再生骨料混凝土氯離子滲透性的研究現(xiàn)狀分析

閆玉蓉 王 欣 仝小芳 蔣業(yè)浩

（揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225009）

0 引言

2019年1月1日起上海將施行[1]《上海市建筑廢棄混凝土回收利用管理辦法》，該辦法規(guī)定了再生骨料取代率在強(qiáng)度等級(jí)為C25及以下的混凝土中需大于15%，在交通基礎(chǔ)設(shè)施工程中需大于30%。實(shí)際上，循環(huán)利用建筑廢棄物已經(jīng)成為緩解我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展與自然資源短缺矛盾的一種有效途徑[2]。

但是，原混凝土在破碎、清洗和分級(jí)后，舊砂漿與再生骨料界面過(guò)渡區(qū)損傷產(chǎn)生大量微裂紋，界面過(guò)渡區(qū)成為再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete， RAC）最為薄弱的區(qū)域，為氯離子滲透到RAC內(nèi)部提供了通道，影響了RAC的耐久性。因此，研究RAC的氯離子滲透性能，對(duì)其在海洋工程、近海工程、鹽堿地帶工程和道橋工程等中的應(yīng)用具有重要的意義。筆者通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，歸納了RAC氯離子滲透性能的主要影響因素，并對(duì)進(jìn)一步研究提出了相應(yīng)的建議。

1 再生骨料混凝土氯離子滲透性的影響因素

肖建莊[3]將RAC視為五相復(fù)合材料，由新水泥砂漿、新老砂漿的界面過(guò)渡區(qū)（NITZ）、再生骨料附著的老砂漿、老砂漿與再生骨料的界面過(guò)渡區(qū)（OITZ）、再生骨料組成?；诙嘞鄰?fù)合理論，老砂漿層和OITZ界面過(guò)渡區(qū)在再生骨料制備過(guò)程中產(chǎn)生大量的微裂紋，成型后受內(nèi)部應(yīng)力作用，微裂紋向外擴(kuò)展，最后形成通縫，為氯離子滲透提供了有利的通道。然而，界面過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)主要受水膠比、再生骨料取代率、礦物摻合料、外加劑、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、荷載形式及應(yīng)力

水平等因素的影響，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究，明確了這些因素對(duì)RAC氯離子滲透行為的影響。

1.1 水膠比

Vazquez 等通過(guò)自然浸泡法研究了水膠比為0.45～0.6時(shí)不同再生骨料取代率的RAC抗氯離子滲透性能，結(jié)果表明RAC在低水灰比時(shí)，可以有效提高再生骨料摻量的RAC耐久性。Andreu 等通過(guò)電通量法分析了再生骨料在高性能混凝土（HPC）中的應(yīng)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)水灰比較低時(shí)，再生骨料取代率（≤50%）對(duì)高性能混凝土的抗氯離子滲透性能影響小。胡波[4]等通過(guò)RCM法分析認(rèn)為，水灰比低于0.5時(shí)，即使再生骨料取代率為100%，RAC也符合混凝土的抗氯離子滲透性能的要求。吳謹(jǐn)[5]通過(guò)NEL法研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度等級(jí)為C25～C40的RAC，降低水灰比可以有效提升RAC的抗氯離子滲透性能。這些研究表明，適當(dāng)降低RAC的水灰比，可以提高RAC的抗氯離子滲透能力。這是由于較低的水灰比制備的RAC較為密實(shí)，硬化混凝土內(nèi)部的孔隙率及孔徑更小，氯離子更難以擴(kuò)散滲透加入混凝土內(nèi)部。

1.2 再生骨料取代率

應(yīng)敬偉[6]通過(guò)RCM法研究發(fā)現(xiàn)，RAC的抗氯離子滲透性能隨再生粗骨料取代率增加而降低，并且通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析認(rèn)為主要影響因素排序?yàn)椋核冶龋緭胶狭希攫B(yǎng)護(hù)齡期。然后通過(guò)ABAQUS有限元軟件模擬的氯離子的非線性擴(kuò)散特征，發(fā)現(xiàn)氯離子滲透性能與再生骨料分布位置有關(guān)。上官玉明[7]通過(guò)RCM法研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整顆粒粒型可以有效提高RAC的抗氯離子滲透性能，且與膠凝材料的用量成正比，與再生骨料取代率成反比。肖開(kāi)濤等[8]用電通量法研究發(fā)現(xiàn)再生骨料取代率為50%是臨界點(diǎn)，再生骨料取代率小于50%的RAC抗氯離子滲透性能較強(qiáng)，大于50%的RAC抗氯離子滲透性能較弱。Evangelista等通過(guò)電通量法研究發(fā)現(xiàn)，由于再生細(xì)骨料具有較大的孔隙率，含有再生細(xì)骨料的RAC的抗氯離子滲透性能比普通混凝土弱。盡管各研究所用的表征指標(biāo)不同，但可通過(guò)歸納總結(jié)，認(rèn)為再生骨料取代率提高，RAC抗氯離子滲透性能力減弱。這是由于再生骨料在破碎過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較多的微裂縫，且骨料表面還包裹著一層舊砂漿，隨著再生骨料取代率提高，RAC內(nèi)孔隙率較高，孔洞直徑較大，形成了有利于氯離子擴(kuò)散的孔道。

1.3 礦物摻合料

Kou等采用電通量法研究認(rèn)為粉煤灰的摻入為25%～35%時(shí)可以顯著改善RAC的抗氯離子滲透性能。韋慶東等[9]采用電通量法也得到了相似的研究成果，粉煤灰摻量為30%時(shí)可以抵消再生骨料取代率對(duì)RAC的抗氯離子滲透性能的影響。吳相豪等[10]通過(guò)電通量法研究發(fā)現(xiàn)隨粉煤灰摻量的增加，RAC抗氯離子滲透能力是先增強(qiáng)后減弱，粉煤灰的臨界摻量為20%。葉騰等[11]通過(guò)RCM法研究認(rèn)為粉煤灰的適宜摻量為10%～20%。Berndt認(rèn)為復(fù)摻兩種礦物摻和料對(duì)于提高RAC的抗氯離子滲透性能效果更為明顯。管小健[12]通過(guò)電通量法研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰（30%）與硅灰（5%）復(fù)摻時(shí)，改善RAC抗氯離子滲透性能的效果最為明顯，RAC抗氯離子滲透性能隨石粉的摻量先增大后減小，石粉的臨界摻量為5%。由這些研究成果可見(jiàn)，摻入合適品種和摻量的礦物摻合料，以及采用復(fù)摻的方式，可有效提高RAC的抗氯離子滲透性能。這是由于粉煤灰、硅灰等活性摻合料摻入到RAC中，可以發(fā)揮密實(shí)填充作用和二次水化作用，提高RAC的密實(shí)性，改善各界面區(qū)的結(jié)構(gòu)，從而可有效地改善RAC的抗氯離子滲透性能。

1.4 外加劑

Corinaldesi等通過(guò)RCM法研究發(fā)現(xiàn)高效減水劑明顯可以改善再生混凝土的耐久性。Bravo等通過(guò)RCM法研究發(fā)現(xiàn)隨著骨料取代率和磚粒含量的增加，高效減水劑對(duì)于提高RAC耐久性和減小RAC收縮的作用下降。陳愛(ài)玖等[13]通過(guò)NEL法研究了引氣減水劑摻量對(duì)凍融循環(huán)作用下再生混凝土抗氯離子滲透性能的影響， 結(jié)果表明凍融前RAC抗氯離子滲透性能隨著引氣減水劑摻量的增加先提高后降低，引氣減水劑的臨界摻量為0.4%；經(jīng)過(guò)250次凍融循環(huán)后，隨著引氣減水劑摻量增加至0.6%時(shí)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降82%，引氣減水劑顯著提高RAC抗氯離子滲透性能。摻入合適品種和摻量的外加劑，可以改善RAC的孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而RAC抗氯離子滲透性能。

1.5 養(yǎng)護(hù)時(shí)間

Tang J等通過(guò)RCM法研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)應(yīng)力時(shí)RAC的抗氯離子滲透性能隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸提高。但是，RAC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)在養(yǎng)護(hù)初期的下降趨勢(shì)比普通混凝土更快。Olorunsogo測(cè)定再生骨料含量為85.4%的RAC在養(yǎng)護(hù)3、7、28和56天后的電通量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)時(shí)間比再生骨料取代率對(duì)RAC的抗氯離子滲透性能的影響更大。杜婷等[14]通過(guò)電通量法研究表明粉煤灰、礦渣等礦物摻合料可以有效地改善RAC的抗氯離子滲透性能，且隨著強(qiáng)度的增長(zhǎng)和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，RAC的抗氯離子滲透性能增強(qiáng)。

1.6 荷載作用

目前，再生骨料混凝土耐久性的研究，主要集中在無(wú)應(yīng)力作用下再生骨料混凝土氯離子的遷移和擴(kuò)散[15]。實(shí)際結(jié)構(gòu)中，荷載作用對(duì)孔結(jié)構(gòu)和微裂紋的新生和擴(kuò)展具有十分重要的影響[16]。因此忽略荷載作用，將使模擬試驗(yàn)環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境存在一定程度的脫離，壓荷載和彎曲荷載是最為常見(jiàn)的受荷形式。

（1） 壓荷載

Wang Wenjian等通過(guò)RCM法研究了持續(xù)壓荷載作用下的RAC的抗氯離子侵蝕能力，持續(xù)壓荷載的裝置如圖（1）所示。當(dāng)水膠比為0.39、再生骨料取代率為100%、壓應(yīng)力比為0.1～0.8時(shí)，抗氯離子滲透性能呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。同時(shí)，RAC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比（D/D0）與壓應(yīng)力比（λ）之間有著很好的線性關(guān)性，擬合結(jié)果表明臨界應(yīng)力比（λ）為0.5，如式（1）和（2）所示。

式中：D-不同壓應(yīng)力時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；D0-無(wú)應(yīng)力時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；λ-壓應(yīng)力比。

圖1 持續(xù)壓荷載加載試驗(yàn)裝置

Tang J等通過(guò)RCM法研究了持續(xù)壓荷載作用下養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)RAC抗氯離子滲透性能的影響。當(dāng)水膠比為0.39、再生骨料取代率為100%、壓應(yīng)力比分別為0、0.3、0.6、0.8時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間從28 d延長(zhǎng)至90 d時(shí)，RAC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸下降。氯離子擴(kuò)散系數(shù)比（D/D0）與養(yǎng)護(hù)時(shí)間比t/t0（初始時(shí)間t0為28 d）呈現(xiàn)冪函數(shù)的關(guān)系，且在高壓應(yīng)力比條件下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)RAC的抗氯離子滲透性能影響更為顯著，擬合結(jié)果如表1所示。

表1 氯離子擴(kuò)散系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的擬合曲線

王玉建等[17]通過(guò)電通量法研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水膠比為0.586，再生骨料取代率為50%時(shí)，臨界應(yīng)力介于壓應(yīng)力比為0.55～0.65之間，抗氯離子滲透性能呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。隨著水膠比降至0.250或者再生骨料取代率升高100%時(shí)，壓應(yīng)力比為達(dá)到0.75仍未出現(xiàn)臨界應(yīng)力，抗氯離子滲透性能逐漸增強(qiáng)。

（2） 彎曲荷載

Bing Qi研通過(guò)自然浸泡法研究持續(xù)彎曲荷載作用下RAC的抗氯離子性能，持續(xù)彎曲荷載的裝置如圖（2）所示。當(dāng)水膠比為0.5時(shí)，隨著再生骨料取代率逐漸從30%提高至100%，新舊C-S-H凝膠對(duì)氯離子的物理吸附能力增強(qiáng)，氯離子擴(kuò)散系數(shù)先升后降，與再生粗骨料取代率的關(guān)系符合二次多項(xiàng)式的關(guān)系如式（3）所示。不同彎曲荷載應(yīng)力比（0、30%、50%、70%、100%）條件下，氯離子擴(kuò)散系數(shù)明顯增大，且彎曲應(yīng)力比呈現(xiàn)二次函數(shù)方程的關(guān)系，如式（4）所示。

式中：Dr-不同再生骨料取代率時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Dr0-無(wú)再生骨料時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Dλ-不同彎曲應(yīng)力時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Dλ0-無(wú)彎曲應(yīng)力時(shí)氯離子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；r-再生骨料取代率；λ-彎曲應(yīng)力比。

圖2 持續(xù)彎曲荷載加載試驗(yàn)裝置

戴明輝[18]通過(guò)自然浸泡法研究認(rèn)為隨著彎曲應(yīng)力水平的提高，礦物摻合料對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響變小。當(dāng)彎曲應(yīng)力比為0.5時(shí)，氯離子滲透深度明顯大于彎曲應(yīng)力比為0.3時(shí)。當(dāng)彎曲應(yīng)力比從0.3升高至0.5時(shí)，彎曲應(yīng)力比對(duì)再生骨料取代率為100%的RAC抗氯離子滲透性能影響顯著大于再生骨料取代率為50%的RAC。

2 結(jié)束語(yǔ)與建議

本文基于國(guó)內(nèi)外已有的研究成果，關(guān)于RAC抗氯離子滲透性能研究，可以初步得到以下結(jié)論：

（1）降低水灰比、摻入適量礦物摻合料、使用高效減水劑和延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間均可

以顯著提高RAC的抗氯離子滲透性能。

（2）再生骨料取代率提高，RAC的抗氯離子性能下降，但是對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)較高的RAC，再生骨料取代率對(duì)RAC的抗氯離子滲透性能影響較小。

（3）隨著粉煤灰摻量增加，再生骨料混凝土的抗氯離子性能呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，粉煤灰存在最佳摻量，介于10%～35%之間。

（4）壓荷載條件下，存在臨界應(yīng)力，當(dāng)壓應(yīng)力水平低于臨界應(yīng)力時(shí)，隨著應(yīng)力水平的增加，抗氯離子滲透性能逐漸增強(qiáng)。當(dāng)壓應(yīng)力水平高于臨界應(yīng)力時(shí)，隨著應(yīng)力水平的增加，抗氯離子滲透性能逐漸減。

（5）彎曲荷載條件下，不存在臨界應(yīng)力，隨著應(yīng)力水平的增加，RAC氯離子擴(kuò)散系數(shù)逐漸增加，且氯離子擴(kuò)散系數(shù)和彎曲應(yīng)力比存在良好的相關(guān)性。

目前，對(duì)再生骨料混凝土耐久性的研究主要集中在無(wú)荷載作用和單因素作用下，但是實(shí)際結(jié)構(gòu)中，凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、碳化作用、硫酸鹽侵蝕和荷載等因素耦合作用對(duì)孔結(jié)構(gòu)和微裂紋的新生和擴(kuò)展具有十分重要的影響。通過(guò)建立荷載與復(fù)雜環(huán)境耦合作用下RAC中氯離子的傳輸模型，揭示微結(jié)構(gòu)損傷劣化演化機(jī)理和闡明再生骨料混凝土耐久性劣化的關(guān)鍵問(wèn)題是一個(gè)良好的研究方向。