微珠对再生混凝土耐久性能影响及作用机理研究

杨 阳，黄 会 荣2，宋 小 武，王 欣 林

(1.西京学院 土木工程学院，陕西 西安 710123； 2.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

近年来，政府相关部门加大了对节能减排、绿色建筑的发展研究，提出了以绿色、生态、低碳理念指导城乡建设。再生混凝土既能节省天然骨料，又可以解决废旧混凝土堆砌、占地和处理不当引起的环境污染问题[1-2]。然而，再生粗骨料在破碎过程中引起的损伤、较大孔隙率、残留水泥基、较高吸水率等易导致配制而成的再生混凝土在力学性能、耐久性能等方面与普通混凝土有较大差别[3]。在强度方面，陈宗平[4-5]等认为再生混凝土的取代率对其强度影响不大，当再生粗骨料取代率不超过50%时，可以满足混凝土正常的强度要求，这一结论与J.M. Khatib[6]等得到结论相似。在耐久性方面，王雅思等研究了再生混凝土早期自收缩性能，结果表明混凝土自收缩随着再生骨料取代率的增加而增加[7-8]。肖建庄认为当粗骨料取代率为100%时，混凝土收缩总变形值较普通混凝土增加了约17%[9]。文献[10]表明，通过预处理方法可有效改善再生混凝土的自收缩性能。吴相豪、安新正等通过试验研究发现，再生混凝土抗氯离子性能以及抗硫酸盐性能较普通混凝土差，且随着再生骨料取代率的增加，抗氯离子渗透以及抗硫酸盐性能有不同程度的下降[11-14]。可见，再生混凝土的耐久性能研究已成为其应用推广过程中所面临的关键问题。采用新的拌和工艺或降低再生粗骨料的取代率是目前改善再生混凝土耐久性能的主要技术手段。而通过添加新型粉体材料也能改善再生混凝土的早期自收缩、抗硫酸盐腐蚀等耐久性能，只是报道较少[15]。微珠是一种利用优质粉煤灰加工而成的超细且具有连续粒径分布的亚微米球状新型超微粉体材料，具有活性高、水化热低、抗压强度好等特点[16]。基于此，本文对比分析了不同掺量的再生骨料和微珠对再生混凝土抗压强度、早期自收缩以及抗氯离子性能的影响规律，并进一步研究了加入最优微珠掺量的再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性能以及微观形貌特征。

1 试验设计

1.1 原材料及配合比

试验采用P·O42.5普通硅酸盐水泥。粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，需水比98%，烧失量3.0%。矿粉为S95级矿粉，比表面积为460 m2/kg，7，28 d活性值分别为83%，102%。本次试验各组配合比中水胶比均为0.44。再生骨料由废弃混凝土制备，破碎后清洗、筛分、烘干，天然骨料和再生骨料的主要物理性能参数见表1，微珠的物理性能参数见表2。细骨料选用天然河砂。减水剂选用聚羧酸高效减水剂，减水率为30%。

再生混凝土目标配制等级为C30；未加入再生粗骨料和微珠的试件编号为NC；掺入再生粗骨料的试件编号为RC；采用微珠取代粉煤灰，掺入微珠的试件编号为WC。混凝土配合比如表3所示。

表1 天然骨料和再生骨料的主要物理性能Tab.1 Physical properties of natural aggregateand recycled aggregate

表2 微珠的主要物理性能Tab.2 Physical properties of microbeads

表3 再生混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of recycled concrete kg/m3

1.2 试验方案

为对比研究微珠掺量和再生骨料掺量对再生混凝土力学强度、耐久性的影响规律，本文对再生混凝土试件进行了抗压强度试验、早期自收缩性能试验、抗氯离子渗透性能试验、抗硫酸盐侵蚀试验以及电镜扫描。抗压强度再生混凝土抗压强度试件尺寸为100 mm × 100 mm × 100 mm，试验参照GB/T50081 - 2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[17]进行。早期自收缩性能试验、抗氯离子渗透性能试验以及抗硫酸盐侵蚀试验均参照GB/T50082 -2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[18]进行。

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

对各编号混凝土试块分别进行7,28 d抗压强度试验，试验结果如表4及图1～2所示。由表4可知，不同再生粗骨料掺量对再生混凝土7 d抗压强度影响较小。然而，随着再生粗骨料掺量的增大，28 d抗压强度有一定程度的衰减，当再生粗骨料为100%时，28 d抗压强度衰减7.8%。加入不同微珠掺量的再生混凝土7 d抗压强度较普通混凝土有一定程度提高，当微珠掺量为100%时，7 d抗压强度提高了14.8%。因为微珠作为新型超微粉体材料，活性高、水化反应快、早期强度高。然而，加入不同掺量的微珠后再生混凝土28 d抗压强度较普通混凝土相差不大，影响较小。

表4 不同再生粗骨料和微珠掺量下再生混凝土抗压强度Tab.4 Compressive strength of recycled concrete with differentrecycled coarse aggregate and microbeads content MPa

图1 不同再生粗骨料掺量下再生混凝土的抗压强度Fig.1 Compressive strength of recycled concrete withdifferent recycled coarse aggregate contents

图2 不同微珠掺量下再生混凝土的抗压强度Fig.2 Compressive strength of recycled concretewith different microbeads contents

2.2 早期自收缩性能

不同取代率再生骨料混凝土早期收缩试验收缩率随时间变化的趋势如表5及图3～4所示。

表5 不同再生粗骨料和微珠掺量下再生混凝土自收缩率Tab.5 Autogenous shrinkage of recycled concrete withdifferent recycled coarse aggregate and microbeads contents ×10-4

图3 不同再生粗骨料掺量下再生混凝土自收缩曲线Fig.3 Autogenous shrinkage curve of recycled concrete withdifferent recycled coarse aggregate contents

图4 不同微珠掺量下再生混凝土自收缩曲线Fig.4 Autogenous shrinkage curve of recycledconcrete with different microbeads contents

由表5可知，随着龄期的增长，混凝土自收缩呈现先快速增长后又逐渐趋于平稳的趋势。在前期14 d龄期之内混凝土自收缩较为显著，占28 d龄期时的80%，主要是因为前期混凝土水化放热迅速，水分蒸发快，因此，前期14 d龄期之内是控制和减少混凝土自收缩的关键时期。由图3可知，随着再生粗骨料取代率的增加，混凝土自收缩逐渐增大。当再生粗骨料取代率为100%时，再生混凝土28 d的自收缩相比普通混凝土增加了13.7%，这与肖建庄的研究成果[9]相似。原因在于再生粗骨料比普通粗骨料的吸水率大，从而引起混凝土内部湿度快速降低，使其自收缩加大。

由图4可知，随着微珠掺入量的增加，混凝土自收缩逐渐降低。当微珠掺量为100%时，再生混凝土28 d的自收缩相比普通混凝土降低了6.9%。主要原因在于微珠颗粒粒径更小，具有微集料效应，它能有效改善再生骨料混凝土内部的孔隙结构，同时由于其水化作用时水化热较低，一定程度上降低了再生混凝土本身的自收缩现象。

2.3 抗氯离子渗透性能

混凝土抗氯离子渗透性是评价混凝土耐久性的一个重要指标，它与混凝土硬化后水泥石的毛细管孔的数量和分布，以及混凝土中粗集料和水泥石界面结构的状况有关。再生混凝土内部微裂缝较多，相比普通混凝土其抗氯离子渗透性较差。抗氯离子渗透试验采用电通量法，各组试样28 d电通量数据如表6所示。

由表6可知，随着再生粗骨料取代率的增加，其抗氯离子渗透性能逐渐降低，表明再生混凝土抗氯离子渗透性能较普通混凝土差。这是由于再生粗骨料在物理破碎过程中内部形成了大量的微裂缝，并且再生粗骨料表面附着有一定的旧砂浆，使得再生粗骨料较普通粗骨料孔隙率大，为氯离子渗透提供了更多路径[19]。因此，随着再生粗骨料取代率的增加，混凝土抗氯离子侵蚀能力逐渐降低。当再生混凝土中掺入微珠后，再生混凝土抗氯离子渗透性能有明显地改善，且随着微珠取代量的增加，电通量值逐渐减小。这是由于微珠活性较高且颗粒粒径更小，能有效填补混凝土内部微裂缝，从而增强再生混凝土的抗氯离子渗透性能。

表6 不同再生粗骨料和微珠掺量下再生混凝土电通量Tab.6 Electric flux of recycled concrete with different amountsof recycled coarse aggregate and micro-beads C

2.4 抗硫酸盐侵蚀试验

通过前面的研究可知，掺入一定量的微珠后，再生混凝土的早期自收缩性能、抗氯离子性能得到较大改善，对比发现，当微珠掺量为75%时，再生混凝土性能表现良好。在工程应用中，应考虑硫酸盐环境对混凝土造成的腐蚀破坏。为进一步考察掺入微珠的再生混凝土抗硫酸盐性能，将75%掺量的微珠再生混凝土(WC-3)、再生混凝土(RC-4)以及普通混凝土(NC-1)分别放入浓度为10%的硫酸钠溶液和清水中，进行抗硫酸盐侵蚀试验研究，试块硫酸盐侵蚀结果如表7所示。

表7 试块硫酸盐侵蚀后28 d抗压强度Tab.7 Specimens comperssive strength at the age of 28 dafter sulfate erosion MPa

注：每组所测强度值为4次试验平均值。

经过浓度为10%的Na2SO4溶液侵蚀后，各类型试块的28 d抗压强度均有不同程度降低，NC-1试块、RC-4试块以及WC-3试块28 d抗压强度降低幅度分别为9.42%，14.95%和5.7%。进一步证明当粗骨料取代率为100%时，再生混凝土抗硫酸盐性能受到显著影响，当再生混凝土应用于腐蚀环境中时，应尤为重视其性能的衰减。此外，当微珠掺量为75%时，经浓度为10%的Na2SO4溶液侵蚀后，其28 d抗压强度只降低了5.7%。相比混凝土在硫酸盐溶液中的抗侵蚀性能，得到一定程度的提高，表明微珠掺量为75%时的再生混凝土有良好的抗硫酸盐侵蚀性能。

(1)

(2)

2.5 微观作用机理研究

综合上述研究可知，适当掺量的微珠能提高再生混凝土的耐久性能。为进一步研究微珠提高再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的原因以及探究腐蚀条件下试块的微观形貌特征，本文针对微珠掺量为75%的再生混凝土试块进行了微观电镜扫描试验研究，试验方案参考文献[21]进行。试块电镜扫描结果如图5所示。

将WC-3试块内部水泥石放大500倍后(见图5(a))，观察到再生骨料与水泥基界面粘结牢固，形成了较为密实的板状结构。放大1 000倍后(见图5(b))，界面均匀，可以观察到微小孔，而这些微小孔部分成闭合状，在混凝土中属于无害孔。其原因可能是由于加入一定掺量的微珠后，混凝土水化更为充分，孔结构优良。放大2 000倍后(见图5(c))，可以观察到一些不规则状的颗粒，这是混凝土在水化过程中产生的C-S-H凝胶。经历硫酸盐侵蚀的再生混凝土微观表现为C-S-H凝胶分解或溶出，导致水泥基材料失去粘接性能，从而导致承载力降低。放大5 000倍后(见图5(d))，骨料与水泥基形成的表面相当密实，同时观察到骨料-界面处有微裂纹产生。

图5 微珠掺量为75%的再生混凝电镜照片Fig.5 Micro-photographs of recycledconcrete with 75% micro-beads

3 结 论

本文对不同粗骨料取代率和微珠掺量的再生混凝土进行了抗压强度试验、耐久性试验以及微观形貌特征分析，主要得出以下结论。

(1) 微珠提高了再生混凝土7 d抗压强度，但对28 d抗压强度影响较小。

(2) 再生粗骨料取代率为100%时，再生混凝土早期自收缩性能和抗氯离子性能较普通混凝土有不同程度的降低。

(3) 再生混凝土中添加微珠，有效改善了早期自收缩性能、抗氯离子性能，微珠掺量存在最优值，本文建议微珠掺量为75%。

(4) 微珠掺量为75%的再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性能良好，微观形貌特征分析表明再生粗骨料与水泥基界面粘结密实。