黏附砂漿含量對再生混凝土抗氯離子侵蝕性能影響

陳春紅，劉榮桂，朱平華，臧旭航

（1.江蘇大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.常州大學(xué)土木工程系，江蘇常州 213164）

隨著我國城鎮(zhèn)化進程加快，城市建設(shè)和改造提速，建筑垃圾劇增，由此造成的環(huán)境污染和垃圾圍城等問題日益突出.將建筑垃圾資源化利用是解決環(huán)境和資源問題的有效措施.再生混凝土是將建筑垃圾破碎后制備成再生骨料，部分或全部替代天然骨料拌制的一種新型綠色混凝土，是目前建筑垃圾資源化利用技術(shù)研究和推廣的主要方向，可以解決建筑垃圾的環(huán)境危機和天然骨料的資源危機.

研究表明，再生混凝土存在很多缺陷，再生骨料質(zhì)量是影響其性能的關(guān)鍵.再生骨料表面黏附著一定厚度的舊砂漿，使得再生混凝土具有骨料-新砂漿、骨料-舊砂漿和新砂漿-舊砂漿等多重界面，導(dǎo)致再生混凝土較普通混凝土表現(xiàn)出更復(fù)雜的非均質(zhì)材料特性，是影響再生混凝土力學(xué)性能和耐久性的根本原因［1-3］.抗氯離子侵蝕是混凝土重要的耐久性，氯離子在混凝土中以化學(xué)、物理結(jié)合態(tài)和自由狀態(tài)存在并不斷遷移，劣化混凝土的界面結(jié)構(gòu)，引起鋼筋銹蝕，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹蝕和破壞，不斷降低混凝土的耐久性.再生骨料的黏附砂漿結(jié)構(gòu)疏松，存在大量的孔隙、微裂紋和未水化的水泥顆粒，這增加了氯離子的滲透性和氯離子的結(jié)合能力，是再生混凝土中薄弱的區(qū)域［4-5］.Villagrán-Zaccardi等［6］研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料中的黏附砂漿提高了氯離子的結(jié)合能力.應(yīng)敬偉等［7］利用有限元建立再生骨料混凝土模型，對氯離子擴散進行分析，發(fā)現(xiàn)在相同擴散深度下，天然骨料處的氯離子濃度較小，舊砂漿處的氯離子濃度較大，附著舊砂漿和界面過渡區(qū)處氯離子擴散較快；在較深部位，隨著舊砂漿厚度的增加，總氯離子濃度顯著增加.Xiao等［8］考慮粗骨料分布的隨機性，對再生混凝土中的氯離子擴散進行數(shù)值建模，并將結(jié)果與已有試驗數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)氯離子擴散速度隨著舊砂漿含量的增加而增大.

目前，有關(guān)黏附砂漿對再生混凝土性能影響的研究較少，而且基本是定性研究，而以黏附砂漿含量為量化分析指標(biāo)，探究其與再生混凝土抗氯鹽侵蝕性能演化規(guī)律的研究卻鮮有報道.黏附砂漿含量直接影響再生粗骨料的性能，黏附砂漿含量越大，再生混凝土越難以達到目標(biāo)性能.量化分析黏附砂漿含量與再生混凝土抗氯鹽侵蝕性能的規(guī)律，確定不同氯鹽環(huán)境下再生粗骨料黏附砂漿含量，合理科學(xué)地利用再生粗骨料，將有效推進建筑垃圾的資源化利用.因此，本文以黏附砂漿含量為指標(biāo)，探究全再生粗骨料混凝土抗氯鹽侵蝕性能的演化規(guī)律并分析其作用機制，同時界定黏附砂漿含量門檻值.

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，硅灰來源于安徽某化工廠，其化學(xué)組成（質(zhì)量分數(shù)，本文涉及的組成、含量和比值等除特別指明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比）列于表1.細骨料為河砂，表觀密度為2 586 kg/m3，細度模數(shù)為2.4，符合GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》的要求.天然粗骨料（NCA）為石灰石碎石，粒徑為4.75～20 mm；黏附砂漿含量不同的4種再生粗骨料（RCA）均來自廢棄建筑混凝土，分別標(biāo)記為RCA 1、RCA 2、RCA 3和RCA 4，粒徑均為4.75～20 mm，級配良好；天然粗骨料和再生粗骨料的性能列于表2.減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%.拌和水為潔凈自來水.

表1 水泥和硅灰的化學(xué)組成Table 1 Chemical compositions of cement and silica fume w/%

1.2 配合比設(shè)計

再生粗骨料與天然粗骨料的最大區(qū)別在于再生粗骨料表面黏附了質(zhì)量分數(shù)為20%～70%的舊砂漿，而舊砂漿對再生粗骨料及再生混凝土性能影響很大.為深入考察再生粗骨料黏附砂漿對混凝土性能的影響，將黏附砂漿含量不同的4種再生粗骨料以100%取代天然粗骨料，制備全再生粗骨料混凝土，分別標(biāo)記為RAC1、RAC2、RAC3和RAC4；配合比計算采用全計算法［9］，采用等體積取代使天然粗骨料和再生粗骨料的體積相等，計算出再生粗骨料的質(zhì)量，再確定各項材料的配合比，如表3所示.混凝土設(shè)計強度為C40，水膠比取0.37，附加水用量根據(jù)表2中再生粗骨料30 min內(nèi)的吸水率計算.同時設(shè)計了全部使用天然粗骨料的對照組，標(biāo)記為NAC.為了使再生混凝土的性能具有可比性，對照組的設(shè)計強度、水膠比和膠凝材料用量與再生混凝土一致.

表2 再生粗骨料和天然粗骨料的性能Table 2 Properties of recycled and natural coarse aggregate

表3 再生混凝土配合比Table 3 Mix proportion of recycled aggregate concrete kg/m3

1.3 試驗方法

天然粗骨料和再生粗骨料的表觀密度、吸水率、開口孔隙率和壓碎值按照GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》測定；再生粗骨料的黏附砂漿含量通過剝除骨料表面砂漿進行測定，根據(jù)骨料與砂漿的熱衰減系數(shù)和膨脹系數(shù)不同，采用熱處理方法去除再生粗骨料表面的黏附砂漿［3，10］，試驗流程如圖1所示.

圖1 測定黏附砂漿含量的試驗流程Fig.1 Test flow for determination of attached mortar content

按照表3所示的配合比制備混凝土，采用Tam等［11］提出的改進二次攪拌工藝攪拌，流程如圖2所示.同時按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測試混凝土坍落度，NAC、RAC1～RAC5的坍落度分別為117、124、128、130、133 mm.拌和成型后，拆模取出試件，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28 d，然后按照以下方法對混凝土的性能進行測試：

圖2 混凝土二次攪拌工藝流程圖Fig.2 Flow diagram of concrete secondary mix process

（1）混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》測定，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.

（2）混凝土氯離子擴散系數(shù)參照GB/T 50082—2019《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用快速氯離子遷移系數(shù)法（RCM法）測定.

（3）為了測試混凝土中的氯離子含量，制備尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的混凝土試件，浸泡在質(zhì)量分數(shù)為10%的NaCl溶液中90 d，然后在試件兩側(cè)面中線以及距兩端40 mm的線段上分別取距試件表面0、5、10、15、20 mm等不同深度的樣品，參照SL352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》，測定樣品的自由氯離子含量cf和氯離子總含量ct，并計算其結(jié)合氯離子含量cb＝ct-cf和氯離子結(jié)合能力R＝cb/cf.

（4）混凝土孔隙率按照“可蒸發(fā)水含量法”測試［12-13］，試件為直徑150 mm、高300 mm的圓柱體.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 黏附砂漿含量對再生粗骨料性能的影響

圖3為黏附砂漿含量不同的再生粗骨料性能變化趨勢.由圖3（a）～（c）擬合的趨勢線可知，再生粗骨料的吸水率、開口孔隙率和壓碎值均與黏附砂漿含量呈正相關(guān)關(guān)系.其中，RCA 4的黏附砂漿含量最高，其吸水率、開口孔隙率和壓碎值最大，分別是NCA的6.0倍、3.4倍和1.82倍.由圖3（d）擬合的趨勢線可知，再生粗骨料的表觀密度與黏附砂漿含量呈負相關(guān)關(guān)系.RCA 4的表觀密度最小，是NCA的86.3%.但是圖3（c）中再生粗骨料的壓碎值并不隨著黏附砂漿含量的增大而單調(diào)增加，這可能是因為再生粗骨料來自不同來源的廢棄混凝土，原生骨料的性能和混凝土強度對再生骨料的性能會產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致不同再生粗骨料的黏附砂漿以及黏附砂漿與骨料之間界面過渡區(qū)的力學(xué)性能有差異，從而影響再生粗骨料的壓碎值.但是從試驗結(jié)果依然可以推斷，再生粗骨料表面的黏附砂漿含量是影響其性能差異的重要因素，隨著黏附砂漿含量增加，再生粗骨料的性能呈現(xiàn)劣化趨勢，這與文獻［11］的研究結(jié)果一致.這是因為黏附砂漿疏松多孔，密度較低，含有很多微裂紋和孔隙，導(dǎo)致再生粗骨料的吸水率和開口孔隙率大幅度增加，表觀密度卻降低.

圖3 黏附砂漿含量與再生粗骨料性能關(guān)系Fig.3 Relation between attached mortar content and coarse aggregate properties

再生粗骨料的性能是影響再生混凝土性能的主要因素.再生粗骨料性能要達到GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，其吸水率和壓碎值要分別小于8%和30%，表觀密度要大于2 250 kg/m3.根據(jù)圖3中吸水率、壓碎值和表觀密度的擬合公式可知，此時再生粗骨料的黏附砂漿含量分別不能超過33.38%、119.2%和30.57%.由此可知，再生粗骨料吸水率和表觀密度對其黏附砂漿含量要求較嚴(yán)格，壓碎值對黏附砂漿含量要求不太嚴(yán)格.

2.2 黏附砂漿含量對再生混凝土抗壓強度和孔隙率的影響

圖4為混凝土各齡期（3、7、28 d）抗壓強度.由圖4可見，再生混凝土的各齡期抗壓強度均低于普通混凝土，且隨著再生粗骨料黏附砂漿含量的增加，再生混凝土的抗壓強度逐漸降低.NAC的3、7 d抗壓強度分別為27.7 MPa和38.6 MPa，是其28 d抗壓強度46.7 MPa的60%和83%，而再生混凝土的早期抗壓強度均不高，尤其是RAC4的3、7 d抗壓強度分別為16.6 MPa和23.9MPa，是其28 d抗壓強度36.1 MPa的47%和68%.

圖4 混凝土不同齡期的抗壓強度Fig.4 Compressive strength of concrete

這是因為在拌和混凝土?xí)r再生骨料會吸收大量水分，這些附加水分在混凝土硬化過程中會逐漸滲出，引起界面過渡區(qū)砂漿的有效水膠比增大，影響了骨料與新砂漿的界面反應(yīng)，從而導(dǎo)致再生混凝土抗壓強度降低；黏附砂漿含量越高，吸水率越大，這種對混凝土抗壓強度的削弱效應(yīng)越明顯，RAC3、RAC4的28 d抗壓強度僅為38.6 MPa和36.1 MPa，沒有達到設(shè)計強度40 MPa.

圖5為混凝土的孔隙率隨黏附砂漿含量的變化趨勢.由圖5可知，再生混凝土的孔隙率大于天然混凝土，且隨著黏附砂漿含量的增加而線性增大.這是因為，再生粗骨料的孔隙率很大，水泥水化會細化部分孔隙，但是再生粗骨料的附加用水量又會引起再生混凝土孔隙率的增加，導(dǎo)致再生混凝土與天然混凝土的孔隙率產(chǎn)生差異，這種差異又會隨著再生粗骨料黏附砂漿含量的增加而變大.“可蒸發(fā)水含量法”測得的是混凝土的連通孔隙率，而氯離子侵入混凝土的主要方式是將水分作為載體，通過連通孔隙不斷滲入到混凝土內(nèi)部，因此再生混凝土的孔隙率越大，說明其抗氯離子侵蝕性能越差.

圖5 黏附砂漿含量與混凝土孔隙率的關(guān)系Fig.5 Relationship between attached mortar content and porosity of concrete

2.3 黏附砂漿含量對再生混凝土氯離子擴散性能的影響

圖6為再生混凝土的氯離子擴散系數(shù)DRCM與其黏附砂漿含量的關(guān)系圖.由圖6可知，再生混凝土的氯離子擴散系數(shù)遠遠高于天然混凝土，且隨著再生粗骨料黏附砂漿含量的增加而不斷增大，RAC1、RAC2、RAC3、RAC4的DRCM值分別是NAC的2.2倍、2.7倍、3.4倍和4.1倍.正如2.2分析，再生粗骨料表面黏附砂漿含量越高，再生混凝土的孔隙率越高，這些孔隙促進了氯離子的不斷滲透，導(dǎo)致再生混凝土的氯離子擴散系數(shù)增大［14］.粗骨料是一種近似不透氯離子的介質(zhì)，而砂漿和界面過渡區(qū)是混凝土氯離子滲透的薄弱區(qū)域，吸附砂漿的存在削弱了混凝土內(nèi)部的界面過渡區(qū)，增加了砂漿總量，從而劣化了混凝土的抗氯離子性能，且隨著黏附砂漿含量的增加，這種劣化作用逐漸變強，導(dǎo)致再生混凝土的氯離子擴散系數(shù)大幅增大.

圖6 黏附砂漿含量與氯離子擴散系數(shù)關(guān)系Fig.6 Relation between attached mortar content and D RCM

對圖6中的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，可見再生粗骨料黏附砂漿含量與氯離子擴散系數(shù)DRCM呈二次拋物線關(guān)系，如式（1）所示.

式中：y為氯離子擴散系數(shù)DRCM，μm2/s；x為再生粗骨料黏附砂漿含量，%.

根據(jù)GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對于在氯化物環(huán)境中的重要配筋混凝土結(jié)構(gòu)工程，若設(shè)計使用年限為100 a，則當(dāng)環(huán)境作用等級為D級時，DRCM＜7μm2/s，此時由式（1）可得黏附砂漿含量的最大值為26.54%，當(dāng)作用等級為E級時，DRCM＜4μm2/s，同樣可由式（1）得到黏附砂漿含量的最大值為12.97%；若設(shè)計使用年限為50 a，則當(dāng)環(huán)境作用等級為D級時，DRCM＜10μm2/s，此時黏附砂漿含量的最大值為35.03%，當(dāng)作用等級為E級時，DRCM＜6μm2/s，此時黏附砂漿含量的最大值為23.01%.

2.4 黏附砂漿含量對再生混凝土氯離子含量的影響

自由氯離子是引起混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕和承載力下降的主要原因.圖7（a）為再生混凝土自由氯離子含量cf隨取樣深度的變化趨勢.由圖7（a）可見：在相同取樣深度處，cf隨著黏附砂漿含量的增加而增大；同一黏附砂漿含量下，cf隨取樣深度的增加而急劇減小；再生混凝土的自由氯離子含量比天然混凝土高，尤其是RAC4.這歸因于再生混凝土孔隙率高，氯離子擴散系數(shù)大，導(dǎo)致混凝土中自由氯離子含量高，從而引起混凝土的pH值下降和鋼筋銹蝕.

混凝土中結(jié)合氯離子存在的形式包括化學(xué)結(jié)合和物理吸附.氯離子的化學(xué)結(jié)合，一方面主要是氯離子與砂漿內(nèi)部3CaO·Al2O3和4CaO·Al2O3·Fe2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Friedel′s鹽（3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O）和氯化鈣；另一方面是與孔隙中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成膨脹性復(fù)鹽（CaCl2·Ca（OH）2·H2O）.對氯離子進行物理吸附的主要是3CaO·SiO2和2CaO·SiO2的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠，且3CaO·SiO2的結(jié)合能力大約占氯離子總結(jié)合能力的25%～50%［2，15］.圖7（b）～（c）為再生混凝土的結(jié)合氯離子含量cb和氯離子結(jié)合能力R隨取樣深度的變化趨勢.由圖7（b）～（c）可知，再生混凝土的結(jié)合氯離子含量cb和氯離子結(jié)合能力R均大于天然混凝土，而且隨著黏附砂漿含量的增加而增大.相比天然混凝土，再生混凝土的砂漿總含量（新砂漿和舊砂漿含量之和）較高，使得再生混凝土的孔隙率較大，比表面積變大，導(dǎo)致再生混凝土的氯離子結(jié)合能力更強，這與文獻［16］的研究結(jié)果一致.已有研究表明［17-18］，混凝土中的結(jié)合氯離子并不穩(wěn)定，在環(huán)境氯離子濃度、酸化、化學(xué)侵蝕、外電場、溫度等作用下會失穩(wěn)，釋放出自由氯離子，加劇鋼筋銹蝕.因此對再生混凝土的抗氯鹽侵蝕性能進行評估時，要考慮結(jié)合氯離子含量的影響.

圖7 混凝土氯離子含量與擴散深度關(guān)系Fig.7 Relationship between chloride ion content and diffusion depth of concret

2.5 天然混凝土和再生混凝土的SEM分析

圖8為再生混凝土RAC4與天然混凝土NAC的電鏡掃描（SEM）圖.

對比圖8（a）、（d）可見：天然粗骨料的表面較為光滑，骨料顆粒規(guī)則整齊，孔隙較少，結(jié)構(gòu)致密；而再生粗骨料整體結(jié)構(gòu)呈松散多孔狀，表面較多孔隙，骨料與黏附砂漿之間的聯(lián)接不夠緊密，有明顯的界面過渡區(qū)，在界面周圍有一些裂紋.再生粗骨料的微觀結(jié)構(gòu)變化是引起再生混凝土性能變化的根本原因，微觀結(jié)構(gòu)變化表明，再生粗骨料的品質(zhì)會隨著黏附砂漿含量的增加而逐漸降低，這與表2中粗骨料的性能相一致.

圖8（b）、（e）是氯鹽侵蝕前的天然混凝土和再生混凝土的SEM圖.對比可見：天然混凝土的結(jié)構(gòu)界面比較清晰，表面致密，天然骨料和砂漿黏結(jié)較為緊密，孔隙較少；而再生混凝土結(jié)構(gòu)表面粗糙，界面比較模糊，有較多的微裂縫和孔隙.

圖8（c）、（f）是在氯鹽中浸泡90 d后的天然混凝土和再生混凝土的SEM圖.對比可見：天然混凝土和再生混凝土表面孔隙增多，結(jié)構(gòu)較為松散，并附著大量的鹽晶體，說明氯離子滲透到混凝土內(nèi)部后，與混凝土發(fā)生了化學(xué)結(jié)合，生成了Friedel’s鹽和膨脹性復(fù)鹽，這2種反應(yīng)會劇烈消耗砂漿內(nèi)部的氫氧根，使孔隙液p H值下降，C-S-H發(fā)生分解，導(dǎo)致再生混凝土孔隙結(jié)構(gòu)劣化，混凝土的致密性及其穩(wěn)定性降低［19-20］.尤其是再生混凝土的黏附砂漿含量高，界面處黏結(jié)薄弱，內(nèi)部的孔隙和裂縫多，大量的孔隙加快了氯離子在混凝土中的滲透，導(dǎo)致再生混凝土結(jié)構(gòu)更加松散.

圖8 混凝土電鏡掃描SEM圖Fig.8 SEM images of recycled aggregate concrete

3 結(jié)論

（1）再生粗骨料的黏附砂漿含量是影響其性能的主要因素.隨著黏附砂漿含量的增加，再生粗骨料的吸水率、開口孔隙率和壓碎值線性增加，表觀密度線性降低.根據(jù)吸水率、開口孔隙率、壓碎值和表觀密度指標(biāo)，再生粗骨料性能要達到GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，則其黏附砂漿含量最大值不能超過30.57%.

（2）隨著再生粗骨料黏附砂漿含量的增加，再生粗骨料的吸水性能將影響再生混凝土的有效水膠比，導(dǎo)致其3、7、28 d的抗壓強度出現(xiàn)不同程度的降低，RAC3、RAC4的28 d抗壓強度僅為38.6 MPa和36.1 MPa，沒有達到設(shè)計強度40 MPa；而再生混凝土的孔隙率逐漸增大.

（3）再生混凝土的氯離子擴散系數(shù)、自由氯離子含量和結(jié)合氯離子含量隨著黏附砂漿含量的增加而增大，而且氯離子結(jié)合能力逐漸增強，對再生混凝土的抗氯鹽侵蝕性能進行評估時要考慮結(jié)合氯離子含量的影響.再生混凝土的氯離子擴散系數(shù)與再生粗骨料的黏附砂漿含量呈二次拋物線關(guān)系，能滿足再生混凝土在D級和E級氯鹽環(huán)境下50 a抗氯離子侵入性指標(biāo)的黏附砂漿含量最大值分別確定為35.03%和23.01%.