凍融與硫酸鹽作用下再生混凝土性能劣化研究

李蕾蕾，康 抗，馮澤平，肖青波，肖前慧

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西 西安 710065；2.西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院 陜西 西安 710054)

改革開放四十年來，我國(guó)建筑業(yè)迎來了迅猛發(fā)展，在城市化進(jìn)程快速推進(jìn)的過程中，城市中建筑垃圾量也在持續(xù)增加，這在很大程度上制約著我國(guó)城市化的可持續(xù)發(fā)展.將建筑垃圾中的混凝土回收后代替新拌合混凝土中的粗骨料可以降低其對(duì)環(huán)境的污染和資源的浪費(fèi).

最近五年來，眾多學(xué)者都將研究方向放在了再生混凝土上，其中再生混凝土在凍融作用下的相關(guān)研究有了一些進(jìn)展[1-3].相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，混凝土中水灰比、外加劑及摻合料對(duì)再生混凝土的強(qiáng)度具有非常重要的影響[4-5].謝本怡[6]通過試驗(yàn)表明：水灰比越低的再生混凝土，其抗硫酸鹽侵蝕的能力越強(qiáng).薛建陽等[7]通過試驗(yàn)結(jié)果得到：再生混凝土在5%硫酸鈉溶液侵蝕下其抗壓強(qiáng)度損失率會(huì)隨再生骨料取代率的提高而增大.閆宏生等[8]通過試驗(yàn)研究得出：再生混凝土在硫酸鹽侵蝕下，其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)隨水灰比的降低以及摻入粉煤灰得到改善，同時(shí)，試塊內(nèi)部生成石膏和鈣釩石的速度和數(shù)量也會(huì)大幅降低，從而增強(qiáng)再生混凝土的抗侵蝕能力.對(duì)再生混凝土在凍融和硫酸鹽共同作用下也有一些研究，但大部分研究只停留在力學(xué)性能或宏觀層面，對(duì)微觀層面上的研究較少.本文將對(duì)0.35、0.45、0.55三組水灰比的再生混凝土試塊在5%硫酸鈉溶液和不同凍融循環(huán)次數(shù)的環(huán)境下進(jìn)行質(zhì)量、相對(duì)動(dòng)彈性模量、強(qiáng)度測(cè)試、電鏡掃描以及XRD衍射，研究再生混凝土在凍融和硫酸鹽侵蝕共同作用下的性能劣化、侵蝕產(chǎn)物，并建立再生混凝土在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕共同作用下的壽命預(yù)測(cè)模型.

1 試驗(yàn)概況

再生混凝土試塊采用陜西秦嶺水泥股份有限公司生產(chǎn)的PO42.5R普通硅酸鹽水泥，其初凝時(shí)間為110 min，終凝時(shí)間為310 min，3 d抗壓強(qiáng)度不小于20 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度不小于35 MPa.細(xì)骨料采用陜西灞河中砂，天然粗骨料為涇陽區(qū)石灰?guī)r質(zhì)錘破碎石，粒徑在20～40 mm，經(jīng)鄂式破碎機(jī)破碎后篩分粒徑為5～16 mm.再生磚混粗骨料取自陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)城中村改造拆除房屋，經(jīng)鄂式破碎機(jī)破碎篩分后粒徑為5～16 mm.外加劑采用復(fù)合型，兼有減水劑和引氣劑功效；普通自來水，具體試驗(yàn)配合比和再生骨料的基本物理性質(zhì)如表1、表2所示.

表1 再生粗骨料基本性能

表2 再生混凝土配合比

試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm(強(qiáng)度試驗(yàn))、100 mm×100 mm×400 mm(質(zhì)量，動(dòng)彈模測(cè)量試驗(yàn))，前期試驗(yàn)中得到采用30%再生骨料質(zhì)量取代率的立方體抗壓強(qiáng)度與普通混凝土的接近，因此再生骨料取代率統(tǒng)一選為30%[9].試塊按照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]的要求制作，模具內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h，拆模后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)(溫度為20±2 ℃、濕度為98%)養(yǎng)護(hù)28 d.

試驗(yàn)方法：將再生混凝土試件放入在含有5%濃度的Na2SO4溶液試驗(yàn)盒中進(jìn)行凍融試驗(yàn)，25次為一組凍融循環(huán)，每次凍融循環(huán)應(yīng)控制在2～4 h.為凍融循環(huán)過程采用KDR-V9型混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082—2009[11]的相關(guān)操作完成，凍融中的溶液濃度不變.動(dòng)彈性模量測(cè)試采用NM-4B型非金屬超聲檢測(cè)分析儀完成.在凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100、200、300次后進(jìn)行取樣，將樣品研成粉末狀進(jìn)行XRD試驗(yàn).

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 表觀形貌

再生混凝土的凍融破壞可分為大概三個(gè)階段，其破壞過程是一個(gè)從表面向內(nèi)部發(fā)展的過程，不同凍融次數(shù)下再生混凝土的凍融破壞表觀形貌差別較大，如圖1所示：

圖1 不同凍融次數(shù)下再生混凝土表觀形貌

(1)凍融破壞初期，再生混凝土表面破壞程度很小，表面僅有少量水泥漿脫落，同時(shí)存在微小孔蝕；

(2)隨著凍融的進(jìn)行，再生混凝土表面的水泥漿和細(xì)骨料脫落，表面變得疏松多孔，呈蜂窩狀；

(3)凍融次數(shù)繼續(xù)增加，再生混凝土表面的粗骨料出現(xiàn)外露，水泥砂漿的脫落現(xiàn)象加劇，粗骨料和細(xì)骨料明顯發(fā)生分離.

2.2 質(zhì)量損失率

如圖2所示為再生混凝土在5%硫酸鈉溶液浸泡后與凍融條件耦合作用下試件質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，可以看出凍融循環(huán)次數(shù)小于100次時(shí)，再生混凝土質(zhì)量損失率呈線性增長(zhǎng)，質(zhì)量損失較小；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)增加至200～300次時(shí)，0.55水灰比的試件質(zhì)量損失繼續(xù)加速增長(zhǎng)，0.35和0.45水灰比的再生混凝土質(zhì)量損失持續(xù)增長(zhǎng)，水灰比越大的試件破壞越大，抗凍性越差.

圖2 不同水灰比再生混凝土質(zhì)量損失率

2.3 相對(duì)動(dòng)彈性模量

再生混凝土試塊在硫酸鹽溶液侵蝕作用下以及不同凍融循環(huán)次數(shù)下相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化規(guī)律如圖3所示.當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從200次增加到300次的過程中，試塊相對(duì)動(dòng)彈性模量均出現(xiàn)了急速下降，這是由于在200次凍融循環(huán)時(shí)，再生混凝土試塊內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了較多的裂縫和孔洞，此時(shí)硫酸鈉溶液進(jìn)入孔洞后使內(nèi)部硫酸鹽溶液迅速上升，析出的物質(zhì)產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力和本身凍融過程中的凍脹應(yīng)力共同作用使得破壞進(jìn)一步加速，相對(duì)動(dòng)彈性模量下降繼續(xù)加快.和普通混凝土相比，再生混凝土的抗凍性同樣受到水灰比大小的明顯影響.

圖3 相對(duì)動(dòng)彈性模量變化

2.4 立方體抗壓強(qiáng)度

如圖4所示為再生混凝土試塊不同凍融循環(huán)次數(shù)下的立方體抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，隨著凍融次數(shù)的增加，外部水分沿混凝土試塊表面微裂縫進(jìn)入內(nèi)部繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng)生成膨脹晶體，使得試塊破壞加劇，強(qiáng)度損失增長(zhǎng)，凍融循次數(shù)從200增長(zhǎng)到300的過程，由于孔隙發(fā)生破壞，水進(jìn)入混凝土內(nèi)部后，在水凍脹力和混凝土內(nèi)部侵蝕產(chǎn)物的膨脹應(yīng)力耦合作用下，再生混凝土試塊的強(qiáng)度損失進(jìn)一步增大.

圖4 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

2.5 電鏡掃描

通過電鏡掃描分別對(duì)經(jīng)過5%硫酸鈉溶液浸泡后的再生混凝土0、100、200、300次凍融循環(huán)后的結(jié)果進(jìn)行分析，觀察內(nèi)部侵蝕產(chǎn)物的形貌以及相關(guān)裂縫開展情況.如圖5所示為未經(jīng)凍融的試塊，可以看出其中水泥水化產(chǎn)物水化硅酸鈣凝膠分布均勻、緊密，對(duì)硫酸鹽的侵入有一定抵擋作用，這就解釋了再生混凝土試塊在凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)質(zhì)量損失、強(qiáng)度損失以及損傷程度都比較小.0.45水灰比的再生混凝土電鏡照片中可以看到粗骨料與水泥石的界面過渡區(qū)粘結(jié)性較好，0.55水灰比的再生混凝土電鏡照片可以看到由于水灰比較大試塊硬化后出現(xiàn)的原始干縮微裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致骨料界面區(qū)的粘結(jié)性較差，從而使得水灰比大的再生混凝土試塊發(fā)生的質(zhì)量損失、強(qiáng)度損失越大.微觀圖中可以看出此時(shí)試塊內(nèi)只有Ca(OH)2及其結(jié)晶，沒有發(fā)現(xiàn)鈣釩石等的析出.

圖5 未經(jīng)凍融循環(huán)時(shí)各組試塊電鏡照片

圖7 200次凍融循環(huán)各組試塊電鏡照片

如圖8所示，當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到300次時(shí)，試塊在內(nèi)部?jī)雒洃?yīng)力與硫酸鹽溶液與各種膨脹侵蝕物質(zhì)的共同作用下，孔隙結(jié)構(gòu)開始貫穿.圖8(b)可以看出水泥基受到嚴(yán)重侵蝕后發(fā)生了脫落，導(dǎo)致粗骨料出現(xiàn)外露.再生混凝土試塊在凍融循環(huán)300次后，內(nèi)部孔壁在孔隙水的膨脹應(yīng)力下產(chǎn)生疲勞荷載與硫酸鹽侵蝕下逐漸破壞聯(lián)通形成貫通通道，裂縫進(jìn)一步發(fā)展.

圖8 300次凍融循環(huán)各組試塊電鏡照片

2.6 XRD衍射

凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100、200、300次后進(jìn)行取樣檢測(cè)，將樣品研成粉末狀進(jìn)行觀察，利用每種晶體在X射線照射下的衍射特性，分析在不同水灰比與不同凍融次數(shù)下試樣侵蝕產(chǎn)物的變化.

由圖9可以看出，當(dāng)凍融循環(huán)200次后，三組試樣的 衍射峰均較為明顯，AFt的衍射峰強(qiáng)度隨水灰比的增大逐漸增強(qiáng).圖10為0.45水灰比的試樣在100、200、300次凍融循環(huán)后的衍射圖譜，由圖可見，隨著凍融循環(huán)的增加，硫酸鹽侵蝕作用逐漸明顯，混凝土中水化產(chǎn)物 的衍射峰逐漸減弱，同時(shí)侵蝕產(chǎn)物AFt率先析出，并隨凍融次數(shù)的增加其衍射峰強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，隨著AFt的逐漸累積，使得原始裂縫不斷擴(kuò)展、延伸，導(dǎo)致大量的 進(jìn)入混凝土孔隙，當(dāng)濃度達(dá)到一定條件后開始有GYm晶體析出，在凍融循環(huán)200次時(shí)觀察到石膏的衍射峰，且隨凍融次數(shù)的增加，衍射峰強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì).

圖9 200次凍融循環(huán)下再生混凝土XRD圖譜

圖10 M45組不同凍融循環(huán)次數(shù)下再生混凝土XRD圖譜

綜上所述，水灰比對(duì)再生混凝土抗凍性及抗硫酸鹽侵蝕能力有著非常重要的影響，特別是在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕前期.在凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕過程中，伴隨 含量逐漸減少，侵蝕產(chǎn)物AFt和GYm依次析出，其含量在凍融后期將增長(zhǎng)迅速；含量的多少直接影響著再生混凝土的抗凍和抗侵蝕能力，因此能否有效降低再生混凝土中的 含量對(duì)提高再生混凝土抗凍性及抗硫酸鹽侵蝕能力具有重要意義.

2.7 再生混凝土凍融損傷模型與壽命預(yù)測(cè)

混凝土的劣化過程通常用相對(duì)動(dòng)彈性模量進(jìn)行表征，因此引入損傷力學(xué)中的損傷度為

(1)

式中：DEn為n次凍融循環(huán)后試塊的損傷度，En為n次凍融循環(huán)后試塊的凍彈性模量，E0為經(jīng)過凍融循環(huán)試塊的動(dòng)彈性模量.

據(jù)相對(duì)動(dòng)彈性模量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得出再生混凝土在凍融循環(huán)與硫酸鹽侵蝕共同作用下的損傷度結(jié)果，如表3所示.

表3 不同水灰比再生混凝土在硫酸鹽溶液與凍融循環(huán)共同作用下的損傷度

劉志勇[12]認(rèn)為凍融累計(jì)損傷值與凍融循環(huán)次數(shù)之間可以指數(shù)型函數(shù)來描述，根據(jù)相關(guān)定義，得到損傷度與凍融循環(huán)次數(shù)為

Dn=aebn

(2)

式中：Dn為損傷值；n為凍融循環(huán)次數(shù)；a、b為常值參數(shù).將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與指數(shù)函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行擬合，得到a、b參數(shù)值及相關(guān)系數(shù)如表4所示.

表4 不同水灰比的a、b參數(shù)值及相關(guān)系數(shù)

得到不同水灰比下再生混凝土試塊的擬合公式為

0.35水灰比的凍融度與凍融循環(huán)次數(shù)方程為

Dn=4.98×10-3×e1.41×10-2×n

(3)

0.45水灰比的凍融度與凍融循環(huán)次數(shù)方程為

Dn=2.30×10-3×e1.86×10-2×n

(4)

0.55水灰比的凍融度與凍融循環(huán)次數(shù)方程為

Dn=2.61×10-2×e1.13×10-2×n

(5)

引入水灰比并進(jìn)行修正得到式6為

Dn=(0.223-1.086×i+1.324×i2)×

e(-0.095+0.517×i-0.59×i2)×n

(6)

式中：Dn為損傷值；n為凍融循環(huán)次數(shù)；i為水灰比.根據(jù)GBJ82—85《普通混凝土長(zhǎng)期性能與耐久性能試驗(yàn)方法》，當(dāng)相對(duì)動(dòng)彈性模量下降到60%即認(rèn)為再生混凝土失去抗凍性能，利用相對(duì)動(dòng)彈性模量對(duì)再生混凝土試塊進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，計(jì)算出不同水灰比再生混凝土達(dá)到破壞所需要的凍融循環(huán)次數(shù)如表5所示.

表5 不同水灰比再生混凝土達(dá)到破壞所需要的凍融循環(huán)次數(shù)

曹永康[13]分析中提出了計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的公式如下.

T=KF/M

(7)

式中：T為混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)使用壽命；K為比例系數(shù)，即室內(nèi)進(jìn)行一次快速凍融相當(dāng)于室外自然凍融次數(shù)的比例關(guān)系；F為室內(nèi)混凝土的快速凍融次數(shù)；M為室外混凝土一年經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù).

根據(jù)李金玉[14]的相關(guān)研究，我國(guó)東北地區(qū)一年平均凍融循環(huán)次數(shù)為120次/a，華北地區(qū)一年平均凍融循環(huán)次數(shù)為84次/a，西北地區(qū)一年平均凍融循環(huán)次數(shù)為118次/a.相關(guān)文獻(xiàn)[15]研究分析得出，室內(nèi)快速凍融循環(huán)次數(shù)與室外實(shí)際環(huán)境凍融循環(huán)次數(shù)的換算關(guān)系在1∶10～1∶15之間，本實(shí)驗(yàn)考慮到硫酸鹽溶液對(duì)試塊的侵蝕，其換算關(guān)系取1∶15.計(jì)算得到各地區(qū)不同水灰比再生混凝土的壽命如表6所示.

表6 不同水灰比再生混凝土的壽命

可以看到，華北地區(qū)0.35和0.45水灰比的再生混凝土壽命超過50 a，因此華北地區(qū)的工程建設(shè)項(xiàng)目運(yùn)用再生骨料混凝土的水灰比應(yīng)該控制在0.45或者以下.

3 結(jié)論

(1)再生混凝土在凍融循環(huán)和硫酸鹽共同作用下，水灰比越大，其破壞程度越大，表觀形貌越粗糙；相同凍融循環(huán)次數(shù)下，水灰比越大，其損傷值越大；

(2)凍融循環(huán)過程中，生成的侵蝕膨脹物不斷累積，凍融循環(huán)次數(shù)越多，強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈性模量、質(zhì)量下降越快，內(nèi)部孔隙破壞越嚴(yán)重，0.55水灰比的試塊破壞程度最大；

(3)硫酸鹽與凍融破壞共同作用下，侵蝕產(chǎn)物有鈣釩石水化硫鋁酸鈣和NaSO4·10H2O，同時(shí)再生混凝土中Ca(OH)2含量減少，減少再生混凝土中的Ca(OH)2可有效改善再生混凝土的抗凍性和抗硫酸腐蝕；

(4)凍融與硫酸鹽共同作用下，再生混凝土的壽命隨水灰比的增大而減少，在海港及低溫地區(qū)，再生混凝土的水灰比宜控制在0.45及以下.