如圖 1（b）[18]所示。

圖 1 普通集料混凝土和再生集料混凝土中的不同種類(lèi)界面過(guò)渡區(qū)（ITZs）對(duì)比

界面過(guò)渡區(qū)和老砂漿因其疏松多孔的結(jié)構(gòu)，為硫酸鹽提供了更易侵蝕的路徑[19]。由于這些薄弱環(huán)節(jié)通常力學(xué)性能較差，混凝土在硫酸鹽侵蝕下的開(kāi)裂破壞也往往先在這些薄弱環(huán)節(jié)中發(fā)生。由于再生集料混凝土中薄弱環(huán)節(jié)更多，再生集料混凝土在硫酸鹽侵蝕下其宏觀性能時(shí)變劣化與普通混凝土也可能不同，目前對(duì)這一方面的研究尚待深入進(jìn)行。

本工作旨在探索再生集料混凝土在兩種常見(jiàn)硫酸鹽侵蝕環(huán)境（浸沒(méi)于 Na2SO4溶液或暴露于 Na2SO4溶液干濕循環(huán)環(huán)境）下，其在微觀和宏觀尺度上的性能時(shí)變規(guī)律。從吸水率、抗壓強(qiáng)度、侵蝕表面回彈值等宏觀性能指標(biāo)上對(duì)比再生與普通集料混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能，結(jié)合各類(lèi)界面過(guò)渡區(qū)和新、老砂漿中侵蝕產(chǎn)物和微觀力學(xué)性能時(shí)變規(guī)律，探討硫酸鹽侵蝕下再生集料混凝土性能時(shí)變劣化的機(jī)理。

2 材料和方法

2.1 材料

配制混凝土所用水泥為 42.5 R 普通硅酸鹽水泥[20]，其化學(xué)成分如表 1 所示，比表面積為 360 m2/kg，表觀密度為3 050 kg/m3。

表 1 普通硅酸鹽水泥的礦物和化學(xué)成分

采用再生粗集料完全替換天然粗集料來(lái)制備再生集料混凝土，同時(shí)澆筑同配比的普通集料混凝土作為對(duì)照組。普通粗集料和再生粗集料粒徑范圍為 5～31.5 mm，二者粒徑分布相似。

參照 GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》測(cè)得再生粗集料的含泥量為 2.5%，而普通粗集料僅為 0.6%。由于再生粗集料表面有附著老水泥砂漿（老砂漿占再生粗集料質(zhì)量的 35%），再生粗集料的吸水率和壓碎值也遠(yuǎn)高于普通粗集料。再生粗集料和普通粗集料的吸水率分別為 5.63% 和0.98%（以質(zhì)量計(jì)），壓碎值分別為 14.56% 和 10.70%（以質(zhì)量計(jì)）。

細(xì)集料為當(dāng)?shù)睾由常?xì)度模量約為 2.70。

拌和用水為福州地區(qū)自來(lái)水，拌合時(shí)同時(shí)加入 TW-PS聚羧酸系減水劑，對(duì)新拌混凝土的流動(dòng)性進(jìn)行調(diào)節(jié)。減水劑的減水率為 20%。

2.2 配合比

為保證再生與普通集料混凝土中的有效水膠比(Waterto-binder Ratio, w/b)相同，在澆筑前對(duì)再生與普通集料進(jìn)行預(yù)吸水處理并使兩者均為飽和面干狀態(tài)(Surface Saturated Dry, SSD)?；炷恋呐浜媳纫?jiàn)表 2。

表 2 普通和再生集料混凝土配合比 kg/m3

參照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)定新拌再生集料混凝土和普通集料混凝土的坍落度，分別為 145 mm 和 137 mm?；炷翝仓?，在溫度 20 ± 2 ℃、相對(duì)濕度 95% 以上的環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28 d。

2.3 測(cè)試方法

2.3.1 硫酸鹽侵蝕環(huán)境的設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)了 2 種不同的硫酸鹽侵蝕環(huán)境，即硫酸鈉溶液浸泡（Soaking, SK）和硫酸鈉溶液干濕循環(huán)（Dryingwetting cycles, DW）。浸泡環(huán)境中，試塊浸沒(méi)于質(zhì)量濃度為 5% 的 Na2SO4溶液中，而干濕循環(huán)環(huán)境中，外部硫酸鹽的侵蝕伴隨著干濕循環(huán)，每一次干濕循環(huán)持續(xù) 7 d：試件先在 5% Na2SO4溶液中浸泡 1 d，而后取出干燥 6 d。硫酸鈉溶液每隔一個(gè)月更換一次，以保證硫酸鈉溶液濃度和 pH 值的穩(wěn)定。本實(shí)驗(yàn)中混凝土試塊只保留一個(gè)非澆筑面與外部硫酸鹽溶液直接接觸，其他五個(gè)面涂有石蠟，因此硫酸鹽侵蝕為一維侵蝕，兩種環(huán)境下侵蝕總齡期均為 280 d。

2.3.2 微觀性能研究

本研究采用顯微硬度計(jì)測(cè)試不同侵蝕齡期時(shí)侵蝕深度范圍內(nèi)各類(lèi)界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度，用以反映界面過(guò)渡區(qū)微觀力學(xué)性能。試驗(yàn)樣品制備與測(cè)試過(guò)程主要參考文獻(xiàn)[21]。首先將相應(yīng)腐蝕齡期的混凝土試塊切成尺寸約為 10 mm × 10 mm × 5 mm 的小塊，而后將其浸沒(méi)于異丙醇中 72 h，隨后在設(shè)定溫度為 40 ℃ 的烘干箱內(nèi)干燥至恒重。圖 2 展示了界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中測(cè)試點(diǎn)的排列（以 ITZ1為例）。

圖 2 界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度測(cè)量中測(cè)點(diǎn)分布示意圖

如圖 2 所示，兩行硬度壓痕應(yīng)完全覆蓋待測(cè)界面過(guò)渡區(qū)，測(cè)試點(diǎn)的行間距設(shè)置為 10 μm，每行中相鄰兩點(diǎn)的間距為 20 μm。

在硫酸鹽侵蝕下，腐蝕不僅發(fā)生在界面過(guò)渡區(qū)中，還發(fā)生在水泥砂漿中。因此，本文也采用壓汞法測(cè)試不同腐蝕齡期時(shí)侵蝕深度范圍內(nèi)新、老砂漿的孔結(jié)構(gòu)。

2.3.3 宏觀力學(xué)性能研究

測(cè)試兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境下不同齡期（0、98、189 以及 280 d）時(shí)再生與普通混凝土的吸水率、抗壓強(qiáng)度、侵蝕面表面硬度，所用試塊均為 150 mm立方體試塊。吸水率（ρw）測(cè)試主要參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 11970—1997《加氣混凝土體積密度 含水率和吸水率試驗(yàn)方法》的試驗(yàn)方法。雖然有研究表明硫酸鹽侵蝕產(chǎn)物之一鈣礬石在 45 ℃ 時(shí)開(kāi)始分解[22]，然而在本研究中測(cè)試混凝土吸水率時(shí)主要關(guān)注孔隙及微裂紋的影響，對(duì)測(cè)試過(guò)程中高溫引起部分鈣礬石分解而對(duì)吸水率測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的影響不予考慮。抗壓強(qiáng)度（fc）遵循標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試。采用 ZC5 型回彈儀測(cè)試的混凝土侵蝕面的表面回彈值（Rr）表征其表面硬度，測(cè)試時(shí)侵蝕表面上取兩條對(duì)角線的三等分點(diǎn)分別測(cè)試回彈值，每個(gè)混凝土試塊表面共取 5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，每組混凝土每個(gè)齡期選用 3 個(gè)試塊測(cè)試，取15 個(gè)回彈值的平均值表征平均表面硬度。

3 結(jié)果與討論

3.1 宏觀力學(xué)性能

圖 3(a)～(c) 為兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境中再生和普通集料混凝土的吸水率（ρw）、抗壓強(qiáng)度（fc）、表面回彈值（Rr）的時(shí)變變化。

圖 3 兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境下再生與普通集料混凝土宏觀力學(xué)性能時(shí)變變化

圖 3 表明，當(dāng)再生和普通混凝土在自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)時(shí)，隨齡期增長(zhǎng)，兩種混凝土的吸水率降低、抗壓強(qiáng)度增大、表面回彈值增大，這是由于水泥水化使得混凝土密實(shí)度增加、力學(xué)性能提升。在兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境（浸泡和干濕循環(huán)）下侵蝕 98 d 后，再生集料混凝土的吸水率較侵蝕前有所減小，表明試塊整體的密實(shí)程度有所改善；抗壓強(qiáng)度和表面回彈值在 98 d 時(shí)相較于侵蝕前也有所增加，表明混凝土在硫酸鹽侵蝕早期力學(xué)性能、表面硬度均有所改善。

兩種混凝土的密實(shí)程度、力學(xué)性能在硫酸鹽侵蝕早期的增加與界面過(guò)渡區(qū)和砂漿性能增強(qiáng)密切相關(guān)。這是由于早期形成鈣礬石和石膏的填充效應(yīng)以及在浸泡和干濕循環(huán)條件下水泥自身水化共同作用的結(jié)果。事實(shí)上，在兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境中，侵蝕齡期 98 d 之前再生和普通集料混凝土的抗壓強(qiáng)度和混凝土侵蝕面回彈值明顯高于自然養(yǎng)護(hù)的混凝土組。98 d 時(shí)普通集料混凝土的吸水率較侵蝕前有所增大，可能與混凝土在硫酸鹽溶液浸泡或干濕循環(huán)環(huán)境中發(fā)生鈣溶出而使得密實(shí)度受到不利影響所致。抗壓強(qiáng)度和侵蝕表面硬度在侵蝕后期下降，則是由于侵蝕產(chǎn)物在硫酸鹽侵蝕下的過(guò)度膨脹或結(jié)晶生長(zhǎng)導(dǎo)致界面過(guò)渡區(qū)和砂漿開(kāi)裂損傷及性能損傷，這將在下一節(jié)中討論。

表 3 為按式（4）、式（5）、式（6）計(jì)算的不同侵蝕齡期下吸水率、抗壓強(qiáng)度和侵蝕表面回彈值的相對(duì)變化率Rρw、Rfc及RRr。

以式 3 為例，其中各參數(shù)的意義分別為：

fc,sul—硫酸鹽侵蝕下的抗壓強(qiáng)度；

fc,NC—經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28 d 緊接著自然養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度。

表 3 兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境下抗壓強(qiáng)度的相對(duì)變化率 %

表 3 顯示，以自然養(yǎng)護(hù)試塊為對(duì)照時(shí)，在兩種侵蝕環(huán)境中，受硫酸鹽侵蝕的再生集料混凝土試塊在 98 d 以前時(shí)吸水率降低、抗壓強(qiáng)度和侵蝕表面回彈值增大，表明此時(shí)混凝土的密實(shí)度和力學(xué)性能均優(yōu)于自然養(yǎng)護(hù)下的試塊。在 98 d以后，普通和再生集料混凝土的吸水率與自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下相比顯著增大，抗壓強(qiáng)度和侵蝕表面回彈值（表征侵蝕表面硬度）則大幅下降，表明硫酸鹽侵蝕 98 d 后，兩種混凝土的密實(shí)程度和力學(xué)性能均較自然養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下的試塊出現(xiàn)顯著劣化。280 d 齡期時(shí)，浸泡和干濕循環(huán)中再生集料混凝土的吸水率與相同齡期自然養(yǎng)護(hù)條件下相比，分別增大了 25.69%和 27.27%，而普通混凝土增大了 19.26% 和 22.95%；再生集料混凝土的抗壓強(qiáng)度較自然養(yǎng)護(hù) 280 d 齡期的試塊下降了17.27% 和 20.21%，而普通混凝土則分別下降 15.78% 和18.95%。這一結(jié)果表明，當(dāng)處于相同的硫酸鹽侵蝕環(huán)境中時(shí)，再生集料混凝土的密實(shí)程度和抗壓強(qiáng)度劣化與普通集料混凝土相比更顯著。

表 3 還顯示，與硫酸鈉溶液浸泡環(huán)境相比，在干濕循環(huán)環(huán)境中，再生和普通集料混凝土的密實(shí)程度、抗壓強(qiáng)度、侵蝕表面硬度等力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)硫酸鹽侵蝕更敏感，在長(zhǎng)期腐蝕時(shí)其性能劣化也更顯著。這主要是在干濕循環(huán)環(huán)境中，混凝土侵蝕表面由于水分的蒸發(fā)/補(bǔ)充交替作用時(shí)，在毛細(xì)吸收作用下混凝土表面處硫酸鹽濃度增長(zhǎng)較快，使得表面處混凝土孔溶液過(guò)飽和而析出硫酸鈉晶體（芒硝或無(wú)水芒硝）。這些鹽結(jié)晶不斷生長(zhǎng)，擠壓侵蝕表面混凝土的孔隙壁，在孔隙壁中產(chǎn)生拉應(yīng)力。鹽結(jié)晶這一物理進(jìn)程與硫酸鈉和水化產(chǎn)物反應(yīng)這一化學(xué)進(jìn)程疊加，使得干濕循環(huán)下混凝土侵蝕表面處孔隙更易被破壞，孔隙的破壞、微裂紋的發(fā)展加速了干濕循環(huán)環(huán)境下混凝土密實(shí)程度和宏觀力學(xué)性能的劣化。這表明如果再生集料混凝土要在富含硫酸鹽且同時(shí)存在干濕循環(huán)作用的環(huán)境中應(yīng)用時(shí)，其較早、較快的力學(xué)性能劣化應(yīng)引起足夠重視。

3.2 界面過(guò)渡區(qū)及砂漿性能

3.2.1 界面過(guò)渡區(qū)性能

表 4 為兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境下再生和普通集料混凝土中三種界面過(guò)渡區(qū)平均顯微硬度的時(shí)變規(guī)律。由表 4 可知，3 種界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度的變化規(guī)律是相似的。隨侵蝕齡期的增加，所有界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在第 98 d 時(shí)顯微硬度達(dá)最大值。界面過(guò)渡區(qū)是水泥基材料中的薄弱環(huán)節(jié)，特征為孔隙率高且大孔較多[23]，且由于混凝土硬化過(guò)程中集料和砂漿收縮應(yīng)變不同，集料/砂漿界面處常有微裂紋（參見(jiàn)在硫酸鹽侵蝕之前再生集料混凝土的 ITZ1，如圖 4（a）所示）。在硫酸鹽侵蝕早期，界面過(guò)渡區(qū)中由于硫酸鹽侵蝕生成的鈣礬石、石膏及硫酸鈉鹽晶體（芒硝或無(wú)水芒硝）有助于填充孔隙和微裂縫（見(jiàn)圖 4（b）），從而使得界面過(guò)渡區(qū)孔結(jié)構(gòu)改善、力學(xué)性能隨齡期增長(zhǎng)而提升。然而，隨侵蝕齡期增長(zhǎng)，鈣礬石或石膏的膨脹，以及在干濕循環(huán)（DW）中鹽結(jié)晶生長(zhǎng)，均會(huì)導(dǎo)致界面過(guò)渡區(qū)的孔隙壁和裂縫壁中混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力不斷增長(zhǎng)、超過(guò)水泥石基體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)在界面過(guò)渡區(qū)處產(chǎn)生新的裂縫（見(jiàn)圖 4（c））。之后，由于沿著界面過(guò)渡區(qū)裂縫的不斷開(kāi)展，界面過(guò)渡區(qū)的性能呈現(xiàn)出隨腐蝕齡期劣化的趨勢(shì)。

表 4 兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境下再生集料混凝土和普通混凝土界面過(guò)渡區(qū)的顯微硬度時(shí)變變化 MPa

圖 4 再生集料混凝土中 ITZ1 在硫酸鹽侵蝕不同齡期的形貌對(duì)比

通過(guò)比較 3 種界面過(guò)渡區(qū)顯微硬度的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn) 3 種界面過(guò)渡區(qū)抵抗硫酸鹽侵蝕的能力是不同的。整體上，與老界面過(guò)渡區(qū) ITZ2相比，新界面過(guò)渡區(qū)（即 ITZ1和ITZ3）在硫酸鹽侵蝕下其性能變化更顯著。以第 280 d 的數(shù)據(jù)為例，在干濕循環(huán)條件下，再生集料混凝土的 ITZ1和 ITZ3的顯微硬度分別下降了 7.80% 和 8.56 %，而 ITZ2 的顯微硬度僅下降了 5.63 %。老界面過(guò)渡區(qū) ITZ2齡期較長(zhǎng)，其內(nèi)部水泥水化較為充分，未水化的 C3A 含量較低，因此在硫酸鹽侵蝕條件下生成鈣礬石較少，因鈣礬石膨脹而造成的孔隙壁混凝土損傷較小，在長(zhǎng)期侵蝕下其顯微硬度劣化較慢。

表 4 還顯示，在腐蝕超過(guò) 98 d 后，無(wú)論是再生還是普通集料混凝土，其干濕循環(huán)條件下（DW）所有界面過(guò)渡區(qū)的性能劣化程度都大于在硫酸鹽溶液浸泡條件下（SK）的劣化程度。這主要是由于干濕循環(huán)條件下除了有硫酸鹽與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)過(guò)程，還包含硫酸鹽在過(guò)飽和溶液中結(jié)晶生長(zhǎng)的物理過(guò)程，二者的疊加使得各類(lèi)界面過(guò)渡區(qū)在硫酸鹽與干濕循環(huán)耦合環(huán)境下性能劣化更快、更顯著。

3.2.2 砂漿孔結(jié)構(gòu)

采用壓汞法測(cè)出新、老砂漿孔徑分布后，根據(jù)吳中偉院士的觀點(diǎn)，孔可按其孔徑大小及其對(duì)水泥基材料性能的影響程度，分為無(wú)害級(jí)孔（＜ 20 nm）、少害級(jí)孔（20～50 nm）、有害級(jí)孔（50～200 nm）和多害級(jí)孔（＞ 200 nm）[24]。再生與普通集料混凝土內(nèi)部新砂漿（NM）、老砂漿（OM）在不同硫酸鈉侵蝕環(huán)境（浸泡及干濕循環(huán)）、不同侵蝕齡期（0、98、280 d）下，其四類(lèi)孔的體積占比見(jiàn)圖 5，總孔隙率見(jiàn)表 5。

圖 5 兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境下再生集料混凝土和普通混凝土各孔徑分布時(shí)變規(guī)律

表 5 新、老砂漿在兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境中不同齡期的總孔隙率

由圖 5 可知，相同條件下，總體上混凝土內(nèi)部新、老砂漿多害孔及有害孔占比隨侵蝕齡期的增長(zhǎng)先減小后增大，少害孔及無(wú)害孔占比隨侵蝕齡期的增長(zhǎng)先增大后減小，總孔隙率隨侵蝕齡期的增長(zhǎng)先減小后增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是侵蝕前期硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成腐蝕性產(chǎn)物對(duì)新、老砂漿孔隙進(jìn)行填充，使得最初的大孔隙被分割成許多小孔，這些小孔互不連通且尺寸細(xì)微，從而減少有害孔占比，進(jìn)而使得新、老砂漿更密實(shí)，導(dǎo)致受硫酸鹽侵蝕前期砂漿總孔隙率有所降低。隨著侵蝕齡期的增長(zhǎng)，由腐蝕產(chǎn)物膨脹而引起內(nèi)部微裂縫的數(shù)量增加。此時(shí)微裂縫的產(chǎn)生使得外界硫酸根離子更容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部，產(chǎn)生更多的膨脹性物質(zhì)，加快砂漿內(nèi)部損傷，使得少害孔向有害孔發(fā)展。

相同侵蝕條件下，普通混凝土內(nèi)部新砂漿與再生集料混凝土內(nèi)部新砂漿孔結(jié)構(gòu)變化差別不大。但對(duì)老砂漿而言，在腐蝕后期（98 d 后）再生集料混凝土內(nèi)部老砂漿孔結(jié)構(gòu)比其新砂漿孔結(jié)構(gòu)劣化更明顯，主要表現(xiàn)為多害孔及有害孔占比大，少害孔及無(wú)害孔占比少。另一方面，老砂漿由于齡期較長(zhǎng)、水泥水化充分而導(dǎo)致未水化的 C3A 較少，因而會(huì)減少硫酸鹽侵蝕下老砂漿中產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物總量，但老砂漿中由于存在更多的初始微裂縫，力學(xué)性能較差，因此其抵抗由硫酸鹽腐蝕產(chǎn)物膨脹或鹽結(jié)晶而在孔隙壁、裂縫壁中產(chǎn)生的拉應(yīng)力的能力更差，腐蝕后期有害孔及多害孔增長(zhǎng)速度更快。

與界面過(guò)渡區(qū)的情況相似，與浸泡環(huán)境相比，干濕循環(huán)環(huán)境對(duì)新老砂漿孔結(jié)構(gòu)影響更為明顯。

綜上，與普通混凝土相比，在硫酸鹽侵蝕后期再生集料混凝土的吸水率、抗壓強(qiáng)度、侵蝕面回彈值的變化更劇烈，表明其密實(shí)程度、力學(xué)性能、侵蝕表面硬度受硫酸鹽侵蝕影響更明顯。在腐蝕后期再生集料混凝土的上述宏觀力學(xué)性能劣化更快、更顯著；表明在腐蝕齡期足夠長(zhǎng)時(shí)，再生集料混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力比普通混凝土差。這與再生集料混凝土含有更多硫酸鹽侵蝕下易受破壞的薄弱環(huán)節(jié)（界面過(guò)渡區(qū)、老砂漿）息息相關(guān)。此外，干濕循環(huán)有利于加速再生集料混凝土中 SO42-的侵入。由于化學(xué)和物理進(jìn)程地疊加，與硫酸鈉溶液浸泡環(huán)境相比，干濕循環(huán)環(huán)境中界面過(guò)渡區(qū)和砂漿中腐蝕產(chǎn)物及鹽結(jié)晶產(chǎn)物積累更快速，當(dāng)腐蝕齡期足夠長(zhǎng)時(shí)，再生集料混凝土各類(lèi)界面過(guò)渡區(qū)及新、老砂漿性能劣化更顯著，從而導(dǎo)致宏觀尺度上密實(shí)程度、抗壓強(qiáng)度、侵蝕面表面硬度損失更快。因此，干濕循環(huán)會(huì)加速硫酸鹽侵蝕下再生集料混凝土力學(xué)性能的劣化。

基于上述討論，本課題建議在硫酸鹽環(huán)境中，尤其是干濕循環(huán)作用存在的環(huán)境中，再生集料混凝土在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。

4 結(jié) 語(yǔ)

本課題對(duì)再生集料混凝土在兩種硫酸鹽侵蝕環(huán)境（即在硫酸鈉溶液浸泡和干濕循環(huán)）中微觀和宏觀尺度上性能時(shí)變規(guī)律進(jìn)行了研究，對(duì)再生集料混凝土和普通混凝土抵抗硫酸鹽侵蝕的能力進(jìn)行對(duì)比分析，并討論了再生集料混凝土在硫酸鹽侵蝕下的性能劣化機(jī)理。主要研究結(jié)果可歸納為以下幾點(diǎn)。

（1）在宏觀尺度上，早期浸泡或干濕循環(huán)下的硫酸鹽侵蝕均有利于改善再生集料混凝土的宏觀力學(xué)性能（密實(shí)程度、抗壓強(qiáng)度、侵蝕表面硬度）；當(dāng)侵蝕齡期超過(guò) 98 d時(shí)，硫酸鹽侵蝕引起宏觀力學(xué)性能劣化，使試塊吸水率增大、抗壓強(qiáng)度降低、侵蝕表面硬度降低。

（2）與普通混凝土相比，再生集料混凝土在硫酸鹽侵蝕下宏觀力學(xué)性能劣化更快且更劇烈，表明再生集料混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能劣于普通混凝土。

（3）在硫酸鹽侵蝕下，再生集料混凝土中的三種類(lèi)型的界面過(guò)渡區(qū)以及新、老砂漿性能先增強(qiáng)后削弱。與新界面過(guò)渡區(qū) ITZ1、ITZ3相比，老界面過(guò)渡區(qū) ITZ2在硫酸鹽侵蝕下表現(xiàn)出更穩(wěn)定的性能。在侵蝕后期（98 d 以后），老砂漿的孔結(jié)構(gòu)劣化比新砂漿更顯著，總孔隙率增長(zhǎng)也更快。

（4）干濕循環(huán)可加速再生集料混凝土和普通混凝土內(nèi)硫酸鹽的侵蝕和腐蝕產(chǎn)物的積累。建議在富含硫酸鹽的環(huán)境下尤其是干濕循環(huán)環(huán)境中，再生集料混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)用應(yīng)謹(jǐn)慎。