硫酸盐环境下再生骨料混凝土的抗冻性能

贾文亮,李　昊,张　琴

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特　010018)



硫酸盐环境下再生骨料混凝土的抗冻性能

贾文亮,李昊,张琴

(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抗冻耐久性能，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冻融试验，以质量损失率和相对动弹性模量判别混凝土的抗冻性能。结果表明：质量损失率用于表征再生骨料混凝土的损伤劣化规律具有一定的局限性；相对动弹性模量的变化比较敏感，可以很好的表征再生骨料混凝土的损伤程度；再生骨料混凝土的抗盐冻性能明显低于普通骨料混凝土。以此为基础，建立了Weibull概率函数与冻融损伤度之间的演化方程，演化方程可以很好表述冻融循环次数与相对动弹性模量的变化规律，为后续的分析研究提供了一定借鉴。

硫酸盐； 冻融； 再生骨料混凝土； 损伤度； 相对动弹性模量

1　引　言

目前，混凝土依然是基础建设的主要建筑材料之一。近年来，随着经济建设的快速发展，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。据统计[1-3]，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[4]。我国的建筑垃圾普遍采取堆放和掩埋的方式处理，其综合利用率不足5%，远远低于欧盟(90%)、日本(97%)和韩国(97%)等发达国家和地区[4]。如何解决如此庞大的建筑垃圾成为一个非常棘手的问题。废弃混凝土的再利用主要将其作为再生混凝土和再生水泥，再生混凝土具有绿色、无污染、可持续发展等特点，近年来逐渐受到专家学者的重视。然而，对于再生骨料混凝土的抗冻耐久性能，没能提出统一定论,再生骨料混凝土的抗冻耐久性能主要与其强度、含气量、渗透性等因素有关。硫酸盐对混凝土腐蚀非常严重，硫酸镁作为硫酸盐中腐蚀性最大的一种，其主要原因是硫酸根离子与镁离子的复合损伤[5]。本文选取5%的硫酸镁溶液，研究再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，简称RAC)和普通骨料混凝土(Natural Aggregate Concrete，简称NAC)在硫酸镁作用下的抗冻耐久性能。探讨再生骨料混凝土在镁离子和硫酸根离子双因素作用下的损伤劣化规律，以期为再生骨料混凝土在严寒地区的利用提供一定参考。

2　试　验

2.1试验原材料

表1　水泥基本性能指标

表2　骨料物理性能

图1　粗骨料粒径分布图Fig.1　Particle size distribution of coarse aggregate

水泥：蒙西P·O42.5水泥，各项性能指标见表1；砂子：颗粒级配良好的天然河沙，细度模数2.71，其他物理性能见表2；粗骨料：普通骨料选用粒径连续继配天然碎石，再生骨料选用经破碎后的混凝土(原设计强度C30)，骨料的级配性能见图1，其他物理性能见表2；水：普通饮用水；外加剂：高效引气减水剂。

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碎石组成两组再生混凝土。考虑到再生骨料混凝土的流动性较差，砂率选取了40%。其配合比及相关性能见表3。

表3　混凝土配合比及其相关指标

2.3试验方法

本试验共3个配合比，抗冻性试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，立方体抗压试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，各工况试件个数3个。抗压试件养护28 d，按照普通混凝土力学性能试验方法标准(GB 50081-2002)进行力学性能测试。抗冻试件养护24 d，在15～20 ℃的清水溶液中浸泡4 d，按照普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GBT 50082-2009)中“快冻法”进行抗冻性试验。冻融环境选取质量分数为5%的硫酸镁溶液，每冻融循环25次测试动弹性模量和质量的变化。

3　结果与讨论

混凝土相对动弹性模量和质量损失率是判别混凝土损伤劣化程度的主要指标，图2、图3为3组混凝土冻融循环相对动弹性模量及质量变化规律的关系曲线。

3.1相对动弹性模量

相对动弹性模量可以反映混凝土经冻融循环后内部结构的损伤劣化程度，由图2可见，3组混凝土的相对动弹性模量随冻融循环的增加而减小，RAC组相对动弹性模量下降最为迅速，NAC组最为缓慢，n-RAC组介于这两组之间。n-RAC和RAC组经过200次冻融循环已经不能满足相对动弹性模量大于60%的抗冻性指标，且相对动弹性模量的下降速率随着再生骨料替代率的增加而增大。而NAC经过200次冻融循环相对动弹性模量下降为67.1%。由此说明再生骨料混凝土的抗冻性能小于普通骨料混凝土。产生这样的原因主要是因为再生粗骨料的加入改变了原始混凝土结构的内部组成。再生粗骨料是经混凝土破碎而成，在破碎过程中不可避免对再生骨料造成初始损伤，混凝土内部水周期性相变导致混凝土内部周期性出现拉压应力，这种拉压应力对再生骨料造成二次损伤[6-8]，这种损伤是不可逆的，并随着冻融次数的增加而增大。另外，砂浆-骨料界面过渡区也是影响再生骨料混凝土抗冻耐久性的重要区域，再生骨料的吸水率远大于普通骨料，30 min内吸水几乎接近饱和，这部分吸取的水分主要存在于砂浆中，所以再生骨料混凝土砂浆-骨料界面过渡区实际上是新旧砂浆的结合区。旧砂浆吸取了大量水分，水转化为冰后体积增加了9%，这部分增加的体积集中在旧砂浆内，附着在再生骨料上的旧砂浆首先发生破坏，进而诱发周围新砂浆出现裂缝，多次冻融循环后这种微裂缝形成了贯穿裂缝，最终导致混凝土发生破坏。

图2　相对动弹性模量与冻融循环次数的关系Fig.2　Relationship between relative dynamic modulus and freeze-thaw cycles

3.2质量损率失及形态变化

由图3可见，冻融初期n-RAC和RAC两组质量损失率存在都不同程度的负增长，前50次冻融循环RAC组质量的增加量明显高于n-RAC组。这两组混凝土质量增加主要来源与两部分，一部分是因为外部水分通过毛细管的传输进入混凝土内部所引起，另一部分是因为进入混凝土内的硫酸镁与水泥水化产物发生化学反应生成盐类结晶物所引起[9,10]。再生骨料混凝土新旧砂浆结合区是薄弱环节，混凝土渗透性能是影响混凝土抗冻耐久性的主要因素之一。随着骨料替代率的增加导致混凝的抗渗透性能逐渐下降，从而为盐溶液的进入提供了有利条件。尽管冻融前期混凝土表面出现一些破落，但盐溶液的不断进入与富集最终导致质量损失率出现负增长。当混凝土内部质量的增加量小于外表面砂浆的脱落时，质量损失率开始出现正值。NRC组在整个冻融期间质量损失率没有出现负值，尽管NRC组混凝土也存在水分的吸入，但是硫酸镁溶液的侵蚀为硫酸根离子与镁离子的双向侵蚀，冻融循环25次NRC组混凝土表面已经出现比较严重麻面现象，增加的重量不足以抵消表皮脱落重量。冻融循环125次以后3组混凝土质量损失率的变化规律表现为RAC>n-RAC>NRC组。n-RAC和RAC两组再生混凝土经过前期的冻融劣化后进入了快速劣化阶段，200次冻融循环后表面已经有粗骨料外露，质量损失率急剧上升。

由图2可见，n-RAC和RAC两组再生混凝土200次冻融期间相对动弹性模量没有出现上升现象。而图3质量损失率的变化规律为先下降再上升，且200次冻融循环后质量损失率均小于5%。由此可见，相对动弹性模量对混凝土的损伤劣化的表征比较敏感，而质量损失率的变化用于表征再生骨料混凝土具有一定的局限性。

4　冻融循环损伤演化方程建立

4.1冻融损伤机理

由以上分析可知，相对动弹性模量变化规律可以很好的表征混凝土冻融损伤劣化过程。因此，选用相对动弹性模量表述混凝土冻融机理。混凝土冻融循环初期，原始结构有较好的整体性，渗透性相对较小，进入混凝土内部的水量较少。此时，相对动弹性模量呈缓慢平稳下降趋势。随着冻融次数的增加，正负温度交替作用对混凝土内部造成了一定的物理损伤，交替的拉压应力迫使混凝土产生不可逆的裂纹，且这种裂纹不断的扩散引起新裂纹的产生[11]。因此，增大了混凝土的渗透性，外部水分大量进入混凝土内部，经过前期损伤混凝土内部形成了较大裂缝，水溶液能够自由移动，从而混凝土结构变得疏松。此时混凝土开始加速破坏，相对动弹性模量也开始加速下降。

4.2Weibull损伤演化方程建立

混凝土的损伤劣化大多具有随机性，因此采用概率函数来表征混凝土的劣化过程是必要的。文献[12-14]表明：利用Weibull双参数或三参数分布函数刻画混凝土损伤劣化是可行的。本文采用Weibull双参数建立再生骨料混凝土的冻融损伤演化方程。

Weibull双参数分布函数为：

(1)

混凝土损伤度定义为：

D(N)=1-Er

(2)

由式(1)、(2)可知：

(3)

式中：a为尺度因子；b为威布尔形状因子，a、b为待定系数；Er为混凝土的相对动弹性模量。

由图2相对动弹性模量试验结果及式(2)计算，应用式(1)拟合得到3组混凝土冻融损伤演化模型，图4为拟合曲线与实测点的关系，式(1)系数如表4所示，相关系数接近于1，表明拟合较好。

图4　相对动弹性模量与模型之间的关系图Fig.4　Relationship between relative dynamic modulus and freeze-thaw cycles attenuation model

No.abR2NAC275.22.9320.9877n-RAC246.22.4970.9882RAC217.42.0570.9934

5　结　论

(1)质量损失率用于评价再生骨料混凝土的抗冻性能具有一定的局限性，相对动弹性模量对再生骨料混凝土损伤劣化比较敏感，可以很好的表征再生骨料混凝土损伤劣化性能;

(2)相对于普通骨料混凝土，再生骨料混凝土抗硫酸盐冻融耐久性较差，并且随着再生粗骨料替代率的增加而增加，经过200次冻融循环再生骨料混凝土相对动弹性模量已经不能满足抗冻性规范要求;

(3)Weibull双参数损伤模型可以表征混凝土损伤劣化规律，为再生骨料混凝土服役寿命预测提供一定的支撑。

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Frost Resistance Property of Recycled Aggregate Concrete under Sulfate Environment

JIAWen-liang,LIHao,ZHANGQin

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

To explore frost resistance of recycled aggregate concrete with the help of sulfate, the experiment of freeze-thaw 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 in condition of sulfate was conducted to investigate the frost resistance property as the criterions were mass lose rates and relative dynamic modulus. The results showed the limited damage degree was characterized via mass lose rate and the change of relative dynamic modulus was sensitive, which can represent the damage degree of recycled aggregate concrete. The frost resistance of recycled aggregate is lower than natural concrete apparently, which can lay a basis for building the evolution equation which can illustrate the variation laws of frequency of freeze-thaw and relative dynamic modulus between Weibull probability function and freeze-thaw. It can provide some

for further studies.

sulfate;freeze-thaw;recycled aggregate concrete;damage degree;relative dynamic modulus

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

A

1001-1625(2016)06-1816-05