道路再生混凝土干縮性能和抗硫酸鹽侵蝕性能研究

鄭建華，彭 瀑，胡 明

［1.林同棪國(guó)際工程咨詢(xún)（中國(guó)）有限公司，重慶 400000；2.重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)，重慶 400000］

0 引言

隨著廢棄混凝土問(wèn)題日益突出，世界各國(guó)都在積極開(kāi)展廢棄混凝土再生利用方面的研究，再生混凝土技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外工程界學(xué)者共同關(guān)心的熱門(mén)課題。各國(guó)學(xué)者對(duì)再生混凝土的破碎工藝、配合比設(shè)計(jì)、力學(xué)性能、耐久性及其改善措施等方面進(jìn)行了廣泛的試驗(yàn)研究，發(fā)展了很多再生集料制備技術(shù)和再生混凝土應(yīng)用技術(shù)[1]。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家再生資源化率比較高，先后立法或制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將再生集料成功應(yīng)用于道路工程和非承重結(jié)構(gòu)混凝土中。在我國(guó)，再生集料以及再生混凝土的應(yīng)用技術(shù)研究尚處于初級(jí)階段，但政府已制定了中長(zhǎng)期科教興國(guó)戰(zhàn)略和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，積極鼓勵(lì)廢棄物再生技術(shù)的研究和應(yīng)用。上海、北京、重慶、香港等城市進(jìn)行了大量科學(xué)研究，并相繼鋪筑了再生混凝土路面試驗(yàn)路[2]。

1 再生混凝土的耐久性能研究進(jìn)展

混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，在其自身特性與環(huán)境因素、時(shí)間因素綜合作用下，隨著時(shí)間的推移將發(fā)生材料老化與結(jié)構(gòu)損傷，這種損傷的積累導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能劣化、承載能力下降、耐久性能降低[3]。

干縮性能研究方面，普通混凝土收縮變形主要是水泥石的收縮，而粗集料又能抑制水泥石的收縮變形；由于再生集料吸水率較大、彈性模量較小，這種抑制作用就減弱了，導(dǎo)致再生混凝土的干縮變形較普通混凝土的大。試驗(yàn)研究表明，再生混凝土收縮變形隨再生粗集料取代率增加而增大。Khatib和孫浩的試驗(yàn)都表明，再生混凝土的干縮變形與齡期也有關(guān)，其早期（分別為前10d，前60d）增長(zhǎng)很快，此后逐漸減慢[4-5]。

抗硫酸鹽侵蝕性能研究方面，硫酸鹽溶液能與混凝土中水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生體積膨脹而破壞。再生混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能低于同水灰比的普通混凝土，再生粗集料引入到再生混凝土中的硫酸鹽不可忽略。一般地，再生混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能隨再生集料取代率增加而降低。肖開(kāi)濤研究認(rèn)為，當(dāng)再生骨料取代率小于50%時(shí)，再生混凝土的抗硫酸鹽性能與完全采用天然骨料配制的混凝土非常類(lèi)似；而當(dāng)再生骨料取代率超過(guò)50%時(shí)，再生混凝土的抗硫酸鹽性能明顯下降[6]。

與普通混凝土相比，再生混凝土的耐久性能研究還處于初級(jí)階段，不夠系統(tǒng)、深入。再生混凝土的耐久性能與再生集料的來(lái)源、界面性質(zhì)、取代率、級(jí)配、吸水率，以及再生混凝土的水灰比、孔結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)，目前的研究多集中在宏觀分析上，還應(yīng)加強(qiáng)在微觀層次方面的研究，包括采取什么樣的措施改善再生混凝土的耐久性能、采取什么樣的方法評(píng)價(jià)其耐久性能等方面有待進(jìn)一步研究。

2 干縮性能研究

混凝土的收縮是指由于混凝土中所含水分的變化、化學(xué)反應(yīng)及溫度變化等因素引起的體積縮小，其中干縮是指在干燥環(huán)境中，混凝土內(nèi)部因水分蒸發(fā)而引起的體積變化。各種收縮變形引起的混凝土開(kāi)裂問(wèn)題一直是混凝土裂縫控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。普通混凝土干縮變形主要是由于水泥石的干縮，而粗集料又能抑制水泥石的干縮變形，混凝土的干縮程度與水泥品種及用量、單位用水量和集料用量有關(guān)。對(duì)于再生粗集料的特殊性，再生混凝土的干縮變形規(guī)律也有其特殊性。本文利用前面力學(xué)強(qiáng)度研究得到的較優(yōu)配合比，研究分析再生粗集料取代率、粉煤灰等量取代率或超量取代系數(shù)、聚合物乳液摻量、再生粗集料的界面改性方法等因素對(duì)再生混凝土干縮變形的影響[7]。

本文試驗(yàn)參考現(xiàn)行《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420—2020）中的干縮試驗(yàn)方法，制作10cm×10cm×51.5cm混凝土試塊，并使用測(cè)量標(biāo)距為540mm，精度為0.01mm的混凝土收縮儀。成型1d后拆模并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至3d（從攪拌混凝土加水時(shí)算起），立即移入溫度為20℃±2℃、相對(duì)濕度為60%±5%的干縮室中，測(cè)定其初始長(zhǎng)度。此后，分別測(cè)量1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d、90d齡期時(shí)混凝土的干縮率。

2.1 再生粗集料取代率對(duì)干縮性能的影響

由測(cè)試結(jié)果分析得知，各組再生混凝土的干縮率隨齡期的增長(zhǎng)而不斷增大，前3d干縮率較小，3d以后干縮率增長(zhǎng)速度加快，至45d時(shí)速度趨于平緩。同一個(gè)齡期內(nèi)，隨著再生粗集料取代率增加，再生混凝土的干縮率均有不同程度的增大，再生粗集料取代率增加會(huì)加劇再生混凝土的干縮變形。這與很多研究者的結(jié)論一樣。普通混凝土收縮變形主要是水泥石的收縮，而粗集料又能抑制水泥石的收縮變形；由于再生集料吸水率較大、彈性模量較小，這種抑制作用就減弱了，導(dǎo)致再生混凝土的干縮變形較普通混凝土更大。

2.2 粉煤灰等量取代率或超量取代系數(shù)對(duì)干縮性能的影響

由測(cè)試結(jié)果分析得知，同一齡期內(nèi)，摻加10%的粉煤灰明顯減小了再生混凝土的干縮率，而且超量取代法的效果優(yōu)于等量取代法的效果。摻入粉煤灰替代部分水泥，相當(dāng)于減少了早期參加水化反應(yīng)的膠凝材料量，也就減少了同一齡期水化產(chǎn)物的生成量，水化產(chǎn)物對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的填充作用減弱，因此，隨著粉煤灰摻量的增多，早期水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，部分未反應(yīng)的粉煤灰顆粒起到了微集料的作用，抑制了再生混凝土的干縮變形。

2.3 聚合物乳液摻量對(duì)干縮性能的影響

由測(cè)試結(jié)果分析得知，各組再生混凝土的干縮率隨齡期的增長(zhǎng)而不斷增大，前3d干縮率較小，3d以后干縮率增長(zhǎng)速度加快，至45d時(shí)速度趨于平緩。同一個(gè)齡期內(nèi)，隨著聚合物乳液摻量的增加，再生混凝土的干縮率均有不同程度的增大，聚合物乳液的摻入會(huì)加劇再生混凝土的干縮變形。聚合物改性再生混凝土的干縮性取決于所用的聚合物乳液的性質(zhì)、聚合物乳液的摻量。

2.4 再生粗集料界面改性方法對(duì)干縮性能的影響

由測(cè)試結(jié)果分析得知，同一個(gè)齡期內(nèi)，經(jīng)由這三種界面改性方法處理的再生粗集料配制的再生混凝土的干縮率基本滿(mǎn)足IRC-3（水泥漿包裹法）>IRC-2（預(yù)濕法）>IRC-1（機(jī)械磨耗法）>RC-100（未處理），這說(shuō)明這三種方法都會(huì)增大再生混凝土的干縮變形，水泥漿包裹法最顯著，預(yù)濕法其次。配合比基本相同下，水泥漿包裹法或預(yù)濕法都會(huì)增加水分，而且保水性又不佳，自然會(huì)在干燥情況下大量失水。

3 抗硫酸鹽侵蝕性能研究

地下水的硫酸鹽主要來(lái)源于含硫酸鈣、硫酸鈉、硫酸鉀和硫酸鎂的泥土?；炷恋牧蛩猁}侵蝕破壞被認(rèn)為是引起混凝土材料失效破壞的四大主要因素之一。如果硫酸鹽濃度超過(guò)1500mg/L，硫酸鹽侵蝕的可能性就很大。如成昆鐵路的部分隧道工程、青海鹽湖地區(qū)的公路工程、枝柳鐵路工程等都出現(xiàn)了不同程度的混凝土硫酸鹽侵蝕破壞。針對(duì)再生混凝土的特殊性，本文利用前面力學(xué)強(qiáng)度研究得到的較優(yōu)配合比，研究分析再生粗集料取代率、粉煤灰等量取代率或超量取代系數(shù)、聚合物乳液摻量、再生粗集料的界面改性方法等因素對(duì)再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。

關(guān)于路用再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，本文采用抗壓強(qiáng)度變化率和劈裂抗拉強(qiáng)度變化率。將再生混凝土試塊（10cm×10cm×10cm）放在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%硫酸鈉溶液中浸泡28d后，測(cè)試侵蝕前后再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度，并觀察試件表面受侵蝕的程度。

3.1 再生粗集料取代率對(duì)抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

由測(cè)試結(jié)果分析得知，經(jīng)10%硫酸鈉溶液浸泡侵蝕28d后，再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度明顯低于未浸泡時(shí)的強(qiáng)度。隨著再生粗集料取代率增加，抗壓強(qiáng)度損失率相差不大，而劈裂抗拉強(qiáng)度損失率增大。再生混凝土的強(qiáng)度損失率明顯大于普通混凝土（NC）的，說(shuō)明再生粗集料與普通粗集料存在明顯的差異。

3.2 粉煤灰等量取代率或超量取代系數(shù)對(duì)抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

由測(cè)試結(jié)果分析得知，經(jīng)10%硫酸鈉溶液浸泡侵蝕28d后，與未摻粉煤灰的再生混凝土相比，粉煤灰再生混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率、劈裂抗拉強(qiáng)度損失率都較小。特別的是，當(dāng)粉煤灰超量取代系數(shù)為1.2時(shí)，混凝土浸泡后兩種強(qiáng)度損失很小，不超過(guò)0.9%；當(dāng)粉煤灰等量取代水泥10%（FRC-10），以及超量取代系數(shù)為1.4（FRC-10-4）時(shí)，混凝土浸泡后兩種強(qiáng)度都未損失，反而增加了。這是因?yàn)椋诮蔟g期（28d）不太長(zhǎng)時(shí)，硫酸鹽的存在不僅不會(huì)導(dǎo)致混凝土試件的抗壓強(qiáng)度或劈裂抗拉強(qiáng)度損失，而且還會(huì)起到粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)的激發(fā)劑作用，使得抗壓強(qiáng)度或劈裂抗拉強(qiáng)度增大。

3.3 聚合物乳液摻量對(duì)抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

由測(cè)試結(jié)果分析得知，經(jīng)10%硫酸鈉溶液浸泡侵蝕28d后，與未摻聚合物乳液的再生混凝土相比，聚合物改性再生混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率、劈裂抗拉強(qiáng)度損失率都較小。隨著聚合物乳液摻量增加，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度損失率不斷減小，而抗壓強(qiáng)度損失率或增或減，相差不大，變化趨勢(shì)不明顯。這里，聚合物改性再生混凝土被硫酸鈉溶液浸泡侵蝕，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，除了與再生粗集料的性能較低有關(guān)外，還取決于聚合物乳液的性質(zhì)、聚合物乳液的摻量。

3.4 再生粗集料界面改性方法對(duì)抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

由測(cè)試結(jié)果分析得知，經(jīng)10%硫酸鈉溶液浸泡侵蝕28d后，由界面改性處理的再生粗集料配制的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率由大到小排序?yàn)椋篒RC-3（水泥漿包裹法）>IRC-1（機(jī)械磨耗法）>RC-100（未處理）>IRC-2（預(yù)濕法）；劈裂抗拉強(qiáng)度損失率由大到小排序?yàn)镮RC-3（水泥漿包裹法）>RC-100（未處理）>IRC-1（機(jī)械磨耗法）>IRC-2（預(yù)濕法）。說(shuō)明水泥漿包裹法被侵蝕的程度最嚴(yán)重，預(yù)濕法被侵蝕的程度最輕微。水泥漿包裹法處理再生粗集料，水泥漿用量相對(duì)最大，水化反應(yīng)產(chǎn)生的固相物質(zhì)與硫酸鹽溶液能生成相對(duì)較多的鈣礬石，因此，破壞力度最強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究再生粗集料取代率、粉煤灰等量取代率或超量取代系數(shù)、聚合物乳液摻量、再生粗集料界面改性方法等因素對(duì)再生混凝土干縮性能和抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，得到了以下結(jié)論。

（1）關(guān)于再生混凝土的干縮性能研究，評(píng)價(jià)指標(biāo)為干縮率。再生混凝土的干縮變形隨再生粗集料取代率的增加而增大。粉煤灰等量取代法或超量取代法都能減小再生混凝土的干縮變形，且后者效果更好。隨著聚合物乳液摻量的增加，再生混凝土的干縮率均有不同程度的增大，摻入聚合物乳液會(huì)加劇再生混凝土的干縮變形。對(duì)于本文中的三種再生粗集料界面改性方法，都能增大再生混凝土的干縮變形，其中水泥漿包裹法最顯著。

（2）關(guān)于再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能研究，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括抗壓強(qiáng)度變化率和劈裂抗拉強(qiáng)度變化率。隨著再生粗集料取代率增加，抗壓強(qiáng)度損失率相差不大，而劈裂抗拉強(qiáng)度損失率增大。粉煤灰的摻入能明顯改善再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，特別地，在浸泡齡期（28d）不太長(zhǎng)時(shí)，硫酸鹽的存在不僅不會(huì)導(dǎo)致水泥基材料試件的抗壓強(qiáng)度或劈裂抗拉強(qiáng)度損失，而且還會(huì)起到粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)的激發(fā)劑作用，使得抗壓強(qiáng)度或劈裂抗拉強(qiáng)度增大，這有待于從微觀角度進(jìn)行試驗(yàn)分析。隨著聚合物乳液摻量增加，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度損失率不斷減小，而抗壓強(qiáng)度損失率或增或減，相差不大，變化趨勢(shì)不明顯。對(duì)于本文中的三種再生粗集料界面改性方法，水泥漿包裹法和機(jī)械磨耗法改善效果較好，預(yù)濕法效果最差。

（3）劈裂抗拉強(qiáng)度變化率和抗壓強(qiáng)度變化率都可以作為再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，且前者更適宜。