冻融与硫酸盐作用下再生混凝土性能劣化研究

2023-11-23李蕾蕾冯泽平肖青波肖前慧

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2023年4期

李蕾蕾，康抗，冯泽平，肖青波，肖前慧

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安 710065；2.西安科技大学建筑与土木工程学院陕西西安 710054)

改革开放四十年来，我国建筑业迎来了迅猛发展，在城市化进程快速推进的过程中，城市中建筑垃圾量也在持续增加，这在很大程度上制约着我国城市化的可持续发展.将建筑垃圾中的混凝土回收后代替新拌合混凝土中的粗骨料可以降低其对环境的污染和资源的浪费.

最近五年来，众多学者都将研究方向放在了再生混凝土上，其中再生混凝土在冻融作用下的相关研究有了一些进展[1-3].相关研究发现，混凝土中水灰比、外加剂及掺合料对再生混凝土的强度具有非常重要的影响[4-5].谢本怡[6]通过试验表明：水灰比越低的再生混凝土，其抗硫酸盐侵蚀的能力越强.薛建阳等[7]通过试验结果得到：再生混凝土在5%硫酸钠溶液侵蚀下其抗压强度损失率会随再生骨料取代率的提高而增大.闫宏生等[8]通过试验研究得出：再生混凝土在硫酸盐侵蚀下，其内部的孔隙结构会随水灰比的降低以及掺入粉煤灰得到改善，同时，试块内部生成石膏和钙钒石的速度和数量也会大幅降低，从而增强再生混凝土的抗侵蚀能力.对再生混凝土在冻融和硫酸盐共同作用下也有一些研究，但大部分研究只停留在力学性能或宏观层面，对微观层面上的研究较少.本文将对0.35、0.45、0.55三组水灰比的再生混凝土试块在5%硫酸钠溶液和不同冻融循环次数的环境下进行质量、相对动弹性模量、强度测试、电镜扫描以及XRD衍射，研究再生混凝土在冻融和硫酸盐侵蚀共同作用下的性能劣化、侵蚀产物，并建立再生混凝土在冻融循环和硫酸盐侵蚀共同作用下的寿命预测模型.

1 试验概况

再生混凝土试块采用陕西秦岭水泥股份有限公司生产的PO42.5R普通硅酸盐水泥，其初凝时间为110 min，终凝时间为310 min，3 d抗压强度不小于20 MPa，28 d抗压强度不小于35 MPa.细骨料采用陕西灞河中砂，天然粗骨料为泾阳区石灰岩质锤破碎石，粒径在20～40 mm，经鄂式破碎机破碎后筛分粒径为5～16 mm.再生砖混粗骨料取自陕西省西安市长安区城中村改造拆除房屋，经鄂式破碎机破碎筛分后粒径为5～16 mm.外加剂采用复合型，兼有减水剂和引气剂功效；普通自来水，具体试验配合比和再生骨料的基本物理性质如表1、表2所示.

表1 再生粗骨料基本性能

表2 再生混凝土配合比

试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm(强度试验)、100 mm×100 mm×400 mm(质量，动弹模测量试验)，前期试验中得到采用30%再生骨料质量取代率的立方体抗压强度与普通混凝土的接近，因此再生骨料取代率统一选为30%[9].试块按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[10]的要求制作，模具内养护24 h，拆模后放入标准养护箱养护(温度为20±2 ℃、湿度为98%)养护28 d.

试验方法：将再生混凝土试件放入在含有5%浓度的Na2SO4溶液试验盒中进行冻融试验，25次为一组冻融循环，每次冻融循环应控制在2～4 h.为冻融循环过程采用KDR-V9型混凝土快速冻融试验机，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082—2009[11]的相关操作完成，冻融中的溶液浓度不变.动弹性模量测试采用NM-4B型非金属超声检测分析仪完成.在冻融循环次数达到100、200、300次后进行取样，将样品研成粉末状进行XRD试验.

2 数据分析

2.1 表观形貌

再生混凝土的冻融破坏可分为大概三个阶段，其破坏过程是一个从表面向内部发展的过程，不同冻融次数下再生混凝土的冻融破坏表观形貌差别较大，如图1所示：

图1 不同冻融次数下再生混凝土表观形貌

(1)冻融破坏初期，再生混凝土表面破坏程度很小，表面仅有少量水泥浆脱落，同时存在微小孔蚀；

(2)随着冻融的进行，再生混凝土表面的水泥浆和细骨料脱落，表面变得疏松多孔，呈蜂窝状；

(3)冻融次数继续增加，再生混凝土表面的粗骨料出现外露，水泥砂浆的脱落现象加剧，粗骨料和细骨料明显发生分离.

2.2 质量损失率

如图2所示为再生混凝土在5%硫酸钠溶液浸泡后与冻融条件耦合作用下试件质量损失率随冻融循环次数的变化规律，可以看出冻融循环次数小于100次时，再生混凝土质量损失率呈线性增长，质量损失较小；当冻融循环次数增加至200～300次时，0.55水灰比的试件质量损失继续加速增长，0.35和0.45水灰比的再生混凝土质量损失持续增长，水灰比越大的试件破坏越大，抗冻性越差.

图2 不同水灰比再生混凝土质量损失率

2.3 相对动弹性模量

再生混凝土试块在硫酸盐溶液侵蚀作用下以及不同冻融循环次数下相对动弹性模量的变化规律如图3所示.当冻融循环次数从200次增加到300次的过程中，试块相对动弹性模量均出现了急速下降，这是由于在200次冻融循环时，再生混凝土试块内部已经产生了较多的裂缝和孔洞，此时硫酸钠溶液进入孔洞后使内部硫酸盐溶液迅速上升，析出的物质产生的膨胀应力和本身冻融过程中的冻胀应力共同作用使得破坏进一步加速，相对动弹性模量下降继续加快.和普通混凝土相比，再生混凝土的抗冻性同样受到水灰比大小的明显影响.

图3 相对动弹性模量变化

2.4 立方体抗压强度

如图4所示为再生混凝土试块不同冻融循环次数下的立方体抗压强度变化规律，随着冻融次数的增加，外部水分沿混凝土试块表面微裂缝进入内部继续发生水化反应生成膨胀晶体，使得试块破坏加剧，强度损失增长，冻融循次数从200增长到300的过程，由于孔隙发生破坏，水进入混凝土内部后，在水冻胀力和混凝土内部侵蚀产物的膨胀应力耦合作用下，再生混凝土试块的强度损失进一步增大.

图4 抗压强度变化规律

2.5 电镜扫描

通过电镜扫描分别对经过5%硫酸钠溶液浸泡后的再生混凝土0、100、200、300次冻融循环后的结果进行分析，观察内部侵蚀产物的形貌以及相关裂缝开展情况.如图5所示为未经冻融的试块，可以看出其中水泥水化产物水化硅酸钙凝胶分布均匀、紧密，对硫酸盐的侵入有一定抵挡作用，这就解释了再生混凝土试块在冻融循环次数较少时质量损失、强度损失以及损伤程度都比较小.0.45水灰比的再生混凝土电镜照片中可以看到粗骨料与水泥石的界面过渡区粘结性较好，0.55水灰比的再生混凝土电镜照片可以看到由于水灰比较大试块硬化后出现的原始干缩微裂缝，进而导致骨料界面区的粘结性较差，从而使得水灰比大的再生混凝土试块发生的质量损失、强度损失越大.微观图中可以看出此时试块内只有Ca(OH)2及其结晶，没有发现钙钒石等的析出.

图5 未经冻融循环时各组试块电镜照片

图7 200次冻融循环各组试块电镜照片

如图8所示，当冻融循环达到300次时，试块在内部冻胀应力与硫酸盐溶液与各种膨胀侵蚀物质的共同作用下，孔隙结构开始贯穿.图8(b)可以看出水泥基受到严重侵蚀后发生了脱落，导致粗骨料出现外露.再生混凝土试块在冻融循环300次后，内部孔壁在孔隙水的膨胀应力下产生疲劳荷载与硫酸盐侵蚀下逐渐破坏联通形成贯通通道，裂缝进一步发展.

图8 300次冻融循环各组试块电镜照片

2.6 XRD衍射

冻融循环次数达到100、200、300次后进行取样检测，将样品研成粉末状进行观察，利用每种晶体在X射线照射下的衍射特性，分析在不同水灰比与不同冻融次数下试样侵蚀产物的变化.

由图9可以看出，当冻融循环200次后，三组试样的衍射峰均较为明显，AFt的衍射峰强度随水灰比的增大逐渐增强.图10为0.45水灰比的试样在100、200、300次冻融循环后的衍射图谱，由图可见，随着冻融循环的增加，硫酸盐侵蚀作用逐渐明显，混凝土中水化产物的衍射峰逐渐减弱，同时侵蚀产物AFt率先析出，并随冻融次数的增加其衍射峰强度逐渐增强，随着AFt的逐渐累积，使得原始裂缝不断扩展、延伸，导致大量的进入混凝土孔隙，当浓度达到一定条件后开始有GYm晶体析出，在冻融循环200次时观察到石膏的衍射峰，且随冻融次数的增加，衍射峰强度呈增长趋势.

图9 200次冻融循环下再生混凝土XRD图谱

图10 M45组不同冻融循环次数下再生混凝土XRD图谱

综上所述，水灰比对再生混凝土抗冻性及抗硫酸盐侵蚀能力有着非常重要的影响，特别是在冻融循环和硫酸盐侵蚀前期.在冻融循环和硫酸盐侵蚀过程中，伴随含量逐渐减少，侵蚀产物AFt和GYm依次析出，其含量在冻融后期将增长迅速；含量的多少直接影响着再生混凝土的抗冻和抗侵蚀能力，因此能否有效降低再生混凝土中的含量对提高再生混凝土抗冻性及抗硫酸盐侵蚀能力具有重要意义.

2.7 再生混凝土冻融损伤模型与寿命预测

混凝土的劣化过程通常用相对动弹性模量进行表征，因此引入损伤力学中的损伤度为

(1)

式中：DEn为n次冻融循环后试块的损伤度，En为n次冻融循环后试块的冻弹性模量，E0为经过冻融循环试块的动弹性模量.

据相对动弹性模量的实验数据，计算得出再生混凝土在冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下的损伤度结果，如表3所示.

表3 不同水灰比再生混凝土在硫酸盐溶液与冻融循环共同作用下的损伤度

刘志勇[12]认为冻融累计损伤值与冻融循环次数之间可以指数型函数来描述，根据相关定义，得到损伤度与冻融循环次数为

Dn=aebn

(2)

式中：Dn为损伤值；n为冻融循环次数；a、b为常值参数.将实验数据与指数函数关系式进行拟合，得到a、b参数值及相关系数如表4所示.

表4 不同水灰比的a、b参数值及相关系数

得到不同水灰比下再生混凝土试块的拟合公式为

0.35水灰比的冻融度与冻融循环次数方程为

Dn=4.98×10-3×e1.41×10-2×n

(3)

0.45水灰比的冻融度与冻融循环次数方程为

Dn=2.30×10-3×e1.86×10-2×n

(4)

0.55水灰比的冻融度与冻融循环次数方程为

Dn=2.61×10-2×e1.13×10-2×n

(5)

引入水灰比并进行修正得到式6为

Dn=(0.223-1.086×i+1.324×i2)×

e(-0.095+0.517×i-0.59×i2)×n

(6)

式中：Dn为损伤值；n为冻融循环次数；i为水灰比.根据GBJ82—85《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法》，当相对动弹性模量下降到60%即认为再生混凝土失去抗冻性能，利用相对动弹性模量对再生混凝土试块进行寿命预测，计算出不同水灰比再生混凝土达到破坏所需要的冻融循环次数如表5所示.

表5 不同水灰比再生混凝土达到破坏所需要的冻融循环次数

曹永康[13]分析中提出了计算混凝土结构使用寿命的公式如下.

T=KF/M

(7)

式中：T为混凝土结构的预测使用寿命；K为比例系数，即室内进行一次快速冻融相当于室外自然冻融次数的比例关系；F为室内混凝土的快速冻融次数；M为室外混凝土一年经受的冻融循环次数.

根据李金玉[14]的相关研究，我国东北地区一年平均冻融循环次数为120次/a，华北地区一年平均冻融循环次数为84次/a，西北地区一年平均冻融循环次数为118次/a.相关文献[15]研究分析得出，室内快速冻融循环次数与室外实际环境冻融循环次数的换算关系在1∶10～1∶15之间，本实验考虑到硫酸盐溶液对试块的侵蚀，其换算关系取1∶15.计算得到各地区不同水灰比再生混凝土的寿命如表6所示.