PVA對改善再生混凝土抗氯離子滲透性能試驗研究

趙隆柳，謝 軍,，林 鑫，陳 萌，口斗瓦色初，楊榮釗，朱哲明

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電學(xué)院,雅安 625014;2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院,成都 610065; 3.四川大學(xué)深地科學(xué)與工程教育部重點實驗室,成都 610065)

0 引 言

廢棄混凝土經(jīng)破碎后的再生骨料部分或全部用于取代天然骨料并澆筑而成的混凝土稱為再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)[1]。再生混凝土具有緩解天然骨料需求不足、提高廢棄材料再生利用率等優(yōu)勢。但不同于普通混凝土(Natural Aggregate Concrete，NAC)，再生混凝土存在孔隙率大、抗?jié)B性能差等缺點[2]。當(dāng)其暴露在外界環(huán)境中，有害離子(如氯離子)將通過其表層的孔隙、裂縫滲透進入混凝土內(nèi)部，進而腐蝕鋼筋，降低結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耐久性。當(dāng)前，隨著再生混凝土的推廣使用，其耐久性問題越來越受到工程界的重視，再生混凝土氯離子抗?jié)B性能研究成為了一個極為重要的研究課題[3]。

氯離子侵蝕是引起鋼筋混凝土耐久性下降、結(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一。再生混凝土因骨料破壞過程積累了大量微裂縫，具有孔隙率高、吸水性大等特性，且氯離子擴散通道也將增加。設(shè)想通過摻入某種改性材料以提高混凝土抗?jié)B性能成為了早期研究者的一個解決思路[4-5]。聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)為典型的水溶性高分子聚合物，具有較好的粘結(jié)性，且與水泥基材料相容性好[6]。為此，Lepech等[7]提出摻入PVA以提高混凝土密實度，從而顯著提高混凝土耐久性。為進一步研究混凝土的抗氯離子滲透性能，閆長旺等[8]研究了水泥砂漿材料中摻入PVA后Cl-濃度隨深度的變化規(guī)律。此外，張鵬[9]、丁小雅[10]等也展開了相關(guān)水泥基材料抗氯離子滲透試驗研究。大量文獻調(diào)研表明[11-13]，處于氯鹽環(huán)境的混凝土，結(jié)構(gòu)耐久性問題尤為嚴重，而氯離子滲透能力即Cl-擴散系數(shù)是確定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽環(huán)境中使用壽命的關(guān)鍵參數(shù)。王建剛等[14]研究指出混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙率是影響Cl-擴散系數(shù)的主要因素，混凝土Cl-擴散系數(shù)與孔隙曲率存在負相關(guān)關(guān)系。鐘俊飛等[15]深入研究PVA纖維對水泥基復(fù)合材料抗氯離子滲透性能的影響，并利用電通量試驗方法建立了電通量與PVA摻量之間的函數(shù)關(guān)系模型。相較于水泥砂漿材料，含粗骨料的再生混凝土，由于再生粗細骨料及改性基材料的摻入，其抗氯離子滲透性能將變得更加復(fù)雜[16]。

在混凝土耐久性研究方面，學(xué)術(shù)界對PVA的影響研究，以往主要側(cè)重于粗細骨料、礦物摻合料配合比、強度等因素，但就不同聚合度PVA對再生混凝土的抗氯離子滲透性能并未深入研究。本試驗采用電通量法研究再生混凝土抗氯離子滲透性能及摻入不同聚合度PVA(1 788、2 488、2 688)時試件的氯離子擴散性能，據(jù)此分析PVA聚合度對再生混凝土抗氯離子滲透性能的影響，并從抗氯離子滲透性角度分析水泥基材料中最合適聚合度。

1 實 驗

1.1 試驗材料及配合比設(shè)計

表2 PVA物理力學(xué)指標Table 2 Physical and mechanical properties of PVA

表1 水泥的基本物理指標Table 1 Basic physical properties of cement

(1)

(2)

混凝土配合比按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進行設(shè)計，水灰比為0.53，減水劑質(zhì)量含量為6.0%，PVA摻量為總質(zhì)量的1.2%。為詳細研究普通混凝土與再生混凝土，以及摻入PVA后再生混凝土抗氯離子滲透性能，試驗設(shè)計了表3所示的試驗方案，其中編號T-1～T-6為摻入了不同聚合度PVA試件：編號T-1、T-3、T-5為普通混凝土，T-2、T-4、T-6為細骨料替代率為30%的再生混凝土。編號T-7、T-8分別為未摻入PVA的普通混凝土和再生混凝土試件，每組制作3個相同試件以展開平行試驗。

表3 不同PVA聚合度下再生混凝土抗氯離子滲透試驗方案Table 3 Experimental scheme of chloride ion impermeability of RAC with different degrees of polymerization of PVA

1.2 試件制作

試件制作是依次加入石子、中砂、再生混凝土骨料、水泥、PVA，攪拌并澆灌于直徑(100±1) mm、高度(50±2) mm的圓柱體模具中，振搗密實，在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24 h后拆除模具，混凝土試件如圖1所示。在標準養(yǎng)護28 d后，將試件放于真空干燥器中，啟動真空泵，使真空干燥器中的負壓在1～5 kPa之間，維持真空3 h后加入足夠的蒸餾水，淹沒試件，試件浸泡1 h后恢復(fù)到常壓，再繼續(xù)泡(18±2) h直至達到試驗所要求的飽水狀態(tài)，真空飽水試驗過程如圖2所示。

圖1 再生混凝土試件Fig.1 Recycled aggregate concrete specimen

圖2 真空飽水試驗Fig.2 Vacuum water saturation test

1.3 試驗測試原理

飽水試驗完成后，在相對濕度在95%以上環(huán)境中，抹掉表面水分，側(cè)面凹洞填涂樹脂后安裝于試驗槽內(nèi)，用螺桿將兩試驗槽和端面裝有硫化橡膠墊的試件夾緊。

試驗測定儀如圖3所示，該設(shè)備滿足JG/T 261《混凝土氯離子電通量測定儀》有關(guān)規(guī)定，電通量試驗裝置的示意圖如圖4所示。其測試方法為：在試驗槽兩極加(60±0.1) V直流恒電壓，自動采集數(shù)據(jù)時間設(shè)定為5 min，記錄電流。試驗開始前，陰極試驗槽注入質(zhì)量濃度為3.0%的NaCl溶液，陽極試驗槽注入物質(zhì)的量濃度為0.3 mol/L的NaOH溶液，試驗過程中時刻保證試驗槽充滿溶液。試驗結(jié)束，自動采集電流裝置電通量，電流測量值精確到±0.5 mA。

圖3 混凝土試件氯離子電通量測定過程Fig.3 Determination of Cl- electric flux of concrete specimen

圖4 電通量試驗裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of electric flux test device

1.4 測定數(shù)據(jù)計算

試驗結(jié)束后，首先繪制電流與時間的關(guān)系曲線圖，然后將各個數(shù)據(jù)以光滑曲線連接起來，對曲線作面積積分，依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》計算電通量，最終得到試驗6 h通過的電通量Q。

對于直徑非95 mm的試件，應(yīng)將計算得到的通過測試試件的總電通量換算成直徑為95 mm試件的電通量值。其具體換算公式按下式進行：

Qs=Qd×(95/d)2

(3)

式中,Qs、Qd和d分別為通過直徑95 mm試件的電通量(C)、通過直徑d試件的電通量(C)和試件實際直徑(mm)。

每組取3個試件電通量的算術(shù)平均值作為該組試件的電通量測定值。試驗采用測定通過混凝土的電通量為指標來確定混凝土抗氯離子滲透性能，參考表4中ASTM C1202關(guān)于氯離子滲透性的評價標準對試驗結(jié)果進行評定。

表4 基于電通量的氯離子滲透性評價標準Table 4 Evaluation standard of chloride ion permeability based on electric flux

2 結(jié)果與討論

2.1 NAC及RAC抗氯離子滲透性能對比分析

NAC(T-7)試件與RAC(T-8)試件的抗氯離子滲透電流隨時間變化曲線如圖5所示。試驗過程中，隨著氯離子持續(xù)向混凝土試件內(nèi)部滲透，NAC和RAC中的氯離子濃度逐漸增加。具體表現(xiàn)為：前期增長速度快，后期增長速度放緩并在6 h后逐步趨于某一穩(wěn)定電流值，此時混凝土中氯離子濃度趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說明試驗設(shè)置6 h的測量時間是足夠的，證明試驗數(shù)據(jù)具有良好的可靠性。

根據(jù)電流與電通量之間的關(guān)系，利用Origin繪圖軟件對圖5的電流-時間曲線作面積積分即可計算出試驗6 h通過試件的電通量Qd，再利用式(3)換算成標準試件電通量值Qs。本試驗所采用的水灰比W/C=0.53介于0.5～0.6之間，屬于中等水灰比的普通混凝土[17]。根據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)氯離子滲透性標準，庫侖電量Qs>4 000 C的混凝土屬于高滲透性試件。由圖6的NAC(T-7)與RAC(T-8)電通量對比圖可知，本試驗NAC測量值為4 142 C>4 000 C，說明混凝土的滲透性較高，這主要是由于試驗配比設(shè)計中的水灰比較大(水灰比越大，試件中孔隙越多，孔隙率越高，氯離子越容易滲透侵入[18])，因此所測得的電通量值較大。測量結(jié)果也為接下來試件中摻入PVA材料，用以研究PVA改善抗氯離子滲透程度提供了更大范圍的比較尺度。

圖5 NAC與RAC電流-時間曲線Fig.5 Electricity-time curves of NAC and RAC

圖6 NAC與RAC電通量對比圖Fig.6 Comparison diagram of NAC and RAC electric flux

NAC(T-7)與RAC(T-8)電通量對比如圖6所示，根據(jù)電通量與離子滲透性能正相關(guān)關(guān)系可知，RAC(T-8)氯離子滲透性增加了26.1%。經(jīng)分析，其主要原因是試驗所使用的30%細骨料選自建筑廢棄混凝土，該廢棄混凝土在機械粉碎、風(fēng)干、篩選等一系列工藝過程中，再生骨料內(nèi)部已經(jīng)形成了大量細微裂縫，孔隙率相應(yīng)增加，再則RAC吸水率和含水率相對于NAC要高[19]，本試驗再次證實RAC抗氯離子滲透性比NAC差。因此，對于抗?jié)B性能有較高要求的工程，在直接使用廢棄混凝土?xí)r，應(yīng)慎重考慮再生混凝土耐久性下降這一重要變化因素。

2.2 摻入PVA抗氯離子滲透性能分析

針對再生混凝土電通量測點值偏高、氯離子抗?jié)B性能差這一特點，試驗設(shè)計在RAC(T-8)中加入一定量的PVA。圖7的三個柱體分別為摻入質(zhì)量占比為1.2%且PVA聚合度為1 788的再生混凝土試件(T-2)、無PAV的再生混凝土試件(T-8)、以及無PAV的普通混凝土試件(T-7)的電通量圖。從圖中可知，摻入1.2%的PVA(1 788)后，RAC(T-8)的電通量由原來的5 221 C下降到了3 494 C，下降了33.1%。同時，相比較于相同配合比下的NAC，其抗氯離子滲透性也得到一定程度改善，改善程度達到了15.6%。其主要原因為：(1)PVA在一定溫度范圍內(nèi)能很好地溶解于水中，其水溶液具有良好的粘結(jié)性和成膜性，成型時可增強拌合物膠凝體與骨料之間的結(jié)合作用[20]，將顆粒粘結(jié)更為緊密，從而提高混凝土的密實度，降低孔隙率；(2)摻加PVA可改善混凝土中的微觀孔隙，降低毛細孔率，而內(nèi)部微觀孔隙是氯離子擴散主要通道之一；(3)摻入到水泥基體中的PVA與水化產(chǎn)物-游離氫氧化鈣結(jié)合，有利于水化進程，同時可增加水化硅酸鈣(C-S-H)含量[21]；(4)在形成的聚合物漿體中PVA能更好地填充中、細砂之間的孔洞及裂縫，從而改善試件微觀結(jié)構(gòu)，故其孔隙率相對更低，抗?jié)B透性能表現(xiàn)更佳。

圖7 NAC、RAC和RAC+1 788PVA電通量對比圖Fig.7 Comparison diagram of NAC, RAC and RAC+1 788PVA electric flux

分析圖7中的三種試件T-2、T-7、T-8可知，再生混凝土雖具有孔隙率高、抗?jié)B性能差等缺點，但是通過添加一定量的PVA后，其抗?jié)B性能得到大幅改善。且僅摻入1.2%的PVA后，其抗?jié)B性能超過了普通混凝土，為將來工程建設(shè)中廢棄混凝土的廣泛使用提供了良好的試驗數(shù)據(jù)支撐。

2.3 不同PVA聚合度下抗氯離子滲透性能分析

為明確不同PVA聚合度(1 788、2 488、2 688)對再生混凝土抗氯離子滲透的影響，試驗測量了無添加PVA(T-8)及不同聚合度PVA下再生混凝土試件(T-2、T-4、T-6)的電流隨時間的變化曲線，再利用Origin繪圖分析工具對曲線進行面積積分，即可計算出6 h內(nèi)通過測試試件的電通量，再利用式(3)進行換算，得到不同聚合度PVA對RAC抗氯離子滲透影響的電通量，計算結(jié)果如圖8所示。

圖8表明不同聚合度的PVA對RAC的抗氯離子滲透性能存在較大差異的影響，PVA聚合度分別為1 788(T-2)、2 488(T-4)、2 688(T-6)的再生混凝土試件相較于未摻入PVA的再生混凝土試件(T-8)，其電通量分別下降了1 727 C、2 220 C、2 359 C，降幅分別為33.1%、42.5%、45.2%。由此可見，聚合度越高，其改善RAC抗氯離子滲透性能越好。這主要是由于對PVA材料而言，聚合度越高，其粘聚力越大(見表2)，粘結(jié)骨料顆粒的性能越好，攪拌成型后的粘結(jié)強度越高。

圖8 不同聚合度PVA對RAC的抗氯離子滲透影響Fig.8 Influence of different degrees of polymerization of PVA on chloride ion impermeability of RAC

分析圖8右坐標電通量下降比例曲線發(fā)現(xiàn)，在醇解度相同前提下，雖然聚合度2 688的PVA對抗氯離子滲透性能改善程度最大，但其改善效果已有所下降，電通量降低幅度已由493 C降低至139 C，降幅比例由0.331增加至0.452，對應(yīng)抗氯離子滲透系數(shù)增幅率下降了71.8%，反映為降幅比例曲線斜率的減小，具體改善幅度如圖9所示。通過對Mark-Houwink方程[η]=kMα分析可知，PVA聚合度與試液粘度呈正相關(guān)，聚合度越大試液粘度越大，導(dǎo)致高聚合度PVA不能完全溶解于水中，其粘結(jié)性能不能完全發(fā)揮，甚至造成局部的抱團和浮于水表面現(xiàn)象，最終造成再生混凝土試件密實度提高幅度下降，孔隙率不能得到有效控制等不利影響。因此對于PVA材料，應(yīng)根據(jù)混凝土材料的物理力學(xué)要求合理確定合適的聚合度。針對本試驗配合比的再生混凝土，結(jié)合抗氯離子滲透性及PVA自身特性(溶解性)等情況，綜合考慮認為PVA聚合度2 488為最佳聚合度。

圖9 2 488PVA與2 688PVA電通量降幅對比圖Fig.9 Comparison diagram of 2 488PVA and 2 688PVA electric flux drop

3 結(jié) 論

(1)再生混凝土與普通混凝土相比，具有更高孔隙率，抗氯離子滲透性能降低約26.1%；對于多次重復(fù)使用廢棄混凝土的工程應(yīng)慎重考慮再生混凝土耐久性下降這一不利因素。

(2)在本試驗試件水灰比為0.53的配比下，摻入1.2%的1 788 PVA可極大地改善再生混凝土的抗氯離子滲透性能，其改善程度達到了33.1%。同時，相比于普通混凝土，其抗氯離子滲透性能也表現(xiàn)的更加良好。

(3)不同聚合度PVA對再生混凝土抗氯離子滲透性能具有不同程度的提升，在醇解度均為88%的條件下，隨著聚合度提高，其抗氯離子滲透性能越好，但提升的幅度逐漸減小。相較而言聚合度為2 488的PVA提升最為明顯，其對改善再生混凝土的抗氯離子滲透性能達到了42.5%，綜合考慮再生混凝土的抗氯離子滲透性能以及不同聚合度下的水溶解性等因素，本試驗認為2 488為最佳聚合度。

(4)本研究側(cè)重于PVA對再生混凝土抗氯離子滲透性以及不同聚合度下的影響規(guī)律，因此試驗結(jié)論對于工程中合理選擇PVA聚合度有著重要的參考意義。同時考慮到PVA對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響因素還包括諸如荷載、強度、水灰比、PVA摻入量等，因此，在接下來的研究工作中，將進一步研究多因素耦合作用下的再生混凝土抗氯離子滲透影響規(guī)律，以期為工程建設(shè)提供更全面的和普適性的指導(dǎo)意見。