再生骨料混凝土氯离子渗透性的研究现状分析

闫玉蓉 王 欣 仝小芳 蒋业浩

（扬州职业大学土木工程学院， 扬州 225009）

0 引言

2019年1月1日起上海将施行[1]《上海市建筑废弃混凝土回收利用管理办法》，该办法规定了再生骨料取代率在强度等级为C25及以下的混凝土中需大于15%，在交通基础设施工程中需大于30%。实际上，循环利用建筑废弃物已经成为缓解我国社会经济高速发展与自然资源短缺矛盾的一种有效途径[2]。

但是，原混凝土在破碎、清洗和分级后，旧砂浆与再生骨料界面过渡区损伤产生大量微裂纹，界面过渡区成为再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete， RAC）最为薄弱的区域，为氯离子渗透到RAC内部提供了通道，影响了RAC的耐久性。因此，研究RAC的氯离子渗透性能，对其在海洋工程、近海工程、盐碱地带工程和道桥工程等中的应用具有重要的意义。笔者通过分析国内外研究现状，归纳了RAC氯离子渗透性能的主要影响因素，并对进一步研究提出了相应的建议。

1 再生骨料混凝土氯离子渗透性的影响因素

肖建庄[3]将RAC视为五相复合材料，由新水泥砂浆、新老砂浆的界面过渡区（NITZ）、再生骨料附着的老砂浆、老砂浆与再生骨料的界面过渡区（OITZ）、再生骨料组成。基于多相复合理论，老砂浆层和OITZ界面过渡区在再生骨料制备过程中产生大量的微裂纹，成型后受内部应力作用，微裂纹向外扩展，最后形成通缝，为氯离子渗透提供了有利的通道。然而，界面过渡区的微观结构主要受水胶比、再生骨料取代率、矿物掺合料、外加剂、养护时间、荷载形式及应力

水平等因素的影响，因此，国内外学者开展了大量研究，明确了这些因素对RAC氯离子渗透行为的影响。

1.1 水胶比

Vazquez 等通过自然浸泡法研究了水胶比为0.45～0.6时不同再生骨料取代率的RAC抗氯离子渗透性能，结果表明RAC在低水灰比时，可以有效提高再生骨料掺量的RAC耐久性。Andreu 等通过电通量法分析了再生骨料在高性能混凝土（HPC）中的应用，结果发现水灰比较低时，再生骨料取代率（≤50%）对高性能混凝土的抗氯离子渗透性能影响小。胡波[4]等通过RCM法分析认为，水灰比低于0.5时，即使再生骨料取代率为100%，RAC也符合混凝土的抗氯离子渗透性能的要求。吴谨[5]通过NEL法研究发现，强度等级为C25～C40的RAC，降低水灰比可以有效提升RAC的抗氯离子渗透性能。这些研究表明，适当降低RAC的水灰比，可以提高RAC的抗氯离子渗透能力。这是由于较低的水灰比制备的RAC较为密实，硬化混凝土内部的孔隙率及孔径更小，氯离子更难以扩散渗透加入混凝土内部。

1.2 再生骨料取代率

应敬伟[6]通过RCM法研究发现，RAC的抗氯离子渗透性能随再生粗骨料取代率增加而降低，并且通过灰色关联分析认为主要影响因素排序为：水灰比＞掺合料＞养护龄期。然后通过ABAQUS有限元软件模拟的氯离子的非线性扩散特征，发现氯离子渗透性能与再生骨料分布位置有关。上官玉明[7]通过RCM法研究发现，调整颗粒粒型可以有效提高RAC的抗氯离子渗透性能，且与胶凝材料的用量成正比，与再生骨料取代率成反比。肖开涛等[8]用电通量法研究发现再生骨料取代率为50%是临界点，再生骨料取代率小于50%的RAC抗氯离子渗透性能较强，大于50%的RAC抗氯离子渗透性能较弱。Evangelista等通过电通量法研究发现，由于再生细骨料具有较大的孔隙率，含有再生细骨料的RAC的抗氯离子渗透性能比普通混凝土弱。尽管各研究所用的表征指标不同，但可通过归纳总结，认为再生骨料取代率提高，RAC抗氯离子渗透性能力减弱。这是由于再生骨料在破碎过程中会产生较多的微裂缝，且骨料表面还包裹着一层旧砂浆，随着再生骨料取代率提高，RAC内孔隙率较高，孔洞直径较大，形成了有利于氯离子扩散的孔道。

1.3 矿物掺合料

Kou等采用电通量法研究认为粉煤灰的掺入为25%～35%时可以显著改善RAC的抗氯离子渗透性能。韦庆东等[9]采用电通量法也得到了相似的研究成果，粉煤灰掺量为30%时可以抵消再生骨料取代率对RAC的抗氯离子渗透性能的影响。吴相豪等[10]通过电通量法研究发现随粉煤灰掺量的增加，RAC抗氯离子渗透能力是先增强后减弱，粉煤灰的临界掺量为20%。叶腾等[11]通过RCM法研究认为粉煤灰的适宜掺量为10%～20%。Berndt认为复掺两种矿物掺和料对于提高RAC的抗氯离子渗透性能效果更为明显。管小健[12]通过电通量法研究发现，粉煤灰（30%）与硅灰（5%）复掺时，改善RAC抗氯离子渗透性能的效果最为明显，RAC抗氯离子渗透性能随石粉的掺量先增大后减小，石粉的临界掺量为5%。由这些研究成果可见，掺入合适品种和掺量的矿物掺合料，以及采用复掺的方式，可有效提高RAC的抗氯离子渗透性能。这是由于粉煤灰、硅灰等活性掺合料掺入到RAC中，可以发挥密实填充作用和二次水化作用，提高RAC的密实性，改善各界面区的结构，从而可有效地改善RAC的抗氯离子渗透性能。

1.4 外加剂

Corinaldesi等通过RCM法研究发现高效减水剂明显可以改善再生混凝土的耐久性。Bravo等通过RCM法研究发现随着骨料取代率和砖粒含量的增加，高效减水剂对于提高RAC耐久性和减小RAC收缩的作用下降。陈爱玖等[13]通过NEL法研究了引气减水剂掺量对冻融循环作用下再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响， 结果表明冻融前RAC抗氯离子渗透性能随着引气减水剂掺量的增加先提高后降低，引气减水剂的临界掺量为0.4%；经过250次冻融循环后，随着引气减水剂掺量增加至0.6%时，氯离子扩散系数下降82%，引气减水剂显著提高RAC抗氯离子渗透性能。掺入合适品种和掺量的外加剂，可以改善RAC的孔结构，进而RAC抗氯离子渗透性能。

1.5 养护时间

Tang J等通过RCM法研究发现，无应力时RAC的抗氯离子渗透性能随着养护时间的延长逐渐提高。但是，RAC的氯离子扩散系数在养护初期的下降趋势比普通混凝土更快。Olorunsogo测定再生骨料含量为85.4%的RAC在养护3、7、28和56天后的电通量，结果发现养护时间比再生骨料取代率对RAC的抗氯离子渗透性能的影响更大。杜婷等[14]通过电通量法研究表明粉煤灰、矿渣等矿物掺合料可以有效地改善RAC的抗氯离子渗透性能，且随着强度的增长和养护时间的延长，RAC的抗氯离子渗透性能增强。

1.6 荷载作用

目前，再生骨料混凝土耐久性的研究，主要集中在无应力作用下再生骨料混凝土氯离子的迁移和扩散[15]。实际结构中，荷载作用对孔结构和微裂纹的新生和扩展具有十分重要的影响[16]。因此忽略荷载作用，将使模拟试验环境与现实环境存在一定程度的脱离，压荷载和弯曲荷载是最为常见的受荷形式。

（1） 压荷载

Wang Wenjian等通过RCM法研究了持续压荷载作用下的RAC的抗氯离子侵蚀能力，持续压荷载的装置如图（1）所示。当水胶比为0.39、再生骨料取代率为100%、压应力比为0.1～0.8时，抗氯离子渗透性能呈现先升后降的趋势。同时，RAC的氯离子扩散系数比（D/D0）与压应力比（λ）之间有着很好的线性关性，拟合结果表明临界应力比（λ）为0.5，如式（1）和（2）所示。

式中：D-不同压应力时氯离子扩散系数，m2/s；D0-无应力时氯离子扩散系数，m2/s；λ-压应力比。

图1 持续压荷载加载试验装置

Tang J等通过RCM法研究了持续压荷载作用下养护时间对RAC抗氯离子渗透性能的影响。当水胶比为0.39、再生骨料取代率为100%、压应力比分别为0、0.3、0.6、0.8时，随着养护时间从28 d延长至90 d时，RAC的氯离子扩散系数逐渐下降。氯离子扩散系数比（D/D0）与养护时间比t/t0（初始时间t0为28 d）呈现幂函数的关系，且在高压应力比条件下，养护时间对RAC的抗氯离子渗透性能影响更为显著，拟合结果如表1所示。

表1 氯离子扩散系数与养护时间的拟合曲线

王玉建等[17]通过电通量法研究发现，当水胶比为0.586，再生骨料取代率为50%时，临界应力介于压应力比为0.55～0.65之间，抗氯离子渗透性能呈现先升后降的趋势。随着水胶比降至0.250或者再生骨料取代率升高100%时，压应力比为达到0.75仍未出现临界应力，抗氯离子渗透性能逐渐增强。

（2） 弯曲荷载

Bing Qi研通过自然浸泡法研究持续弯曲荷载作用下RAC的抗氯离子性能，持续弯曲荷载的装置如图（2）所示。当水胶比为0.5时，随着再生骨料取代率逐渐从30%提高至100%，新旧C-S-H凝胶对氯离子的物理吸附能力增强，氯离子扩散系数先升后降，与再生粗骨料取代率的关系符合二次多项式的关系如式（3）所示。不同弯曲荷载应力比（0、30%、50%、70%、100%）条件下，氯离子扩散系数明显增大，且弯曲应力比呈现二次函数方程的关系，如式（4）所示。

式中：Dr-不同再生骨料取代率时氯离子扩散系数，m2/s；Dr0-无再生骨料时氯离子扩散系数，m2/s；Dλ-不同弯曲应力时氯离子扩散系数，m2/s；Dλ0-无弯曲应力时氯离子扩散系数，m2/s；r-再生骨料取代率；λ-弯曲应力比。

图2 持续弯曲荷载加载试验装置

戴明辉[18]通过自然浸泡法研究认为随着弯曲应力水平的提高，矿物掺合料对氯离子扩散系数的影响变小。当弯曲应力比为0.5时，氯离子渗透深度明显大于弯曲应力比为0.3时。当弯曲应力比从0.3升高至0.5时，弯曲应力比对再生骨料取代率为100%的RAC抗氯离子渗透性能影响显著大于再生骨料取代率为50%的RAC。

2 结束语与建议

本文基于国内外已有的研究成果，关于RAC抗氯离子渗透性能研究，可以初步得到以下结论：

（1）降低水灰比、掺入适量矿物掺合料、使用高效减水剂和延长养护时间均可

以显著提高RAC的抗氯离子渗透性能。

（2）再生骨料取代率提高，RAC的抗氯离子性能下降，但是对于强度等级较高的RAC，再生骨料取代率对RAC的抗氯离子渗透性能影响较小。

（3）随着粉煤灰掺量增加，再生骨料混凝土的抗氯离子性能呈现先升后降的趋势，粉煤灰存在最佳掺量，介于10%～35%之间。

（4）压荷载条件下，存在临界应力，当压应力水平低于临界应力时，随着应力水平的增加，抗氯离子渗透性能逐渐增强。当压应力水平高于临界应力时，随着应力水平的增加，抗氯离子渗透性能逐渐减。

（5）弯曲荷载条件下，不存在临界应力，随着应力水平的增加，RAC氯离子扩散系数逐渐增加，且氯离子扩散系数和弯曲应力比存在良好的相关性。

目前，对再生骨料混凝土耐久性的研究主要集中在无荷载作用和单因素作用下，但是实际结构中，冻融循环、干湿循环、碳化作用、硫酸盐侵蚀和荷载等因素耦合作用对孔结构和微裂纹的新生和扩展具有十分重要的影响。通过建立荷载与复杂环境耦合作用下RAC中氯离子的传输模型，揭示微结构损伤劣化演化机理和阐明再生骨料混凝土耐久性劣化的关键问题是一个良好的研究方向。