摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓及抗氯鹽侵蝕性能

吳波 丁金鵬

（華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640）

對于公路橋梁沖孔灌注樁施工中產生的成孔碎渣，傳統(tǒng)處理方法主要有集中堆放自然沉淀風干、遠運至棄土場或外海排放等，這些方法存在處理周期長、成本昂貴、占用大量土地資源、碳排放量大等問題。

為緩解上述問題，采用成孔碎渣部分替代混凝土中的細骨料，并就近應用于公路橋梁的混凝土構件不失為一種有效對策。鑒于《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）、《公路工程混凝土結構耐久性設計規(guī)范》（JTG/T 3310—2019）等都對公路工程所采用的混凝土的強度和耐久性等提出了明確要求，同時考慮到沿海地區(qū)混凝土結構受氯鹽侵蝕影響較大，本文對摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓及抗氯鹽侵蝕性能進行了研究。

從材料及其生產方式來看，與成孔碎渣最相似的是機制砂，它們都是由巖石破碎產生的，二者的主要區(qū)別在于成孔碎渣是沖擊樁錘錘擊強風化或中風化花崗巖形成的碎屑，而《建設用砂》（GB/T 14684—2011）中規(guī)定的機制砂是以未風化的巖石為原料破碎而成。由于目前采用成孔碎渣替代天然砂用以制備混凝土的研究少有文獻報道，下面對機制砂的研究現(xiàn)狀做簡要介紹，以供本文研究參考。

柯曉軍等［1］研究了石粉含量對機制砂混凝土工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)機制砂中石粉含量介于5%～20%范圍內時，混凝土坍落度隨石粉含量的增加而降低，流動性逐漸變差；范德科等［2］研究了石粉對機制砂混凝土工作性能和抗壓強度的影響，發(fā)現(xiàn)石粉含量大于15%時，機制砂中石粉含量的增加會降低混凝土的工作性能和抗壓強度；楊海峰等［3］研究了石粉含量對機制砂再生混凝土力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)當機制砂中石粉含量大于10%時，強度隨石粉含量的增加而降低；謝開仲等［4］研究了機制砂級配對混凝土抗壓性能的影響，發(fā)現(xiàn)當機制砂的級配曲線位于Ⅱ區(qū)砂中值和上限之間時，機制砂混凝土的抗壓強度最優(yōu)；寧勇偉等［5］也研究了機制砂顆粒特性對混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)當機制砂顆粒級配處于Ⅱ區(qū)中值時，混凝土力學性能最佳；宋少民等［6］研究了機制砂巖性對混凝土強度的影響，發(fā)現(xiàn)不同巖性機制砂對混凝土強度影響不顯著；熊先達［7］研究了不同級配的機制砂對混凝土抗氯鹽侵蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)級配偏粗、粒徑偏大的機制砂會對混凝土的抗氯鹽侵蝕性能造成一定劣化，相較于常規(guī)混凝土劣化幅度為13%～16%，總體在可接受范圍內；羅健勇等［8］也研究了機制砂顆粒級配對混凝土抗氯離子滲透性能的影響，發(fā)現(xiàn)分計篩余百分率為“中間多，兩頭少”的機制砂的抗氯離子滲透性能較低，且中間顆粒分布越集中抗氯離子滲透性能劣化越嚴重；Feng等［9］研究了不同質量機制砂對再生混凝土抗氯離子性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著機制砂取代率的增加，機制砂再生混凝土的抗氯離子性能逐漸降低。由于成孔碎渣在樁孔中破碎后是由泥漿將其帶出，致使其表面裹滿泥漿，需先用0.075 mm 篩網對其進行濕篩分處理，這使得處理后的成孔碎渣中石粉含量較低，加之成孔碎渣的顆粒級配相比于河砂普遍偏大，且成孔碎渣主要由強風化或中風化花崗巖破碎得到而不是源自未風化的巖石，這些差異必然會對摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓及抗氯鹽侵蝕性能產生影響，對此尚有待研究。

本文以成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率為主要參數(shù)，開展了摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓試驗和抗氯鹽侵蝕試驗，以及成孔碎渣、河砂和砂漿的壓汞測試，揭示該類混凝土抗壓和抗氯鹽侵蝕性能的變化規(guī)律及其內在機理，擬為該類混凝土在公路橋梁工程中的應用奠定初步基礎。

1 試驗概況

1.1 試件設計

設計了4組共96個試件，分別研究成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率對摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓及抗氯鹽侵蝕性能的影響，其中抗壓試件48 個，抗氯鹽侵蝕試件48 個，具體參數(shù)見表1?？箟涸嚰鶠棣?50、高300 mm 圓柱體，抗氯鹽侵蝕試件均為Φ100、高50 mm 圓柱體，試驗參數(shù)包括成孔碎渣取代率（0、50%、70%、100%）和再生粗骨料取代率（0、50%、70%、100%）。表1中，“HS”表示成孔碎渣，“β”為成孔碎渣取代率（即混凝土中成孔碎渣與全部細骨料的質量之比），“RCA”表示再生粗骨料，“γ”為再生粗骨料取代率（即混凝土中再生粗骨料與全部粗骨料的質量之比），HS50-RCA50表示成孔碎渣取代率為50%、再生骨料取代率為50%的試件，以此類推。

表1 抗壓試件和抗氯鹽侵蝕試件的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of compression test specimens and chloride corrosion resistance test specimens

1.2 試驗材料及配合比

用于配制混凝土的材料包括水泥、天然粗骨料、再生粗骨料、河砂、成孔碎渣、水和減水劑。成孔碎渣取自廣州增城沙莊至花都北興公路二期工程沖孔灌注樁產出的成孔碎渣，經濕篩、曬干（見圖1）后用以部分取代河砂。再生粗骨料購自廣東基礎新世紀環(huán)保資源科技有限公司，由廢棄梁經破碎和篩分處理后制備而得。細骨料河砂和成孔碎渣的級配曲線如圖2 所示，天然粗骨料（NCA）和再生粗骨料（RCA）的粒徑主要介于5～25 mm 之間，具體級配曲線如圖3 所示。上述級配曲線均為3 組測試結果取平均值后繪制得到。不同粗、細骨料的物理特性見表2。

圖1 成孔碎渣的來源及濕篩后的成孔碎渣Fig.1 Source of hole slag and hole slag after wet screening

圖2 成孔碎渣和河砂的級配曲線Fig.2 Grading curves of hole slag and river sand

圖3 天然粗骨料和再生粗骨料的級配曲線Fig.3 Grading curves of natural and recycled coarse aggregates

表2 粗、細骨料的物理特性Table 2 Physical properties of coarse and fine aggregates

根據成孔碎渣和再生粗骨料取代率的不同，抗壓試驗和抗氯鹽侵蝕試驗需配置16種混凝土。參照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 55—2011），考慮到再生粗骨料吸水率較大的特點，采用添加附加水的方式進行配合比設計，附加水用量按下式確定［10］：

式中，下標RCA 表示再生粗骨料，α、φ和m分別為再生粗骨料的吸水率、含水率和質量。

通過試配混凝土的坍落度來調整減水劑用量，最終確定的配合比見表3。

表3 混凝土配合比及固廢含量Table 3 Mix proportions of concrete and solid waste content in concrete

1.3 加載及測量裝置

1.3.1 抗壓試驗

抗壓試驗采用MATEST-4 000 kN 電壓伺服壓力機進行加載。在圓柱體試件側表面相對布置2個豎向位移計（LVDT），用以測量試件中部2/5高度范圍內的軸向變形，位移計量程為5 mm，精度為1×10-3mm。為測量試件的橫向變形，在試件側表面半高處按120°間隔粘貼3 個長度100 mm 的橫向應變片（S.G.）。試驗前，試件上、下兩端面采用高強石膏找平。根據ASTMC39/C39M［11］，試驗采用位移加載方式，加載速率為10-5/s。每個試件先重復加載3 次至預估峰值荷載的40%以獲取其彈性模量，隨后第4次加載至試件破壞。

1.3.2 抗氯鹽侵蝕試驗

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009），抗氯鹽侵蝕試驗采用RCM 法測定試件的氯離子遷移系數(shù)。RCM-NTB型氯離子擴散系數(shù)測定儀如圖4所示。正式測定前，將試件在飽和面干狀態(tài)下置于NEL-VJH型混凝土智能真空飽水機中進行（18±2）h真空處理。隨后，將試件裝入橡膠套底部，在橡膠套外側安裝兩個不銹鋼環(huán)箍，然后將裝有試件的橡膠套放入試驗槽中，并安裝好陽極板。試驗測試電壓為（30±0.2）V，陽極注入0.3 mol/L的NaOH溶液，陰極注入質量分數(shù)為10%的NaCl 溶液。試驗結束后，取出試件并將試件表面清洗干凈，利用壓力機將試件沿軸向劈成兩半，同時在試件斷裂面上噴灑0.1 mol/L的AgNO3溶液，待斷裂面顯色后，沿徑向將斷裂面分成10等份，通過測定氯離子在斷裂面上的平均入侵深度，計算得到試件的氯離子遷移系數(shù)。

圖4 抗氯鹽侵蝕試驗裝置Fig.4 Device for chloride corrosion resistance test

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓性能

表4所示為試件的實測抗壓性能，其中fc、Ec和εp分別為試件的抗壓強度、彈性模量和峰值應變。試件的彈性模量按（σ2-σ1）/（ε2-0.000 05）計算［12］，其中σ2為0.4倍峰值荷載對應的應力值，σ1為50個微應變對應的應力值，ε2為σ2對應的應變。

表4 抗壓試驗實測結果Table 4 Measured results of compression test

2.1.1 抗壓強度

由表4可知，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強度可達44.8～53.6 MPa。該抗壓強度隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況見圖5，由圖中可以看出：

圖5 抗壓強度隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況Fig.5 Variations of compressive strength with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）當再生粗骨料取代率不變時，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強度隨成孔碎渣取代率的增加總體上逐漸降低，成孔碎渣取代率100%所對應的降幅為5.2%～11.5%。這主要是因為：①成孔碎渣的壓碎指標較河砂更大（見表2），其抗壓性能更差，從而導致混凝土抗壓強度有所降低［13］；②成孔碎渣的細度模數(shù)相較于河砂偏大（見表2），導致隨著成孔碎渣摻量的增加，砂漿內部孔隙率增大，進而使得混凝土強度有所降低。下文將利用MIP試驗對第②點予以驗證。

（2）當成孔碎渣取代率一定時，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強度隨再生粗骨料取代率的增加總體上逐漸降低，再生粗骨料取代率100%所對應的降幅為6.3%～11.8%。這是由再生粗骨料表面附著的殘余砂漿及其破碎過程中可能產生的內部微裂紋以及新-舊砂漿界面相對偏弱等因素共同作用所致［14］。

2.1.2 彈性模量

圖6展示了摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的彈性模量隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況。從表4和圖6中可以看出：

圖6 彈性模量隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況Fig.6 Variations of elastic modulus with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）當再生粗骨料取代率一定時，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的彈性模量并未隨成孔碎渣取代率的增加呈現(xiàn)出單調變化的趨勢，且成孔碎渣取代率100%所對應的最大降幅也不超過10%，整體影響有限。

（2）當成孔碎渣取代率一定時，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的彈性模量隨再生粗骨料取代率的增加逐漸降低，再生粗骨料取代率100%所對應的降幅為24.2%～30.0%。這是因為與天然粗骨料相比，再生粗骨料含有部分老砂漿，客觀上導致混凝土內部彈性模量較大的天然石子的含量減少，進而使得混凝土彈性模量降低。

2.1.3 峰值應變

圖7展示了摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的峰值應變隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況。從圖7和表4中可以看出：

圖7 峰值應變隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況Fig.7 Variations of peak strain with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）當再生粗骨料取代率一定時，成孔碎渣取代率的變化總體上并未對摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的峰值應變產生明顯影響，特別是當再生粗骨料取代率為0時，該類影響極小。

（2）當成孔碎渣取代率一定時，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的峰值應變隨再生粗骨料取代率的增加總體上逐漸增大，再生粗骨料取代率100%所對應的增加幅度為12.5%～27.2%。這可能是由于再生粗骨料的彈性模量相較天然粗骨料偏低，前者自身變形相對較大，進而導致混凝土的峰值應變隨再生粗骨料取代率的增加而增大［15］。

2.2 抗氯鹽侵蝕性能

根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009），混凝土的氯離子遷移系數(shù)DRCM按下式計算：

式中，U為試驗所用電壓的絕對值（V），θ為陽極溶液的初始溫度和結束溫度的平均值（℃），L為試件厚度（mm），Xd為氯離子滲透深度的平均值（mm），t為試驗持續(xù)時間（h）。

圖8展示了摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況。由圖中可以看出：

圖8 氯離子遷移系數(shù)隨成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的變化情況Fig.8 Variations of chloride ion migration coefficient with replacement ratios of hole slag and recycled coarse aggregates

（1）當再生粗骨料取代率一定時，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨成孔碎渣取代率的增加逐漸增大，成孔碎渣取代率100%所對應的增幅為4.6%～11.6%。這表明摻入成孔碎渣后混凝土的抗氯鹽侵蝕性能有一定程度的降低，但總體上降幅較為有限。

（2）當成孔碎渣取代率一定時，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨再生粗骨料取代率的增加總體上相對較明顯地增大，再生粗骨料取代率100%所對應的增幅為24.6%～28.8%。這一方面是因為再生粗骨料表面附著有一定量的舊砂漿，導致混凝土內部的實際砂漿占比有所增大，整體孔隙率增加，進而使得抗氯鹽侵蝕性能降低；另一方面則是因為摻入再生粗骨料后，在混凝土內部額外引入了若干疏松多孔的舊砂漿-石子界面過渡區(qū)，這也使混凝土的抗氯鹽侵蝕性能有所降低［16-17］。

為了解釋摻入成孔碎渣后混凝土抗氯鹽侵蝕性能有所劣化的現(xiàn)象，分別對河砂、成孔碎渣和砂漿試樣（砂漿試樣分別取自成孔碎渣取代率為0、50%、70%、100%且再生粗骨料取代率為0的抗氯鹽侵蝕混凝土試件）開展了壓汞測試，其中HS50表示成孔碎渣取代率為50%的砂漿試件，以此類推。壓汞測試采用AutoPore Ⅳ 9500全自動壓汞儀，其壓力范圍為0～228 MPa，孔隙尺寸測定范圍為2.5 nm～500 μm。砂漿試樣的孔隙尺寸分布（按直徑計算，下同）隨成孔碎渣取代率的變化情況如圖9 所示，河砂和成孔碎渣的孔隙尺寸分布見圖10（圖中HS和NS分別表示成孔碎渣和河砂）。

圖9 孔隙尺寸分布隨成孔碎渣取代率的變化情況Fig.9 Variation of hole size distribution with replacement ratio of hole slag

圖10 河砂和成孔碎渣的孔隙尺寸分布Fig.10 Hole size distribution of river sand and hole slag

由圖9可以看出，隨著成孔碎渣取代率的增加，混凝土內部砂漿的孔隙率總體呈現(xiàn)出先快后慢逐漸增大的趨勢。這一方面是因為成孔碎渣的細度模數(shù)相較于河砂偏大（見表2），粒徑偏粗，導致水泥漿體的孔隙率有所增大［18］；另一方面則是由于成孔碎渣的孔隙率本就略大于河砂（見圖10）所致。上述兩方面因素共同作用，使得混凝土內部孔隙率隨著成孔碎渣取代率的增加而增大，進而導致混凝土的抗氯鹽侵蝕性能相較常規(guī)混凝土有所降低。圖9和圖10所示結果也從微觀角度印證了2.1.1節(jié)所述的混凝土抗壓強度隨成孔碎渣取代率增加總體上逐漸降低的現(xiàn)象。

基于本文研究結果，以摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強度和抗氯鹽侵蝕性能相較常規(guī)混凝土的劣化幅度均不超過15%為原則，建議實際工程中同時采用成孔碎渣和再生粗骨料時，二者的最大取代率都以50%為限。

3 結論

通過本文的研究，主要得到如下結論：

（1）隨著成孔碎渣取代率和再生粗骨料取代率的增加，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強度總體上逐漸降低，成孔碎渣取代率100%所對應的降幅為5.2%～11.5%，再生粗骨料取代率100%所對應的降幅為6.3%～11.8%。

（2）雖然隨著再生粗骨料取代率的增加，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的彈性模量和峰值應變分別總體上逐漸降低和增大（再生粗骨料取代率100%所對應的降幅和增幅分別為24.2%～30.0%和12.5%～27.2%），但成孔碎渣取代率對該彈性模量和峰值應變的影響卻相對有限。

（3）摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的氯離子遷移系數(shù)隨再生粗骨料取代率的增加總體上逐漸增大（再生粗骨料取代率100% 所對應的增幅為24.6%～28.8%），但該遷移系數(shù)隨成孔碎渣取代率增加而逐漸增大的幅度卻相對較為有限。

（4）隨著成孔碎渣取代率的增加，摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的孔隙率總體呈現(xiàn)出先快后慢逐漸增大的趨勢；成孔碎渣的孔隙率略大于河砂。

（5）以摻有成孔碎渣的再生骨料混凝土的抗壓強度和抗氯鹽侵蝕性能相較常規(guī)混凝土的劣化幅度均不超過15%為原則，建議實際工程中同時采用成孔碎渣和再生粗骨料時，二者的最大取代率都以50%為限。