再生混凝土在硫酸盐与干湿循环耦合作用下的耐久性能研究

，，2，，

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052； 2.重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160)

1 研究背景

随着我国城镇化建设步伐的加快，经济的飞速发展，消耗了大量建筑材料，以及既有建筑物因使用功能不能满足要求而被改造与拆除，因此产生大量的废弃混凝土。这不仅消耗了大量资源，而且引起了极大的环境问题。将废弃混凝土通过裂解、破碎、清洗、筛分、分级等一系列工艺后，按一定的级配混合而成的骨料称为再生骨料，以一定的取代率将再生骨料代替天然骨料配制而成的混凝土称为再生骨料混凝土简称再生混凝土[1]。利用废弃混凝土制备再生混凝土就是发展绿色混凝土，是实现资源、环境可持续发展的主要措施之一，正越来越受到工程界的重视，并已成为混凝土研究的热点[2-5]。

混凝土的耐久性问题日益突出，特别是当混凝土在硫酸盐等腐蚀性环境中时，其劣化十分严重。国内外学者对混凝土在硫酸盐与干湿循环作用下的性能变化进行了一定的研究[6],但对于再生混凝土的研究还比较少，同时也没有考虑多因素对再生混凝土在硫酸盐与干湿循环耦合作用下在硫酸盐侵蚀后寿命预测的影响。

本文通过模拟硫酸盐与干湿循环侵蚀条件，对再生混凝土的抗压和劈拉强度的变化规律进行研究分析，并基于质量损失率考虑再生粗骨料取代率、水胶比、粉煤灰掺量的影响，预测再生混凝土在硫酸盐与干湿循环耦合作用下的使用寿命，以期为再生混凝土在硫酸盐与干湿循环耦合作用下的应用提供一定的研究基础和理论依据。

2 试验原材料与试验方案

2.1 试验原材料

本次试验中水泥采用新疆天山水泥厂P.O42.5R水泥，水泥比表面积380 m2/kg。细骨料采用水洗砂，各项技术性质均符合《普通混凝土用砂质量标准》(JGJ 52—2006)的要求，颗粒级配符合Ⅰ区范围，细度模数为3.5。减水剂使用萘系高效减水剂，拌合水和养护水均使用饮用自来水。水泥、粉煤灰和粗骨料的性能指标分别见表1、表2、表3。

表1 水泥的性能指标Table 1 Indicators of cement performance

表2 Ⅰ级粉煤灰的性能指标Table 2 Indicators of fly ash performance

表3 再生粗骨料的基本性能Table 3 Basic properties of recycled coarse aggregate

表4 再生混凝土的配合比设计Table 4 Design mix proportions of recycled concrete

2.2 试验方案

本次试验主要考虑再生粗骨料取代率、水胶比、粉煤灰掺量对再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。将已配制好的拌合物制作成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件，标准养护28 d后，进行硫酸盐干湿循环侵蚀试验。首先将试件放入温度为(20±2)℃的5% Na2SO4溶液中浸泡3 d，保证溶液高出试件顶面(20～30)mm，并定期更换溶液，然后取出在室内环境下晾干3 d，此时为一个干湿循环。分别在干湿循环0，5，10，20，30，40，50，60次时测定其指标，测定指标为立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和质量损失率。立方体抗压强度、劈裂抗拉强度检测方法参照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)中相关内容。每次测定3个试件，并取平均值，以此减小误差。当质量损失率达到5%或强度损失达到25%时，试验终止。再生混凝土配合比设计如表4所示。

3 试验结果及分析

3.1 再生粗骨料取代率对再生混凝土耐久性能的影响

图1是不同再生粗骨料取代率对硫酸盐与干湿循环耦合作用下的再生混凝土抗压和劈拉强度的经时变化图。

图1 不同再生骨料取代率混凝土抗压强度及其劈拉强度Fig.1 Compressive strength and splitting tensile strength of concrete with different replacement ratio of recycled aggregate

从纵向看，随着再生粗骨料取代率增大，抗压和劈拉强度也在增大。从横向看，在干湿循环侵蚀0～5次时，抗压和劈拉强度均得到提高，5～10次时，抗压和劈拉强度均降低，10～20次时，均又有所提高，且在干湿循环20次时达到峰值，20～60次时，抗压和劈拉强度基本趋于稳定，波动幅度较小。

抗压强度和劈拉强度随再生粗骨料取代率增大而增大的原因是再生粗骨料的吸水率较大，拌和时吸收了大量水分，为之后的养护过程中水泥的水化提供水分，起到内养护作用。初期抗压和劈拉强度增长的原因，由于腐蚀源SO42-与混凝土中的氢氧化钙、水化铝酸钙反应生成了石膏和钙矾石，以及在干湿循环作用下，试件中硫酸盐溶液由于水分蒸发，产生了硫酸盐结晶体，从而填充了骨料与水泥石之间的孔隙，提高了试件的密实度[7]，进而使得试件的抗压和劈拉强度得到提高。随着干湿循环侵蚀次数增加，生成石膏和钙矾石的量也将继续增加，当产生的膨胀力大于试件内部拉力时，将发生骨料与水泥石之间的黏结破坏[8-9]，试件产生膨胀裂缝，甚至表面水泥石剥落，从而使试件的抗压和劈拉强度降低。随着时间的推移，粉煤灰中的SiO2与Ca(OH)2进行了二次水化反应，生成新的水化凝胶材料[10]，进而使抗压强度和劈拉强度提高，且达到最大值。当干湿循环到中后期时，生成的石膏和钙钒石产生的膨胀力平衡了粉煤灰二次水化作用产生的胶结力，以至于中后期的强度基本趋于稳定。

由图1(b)还可发现，在干湿循环5～10次时，劈拉强度下降更为迅速，其劣化程度较为严重，这表明劈拉强度受硫酸盐与干湿循环耦合作用的影响比抗压强度更为敏感。根据Santhanam等[11]的研究，试件表面先受侵蚀产生膨胀而受压,而内部未受侵蚀层将会产生拉力,试件的内部拉力和施加的劈拉荷载产生了叠加，而表面先受侵蚀层基本不提供抗拉能力，导致再生混凝土劈拉强度明显降低。另一方面，由于再生粗骨料附着老砂浆，制作再生混凝土时，形成薄弱新旧砂浆界面，在外荷载作用下，易产生裂缝，而劈拉强度对裂缝更敏感。单从再生粗骨料取代率对抗压和劈拉强度的影响，当再生粗骨料取代率为70%时，在整个硫酸盐干湿循环侵蚀过程中，抗压强度和劈拉强度相对较高且波动幅度较小，这表明受硫酸盐与干湿循环耦合作用影响较小，能达到较好的抗硫酸盐干湿循环侵蚀效果。

3.2 不同水胶比对再生混凝土耐久性能的影响

图2是不同水胶比对硫酸盐与干湿循环耦合作用下的再生混凝土抗压和劈拉强度的经时变化图。从纵向看，抗压和劈拉强度均随着水胶比的增大而降低，且水胶比为0.3的试件强度比水胶比为0.4,0.5的试件强度有显著的提高，水胶比为0.4的试件强度比水胶比为0.5的试件强度也有所提高，但并不显著。说明当水胶比<0.4时对再生混凝土在硫酸盐与干湿循环耦合作用的影响较大。从横向看，抗压与劈拉强度随干湿循环侵蚀次数的变化规律与图1的变化规律基本一致。

图2 不同水胶比再生混凝土抗压强度及其劈拉强度Fig.2 Compressive strength and splitting tensile strength of recycled concrete with different water-binder ratio

产生以上现象的原因，一方面由于再生粗骨料在破碎时不可避免地产生细微裂缝、附着砂浆等缺陷，导致试件的密实度降低，渗透性增大[12]。另一方面随着水胶比增大，试件内部含水量增大，水分蒸发产生的连通孔隙增多增大，进一步导致密实度降低，渗透性增大，从而使得腐蚀源SO42-更容易进入到试件内部，加快腐蚀源SO42-与氢氧化钙、水化铝酸钙反应生成石膏和钙钒石的速度。随着生成石膏和钙矾石的量不断增加，将发生膨胀裂缝破坏，导致试件表面开裂，进而为腐蚀源SO42-扩散到试件内部起到推动作用，导致试件的抗压强度和劈拉强度有明显的降低。而对于水胶比较低的试件，在标准养护条件下，具有密实度高，渗透性小，另一方面其具有吸附水层薄、裂缝少等微观结构特点[13]，因此腐蚀源SO42-很难进入到试件内部，所以试件的抗压强度和劈拉强度相对较高，其抗硫酸盐干湿循环侵蚀性能较好。单从不同水胶比对试件的抗拉强度和劈拉强度的影响来看，当水胶比为0.3时，在整个的硫酸盐与干湿循环耦合作用过程中，抗压强度和劈拉强度均比水胶比为0.4，0.5的试件有显著提高，且波动幅度也较小，能达到较好的抗侵蚀效果。

3.3 粉煤灰掺量对再生混凝土耐久性能的影响

图3是不同粉煤灰掺量对硫酸盐与干湿循环耦合作用下的再生混凝土抗压强度和劈拉强度的经时变化图。从纵向上看，相比未掺粉煤灰的再生混凝土，粉煤灰掺量在20%～30%的再生混凝土抗压强度和劈拉强度均有所提高，总体上随着粉煤灰掺量增加而增大。从横向上看，粉煤灰掺量在20%～30%的再生混凝土在整个硫酸盐干湿循环侵蚀过程中抗压强度和劈拉强度变化平稳，尤其在中后期波动幅度很小，表明掺粉煤灰可以改善再生混凝土的抗侵蚀性能。然而当粉煤灰掺量增加到40%时，抗压强度和劈拉强度均不理想，单看劈拉强度，到中后期的波动幅度比较大，受硫酸盐干湿循环侵蚀影响较明显，表明掺过量的粉煤灰并达不到理想的抗侵蚀效果。当粉煤灰掺量为30%时，试件的抗压强度和劈拉强度在整个硫酸盐干湿循环侵蚀过程中基本达到最大值，且中后期波动幅度小，受硫酸盐干湿循环侵蚀影响较小，表明再生混凝土在粉煤灰掺量为30%时能达到较好的抗侵蚀效果。

图3 不同粉煤灰掺量再生混凝土抗压强度及其劈拉强度Fig.3 Compressive strength and splitting tensile strength of recycled concrete with different fly ash content

这可能是由于粉煤灰的三大效应(形态效应、活性效应、微集料效应)的作用下[14-15]，粉煤灰细微颗粒均匀分散到水泥浆体中，填充、改善了再生混凝土的孔结构，有效地提高再生混凝土的致密性，阻止了腐蚀源SO42-的侵入。粉煤灰的掺入取代了一部分水泥，相对使得C3A 的含量降低，进而降低水化产物水化铝酸钙的浓度，减少生成钙矾石和石膏的产量。后期粉煤灰进行二次水化反应，不仅消耗了水泥石中大量的水化硅酸钙，减少了水泥石与硫酸盐反应生成的膨胀物[16]，而且产生了特殊凝胶，均改善了再生混凝土抗硫酸盐干湿循环侵蚀的性能。但是掺过量的粉煤灰，将会使得再生混凝土的抗压强度和劈拉强度显著降低，主要因为粉煤灰的成分是SiO2，Al2O3等, 具有较好的火山灰效应，但其活性较低，需要水泥水化作用时析出的Ca(OH)2对粉煤灰进行适当激活，才能使粉煤灰的火山灰效应发挥出来。如果再生混凝土中粉煤灰掺量较大，就会存在没有水化的粉煤灰，影响其抗压强度和劈拉强度，而此结论与已有结论[17-18]基本相同。因此要想提高再生混凝土的抗硫酸盐与干湿循环侵蚀性能，要适量掺加粉煤灰，且不应超过30%。

4 再生混凝土耐久寿命预测模型

4.1 自然衰变方程

理论上，混凝土的寿命是无限的，但是在硫酸盐与干湿循环耦合作用下,混凝土耐久性劣化是由于自身结构的损伤所导致，根据物质衰变方程理论[19],一切现实存在的物质都要衰变，所以再生混凝土也不例外。

假设再生混凝土耐久性某指标的初始值为R0，而Rt为再生混凝土衰变到t时刻的量值，则再生混凝土衰变速率可表示为

(1)

由式(1)积分后得

f=Rt/R0=ke-λt。

(2)

质量损失率，则有

(3)

式中：λ为自然衰变系数；k为待定系数，为再生粗骨料取代率、水胶比和粉煤灰掺量的影响系数。

本次试验主要以再生粗骨料取代率(R)、水胶比(W)和粉煤灰掺量(F)作为影响因素，并基于质量损失率，预测再生混凝土的寿命。

当fW=fR=fF=f时,有

(4)

4.2 自然衰变系数的确定

本试验假定当原材料、掺合料、水胶比等相同时，再生混凝土的质量损失规律也相同。再生混凝土在硫酸盐与干湿循环侵蚀若干天后，当质量损失率达到5%时，作为再生混凝土耐久寿命结束的判断依据。通过计算可求出以质量损失率作为再生混凝土耐久性评价指标时的衰变系数λ=0.000 5。但是根据现有的相关研究结论[20]，一致认为普通混凝土的衰变系数λ≥0.002 ，故本次试验取衰变系数λ=0.002。则再生混凝土在硫酸盐与干湿循环耦合作用下的质量损失表达式为

(5)

4.3 抗硫酸盐侵蚀影响函数的确定

本试验研究了再生粗骨料取代率为0%,30%,50%,70%,100%，水胶比为0.3,0.4和0.5，以及粉煤灰掺量为0%,20%,30%和40%的再生混凝土在硫酸盐与干湿循环耦合作用下的侵蚀性能，并分别以再生粗骨料取代率为0%、水胶比为0.3、粉煤灰掺量为30%、再生粗骨料取代率为70%、水胶比为0.3、粉煤灰掺量为30%、再生粗骨料取代率为70%、水胶比为0.3、粉煤灰掺量为0%的再生混凝土试件在硫酸盐与干湿循环耦合作用60次后的质量损失率为基准值，对试验数据处理后进行曲线拟合。以质量损失率为评价指标，再生粗骨料取代率、水胶比和粉煤灰掺量对再生混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响函数如图 4所示。

图4 再生粗骨料取代率、水胶比和粉煤灰掺量对再生混凝土质量损失率的影响函数Fig.4 Functions of mass loss rate with recycled coarse aggregatereplacement ratio, water-binder ratio, and fly ash content

4.4 硫酸盐干湿循环作用下的寿命预测

假设腐蚀源SO42-是通过扩散作用进入再生粗骨料混凝土中，并且遵循物质的衰变规律，同时发生化学反应，将以上所求的影响函数代入衰变方程，得到基于质量损失率的再生混凝土寿命预测模型为

(6)

其中kw,kr，kf表达式分别为：

kw= -63.2w2+52.34w-9.524;

kr= -1.461 9r3+1.548 1r2-0.198 2r+0.361 6;

kf= 61.292f3-35.313f2+2.710 8f+1.2 。

式中：w为水胶；r为再生粗骨料取代率；f为粉煤灰掺量。

假设某工程采用的是再生粗骨料取代率为70%，水胶比为0.3，粉煤灰掺量为30%的再生混凝土。当质量损失率达到5%时，那么认为再生混凝土工程的寿命结束。

将以上假设条件代入式(6)，可求得再生混凝土耐久寿命T=128 a。

5 结 论

(1)当再生粗骨料取代率为70%时，在整个硫酸盐干湿循环侵蚀过程中，抗压强度和劈拉强度相对较高，且波动幅度也相对较小，能达到较好的抗硫酸盐与干湿循环侵蚀效果。

(2)无论是抗压强度还是劈拉强度均随着水胶比的增大而降低，当水胶比为0.3时，再生混凝土抗硫酸盐与干湿循环侵蚀性能比较明显。

(3)相比未掺粉煤灰的再生混凝土，粉煤灰掺量在20%～30%时可以改善再生混凝土的抗硫酸盐与干湿循环侵蚀性能;但粉煤灰掺量在40%时，并达不到很好抗硫酸盐干湿循环侵蚀效果。

(4)当再生粗骨料为70%、水胶比为0.3、粉煤灰掺量为30%时，能达到较好的抗硫酸盐与干湿循环侵蚀效果，并将此条件代入预测模型，求得T=128 a。