受硫酸盐侵蚀的再生混凝土耐久性研究

2019-09-17

长江科学院院报 2019年9期

(西安理工大学水利水电学院，西安 710048)

1 研究背景

建筑废料(也称建筑垃圾)是在建筑物施工过程中产生的废弃料。仅仅我国的废弃料堆积量就能达到每年数千万吨，如果对其不加控制，建筑垃圾将对环境造成严重的破坏[1]。制备再生混凝土时用到的再生粗骨料就来源于建筑废弃料中的废弃混凝土，所以再生混凝土的研究不仅有利于工程建筑，还对环境保护起到积极作用。

目前，不少研究人员对再生混凝土抗硫酸盐溶液侵蚀的作用机理和耐久性有了较多的研究，如：祁兵等[2]探究了硫酸根离子在再生混凝土中的传输规律，在干湿循环条件下，考虑了矿物掺合料对硫酸盐溶液侵蚀的影响，还总结出粉煤灰和矿粉等对硫酸盐侵蚀有阻碍作用；安新正等[3]研究发现了不同浓度的硫酸钠溶液对再生混凝土性能的劣化规律，即随着硫酸盐溶液浓度升高，全再生混凝土的相对动弹性模量降低衰退；此外，安新正等[4]针对6%质量分数的硫酸钠溶液探究了再生混凝土的腐蚀特性，发现低再生粗骨料取代率的再生混凝土的劈裂强度有所提高；闫宏生[5]研究发现水胶比对再生混凝土结构抗硫酸盐侵蚀也有影响，降低水胶比会提高结构抗硫酸盐的腐蚀性能；薛建阳等[6]探究了在硫酸盐溶液中再生混凝土的力学性能和耐久性，提出合理的配合比有利于改善再生混凝土受环境的影响，提高耐久性；肖建庄等[7]从多方面环境因素研究了再生混凝土的耐久性，并就再生混凝土的进一步研究提出了相关问题；刘玉莲等[8]结合国内外文献，综述了再生混凝土耐久性的研究进展，并就耐久性能的进一步研究内容提出有益的建议；魏应乐[9]对再生混凝土的硫酸盐侵蚀进行了分析，提出了减小水灰比、掺加粉煤灰等改善混凝土的耐久性措施。

如今，国内外对再生混凝土的耐久性研究较多，特别是矿物掺和料和水胶比对再生混凝土耐久性的影响有了较多的研究，而再生粗骨料取代率对再生混凝土受硫酸盐溶液侵蚀影响的研究文献较少[10-13]。水利枢纽工程中，环境中含有大量水分，一般环境水中硫酸镁含量较多，对建筑物的侵蚀作用不容忽视，且干湿交替的环境可简单模拟环境水的涨退，以探究其对侵蚀速率的影响。为此，本文考虑在干湿循环-硫酸镁溶液耦合作用的基础上，进行了再生粗骨料取代率对再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性能影响的试验研究，对比分析了多因素作用下再生粗骨料取代率对抗硫酸盐侵蚀性能的影响，以期为实际工程中选择再生粗骨料的掺量提供参考。

2 试验原材料和试验方法

2.1 试验原材料

试验中用到的水泥是铜川水泥厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥(P·O)；天然粗骨料是渭河二级配卵石；再生粗骨料是废弃的混凝土经过破碎、整形、清洗、烘干、筛分后得到的二级配骨料；细骨料是陕西渭河河砂，细度模数2.9，属于中砂，含泥量5%；外加剂采用的是聚羚酸高效减水剂。粗骨料的基本性能见表1。

表1 试验选用的粗骨料的基本性能Table 1 Basic properties of coarse aggregate used in the test

2.2 配合比

试验用的再生混凝土的配合比见表2。再生混凝土试件在温度为(20±2)℃、相对湿度≥95%的条件下养护28 d后进行试验。

表2 再生混凝土配合比Table 2 Mix proportion of recycled concrete

2.3 试验方案

本试验4类再生混凝土试件均制作4个试块，分别为1个100 mm×100 mm×100 mm的正方体试块和3个100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试块，前者更便于表观观测分析，后者用于试验分析。干湿循环试验采用完全浸入方式进行，即将试件全部浸泡在硫酸镁溶液(质量分数5%)中。干湿循环流程为：循环周期1 d，室温下试件在溶液中浸泡16 h，随后在60 ℃温度下干燥7 h，之后室温下冷却1 h，以此为一个干湿循环周期。每25 d为一个测试周期，每个测试周期结束后测定试件在冷却时的质量、长度以及相对动弹性模量。其中相对动弹性模量采用共振法混凝土动弹性模量测定仪测定，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[14]进行试验操作，测试中仪器的显示值即为相应横向基频，进而可计算出试件的相对动弹性模量。

每2个测试周期结束后利用紫外分光光度计法测定试件深度分别为2，5，8，11 mm处的硫酸根离子的浓度。在试件的特定深处钻取少量样品，烘干后浸泡至蒸馏水中，浸泡1 d后过滤溶液得到滤液，并在滤液中加入盐酸和氯化钡的混合液，得到待测定溶液；接着将溶液移入比色皿中，利用紫外分光光度计测定吸光度。另取10组不同浓度的硫酸镁溶液，测定吸光度，拟合标准的硫酸镁浓度-吸光度曲线，这样就可以利用测定的吸光度得出硫酸根离子浓度。当混凝土的质量损失达到2%或干湿循环次数达到150次时，停止试验。

试件质量损失率、伸长率和相对动弹性模量的计算公式分别为：

(1)

(2)

(3)

式中：Δm即为所求得的质量损失率(%)；m0为试件养护结束后，干湿循环试验前所测得的质量(g)；mn为在第n次干湿循环时测得的试件的质量(g)；ΔL为试件的伸长率(%)；Ln为第n次干湿循环时测得的试件的伸长长度(cm)；L0为试件养护结束后，干湿循环试验前所测得的试件长度(cm)；E为所求试件的相对动弹性模量(%)；fn为第n次干湿循环时试件的横向基频(Hz)；f0为干湿循环试验前的横向基频初始值(Hz)。

图1 试验前后的再生混凝土试块Fig.1 Specimens of recycled concrete before and after test

3 结果与分析

3.1 试验前后再生混凝土的外观形态

在干湿循环和硫酸镁溶液耦合试验前后，试块外观形态差别显著，如图1所示。图1中的(a)，(b)为试验前任取的2个试验试块，可以看出，此时试块平整度较高，表面孔洞微小且分布较少，结构密集。图1中(c)—(f)为再生粗骨料取代率分别为0%，20%，50%，100%的4组再生混凝土试块在干湿循环和硫酸盐侵蚀耦合试验结束后的表观形态。4组试件受硫酸盐侵蚀后表面颜色均泛红，微小孔洞增多，且表面出现裂缝。R0组试块的裂缝最少且不明显，试块完整度高，表面较平整，结构相对密集；R20组试块出现明显开裂现象，但裂缝较少，完整度不如R0组试块，表面已有部分脱落现象，结构不密集；R50组试块与R20组试块较接近，但裂缝明显增多，表面脱落较严重，结构松散，且表面出现小部分灰黑色小块，这是干湿循环作用下长期高温灼烧的结果；R100组试块边角损失较明显，表面脱落严重，结构极其松散，表面有明显的灰黑色小块且数量较多。

3.2 再生粗骨料掺量对结构质量损失率的影响

图2给出了在干湿循环作用下，再生混凝土的硫酸盐侵蚀对试件质量的影响。由图2可以看出随着试验龄期增长，试件的质量损失率逐渐变大，质量逐渐降低。第25次干湿循环测得R100，R50，R20，R0组试件的质量损失率分别为0.05%，0.03%，-0.05%，0.01%，发现质量损失率都较低且有负值出现。原因是硫酸根离子会与混凝土中水泥水化的产物发生化学反应，生成针棒状钙矾石晶体，晶体物质会填充再生混凝土的孔隙使结构质量增大，同时在结构内部产生了膨胀应力[15-16]。随着结构中硫酸根离子逐渐扩散，生成的晶体物质逐渐增多，膨胀应力也逐渐增大，导致结构不足以承受较大的膨胀应力而出现开裂破损，致使结构质量逐渐受损[17]。

图2 再生混凝土的质量损失率变化Fig.2 Change of mass loss rate of recycled concrete

R100，R50两组试件由于结构孔隙较多，不能承受较大的膨胀应力而导致在第25次干湿循环前就已经开裂破坏，结构质量受损；R20组试件由于再生粗骨料掺量较低，结构相对更密实，能承受较大的膨胀应力，在第25次干湿循环时尚未被硫酸盐侵蚀破坏，且此时晶体物质的增多使结构质量增加；R0组试件是普通混凝土，不如再生混凝土有较多孔隙可供钙矾石晶体填充，致使结构遭受更大的膨胀应力，导致结构较早出现破坏，因此在第25次干湿循环时质量已经受损。

第150次干湿循环测得R100，R50，R20，R0组试件的质量损失率分别为0.35%，0.30%，0.28%，0.25%，可以看出R100组试件的质量损失得最多，R50，R20组次之，R0组试件质量损失最少，即再生粗骨料的掺量越多，试件的质量损失率越大。这是因为再生混凝土结构薄弱，不能承受更大的膨胀应力而加速结构受损，且再生粗骨料取代率越高，结构薄弱面越多，受损越快，质量损失就越快[18]。

3.3 再生粗骨料掺量对结构相对动弹性模量的影响

图3为干湿循环-硫酸镁耦合作用下，再生粗骨料取代率对不同干湿循环次数下再生混凝土相对动弹性模量的影响规律。相对动弹性模量表征的是结构的密实度，所以结构的密实度越大，相对动弹性模量就越大，而在干湿循环和硫酸盐溶液共同作用下结构的密实度变化较为复杂。

图3 再生混凝土的相对动弹性模量变化Fig.3 Variation of relative dynamic modulus of recycled concrete

根据图3可将4组试件相对动弹性模量的变化过程分为初期、中期和后期。

(1)干湿循环初期，4组试件的相对动弹性模量下降相对匀速。这是因为在试验初期，干湿循环的影响较大，使结构形成较多的干缩裂缝；而硫酸盐侵蚀的影响较弱，影响因素近乎单一，结构密实度减少较均匀，因此相对动弹性模量下降相对匀速。

(2)在干湿循环中期，相对动弹性模量下降相对变缓。由于硫酸盐侵蚀的影响逐渐增大，硫酸根离子在强吸水性的作用下很轻易地就渗入到结构孔隙等薄弱处，增加了结构中硫酸根离子的浓度，进而发生化学反应生成结晶体，固相物质的增多就填充了结构的裂缝，从而减缓了干湿循环对结构的影响，使得结构密实度趋于稳定，所以相对动弹性模量下降相对平缓。

(3)干湿循环后期，试件的相对动弹性模量均有明显下降。因为硫酸盐侵蚀形成的固相物质越来越多，从而产生膨胀应力对结构产生破坏作用，加快结构形成孔隙和裂缝，导致结构密实度加速降低，所以相对动弹性模量加速下降。

图3中，每组试件的3个时期的分界线不统一，但可以明确的是再生粗骨料掺量越少，3个阶段出现得越慢越明显。例如，在第75次干湿循环之后R0组试件的相对动弹性模量才开始变平缓，而R20和R50组试件在第50次干湿循环就已经开始平缓下降，R100组试件在进入平缓期后，还没达到下一个测试周期就已受侵蚀破坏，进入加速下降期。

4组试件的相对动弹性模量均呈现逐渐下降的规律，R100组试件下降得最快，在第125次干湿循环周期测得的动弹性模量是初始的65.1%，而其他3组试件在整个试验过程中相对动弹性模量均未降低到65.1%以下，说明再生粗骨料取代率越大的再生混凝土，其相对动弹性模量受干湿循环-硫酸盐耦合作用的影响越明显。因为相对动弹性模量的变化和试件受侵蚀破坏有关，随着干湿循环龄期增长，试件由于硫酸根离子的作用而受到的破坏损伤会越来越严重，致使再生混凝土结构部分开裂，因此相对动弹性模量会逐渐降低[19-20]。

3.4 再生粗骨料掺量对结构长度变化的影响

干湿循环-硫酸镁溶液耦合作用下，再生混凝土的线性长度也会有变化，而且不同再生骨料取代率的再生混凝土的伸长率也有规律可循，如图4所示。

图4 再生混凝土轴向长度变化Fig.4 Variation of axial length of recycled concrete

将试件伸长率的增幅变化分为如下3个阶段：第1阶段(0～50次干湿循环)，每组试件的伸长率都≤0.01%，再生混凝土的伸长率几乎为0，试件仅微有伸长；第2阶段(50～100次干湿循环)，R0，R20，R50，R100组试件的伸长率分别达到了0.08%，0.07%，0.09%，0.12%，分别比第1阶段增长了0.07%，0.07%，0.08%，0.11%，可见第2阶段试件伸长较多，且增长较快；第3阶段(100～150次干湿循环)，4组试件伸长率比第2阶段分别增长了0.13%，0.18%，0.23%，0.32%，这个阶段增长速度明显加快，增长幅度大于前2个阶段。因此在试验过程中，试件逐渐伸长，试件伸长率经历了3个阶段的增长，且增长幅度越来越大。

在试验结束时，R0，R20，R50，R100组试件的伸长率分别达到了0.21%，0.25%，0.32%，0.45%，再生混凝土的伸长率随着再生混凝土取代率的增大而增大。再生混凝土试件中的微裂缝、孔隙等容易吸收环境水中的硫酸根离子，这些硫酸根离子会和混凝土中的成分发生化学反应生成膨胀性产物，引起结构产生膨胀变形，导致试件的体积增大，在物理性质上表现为试件伸长。再生骨料掺量的增多会导致结构裂隙增多，所以再生骨料取代率越大的再生混凝土在试验中伸长得越多。不掺再生骨料的普通混凝土在前100次干湿循环时期，试件的伸长率均不大于R100组试件，与R50组试件伸长率较接近，且均大于R20组试件的伸长率；而在第100次干湿循环之后，试件伸长率则表现为再生骨料取代率越大，伸长得越多。说明R20组试件中某个内部结构存在大孔隙的试块对伸长率有较大的影响，在试验前期受到的膨胀变形反而不如普通混凝土多，导致R20组试件伸长长度不如R0组试件大。在100次干湿循环之后，这种大孔隙结构逐渐遭到破坏，再生混凝土比普通混凝土会产生更多的膨胀性产物导致体积变形，试件伸长，伸长率超过普通混凝土。

图5 再生混凝土中特定深度处硫酸根离子浓度变化Fig.5 Variation of sulfate ion concentration at specific depths in recycled concrete

3.5 再生粗骨料取代率对硫酸盐溶液侵蚀的影响

干湿循环-硫酸镁溶液耦合作用下，不同再生粗骨料取代率的再生混凝土不同深度处的硫酸根离子浓度变化规律见图5。结果表明，再生粗骨料取代率越大的再生混凝土受硫酸盐侵蚀越严重。如第150次干湿循环时测定的R100，R50，R20，R0 4组试件在入侵深度为2 mm处的硫酸盐相对浓度分别为1.04%，0.83%，0.77%，0.70%。这是因为再生粗骨料掺量增大会使得结构裂隙变多，孔隙率会变大，渗透性会增强，所以硫酸根离子很轻易就进入结构中，结构中硫酸根离子的浓度增大，导致再生混凝土遭受的腐蚀更严重。

纵向比较同一深度处的硫酸根离子浓度会发现，在同一深度的再生混凝土结构中硫酸根离子浓度会随着干湿循环龄期的增长而增大，且增长幅度也越来越大。如R100组试件在入侵深度为5 mm处，测得在干湿循环次数为50，100，150次时的硫酸根离子浓度依次为0.20%，0.26%，0.45%，分别增长了0.06个、0.19个百分点，增长幅度变大；又如R20组试件在入侵深度为8 mm处，3次测得硫酸根离子的浓度分别为0.04%，0.05%，0.13%，分别增长了0.01个、0.08个百分点，增长幅度变大，对比分析其他组试验结果能发现同样的结论。因此，硫酸根离子的浓度不仅随着侵蚀龄期增长而增大，而且增大幅度会越来越大。原因是干湿交替的环境有利于硫酸根离子的扩散，表层的结构在干湿循环初期逐渐被硫酸盐溶液侵蚀破坏。随着侵蚀龄期的增长，硫酸根离子向深层扩散，相应深层的硫酸根离子的浓度逐渐增大，侵蚀破坏逐渐向深层移动，且表层结构破坏逐渐加快，导致深层结构破坏也逐渐加快，因此增幅也逐渐变大。