雙軸受壓下再生混凝土氯離子擴散規(guī)律

應(yīng)敬偉，錢邵同，覃盛昆,3

(1. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004； 2. 廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，廣西南寧 530004； 3. 廣西大學(xué)廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室,廣西南寧 530004)

0 引 言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，許多城市產(chǎn)生了大量的廢棄建筑物，造成了環(huán)境污染[1]。砌筑新的建筑物需要消耗更多的天然骨料，廢棄建筑垃圾的回收再利用成為了一個亟待解決的問題。將建筑垃圾破碎后作為再生骨料來利用在一定程度上減輕了環(huán)境污染[2]。目前，建筑垃圾資源化成為國家層面的重點研究方向。這些政策與方案的提出將會為中國建筑垃圾資源的綠色循環(huán)發(fā)展注入新的動力。

再生骨料混凝土是指取代部分或全部天然骨料，按相應(yīng)的級配和比例制得的混凝土。由于再生骨料表面附著老砂漿，使得再生混凝土有著比天然混凝土更為復(fù)雜的界面過渡區(qū)，從而導(dǎo)致了再生骨料混凝土表現(xiàn)出較差的力學(xué)性能和耐久性能[3]。鋼筋銹蝕是引起混凝土破壞的主要原因，而氯離子侵蝕又是導(dǎo)致鋼筋銹蝕的主要因素，因此研究混凝土抗氯鹽侵蝕性能對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有重要的現(xiàn)實意義。

目前有很多學(xué)者研究了再生混凝土的抗氯離子滲透性能。在相同的水灰比下，天然混凝土的抗氯離子滲透性能要優(yōu)于再生混凝土[4]。隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土抗氯離子滲透性能下降[5-7]。應(yīng)敬偉等[8]通過灰色關(guān)聯(lián)度定量分析得出，相較于摻合料和混凝土齡期，水灰比對再生混凝土抗氯離子的抗氯離子滲透性能影響程度更大。上述研究的再生混凝土抗氯離子滲透性能都是在無荷載作用下進行的，隨著研究的深入，部分學(xué)者對持續(xù)壓荷載作用下混凝土的抗氯離子滲透性能進行了研究。整體而言，天然混凝土和再生混凝土的相對氯離子擴散系數(shù)(當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴散系數(shù)與無應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴散系數(shù)的比值)隨著壓應(yīng)力的增加均先減小后增大。與天然混凝土臨界應(yīng)力水平普遍在0.3相比[9-13]，再生混凝土的臨界應(yīng)力水平為0.5～0.6[14]。Wang等[14]研究了單軸持續(xù)壓荷載作用下再生混凝土的抗氯離子滲透性能。結(jié)果表明，相較于天然混凝土，再生混凝土在臨界應(yīng)力水平下的氯離子擴散系數(shù)下降更明顯，說明再生混凝土對壓荷載的敏感性更高。目前絕大部分研究都局限于單軸壓荷載，由于雙軸壓荷載與氯鹽耦合作用下的復(fù)雜性，公開的文獻中僅有個別研究者涉及這一領(lǐng)域。洪雷等[10]研究了雙軸預(yù)壓荷載對高性能混凝土抗氯離子滲透性能的影響，他采用ASTM C1202快速試驗方法，利用自制加力架對立方體試件(100 mm×100 mm×100 mm)進行不同等級的加載；加載后再卸載進行切割打磨成標準試件(100 mm×100 mm×50 mm)，之后進行電通量試驗。結(jié)果表明：在豎向壓荷載作用下，當(dāng)側(cè)向壓荷載低于30%極限荷載時，隨著側(cè)向壓荷載增加，混凝土抗氯離子滲透性增強；當(dāng)側(cè)向壓荷載高于30%極限荷載時，隨著側(cè)向壓荷載增加，混凝土抗氯離子滲透性減弱。盡管洪雷等[11]研究了雙軸壓荷載與氯鹽耦合，然而僅限于預(yù)壓荷載而非持續(xù)壓荷載，而且沒有說明施加的橫向和縱向壓荷載具體數(shù)值使得混凝土抗氯離子滲透性最佳。Cheng等[17]盡管研究了雙軸持續(xù)應(yīng)力作用下混凝土抗氯離子滲透性能，得到了氯離子擴散系數(shù)關(guān)于橫向和側(cè)向應(yīng)力水平的關(guān)系式，但是該試驗中滲透方法采用自然擴散法，該方法試驗周期較長，且最大應(yīng)力水平僅為0.3，得到的關(guān)系式不適用于高應(yīng)力水平下的預(yù)測。

本文利用自制的試驗裝置研究了再生混凝土在雙軸持續(xù)壓荷載作用下氯離子滲透性能，并建立了雙軸受壓荷載下混凝土氯離子擴散系數(shù)關(guān)于應(yīng)力水平的理論模型。

1 材料和配合比設(shè)計

試驗采用的水泥標號為P.O42.5的海螺牌普通硅酸鹽水泥，細骨料采用細度模數(shù)為3.16的天然河砂，天然粗骨料(NCAs)的粒徑為5～20 mm的石灰?guī)r碎石。通過破碎實驗室廢棄混凝土試塊(母體混凝土)獲得再生粗骨料。

母體混凝土水灰比依次為0.4，0.5和0.6，對應(yīng)的粗骨料依次為RCA-0.4，RCA-0.5和RCA-0.6。再生粗骨料的粒徑為5～20 mm。細骨料及3種粗骨料的顆粒級配均滿足《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》(JGJ 52—2006)的要求，骨料級配曲線如圖1所示。按照體積法進行混凝土配合比設(shè)計，其中砂石體積比均為0.68，且天然粗骨料和再生粗骨料均為飽和面干狀態(tài)。母體混凝土的配合比及抗壓強度如表1所示。根據(jù)規(guī)范測試的各骨料物理性能如表2所示。新澆筑的混凝土配合比及抗壓強度如表3所示。所有試件均在標準養(yǎng)護室(溫度為20 ℃±3 ℃，相對濕度為95%以上)中養(yǎng)護28 d。本次試驗中總共澆筑了2種類型的混凝土試件。其中，100 mm×100 mm×100 mm的試塊用于立方體抗壓強度測試，100 mm×100 mm×50 mm的長方體試塊用于荷載作用下的氯離子滲透性能測試。

圖1 骨料級配

2 測試過程

為了實現(xiàn)雙軸受壓荷載下混凝土氯離子快速測試，設(shè)計并制作了圖2所示試驗裝置，其中雙軸壓縮加載裝置由鋼墊板、鋼板反力架、滑輪、液壓千斤頂?shù)炔考M成，鋼板反力架材質(zhì)為42CrMo高強度磨具鋼，制作精度小于0.05 mm，能夠使整個系統(tǒng)保持足夠的強度和剛度，加載墊板由激光切割低強度不銹鋼板并拋光制成，便于應(yīng)力傳遞，激光切割精度誤差在0.05 mm以內(nèi)。壓荷載由液壓缸提供。試驗前，用標準壓力試驗機對液壓缸的荷載與油壓之間關(guān)系進行標定。

表1 母體混凝土的配合比及抗壓強度Tab.1 Mix Proportion and Compressive Strength of Parent Concrete

表2 骨料的物理性能Tab.2 Properties of Aggregate

表3 混凝土的配合比及抗壓強度Tab.3 Mix Proportion and Compressive Strength of Concrete

圖2 雙軸受壓下氯離子滲透試驗裝置

在本研究中，X方向和Y方向的應(yīng)力比σx∶σy分別為1∶0，1∶1，1∶2。任意一個垂直于受壓面的法線方向為X方向，另一個相互垂直的方向為Y方向。加載示意圖見圖2(a)。X方向和Y方向壓應(yīng)力分別為σx=Fx/A和σy=Fy/A，其中Fx和Fy分別為氯離子在混凝土中滲透時混凝土試塊的X方向壓力和Y方向壓力，A為混凝土試塊橫截面的面積。定義σx/fc和σy/fc分別為X方向應(yīng)力水平和Y方向應(yīng)力水平，其中fc為混凝土不同應(yīng)力比對應(yīng)的強度，取值如表4所示。

一般情況下，當(dāng)單軸壓應(yīng)力達到混凝土強度的75%時[18]，混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)和基體之間的裂縫容易搭接連通，因此，在本研究中應(yīng)力水平取值不超過0.75。

表4 不同應(yīng)力比對應(yīng)的強度Tab.4 Strength Corresponding to Different Stress Ratios

快速氯離子遷移裝置由陰極溶液槽和陽極溶液槽、大型溶液儲存槽、導(dǎo)管、潛水泵以及直流電源等部件組成。由于試驗過程中會產(chǎn)生大量熱量和氣體，試塊兩側(cè)的電極溶液槽設(shè)置了多個孔用于溶液進出和排氣，大型溶液儲存槽里面的潛水泵可以使得溶液里面的濃度均勻分布且有利于循環(huán)降溫。為了防止在試驗時溶液出現(xiàn)滲漏，先用打磨機對養(yǎng)護到規(guī)定齡期的試塊進行表面磨平處理。參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)和Tang等[19]的標準試驗方法并結(jié)合加載裝置，進行荷載作用下電加速氯離子遷移測試，測試時所配置溶液和加載電壓均與該規(guī)范相同，主要區(qū)別在于：①試塊橫截面形狀由圓形變?yōu)檎叫我员阌诩虞d；②試塊傾斜角度由大約25°變?yōu)?0°以便于排氣；③試塊在荷載作用下進行氯離子滲透測試。此外，為了驗證改進后的氯鹽滲透裝置的可靠性，在不施加荷載時，分別利用標準RCM測試儀器(由北京耐爾得公司制造)和本試驗裝置對不同配合比的混凝土進行對比測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同試驗裝置氯離子擴散系數(shù)對比

由圖3可知，本試驗裝置的測試結(jié)果普遍略高于RCM標準裝置的結(jié)果，這可能由于2種裝置自身差異和混凝土內(nèi)部非均質(zhì)性造成的，但總體趨勢基本一致，說明本試驗裝置的測試結(jié)果比較可靠。另外，由于混凝土水灰比較高，2種裝置測試得到的氯離子擴散系數(shù)也較高。由于壓汞法(MIP)測試過程較為簡單、快速，且孔徑測量范圍廣，已被廣泛用于表征多孔材料的孔隙結(jié)構(gòu)[20-21]。在本研究中，采用壓汞法獲取混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)。

壓汞試驗采用的儀器是Micrometrics AutoPore IV 9500(American Michael Instruments Corp,USA)，該儀器的最大壓力高達206 700 kPa，測試的孔徑范圍從6 nm到302 μm?；炷翆儆诎烊还橇稀⑺嗌皾{在內(nèi)的非均質(zhì)材料，壓汞法的原理是將樣品假定為均質(zhì)材料來計算樣品的孔隙結(jié)構(gòu)。為了減少粗骨料造成混凝土孔隙結(jié)構(gòu)分布離散性的影響，本研究中分別選取混凝土中新砂漿和再生骨料中老砂漿進行微觀孔隙結(jié)構(gòu)測試。其樣品制作過程為：首先將編號為NAC，RAC-1，RAC-2和RAC-3的混凝土切割成厚度約5 mm的薄片，并從多個位置分離出新砂漿和老砂漿，把它們分別匯總后作為試樣。每組試樣的質(zhì)量大約20 g，并用無水乙醇浸泡處理，以防止繼續(xù)水化。浸泡處理后在60 ℃的烘箱中真空干燥。壓汞法測試過程為：每次稱量約5 g干燥后的樣品(精確至0.001 g)，放入準備好的膨脹計中密封，稱取膨脹計和試樣的總質(zhì)量，然后把膨脹計放進壓汞儀中分別進行低壓和高壓分析，如圖4所示。

圖4 孔隙結(jié)構(gòu)測試過程

3 結(jié)果與討論

3.1 混凝土中新老砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)

為了研究混凝土微觀結(jié)構(gòu)對氯離子擴散系數(shù)的影響，利用壓汞儀獲取了混凝土中新砂漿和老砂漿孔徑大小、孔隙率和孔徑分布等，并以此來表征它們的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖5所示。

圖5 新老砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)

由圖5(a)可知，混凝土中砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)分布隨著其水灰比的變化而變化。OM-0.6的進汞曲線先緩慢增加再迅速增大，NM-0.5和OM-0.4的進汞曲線均緩慢增加。這說明母體混凝土水灰比越大，破碎后得到的再生骨料中老砂漿越疏松，但是當(dāng)母體混凝土的水灰比為0.4時，破碎母體混凝土得到的老砂漿的孔隙率反而比新砂漿低，這說明破碎低水灰比的母體混凝土可以生產(chǎn)出更為密實的再生骨料。

根據(jù)孔徑對混凝土耐久性的影響程度，可以將混凝土中的孔隙劃分為無害孔(孔徑0～20 nm)、少害孔(孔徑20～50 nm)、有害孔(孔徑50～200 nm)和多害孔(孔徑大于200 nm)[22]。由圖5(b)可知，新砂漿和不同水灰比的老砂漿無害孔的孔隙率變化不大，老砂漿中的有害孔及多害孔的孔隙率隨著母體混凝土水灰比的增加而增加。老砂漿中的總孔隙率隨著母體混凝土水灰比的增加而逐漸變大。對于相同的水灰比，老砂漿的孔隙率大于新砂漿的孔隙，這可能由于破碎過程中在砂漿內(nèi)部形成了更多的微裂紋和微孔隙，導(dǎo)致相同水灰比的老砂漿比新砂漿更加疏松[23]，如圖6所示。

圖6 破碎前后附著老砂漿孔隙變化

OM-0.4的孔隙率小于NM-0.5，說明由破碎低水灰比的母體混凝土而得到的老砂漿依然具有較低的孔隙率，即由降低水灰比導(dǎo)致孔隙率的降低效應(yīng)大于破碎母體混凝土過程中產(chǎn)生的缺陷效應(yīng)。OM-0.5和OM-0.6的有害孔對應(yīng)的孔隙率明顯大于新砂漿NM-0.5和老砂漿OM-0.4的，這說明提高母體混凝土的水灰比對破碎后的老砂漿有不利影響，這是由于混凝土中更多的有害孔更容易導(dǎo)致氯離子滲透，進而對混凝土結(jié)構(gòu)造成不利影響。

在本研究中，定義毛細孔隙率為介于孔徑30～10 000 nm之間的孔隙體積分數(shù)[24]。為了探究毛細孔隙率與氯離子擴散系數(shù)之間的關(guān)系，通過試驗得到了混凝土的氯離子擴散系數(shù)與混凝土中老砂漿和新砂漿毛細孔隙率的關(guān)系，如圖7所示。

由圖7可以看出，再生混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨著它們內(nèi)部老砂漿孔隙率的增加而變大，天然骨料混凝土的氯離子擴散系數(shù)明顯低于再生混凝土。這可能是因為天然混凝土比再生混凝土少了老砂漿，老砂漿會產(chǎn)生大量新的界面過渡區(qū)和微裂縫[25]。

圖7 混凝土中砂漿氯離子擴散系數(shù)隨著毛細孔隙率的變化

3.2 持續(xù)雙軸受壓荷載作用下再生混凝土抗氯離子滲透性能

在荷載作用下，2個方向的應(yīng)力比組合方式及對應(yīng)的氯離子擴散系數(shù)如表5所示。從表5可以發(fā)現(xiàn)，對于NAC，RAC-1，RAC-2和RAC-3，隨著X方向和Y方向應(yīng)力水平的增大，氯離子擴散系數(shù)最大分別降低了15%，12.5%，12.5%和13%。另外，在相同的雙軸受壓應(yīng)力水平下，混凝土RAC-1，RAC-2和RAC-3比混凝土NAC的氯離子擴散系數(shù)更大，且RAC-1，RAC-2和RAC-3的氯離子擴散系數(shù)依次增加。這是因為與天然骨料混凝土相比，再生混凝土有更多界面過渡區(qū)和更高的孔隙率，再生骨料中老砂漿的孔隙率也隨著母體混凝土水灰比的增加而變大，這一點通過圖5的壓汞試驗得到證明。根據(jù)應(yīng)力比的對稱性，利用插值法將表5中的數(shù)據(jù)進行曲面擬合后，得到了混凝土氯離子擴散系數(shù)隨著X方向和Y方向的應(yīng)力水平變化的等高線圖，如圖8所示。

由圖8可知，對于天然骨料混凝土NAC和不同類型的再生混凝土RAC-1，RAC-2和RAC-3，在持續(xù)雙軸受壓荷載作用下，混凝土氯離子擴散系數(shù)隨著X方向和Y方向應(yīng)力水平的變化而變化，且其變化趨勢普遍呈現(xiàn)一個下凹曲面形狀。4種類型混凝土產(chǎn)生的下凹曲面略有不同，其中RAC-3所對應(yīng)的下凹曲面凹陷程度最深，說明雙軸受壓荷載對該混凝土的氯離子擴散系數(shù)影響最大。當(dāng)X方向和Y方向的應(yīng)力水平小于0.5時，混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨著雙軸受壓荷載的增加而減小?；炷谅入x子擴散系數(shù)的最小值(凹曲面的最低點)對應(yīng)的X方向和Y方向的應(yīng)力水平均約為0.5。當(dāng)X方向和Y方向的應(yīng)力水平超過0.5時，混凝土的氯離子擴散系數(shù)隨著雙軸受壓荷載的增加而變大。當(dāng)X方向和Y方向的應(yīng)力水平達到約0.7時，混凝土的氯離子擴散系數(shù)進一步變大并接近于無荷載作用下的混凝土氯離子擴散系數(shù)。這可能因為混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)及其孔的連通性隨著它遭受的雙軸受壓荷載的大小而變化[26]，進而影響了氯離子在混凝土中的傳輸性。當(dāng)混凝土處于低應(yīng)力水平時，混凝土中孔隙率隨著荷載的增加而減小，導(dǎo)致氯離子擴散能力減弱；當(dāng)混凝土的應(yīng)力水平超過臨界值(大約為0.5)時，混凝土中出現(xiàn)了新的裂紋，并發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致氯離子在混凝土中的擴散系數(shù)隨著應(yīng)力水平的增加而變大。在混凝土的應(yīng)力水平足夠大且接近極限強度時，寬度較大的裂紋對氯離子在混凝土中的擴散起到主導(dǎo)作用，而不是孔隙率占主導(dǎo)[27]。

表5 雙軸受壓荷載下混凝土的氯離子擴散系數(shù)Tab.5 Chloride Diffusion Coefficient in Concrete Under Biaxial Compression

圖8 雙軸受壓下混凝土氯離子擴散系數(shù)隨應(yīng)力水平變化的等高線圖(單位:10-12 m2·s-1)

3.3 混凝土中氯離子擴散系數(shù)隨雙軸受壓應(yīng)力水平變化的理論建模

根據(jù)表5中的試驗數(shù)據(jù)，考慮雙軸應(yīng)力水平和再生骨料物理性能的影響，建立了再生混凝土氯離子擴散系數(shù)DRAC的理論模型。建立的理論模型如下

(1)

式中：Asop為再生骨料的吸水率；VR為再生骨料的體積分數(shù)；C為不同類型凝土無應(yīng)力狀態(tài)下的氯離子擴散系數(shù)。

考慮混凝土類型的待定系數(shù)，由表2和表3中試驗數(shù)據(jù)得到的各參數(shù)值如表6所示。圖9給出了RAC-1在荷載作用下的三維曲面理論模型，RAC-2，RAC-3的曲面理論模型與之類似。黑點代表本次試驗基于不同應(yīng)力比下的試驗數(shù)據(jù)，曲面上空圓點是理論值。空圓點與黑點之間的誤差線代表了該模型的誤差水平。此外，本文基于線性回歸，依次計算了RAC-1，RAC-2，RAC-3的判定系數(shù)R2，結(jié)果如表6所示。這表明該模型預(yù)測效果好。

4 結(jié)語

(1)再生混凝土氯離子擴散系數(shù)隨著雙軸壓縮程度而變化。對于相同的應(yīng)力比，隨著雙軸壓應(yīng)力水平的增加，再生混凝土氯離子擴散系數(shù)先逐漸降低再緩慢增加，并在應(yīng)力水平約0.5時出現(xiàn)最小值。

表6 理論預(yù)測的參數(shù)值Tab.6 Parameter Values by Theoretical Prediction

圖9 氯離子擴散系數(shù)試驗值與理論預(yù)測值的對比(RAC-1)

(2)再生混凝土中老砂漿的孔隙率隨著母體混凝土水灰比的增加而變大。對于相同的配合比、應(yīng)力比和應(yīng)力水平，再生混凝土的氯離子擴散系數(shù)受到母體混凝土性能的影響，并隨著母體混凝土水灰比的增加而變大。

(3)通過理論公式可以較好地預(yù)測不同應(yīng)力比、應(yīng)力水平和不同再生骨料吸水率影響下再生混凝土的氯離子擴散系數(shù)。

(4)為了更準確地評估再生混凝土的耐久性，建議在結(jié)構(gòu)設(shè)計中進一步考慮荷載對再生混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響。