PVA对改善再生混凝土抗氯离子渗透性能试验研究

赵隆柳，谢 军,，林 鑫，陈 萌，口斗瓦色初，杨荣钊，朱哲明

(1.四川农业大学水利水电学院,雅安 625014;2.四川大学建筑与环境学院,成都 610065; 3.四川大学深地科学与工程教育部重点实验室,成都 610065)

0 引 言

废弃混凝土经破碎后的再生骨料部分或全部用于取代天然骨料并浇筑而成的混凝土称为再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)[1]。再生混凝土具有缓解天然骨料需求不足、提高废弃材料再生利用率等优势。但不同于普通混凝土(Natural Aggregate Concrete，NAC)，再生混凝土存在孔隙率大、抗渗性能差等缺点[2]。当其暴露在外界环境中，有害离子(如氯离子)将通过其表层的孔隙、裂缝渗透进入混凝土内部，进而腐蚀钢筋，降低结构或构件的耐久性。当前，随着再生混凝土的推广使用，其耐久性问题越来越受到工程界的重视，再生混凝土氯离子抗渗性能研究成为了一个极为重要的研究课题[3]。

氯离子侵蚀是引起钢筋混凝土耐久性下降、结构破坏的主要因素之一。再生混凝土因骨料破坏过程积累了大量微裂缝，具有孔隙率高、吸水性大等特性，且氯离子扩散通道也将增加。设想通过掺入某种改性材料以提高混凝土抗渗性能成为了早期研究者的一个解决思路[4-5]。聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol，PVA)为典型的水溶性高分子聚合物，具有较好的粘结性，且与水泥基材料相容性好[6]。为此，Lepech等[7]提出掺入PVA以提高混凝土密实度，从而显著提高混凝土耐久性。为进一步研究混凝土的抗氯离子渗透性能，闫长旺等[8]研究了水泥砂浆材料中掺入PVA后Cl-浓度随深度的变化规律。此外，张鹏[9]、丁小雅[10]等也展开了相关水泥基材料抗氯离子渗透试验研究。大量文献调研表明[11-13]，处于氯盐环境的混凝土，结构耐久性问题尤为严重，而氯离子渗透能力即Cl-扩散系数是确定钢筋混凝土结构在氯盐环境中使用寿命的关键参数。王建刚等[14]研究指出混凝土的孔隙结构及孔隙率是影响Cl-扩散系数的主要因素，混凝土Cl-扩散系数与孔隙曲率存在负相关关系。钟俊飞等[15]深入研究PVA纤维对水泥基复合材料抗氯离子渗透性能的影响，并利用电通量试验方法建立了电通量与PVA掺量之间的函数关系模型。相较于水泥砂浆材料，含粗骨料的再生混凝土，由于再生粗细骨料及改性基材料的掺入，其抗氯离子渗透性能将变得更加复杂[16]。

在混凝土耐久性研究方面，学术界对PVA的影响研究，以往主要侧重于粗细骨料、矿物掺合料配合比、强度等因素，但就不同聚合度PVA对再生混凝土的抗氯离子渗透性能并未深入研究。本试验采用电通量法研究再生混凝土抗氯离子渗透性能及掺入不同聚合度PVA(1 788、2 488、2 688)时试件的氯离子扩散性能，据此分析PVA聚合度对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响，并从抗氯离子渗透性角度分析水泥基材料中最合适聚合度。

1 实 验

1.1 试验材料及配合比设计

表2 PVA物理力学指标Table 2 Physical and mechanical properties of PVA

表1 水泥的基本物理指标Table 1 Basic physical properties of cement

(1)

(2)

混凝土配合比按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行设计，水灰比为0.53，减水剂质量含量为6.0%，PVA掺量为总质量的1.2%。为详细研究普通混凝土与再生混凝土，以及掺入PVA后再生混凝土抗氯离子渗透性能，试验设计了表3所示的试验方案，其中编号T-1～T-6为掺入了不同聚合度PVA试件：编号T-1、T-3、T-5为普通混凝土，T-2、T-4、T-6为细骨料替代率为30%的再生混凝土。编号T-7、T-8分别为未掺入PVA的普通混凝土和再生混凝土试件，每组制作3个相同试件以展开平行试验。

表3 不同PVA聚合度下再生混凝土抗氯离子渗透试验方案Table 3 Experimental scheme of chloride ion impermeability of RAC with different degrees of polymerization of PVA

1.2 试件制作

试件制作是依次加入石子、中砂、再生混凝土骨料、水泥、PVA，搅拌并浇灌于直径(100±1) mm、高度(50±2) mm的圆柱体模具中，振捣密实，在标准养护箱中养护24 h后拆除模具，混凝土试件如图1所示。在标准养护28 d后，将试件放于真空干燥器中，启动真空泵，使真空干燥器中的负压在1～5 kPa之间，维持真空3 h后加入足够的蒸馏水，淹没试件，试件浸泡1 h后恢复到常压，再继续泡(18±2) h直至达到试验所要求的饱水状态，真空饱水试验过程如图2所示。

图1 再生混凝土试件Fig.1 Recycled aggregate concrete specimen

图2 真空饱水试验Fig.2 Vacuum water saturation test

1.3 试验测试原理

饱水试验完成后，在相对湿度在95%以上环境中，抹掉表面水分，侧面凹洞填涂树脂后安装于试验槽内，用螺杆将两试验槽和端面装有硫化橡胶垫的试件夹紧。

试验测定仪如图3所示，该设备满足JG/T 261《混凝土氯离子电通量测定仪》有关规定，电通量试验装置的示意图如图4所示。其测试方法为：在试验槽两极加(60±0.1) V直流恒电压，自动采集数据时间设定为5 min，记录电流。试验开始前，阴极试验槽注入质量浓度为3.0%的NaCl溶液，阳极试验槽注入物质的量浓度为0.3 mol/L的NaOH溶液，试验过程中时刻保证试验槽充满溶液。试验结束，自动采集电流装置电通量，电流测量值精确到±0.5 mA。

图3 混凝土试件氯离子电通量测定过程Fig.3 Determination of Cl- electric flux of concrete specimen

图4 电通量试验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of electric flux test device

1.4 测定数据计算

试验结束后，首先绘制电流与时间的关系曲线图，然后将各个数据以光滑曲线连接起来，对曲线作面积积分，依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》计算电通量，最终得到试验6 h通过的电通量Q。

对于直径非95 mm的试件，应将计算得到的通过测试试件的总电通量换算成直径为95 mm试件的电通量值。其具体换算公式按下式进行：

Qs=Qd×(95/d)2

(3)

式中,Qs、Qd和d分别为通过直径95 mm试件的电通量(C)、通过直径d试件的电通量(C)和试件实际直径(mm)。

每组取3个试件电通量的算术平均值作为该组试件的电通量测定值。试验采用测定通过混凝土的电通量为指标来确定混凝土抗氯离子渗透性能，参考表4中ASTM C1202关于氯离子渗透性的评价标准对试验结果进行评定。

表4 基于电通量的氯离子渗透性评价标准Table 4 Evaluation standard of chloride ion permeability based on electric flux

2 结果与讨论

2.1 NAC及RAC抗氯离子渗透性能对比分析

NAC(T-7)试件与RAC(T-8)试件的抗氯离子渗透电流随时间变化曲线如图5所示。试验过程中，随着氯离子持续向混凝土试件内部渗透，NAC和RAC中的氯离子浓度逐渐增加。具体表现为：前期增长速度快，后期增长速度放缓并在6 h后逐步趋于某一稳定电流值，此时混凝土中氯离子浓度趋于稳定状态，说明试验设置6 h的测量时间是足够的，证明试验数据具有良好的可靠性。

根据电流与电通量之间的关系，利用Origin绘图软件对图5的电流-时间曲线作面积积分即可计算出试验6 h通过试件的电通量Qd，再利用式(3)换算成标准试件电通量值Qs。本试验所采用的水灰比W/C=0.53介于0.5～0.6之间，属于中等水灰比的普通混凝土[17]。根据美国材料与试验协会(ASTM)氯离子渗透性标准，库仑电量Qs>4 000 C的混凝土属于高渗透性试件。由图6的NAC(T-7)与RAC(T-8)电通量对比图可知，本试验NAC测量值为4 142 C>4 000 C，说明混凝土的渗透性较高，这主要是由于试验配比设计中的水灰比较大(水灰比越大，试件中孔隙越多，孔隙率越高，氯离子越容易渗透侵入[18])，因此所测得的电通量值较大。测量结果也为接下来试件中掺入PVA材料，用以研究PVA改善抗氯离子渗透程度提供了更大范围的比较尺度。

图5 NAC与RAC电流-时间曲线Fig.5 Electricity-time curves of NAC and RAC

图6 NAC与RAC电通量对比图Fig.6 Comparison diagram of NAC and RAC electric flux

NAC(T-7)与RAC(T-8)电通量对比如图6所示，根据电通量与离子渗透性能正相关关系可知，RAC(T-8)氯离子渗透性增加了26.1%。经分析，其主要原因是试验所使用的30%细骨料选自建筑废弃混凝土，该废弃混凝土在机械粉碎、风干、筛选等一系列工艺过程中，再生骨料内部已经形成了大量细微裂缝，孔隙率相应增加，再则RAC吸水率和含水率相对于NAC要高[19]，本试验再次证实RAC抗氯离子渗透性比NAC差。因此，对于抗渗性能有较高要求的工程，在直接使用废弃混凝土时，应慎重考虑再生混凝土耐久性下降这一重要变化因素。

2.2 掺入PVA抗氯离子渗透性能分析

针对再生混凝土电通量测点值偏高、氯离子抗渗性能差这一特点，试验设计在RAC(T-8)中加入一定量的PVA。图7的三个柱体分别为掺入质量占比为1.2%且PVA聚合度为1 788的再生混凝土试件(T-2)、无PAV的再生混凝土试件(T-8)、以及无PAV的普通混凝土试件(T-7)的电通量图。从图中可知，掺入1.2%的PVA(1 788)后，RAC(T-8)的电通量由原来的5 221 C下降到了3 494 C，下降了33.1%。同时，相比较于相同配合比下的NAC，其抗氯离子渗透性也得到一定程度改善，改善程度达到了15.6%。其主要原因为：(1)PVA在一定温度范围内能很好地溶解于水中，其水溶液具有良好的粘结性和成膜性，成型时可增强拌合物胶凝体与骨料之间的结合作用[20]，将颗粒粘结更为紧密，从而提高混凝土的密实度，降低孔隙率；(2)掺加PVA可改善混凝土中的微观孔隙，降低毛细孔率，而内部微观孔隙是氯离子扩散主要通道之一；(3)掺入到水泥基体中的PVA与水化产物-游离氢氧化钙结合，有利于水化进程，同时可增加水化硅酸钙(C-S-H)含量[21]；(4)在形成的聚合物浆体中PVA能更好地填充中、细砂之间的孔洞及裂缝，从而改善试件微观结构，故其孔隙率相对更低，抗渗透性能表现更佳。

图7 NAC、RAC和RAC+1 788PVA电通量对比图Fig.7 Comparison diagram of NAC, RAC and RAC+1 788PVA electric flux

分析图7中的三种试件T-2、T-7、T-8可知，再生混凝土虽具有孔隙率高、抗渗性能差等缺点，但是通过添加一定量的PVA后，其抗渗性能得到大幅改善。且仅掺入1.2%的PVA后，其抗渗性能超过了普通混凝土，为将来工程建设中废弃混凝土的广泛使用提供了良好的试验数据支撑。

2.3 不同PVA聚合度下抗氯离子渗透性能分析

为明确不同PVA聚合度(1 788、2 488、2 688)对再生混凝土抗氯离子渗透的影响，试验测量了无添加PVA(T-8)及不同聚合度PVA下再生混凝土试件(T-2、T-4、T-6)的电流随时间的变化曲线，再利用Origin绘图分析工具对曲线进行面积积分，即可计算出6 h内通过测试试件的电通量，再利用式(3)进行换算，得到不同聚合度PVA对RAC抗氯离子渗透影响的电通量，计算结果如图8所示。

图8表明不同聚合度的PVA对RAC的抗氯离子渗透性能存在较大差异的影响，PVA聚合度分别为1 788(T-2)、2 488(T-4)、2 688(T-6)的再生混凝土试件相较于未掺入PVA的再生混凝土试件(T-8)，其电通量分别下降了1 727 C、2 220 C、2 359 C，降幅分别为33.1%、42.5%、45.2%。由此可见，聚合度越高，其改善RAC抗氯离子渗透性能越好。这主要是由于对PVA材料而言，聚合度越高，其粘聚力越大(见表2)，粘结骨料颗粒的性能越好，搅拌成型后的粘结强度越高。

图8 不同聚合度PVA对RAC的抗氯离子渗透影响Fig.8 Influence of different degrees of polymerization of PVA on chloride ion impermeability of RAC

分析图8右坐标电通量下降比例曲线发现，在醇解度相同前提下，虽然聚合度2 688的PVA对抗氯离子渗透性能改善程度最大，但其改善效果已有所下降，电通量降低幅度已由493 C降低至139 C，降幅比例由0.331增加至0.452，对应抗氯离子渗透系数增幅率下降了71.8%，反映为降幅比例曲线斜率的减小，具体改善幅度如图9所示。通过对Mark-Houwink方程[η]=kMα分析可知，PVA聚合度与试液粘度呈正相关，聚合度越大试液粘度越大，导致高聚合度PVA不能完全溶解于水中，其粘结性能不能完全发挥，甚至造成局部的抱团和浮于水表面现象，最终造成再生混凝土试件密实度提高幅度下降，孔隙率不能得到有效控制等不利影响。因此对于PVA材料，应根据混凝土材料的物理力学要求合理确定合适的聚合度。针对本试验配合比的再生混凝土，结合抗氯离子渗透性及PVA自身特性(溶解性)等情况，综合考虑认为PVA聚合度2 488为最佳聚合度。

图9 2 488PVA与2 688PVA电通量降幅对比图Fig.9 Comparison diagram of 2 488PVA and 2 688PVA electric flux drop

3 结 论

(1)再生混凝土与普通混凝土相比，具有更高孔隙率，抗氯离子渗透性能降低约26.1%；对于多次重复使用废弃混凝土的工程应慎重考虑再生混凝土耐久性下降这一不利因素。

(2)在本试验试件水灰比为0.53的配比下，掺入1.2%的1 788 PVA可极大地改善再生混凝土的抗氯离子渗透性能，其改善程度达到了33.1%。同时，相比于普通混凝土，其抗氯离子渗透性能也表现的更加良好。

(3)不同聚合度PVA对再生混凝土抗氯离子渗透性能具有不同程度的提升，在醇解度均为88%的条件下，随着聚合度提高，其抗氯离子渗透性能越好，但提升的幅度逐渐减小。相较而言聚合度为2 488的PVA提升最为明显，其对改善再生混凝土的抗氯离子渗透性能达到了42.5%，综合考虑再生混凝土的抗氯离子渗透性能以及不同聚合度下的水溶解性等因素，本试验认为2 488为最佳聚合度。

(4)本研究侧重于PVA对再生混凝土抗氯离子渗透性以及不同聚合度下的影响规律，因此试验结论对于工程中合理选择PVA聚合度有着重要的参考意义。同时考虑到PVA对混凝土结构的耐久性影响因素还包括诸如荷载、强度、水灰比、PVA掺入量等，因此，在接下来的研究工作中，将进一步研究多因素耦合作用下的再生混凝土抗氯离子渗透影响规律，以期为工程建设提供更全面的和普适性的指导意见。