氯鹽對再生混凝土硫酸鹽侵蝕的抑制作用研究

耿 歐，孫 倩，李大賀

(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221116； 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

以廢棄混凝土破碎后得到的再生骨料為主要原料拌制的混凝土稱為再生混凝土[1-2]，再生混凝土不僅降低了建筑垃圾對環(huán)境的危害,而且也減少了天然骨料的開采對自然環(huán)境的破壞，因此再生混凝土在工程中的應(yīng)用將會越來越廣泛[3-4]。普通混凝土的工程經(jīng)驗告訴我們：用于城市地下工程、房屋基礎(chǔ)工程的混凝土構(gòu)件經(jīng)常受到硫酸鹽的侵蝕而發(fā)生耐久性退化[5-7]。結(jié)合地下混凝土結(jié)構(gòu)常見的地下水中硫酸鹽和氯鹽的情況，陳曉斌等[8]針對硫酸鹽及氯鹽共同侵蝕下混凝土中硫酸根和氯離子的擴(kuò)散規(guī)律和性能劣化特征進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗。梁詠寧等[9-10]研究單一氯鹽環(huán)境、單一硫酸鹽環(huán)境以及氯鹽和硫酸鹽共同環(huán)境中混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度隨浸泡時間的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽的種類不同，混凝土的破壞機(jī)理也不同。Santhanam等[11]通過建立化學(xué)試驗?zāi)Ｐ蛠碓u估硫酸鹽溶液的溫度和濃度在水泥砂漿膨脹過程中的作用。

與普通天然骨料相比，再生骨料表面粗糙并裹有舊砂漿，骨料中微裂紋增多，吸水率大，因此再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和耐久性比普通混凝土差[12-14]。Arafa等[15]將不同骨料取代率的再生混凝土浸泡在不同濃度的硫酸鹽溶液中，測試其抗壓強(qiáng)度等性能，結(jié)果表明再生混凝土的抗侵蝕能力比普通混凝土弱。Qi等[16]取4種粗骨料取代率下的再生混凝土，浸泡在一定濃度的硫酸鈉溶液中，研究干濕循環(huán)下再生混凝土的損傷過程。張凱等[17]將不同再生骨料取代率的混凝土經(jīng)過硫酸鹽侵蝕和凍融循環(huán)雙重作用，測試了其力學(xué)性能變化規(guī)律。安新正等[18]采用干濕循環(huán)的試驗方法，研究不同濃度的硫酸鈉溶液侵蝕下影響再生混凝土材料性能的因素。事實上，在地下水中，硫酸鹽往往不是單獨存在的，水中一般還有氯鹽的存在[19-20]。因此，研究氯鹽存在條件下再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能更符合工程實際。本文分別配制單一硫酸鈉溶液、單一硫酸鎂溶液、氯化鈉-硫酸鈉的復(fù)合溶液、氯化鈉-硫酸鎂的復(fù)合溶液，采用全浸泡的方式，探究不同濃度的氯鹽對再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕的影響規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗中的原材料有：再生粗骨料、天然細(xì)骨料、硅酸鹽水泥、硫酸鈉粉末、硫酸鎂粉末及氯化鈉粉末。其中再生粗骨料選自徐州某工地上廢棄的梁柱部分的混凝土，經(jīng)人工分離—破碎—清洗—篩分得到，具體物理性能見表1。水泥選用江蘇徐州淮海中聯(lián)水泥廠P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料采用表觀密度為2.58 g·cm-3、細(xì)度模數(shù)為2.7級配良好的天然中砂，水是實驗室普通自來水。

表1粗骨料物理性能Tab.1Physical Properties of Coarse Aggregate

試驗中所用的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸鈉溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸鎂溶液分別由硫酸鈉和硫酸鎂的固體粉末用純水配制。

1.2 試驗方法

試驗設(shè)計再生骨料取代率50%的試塊，采用全浸泡方式浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為5%的Na2SO4溶液和MgSO4溶液中，復(fù)合溶液中加入的氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%，2%，5%和10%，為消除再生骨料的高吸水率摻加額外附加水來進(jìn)行設(shè)計配合比，即以自由水灰比為基礎(chǔ)進(jìn)行配合比設(shè)計，具體配比方案如表2所示。

試驗的再生混凝土試塊尺寸為100 mm×100mm×100 mm的立方體，每組做3塊，澆筑完后給塑料試模表面蓋上保鮮膜防止水分蒸發(fā)，放入溫度為20 ℃±5 ℃的恒溫箱中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至強(qiáng)度可以拆模，拆掉塑料試模再放入清水中養(yǎng)護(hù)28 d。

表2再生骨料混凝土試驗配合比Tab.2Mix Proportion of Recycled Aggregate Concrete

試驗時將再生混凝土試塊分別浸泡在不同濃度的氯鹽與硫酸鹽混合溶液中180 d，每隔30 d取出試塊，通過肉眼觀察并拍照記錄試塊表面侵蝕破壞特征，以分析其表觀形貌的變化情況。

超聲聲速測量采用非金屬超聲檢測儀ZBL-U520(圖1)，每30 d對試塊進(jìn)行檢測，共浸泡210 d。測試方法為：每個試塊取2個相對表面上的矩形對角線上3個等分點進(jìn)行立方體試件侵蝕后超聲聲速測試，如圖2所示。通過在試塊表面涂抹凡士林，使得換能器與混凝土表面可以更充分地貼合。超聲聲速越大，說明混凝土強(qiáng)度越高，彈性模量越大，受硫酸鹽的侵蝕破壞程度越低。每組試塊的平均聲速值按下列方法確定：一般取3個測量值的平均值為最終測量結(jié)果；若僅有1個值與中間值相差超過15%，則取剩余2個測量值的平均值為最終測量結(jié)果；若有最大測量值或最小測量值均與中間值的差大于15%時，則此組試驗數(shù)據(jù)作廢。

圖1超聲檢測儀Fig.1Ultrasonic Detector

試塊質(zhì)量變化是由于浸泡過程中發(fā)生的物理結(jié)晶和化學(xué)侵蝕作用導(dǎo)致再生混凝土試塊質(zhì)量出現(xiàn)變化，用電子秤對浸泡30，60，90，120，150，180，210 d的各組試塊進(jìn)行稱重，然后按式(1)進(jìn)行處理。

(1)

式中：Km為自然浸泡于硫酸鹽溶液中n天后混凝土試塊的質(zhì)量變化率；Mn為浸泡n天后混凝土試塊的質(zhì)量；M0為浸泡前混凝土試塊的質(zhì)量。

圖2檢測方法Fig.2Detection Method

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 表觀形貌

圖3為再生混凝土試塊浸泡在不同濃度的氯化鈉和硫酸鈉復(fù)合溶液中一定時間后的表觀形貌。圖3中子圖名編號的主要含義為“試件編號+氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)+浸泡時間”，如“A5-0%-60d”表示試塊編號為A5，浸泡溶液中氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%，浸泡時間為60 d。

圖3再生混凝土氯化鈉-硫酸鈉復(fù)合溶液侵蝕后表觀形貌Fig.3Apparent Morphology of Recycled Concrete After Erosion by Sodium Chloride-sodium Sulfate Solution

由圖3可以看出：氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時，試塊受硫酸鈉溶液侵蝕現(xiàn)象最嚴(yán)重；當(dāng)浸泡時間為90 d時，表面泛白面積最大，蝕坑數(shù)也最多，且4個角部的混凝土開始剝落，此時摻入氯化鈉的其他3組試塊形狀還完好無損。當(dāng)浸泡時間為180 d時，無摻組試塊的棱角處混凝土出現(xiàn)大塊剝落，嚴(yán)重的可見內(nèi)部骨料，蝕坑數(shù)量和面積都增大，底部有向“O”型發(fā)展的趨勢；氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的溶液浸泡過的試塊邊角出現(xiàn)細(xì)碎剝落，立方體試塊的棱邊未出現(xiàn)大的裂紋；氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，侵蝕程度進(jìn)一步減輕，僅僅在一個角處出現(xiàn)輕微的膨脹裂縫；氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，試塊未發(fā)生膨脹破裂現(xiàn)象。綜上可以看出，氯鹽的加入能顯著抑制硫酸鈉溶液對再生混凝土的侵蝕損傷，且自然浸泡狀態(tài)下，氯鹽的濃度較大時，再生混凝土受硫酸鹽侵蝕的破壞程度較輕微。

圖4為再生混凝土試塊浸泡在不同濃度氯化鈉和硫酸鎂的復(fù)合溶液中各侵蝕周期的表觀形貌，圖4中編號的含義同圖2。

從圖4可以看出：浸泡時間為30 d時，在氯化鈉和硫酸鎂復(fù)合溶液中的再生混凝土試塊表面都出現(xiàn)白色顆粒，這是侵蝕產(chǎn)物氫氧化鎂和鹽的結(jié)晶析出。當(dāng)浸泡時間為90 d時，無摻組的混凝土試塊表面也布滿了白色顆粒，試塊表面泛白，蝕坑增多且加深，試塊未出現(xiàn)開裂。當(dāng)侵蝕時間達(dá)到150 d和180 d時，無摻組試塊表面的白色顆粒消失，這是因為氫氧化鎂隨著浸泡時間的延長而被溶解，四角輕微剝落；浸泡在氯化鈉和硫酸鎂復(fù)合溶液中的再生混凝土試塊棱邊砂漿剝落，蝕坑面積變大；其中，氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的復(fù)合溶液浸泡的試塊內(nèi)部骨料已經(jīng)部分暴露出來，較氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%的復(fù)合溶液浸泡的試塊破壞程度較嚴(yán)重?？傮w來看，摻加氯鹽的3組試塊表面都比無摻組的侵蝕程度略嚴(yán)重。由此可見，從表觀形貌來看，再生混凝土試塊浸泡在氯化鈉和硫酸鎂復(fù)合溶液中的侵蝕程度隨氯鹽的摻入并無減輕的現(xiàn)象發(fā)生，甚至在氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時，混凝土試塊的侵蝕程度比沒有摻入氯化鈉組的還要嚴(yán)重。

圖4再生混凝土氯化鈉-硫酸鎂復(fù)合溶液侵蝕后表觀形貌Fig.4Apparent Morphology of Recycled Concrete After Erosion by Sodium Chloride-magnesium Sulfate Solution

2.2 超聲聲速測定

每隔30 d對不同濃度氯化鈉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸鈉復(fù)合溶液浸泡下的試塊進(jìn)行測量，超聲聲速變化曲線如圖5，6所示，其中A0，A30，A60，A90，A120，A150，A180，A210分別表示0，30，60，90，120，150，180，210 d在NaCl-Na2SO4溶液中的試塊。

圖5氯化鈉-硫酸鈉復(fù)合溶液下再生混凝土超聲聲速隨氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.5Variation Curves of Ultrasonic Velocity of Recycled Concrete with Chloride Concentration in Sodium Chloride-magnesium Sulfate Solution

圖6氯化鈉-硫酸鈉復(fù)合溶液下再生混凝土超聲聲速隨侵蝕時間變化曲線Fig.6Variation Curves of Ultrasonic Velocity of Recycled Concrete with Corrosion Time Under Sodium Chloride-sodium Sulfate Solution

從圖5可以看出：當(dāng)氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%到2%時，150 d內(nèi)對測聲速的變化幅度先減小后增大再減?。?50 d后變化幅度一直增大。當(dāng)氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%到5%時，隨著侵蝕時間的增大，對測聲速變化規(guī)律與前者相同。當(dāng)氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%到10%時，各侵蝕時間下對測聲速的變化趨于穩(wěn)定。從圖6可以看出：侵蝕時間為0～120 d時，試塊對測聲速隨時間增大而增大，120 d時，各溶液中浸泡的再生混凝土對測聲速都基本達(dá)到最大值，超過120 d后，試塊對測聲速逐漸減小。結(jié)合圖5，6還可以看出，當(dāng)氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%到5%時，再生混凝土超聲聲速變化較明顯，氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%到10%時，各侵蝕時間下再生混凝土超聲聲速無明顯變化。因此氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過5%時，增大濃度對硫酸鈉侵蝕再生混凝土的抑制無明顯作用。

每隔30 d對不同濃度氯化鈉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的硫酸鎂復(fù)合溶液浸泡下的試塊進(jìn)行測量，超聲聲速變化曲線如圖7，8所示，其中B0，B30，B50，B90，B120，B150，B180分別表示0，30，50，90，120，150，180 d在NaCl-MgSO4溶液中的試塊。

圖7氯化鈉-硫酸鎂復(fù)合溶液下再生混凝土超聲聲速隨氯鹽質(zhì)量分別變化曲線Fig.7Variation Curves of Ultrasonic Velocity of Recycled Concrete with Chloride Concentration in Sodium Chloride-magnesium Sulfate Solution

圖8氯化鈉-硫酸鎂復(fù)合溶液下再生混凝土超聲聲速隨侵蝕時間變化曲線Fig.8Variation Curves of Ultrasonic Velocity of Recycled Concrete with Corrosion Time Under Sodium Chloride-magnesium Sulfate Composite Solution

從圖7可以看出：侵蝕時間為120 d時，試塊的對測聲速最大;120 d之前對測聲速隨侵蝕時間增大而增大，超過120 d后試塊對測聲速減小。從圖8可以明顯看出：在整個侵蝕時間內(nèi)，氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%到2%時，對測聲速減小最大；氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%到5%時對測聲速減小幅度較前者變??；氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%到10%時，對測聲速就幾乎無明顯變化了。綜上可知，當(dāng)氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%增大到10%時，對測聲速的變化并不大，抑制效果沒有明顯的提高；氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時抑制效果最明顯。

2.3 質(zhì)量變化

每隔30 d取出浸泡在氯化鈉和硫酸鈉復(fù)合溶液中的混凝土試塊進(jìn)行質(zhì)量檢測，隨著侵蝕時間的增加，每組混凝土試塊的質(zhì)量變化率曲線如圖9，10所示。

圖9 氯化鈉-硫酸鈉復(fù)合溶液下再生混凝土質(zhì)量變化率隨氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.9Variation Curves of Mass Change Rate of Recycled Concrete with Chloride Concentration Under Sodium Chloride-sodium Sulfate Solution

圖10氯化鈉-硫酸鈉復(fù)合溶液下再生混凝土質(zhì)量變化率隨侵蝕時間變化曲線Fig.10Variation Curves of Mass Change Rate of Recycled Concrete with Corrosion Time Under Sodium Chloride-sodium Sulfate Composite Solution

從圖9可以明顯看出：180 d時質(zhì)量變化率達(dá)到最大。加入氯化鈉后，質(zhì)量變化率普遍減小，在圖10中表現(xiàn)為A1曲線在最外側(cè)。從圖9還可以看出，在整個侵蝕周期內(nèi)，與未摻組相比，摻入氯化鈉的復(fù)合溶液中浸泡的再生混凝土試塊的質(zhì)量變化率先增大后減小再增大，以60 d和180 d為變化拐點。侵蝕時間大于60 d小于180 d時，摻有氯化鈉的溶液中浸泡的試塊質(zhì)量變化率減小，且氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%對應(yīng)的試塊質(zhì)量變化率減小幅度最大。當(dāng)180 d以后時，摻有氯化鈉的溶液中浸泡的試塊質(zhì)量變化率增大，且氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%試塊的質(zhì)量變化幅度最大。從圖10還可以看出：A2的質(zhì)量變化率普遍較大，到A3時開始減小，說明這幾種濃度下，5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氯鹽對硫酸鹽侵蝕的抑制效果最明顯。

每隔30 d取出浸泡在氯化鈉和硫酸鎂復(fù)合溶液中的混凝土試塊進(jìn)行質(zhì)量檢測，隨著侵蝕時間的增加，每組混凝土試塊的質(zhì)量變化率曲線如圖11，12所示。

圖11氯化鈉-硫酸鎂復(fù)合溶液下再生混凝土質(zhì)量變化率隨氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.11Variation Curves of Mass Change Rate of Recycled Concrete with Chloride Concentration in Sodium Chloride-magnesium Sulfate Solution

圖12氯化鈉-硫酸鎂復(fù)合溶液下再生混凝土質(zhì)量變化率隨侵蝕時間變化曲線Fig.12Variation Curves of Mass Change Rate of Recycled Concrete with Corrosion Time Under Sodium Chloride-magnesium Sulfate Solution

從圖11可以直觀看出，隨著侵蝕時間的延長，質(zhì)量變化率上升，再生混凝土試塊質(zhì)量持續(xù)增大。從圖12可以看出：浸泡在氯化鈉-硫酸鎂復(fù)合溶液中的試塊質(zhì)量變化率都大于單一硫酸鎂溶液中的試塊，且變化幅度較大，其中氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時質(zhì)量變化率增大幅度最大，說明氯鹽的加入并沒有阻止大量侵蝕產(chǎn)物的生成。與硫酸鈉和氯化鈉復(fù)合溶液下的試驗結(jié)果相比，可以推測氯離子對鎂離子的侵蝕沒有影響。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%到5%的過程中，質(zhì)量變化率減小，說明此濃度范圍內(nèi)，氯鹽是有一定的抑制效果的，但是非常有限。當(dāng)氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大到10%時，這種抑制效果并沒有得到提升。

3 機(jī)理分析

4 結(jié)語

(1)從侵蝕后試件表觀形貌來看，對于浸泡于硫酸鈉溶液中的再生混凝土試塊，當(dāng)摻入氯化鈉時，其侵蝕損傷程度減弱，并且氯鹽摻量越大，侵蝕損傷程度越??；對于浸泡于硫酸鎂溶液中的試塊，加入氯化鈉后，表觀侵蝕程度基本沒有減弱，甚至在氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的溶液中侵蝕損傷程度還略有加重。

(2)再生混凝土試塊浸泡在氯化鈉-硫酸鈉復(fù)合溶液中，當(dāng)氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到5%時，試塊的對測聲速先減小后增大，且變化幅度較大；當(dāng)氯鹽濃度繼續(xù)增大時，聲速變化不明顯。試塊的質(zhì)量變化率都是先增大后減小。氯鹽對再生混凝土硫酸鈉侵蝕具有較好的抑制效果，且氯鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時抑制效果最明顯。