硫酸盐干湿循环对再生骨料混凝土性能的影响

贾文亮，张 琴，李 昊

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)



硫酸盐干湿循环对再生骨料混凝土性能的影响

贾文亮，张 琴，李 昊

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

为了探讨再生骨料混凝土在硫酸盐作用下的耐久性能，选取再生粗骨料替代率为50%、100%的两组再生混凝土和普通骨料混凝土进行硫酸盐环境中的干湿循环试验。从侵蚀后混凝土表观形貌，质量、强度、超声波速经时变化规律分析混凝土的损伤特性。结果表明：再生骨料混凝土抗硫酸盐侵蚀能力小于普通骨料混凝土，且抗侵蚀能力随着再生骨料替代率的增加而降低。硫酸盐侵蚀后，混凝土质量、强度、超声波速经时变化曲线由上升段与下降段两部分组成。超声波法可以反映再生骨料混凝土侵蚀后的损伤特征。最后，建立了无量纲化超声波速与抗压强度之间的演化方程。

硫酸盐； 干湿循环； 再生骨料混凝土； 超声波速； 损伤特征

1 引 言

近年来，随着经济建设快速发展，世界范围内城市化建设速度不断加快，废旧建筑拆迁改造产生的大量废弃混凝土排放量逐年增加，对环境造成了非常严重的破坏。据统计[1-2]，美国、日本、欧洲等国每年产生的废弃混凝土以千万吨为计，而我国每年产生的建筑垃圾高达35亿吨[3]。如何解决如此庞大的建筑垃圾成为一个非常棘手的问题。再生混凝土具有绿色、无污染、可持续发展等特点，近年来再生骨料混凝土发展方兴未艾。硫酸盐侵蚀是影响混凝土耐久性的重要因素之一，我国西部地区土壤以及水溶液中含有大量的硫酸盐，这些地区的混凝土结构受硫酸盐侵蚀非常严重，尤其是水工混凝土经常遭受水位变化引起干湿作用的影响，对混凝土造成严重侵蚀[4]。因此，本文选取再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，简称RAC)和普通骨料混凝土(Natural Aggregate Concrete，简称NAC)在硫酸盐溶液中的干湿循环试验，探讨干湿循环作用对再生骨料混凝土耐久性能的影响规律，为再生骨料混凝土在我国西部地区使用提供一定借鉴。

2 试 验

2.1 试验原材料

水泥：蒙西P·O 42.5水泥；砂子：天然河砂，细度模数2.71，其他物理性能见表1；粗骨料：普通骨料选用粒径连续级配天然碎石，再生骨料选用经破碎后的混凝土(原设计强度C30)，骨料级配良好，其他物理性能见表1；水：普通自来水；外加剂：高效引气减水剂。

表1 骨料物理性能

2.2 试验配合比设计及相关性能

试验基准组为普通骨料混凝土，通过再生骨料取代普通骨料(卵石与碎石的混合料)组成两组再生骨料混凝土。再生粗骨料比表面积较大，且棱角分明，试验选用40%的砂率使再生骨料混凝土具有良好的工作性能。其配合比及基本性能见表2。

表2 混凝土配合比及其相关指标

2.3 试验方法

为了研究不同再生粗骨料替代率对再生骨料混凝土性能的影响，试验设计了多次硫酸盐环境中干湿循环试验，研究干湿循环经时变化对再生骨料混凝土质量、抗压强度和超声波速的变化规律。试验所用试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，抗压试验结果乘以换算系数0.95。侵蚀溶液为5%(质量分数)的MgSO4溶液。具体试验方法为：试件养护26 d后置于(80±5) ℃的烘箱中48 h，待冷却后放入MgSO4溶液中。干湿循环制度为：MgSO4溶液浸泡15 h→风干1 h→烘干6 h→冷却2 h→MgSO4溶液浸泡15 h，一个循环周期为1 d。

3 结果与讨论

3.1 表面破坏形态

图1为3组混凝土干湿循环100次的宏观形貌。由图1(a)可见，NAC混凝土经过100次干湿循环后表面形成很多微小裂纹，并且有部分砂浆剥蚀，棱角处侵蚀比较严重。由图1(b)可见，N-RAC混凝土表面有多处较宽的裂缝，并且逐渐向贯穿裂缝发展；表面起鼓现象非常严重，砂浆与基体已经不能很好的胶结，并且有白色硫酸盐结晶物析出。图1(c)可见，RAC混凝土侵蚀最为严重，表层砂浆几乎完全脱落，甚至有粗骨料外露现象，已经不能保持完整的形貌。这主要是因为硫酸盐与水泥水化产物发生化学反应生成膨胀性复盐，当膨胀性复盐的压应力大于水泥基材料的极限抗拉强度时，便会引起混凝土表面砂浆剥落。文献[5]表明，混凝土抗渗透性随着再生粗骨料替代率的增加而降低。RAC组混凝土进行了100%再生粗骨料替代，外部硫酸盐溶液可以更快的进入混凝土内部对混凝土造成损伤，宏观表现为RAC组混凝土侵蚀破坏比其他两种严重。硫酸盐的渗入是一个由表及里的缓缓过程，硫酸盐首先与混凝土表层的水化产物进行化学反应，复盐首先在混凝土表层富集。所以，混凝土表层的腐蚀程度要比内部严重很多。

图1 3组混凝土试件表观形貌特征(a)NAC;(b)N-RAC;(c)RACFig.1 Morphology characteristics in surface of 3 groups concrete

3.2 质量经时变化规律

3组混凝土质量经时变化规律如图2所示。由图2可见，3组混凝土凝结硬化后(干湿循环次数为0次)质量大小为NAC>N-RAC>RAC。产生这样的原因是因为N-RAC与RAC都掺有不同比例的再生粗骨料，由表1可知再生粗骨料(RA)的密度小于普通粗骨料(NA)，因此，硬化后再生骨料混凝土的质量随着粗骨料替代率的增加而减小。

150次干湿循环全过程内3组混凝土质量经时变化规律具有一定的相似性：由上升段与下降段两部分组成。上升段发生在干湿循环70次左右，经过最大值后混凝土质量开始快速下降，混凝土表面出现不同程度的掉渣、脱皮等现象。不论是上升段还是下降段，RAC组混凝土质量变化斜率均为最大，NAC质量曲线斜率最小。混凝土质量的增加主要来源于两部分：一部分是由于外界水分进入所引起。再生骨料混凝土吸水率与再生骨料替代率呈线性关系，当再生骨料替代率为50%时，混凝土的吸水率为4.00%；当替代率为100%时，混凝土的吸水率高达7.01%[6]。另外一部分是因为硫酸盐与水化产物发生化学反应生成盐类物质引起质量增加，硫酸盐与水泥发生化学反应的快慢程度主要与混凝土内部硫酸盐渗入量有关，混凝土自身抗渗性能越小，硫酸盐渗入量越大。由3.1可知，RAC混凝土的抗渗性能最小，所以RAC组再生骨料混凝土质量增长最为迅速。经过极值点后质量开始快速下降，150次循环后NAC、N-RAC、RAC3组混凝土质量下降分别为初始质量的93.7%、90.9%、86.9%，降幅为RAC>N-RAC>NAC。再生粗骨料表面包裹着一层硬化后的水泥砂浆，替代率越大，骨料中砂浆含量就越高。砂浆的孔隙率比较大，钙矾石、石膏和硫酸盐等结晶物在砂浆孔隙中形成了很大的膨胀应力，从而引起水泥砂浆开裂，在混凝土表层形成较宽的裂缝。

3.3 强度经时变化规律

3组混凝土干湿循环后强度经时变化规律如图3所示。由图3可见：干湿循环初期，混凝土抗压强度随着侵蚀时间的增加而增加，经过极值点后，强度随侵蚀时间的增加而下降。强度增长现象是因为：(1)干湿循环初期，混凝土处于一种养护状态，促进水泥水化[7]。(2)硫酸盐类结晶填充了混凝土内部微孔隙，增加了混凝土密实度，从而增加承压面积，进而增加了混凝土抗压强度。干湿循环中后期，由于硫酸盐晶体在混凝土孔隙内不断富集，最终造成混凝土内部产生微小裂纹[8]。这种裂纹为硫酸盐的进入提供了便利条件，进而在混凝土内部产生裂缝，造成混凝土强度下降。

NAC混凝土强度最大值为干湿循环60次，RAC、N-RAC混凝土强度最大值为干湿循环45次，3组混凝土最大值的差异比较小。RAC、N-RAC两组混凝土抗渗性能小于NAC混凝土，所以硫酸盐进入这两组混凝土的量要大于NAC混凝土，硫酸盐晶体在RAC、N-RAC内增长比较迅速，所以这两组混凝土强度极值点出现早于NAC混凝土。另外，RAC、N-RAC两组混凝土都存在不同质量的再生骨料，再生骨料在破碎过程中砂浆受到不同程度的初始损伤，从而形成一定的初始裂纹，对混凝土强度造成一定的影响[9]。经过150次循环后3组混凝土的抗压强度已经不能满足30 MPa，RAC混凝土强度下降为23.5 MPa。150次循环后NAC、N-RAC、RAC混凝土的强度下降为初始强度的83.9%、77.4%、72.3%。

图2 3组混凝土质量经时变化规律Fig.2 Relationship between mass and dry-wet cycles of 3 groups concrete

图3 3组混凝土强度经时变化规律Fig.3 Relationship between compressive strength and dry-wet cycles of 3 groups concrete

3.4 超声波速经时变化规律

图4 3组混凝土超声波速经时变化规律Fig.4 Relationship between ultrasonic velocity and dry-wet cycles of 3 groups concrete

混凝土强度无损检测方法有回弹法、超声波法、超声-回弹综合法等，超声波法是利用声波在混凝土中的传播速度的快慢反映混凝土内部结构的密实程度。混凝土损伤后，引起内部出现裂纹或局部疏松，声波将会绕过或反射穿过试件，从而增加声波传输路径，降低波速[10-11]。图4为干湿循环后混凝土超声波速经时变化关系。由图4可见，干湿循环后混凝土超声波速的变化规律与强度变化规律相类似，由上升段与下降段两部分组成。且超声波速极值点与强度极值点出现时间相同。下降阶段3组混凝土超声波速数值大小关系为NAC>N-RAC>RAC，由此表明，随着再生骨料替代率的增加，混凝土的抗侵蚀能力逐渐降低，内部密实度也随着再生骨料含量的增加而降低。NAC与RAC所不同的是粗骨料，再生骨料混凝土粗骨料与砂浆界面区实质上是新旧砂浆界面区。而再生骨料混凝土界面区的密实程度以及抗侵蚀能力小于普通骨料混凝土，因此，有更多的硫酸盐对此区域进行损伤，从而降低界面区密实度，降低声波传播速度。NAC、N-RAC、RAC组混凝土干湿循环120次到150次的下降幅度比较明显，表明硫酸盐干湿循环加速了混凝土后期的侵蚀程度。干湿循环150次后，RAC混凝土超声波速下降为87.2%，由图1(c)可见，RAC组混凝土已经不能满足完整的形貌。

3.5 强度与超声波速的关系

超声波速可以反映混凝土内部的密实程度，混凝土内部越密实，则强度越高，耐久性能越好，波速越快[12]。由图3、4可见，干湿循环损伤全过程内超声波速与强度的变化规律相类似，且极值点出现时间一致。可见，强度与超声波速之间存在一种必然联系。图5表示3组混凝土超声波速与强度的实测数据点，由图5可见，3组混凝土超声波速与强度之间呈现较好的线性关系。为了更好地表示3组混凝土强度与超声波速的关系，将强度与超声波数据进行无量纲化处理，对无量纲化数据点进行回归演化，其演化结果如式(1)所示。由图6可以看出：3组混凝土超声波速与强度之间存在较好的线性关系，演化结果与测试值之间的误差比较小。由此说明，再生骨料混凝土干湿循环侵蚀后其抗压强度也可采用超声波法测试。

(1)

式中：σ、σ0分别表示干湿循环0次和n次混凝土立方体抗压强度，V、V0分别表示干湿循环0次和n次混凝土的超声波速。

图5 混凝土超声波速与强度的关系(a)NAC;(b)N-RAC;(c)RACFig.5 Relationship between compressive strength and ultrasonic velocity

图6 混凝土超声波速与强度的关系拟合Fig.6 Fitting of compressive strength and ultrasonic velocity

4 结 论

(1)再生骨料混凝土抗硫酸盐侵蚀能力小于普通骨料混凝土，抗侵蚀能力随着再生骨料替代率的增加而降低。硫酸盐侵蚀后再生骨料混凝土表层砂浆剥蚀比较严重，100%替代率下再生骨料混凝土干湿循环100次后已经不能保持完整形貌;

(2)再生骨料混凝土与普通骨料混凝土干湿循环全过程中，质量、强度和超声波速经时变化规律相类似，变化曲线由上升段和下降段两部分组成，上升段极值点相差比较小。下降阶段，再生骨料混凝土的损伤劣化速度大于普通骨料混凝土，且随再生骨料替代率的增加而增大;

(3)超声波速可以敏感的反映再生骨料混凝土侵蚀后内部微结构变化，并且与侵蚀后抗压强度之间存在较好的线性关系，以此为基础，建立了无量纲化的超声波波速与抗压强度之间的演化方程。

[1] 张向冈,陈宗平,薛建阳.再生混凝土的物理与力学性能试验研究[J].硅酸盐通报,2015,34(6):1684-1689.

[3] 新华网.我国每年建筑垃圾产生35亿吨,资源化利用亟待提高[EB/OL].http://news.xinhuanet.com/house/cs/2015-12/14/c_1117446482.htm.

[4] 王海龙,董宜森,孙晓燕,等.干湿交替环境下混凝土受硫酸盐侵蚀劣化机理[J].浙江大学学报:工学版,2012,46(7):1255-1261.

[5] 吴祖达.再生骨料混凝土性能研究[D].厦门:华侨大学,2014.

[6] 李雯霞,张 雄,刘 昕.再生混凝土中再生骨料取代率、浆含量、表观密度和吸水率的关系探讨[J].混凝土,2009,(10):60-63.

[7] 韩俊涛,申向东.浮石混凝土力学性能及抗硫酸盐侵蚀试验研究[J].新型建筑材料,2013,40(9):15-18.

[8] 王 琴.混凝土在干湿循环与硫酸盐侵蚀双重因素作用下的损伤研究[D].扬州:扬州大学,2008.

[9] Xiang-Hao W U,Yue P J.Experimental study on chloride Ion penetration into recycled aggregate concrete[J].JournalofBuildingMaterials,2011,14(3):381-380.

[10] 曹凌坚,吕朝坤.超声法检测高温后混凝土抗压强度的试验研究[J].混凝土,2009,(6):19-20.

[11] 李 艺.矿物掺合料再生混凝土抗压强度及非破损检测试验[D].延吉:延边大学,2012.

[12] 安新正,易 成,赵长彪,等.硫酸盐环境下再生混凝土的损伤演化研究[J].河北工程大学学报:自然科学版,2012,29(2):1-6.

Effect of Sulfate Dry-Wet Cycles on the Performance of Recycled Aggregate Concrete

JIAWen-liang,ZHANGQin,LIHao

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

To study durability of recycled aggregate concrete with the help of sulfate,the experiment of dry-wet cycle based on recycled aggregate concrete of which was 50 and 100 percent of replacement rates with two groups of recycled aggregate concrete and natural aggregate concrete.The damage development was evaluated by apparent characteristics of attacked concrete under the condition of sulfate,mass,compressive strength and ultrasonic velocity changes over erosion time.The results showed that the sulphate-resistance of recycled aggregate concrete is not as good as natural aggregate concrete.And the ability of erosion resistance is decreasing with the increase of the replacement ratio of recycled aggregate.After the erosion of sulfate,the change curve is ascending and descending,in which the mass,compressive strength and ultrasonic velocity of concrete are related with time.The method of ultrasonic reflects the damage feature of recycled aggregate concrete after the erosion of sulfate.As a result,the evolution equation of dimensionless ultrasonic and compressive strength was built.

sulfate;dry-wet cycle;recycled aggregate concrete;ultrasonic velocity;damage characteristic

国家自然科学基金项目(51169014)

贾文亮(1981-)，男，讲师.主要从事建筑材料、建筑学方面的教学和研究.

TU528.01

A

1001-1625(2016)12-3981-06