凍融與硫酸鹽作用下再生混凝土性能劣化研究

李蕾蕾，康 抗，馮澤平，肖青波，肖前慧

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 陜西 西安 710065；2.西安科技大學 建筑與土木工程學院 陜西 西安 710054)

改革開放四十年來，我國建筑業迎來了迅猛發展，在城市化進程快速推進的過程中，城市中建筑垃圾量也在持續增加，這在很大程度上制約著我國城市化的可持續發展.將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對環境的污染和資源的浪費.

最近五年來，眾多學者都將研究方向放在了再生混凝土上，其中再生混凝土在凍融作用下的相關研究有了一些進展[1-3].相關研究發現，混凝土中水灰比、外加劑及摻合料對再生混凝土的強度具有非常重要的影響[4-5].謝本怡[6]通過試驗表明：水灰比越低的再生混凝土，其抗硫酸鹽侵蝕的能力越強.薛建陽等[7]通過試驗結果得到：再生混凝土在5%硫酸鈉溶液侵蝕下其抗壓強度損失率會隨再生骨料取代率的提高而增大.閆宏生等[8]通過試驗研究得出：再生混凝土在硫酸鹽侵蝕下，其內部的孔隙結構會隨水灰比的降低以及摻入粉煤灰得到改善，同時，試塊內部生成石膏和鈣釩石的速度和數量也會大幅降低，從而增強再生混凝土的抗侵蝕能力.對再生混凝土在凍融和硫酸鹽共同作用下也有一些研究，但大部分研究只停留在力學性能或宏觀層面，對微觀層面上的研究較少.本文將對0.35、0.45、0.55三組水灰比的再生混凝土試塊在5%硫酸鈉溶液和不同凍融循環次數的環境下進行質量、相對動彈性模量、強度測試、電鏡掃描以及XRD衍射，研究再生混凝土在凍融和硫酸鹽侵蝕共同作用下的性能劣化、侵蝕產物，并建立再生混凝土在凍融循環和硫酸鹽侵蝕共同作用下的壽命預測模型.

1 試驗概況

再生混凝土試塊采用陜西秦嶺水泥股份有限公司生產的PO42.5R普通硅酸鹽水泥，其初凝時間為110 min，終凝時間為310 min，3 d抗壓強度不小于20 MPa，28 d抗壓強度不小于35 MPa.細骨料采用陜西灞河中砂，天然粗骨料為涇陽區石灰巖質錘破碎石，粒徑在20～40 mm，經鄂式破碎機破碎后篩分粒徑為5～16 mm.再生磚混粗骨料取自陜西省西安市長安區城中村改造拆除房屋，經鄂式破碎機破碎篩分后粒徑為5～16 mm.外加劑采用復合型，兼有減水劑和引氣劑功效；普通自來水，具體試驗配合比和再生骨料的基本物理性質如表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

試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm(強度試驗)、100 mm×100 mm×400 mm(質量，動彈模測量試驗)，前期試驗中得到采用30%再生骨料質量取代率的立方體抗壓強度與普通混凝土的接近，因此再生骨料取代率統一選為30%[9].試塊按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[10]的要求制作，模具內養護24 h，拆模后放入標準養護箱養護(溫度為20±2 ℃、濕度為98%)養護28 d.

試驗方法：將再生混凝土試件放入在含有5%濃度的Na2SO4溶液試驗盒中進行凍融試驗，25次為一組凍融循環，每次凍融循環應控制在2～4 h.為凍融循環過程采用KDR-V9型混凝土快速凍融試驗機，依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082—2009[11]的相關操作完成，凍融中的溶液濃度不變.動彈性模量測試采用NM-4B型非金屬超聲檢測分析儀完成.在凍融循環次數達到100、200、300次后進行取樣，將樣品研成粉末狀進行XRD試驗.

2 數據分析

2.1 表觀形貌

再生混凝土的凍融破壞可分為大概三個階段，其破壞過程是一個從表面向內部發展的過程，不同凍融次數下再生混凝土的凍融破壞表觀形貌差別較大，如圖1所示：

圖1 不同凍融次數下再生混凝土表觀形貌

(1)凍融破壞初期，再生混凝土表面破壞程度很小，表面僅有少量水泥漿脫落，同時存在微小孔蝕；

(2)隨著凍融的進行，再生混凝土表面的水泥漿和細骨料脫落，表面變得疏松多孔，呈蜂窩狀；

(3)凍融次數繼續增加，再生混凝土表面的粗骨料出現外露，水泥砂漿的脫落現象加劇，粗骨料和細骨料明顯發生分離.

2.2 質量損失率

如圖2所示為再生混凝土在5%硫酸鈉溶液浸泡后與凍融條件耦合作用下試件質量損失率隨凍融循環次數的變化規律，可以看出凍融循環次數小于100次時，再生混凝土質量損失率呈線性增長，質量損失較??；當凍融循環次數增加至200～300次時，0.55水灰比的試件質量損失繼續加速增長，0.35和0.45水灰比的再生混凝土質量損失持續增長，水灰比越大的試件破壞越大，抗凍性越差.

圖2 不同水灰比再生混凝土質量損失率

2.3 相對動彈性模量

再生混凝土試塊在硫酸鹽溶液侵蝕作用下以及不同凍融循環次數下相對動彈性模量的變化規律如圖3所示.當凍融循環次數從200次增加到300次的過程中，試塊相對動彈性模量均出現了急速下降，這是由于在200次凍融循環時，再生混凝土試塊內部已經產生了較多的裂縫和孔洞，此時硫酸鈉溶液進入孔洞后使內部硫酸鹽溶液迅速上升，析出的物質產生的膨脹應力和本身凍融過程中的凍脹應力共同作用使得破壞進一步加速，相對動彈性模量下降繼續加快.和普通混凝土相比，再生混凝土的抗凍性同樣受到水灰比大小的明顯影響.

圖3 相對動彈性模量變化

2.4 立方體抗壓強度

如圖4所示為再生混凝土試塊不同凍融循環次數下的立方體抗壓強度變化規律，隨著凍融次數的增加，外部水分沿混凝土試塊表面微裂縫進入內部繼續發生水化反應生成膨脹晶體，使得試塊破壞加劇，強度損失增長，凍融循次數從200增長到300的過程，由于孔隙發生破壞，水進入混凝土內部后，在水凍脹力和混凝土內部侵蝕產物的膨脹應力耦合作用下，再生混凝土試塊的強度損失進一步增大.

圖4 抗壓強度變化規律

2.5 電鏡掃描

通過電鏡掃描分別對經過5%硫酸鈉溶液浸泡后的再生混凝土0、100、200、300次凍融循環后的結果進行分析，觀察內部侵蝕產物的形貌以及相關裂縫開展情況.如圖5所示為未經凍融的試塊，可以看出其中水泥水化產物水化硅酸鈣凝膠分布均勻、緊密，對硫酸鹽的侵入有一定抵擋作用，這就解釋了再生混凝土試塊在凍融循環次數較少時質量損失、強度損失以及損傷程度都比較小.0.45水灰比的再生混凝土電鏡照片中可以看到粗骨料與水泥石的界面過渡區粘結性較好，0.55水灰比的再生混凝土電鏡照片可以看到由于水灰比較大試塊硬化后出現的原始干縮微裂縫，進而導致骨料界面區的粘結性較差，從而使得水灰比大的再生混凝土試塊發生的質量損失、強度損失越大.微觀圖中可以看出此時試塊內只有Ca(OH)2及其結晶，沒有發現鈣釩石等的析出.

圖5 未經凍融循環時各組試塊電鏡照片

圖7 200次凍融循環各組試塊電鏡照片

如圖8所示，當凍融循環達到300次時，試塊在內部凍脹應力與硫酸鹽溶液與各種膨脹侵蝕物質的共同作用下，孔隙結構開始貫穿.圖8(b)可以看出水泥基受到嚴重侵蝕后發生了脫落，導致粗骨料出現外露.再生混凝土試塊在凍融循環300次后，內部孔壁在孔隙水的膨脹應力下產生疲勞荷載與硫酸鹽侵蝕下逐漸破壞聯通形成貫通通道，裂縫進一步發展.

圖8 300次凍融循環各組試塊電鏡照片

2.6 XRD衍射

凍融循環次數達到100、200、300次后進行取樣檢測，將樣品研成粉末狀進行觀察，利用每種晶體在X射線照射下的衍射特性，分析在不同水灰比與不同凍融次數下試樣侵蝕產物的變化.

由圖9可以看出，當凍融循環200次后，三組試樣的 衍射峰均較為明顯，AFt的衍射峰強度隨水灰比的增大逐漸增強.圖10為0.45水灰比的試樣在100、200、300次凍融循環后的衍射圖譜，由圖可見，隨著凍融循環的增加，硫酸鹽侵蝕作用逐漸明顯，混凝土中水化產物 的衍射峰逐漸減弱，同時侵蝕產物AFt率先析出，并隨凍融次數的增加其衍射峰強度逐漸增強，隨著AFt的逐漸累積，使得原始裂縫不斷擴展、延伸，導致大量的 進入混凝土孔隙，當濃度達到一定條件后開始有GYm晶體析出，在凍融循環200次時觀察到石膏的衍射峰，且隨凍融次數的增加，衍射峰強度呈增長趨勢.

圖9 200次凍融循環下再生混凝土XRD圖譜

圖10 M45組不同凍融循環次數下再生混凝土XRD圖譜

綜上所述，水灰比對再生混凝土抗凍性及抗硫酸鹽侵蝕能力有著非常重要的影響，特別是在凍融循環和硫酸鹽侵蝕前期.在凍融循環和硫酸鹽侵蝕過程中，伴隨 含量逐漸減少，侵蝕產物AFt和GYm依次析出，其含量在凍融后期將增長迅速；含量的多少直接影響著再生混凝土的抗凍和抗侵蝕能力，因此能否有效降低再生混凝土中的 含量對提高再生混凝土抗凍性及抗硫酸鹽侵蝕能力具有重要意義.

2.7 再生混凝土凍融損傷模型與壽命預測

混凝土的劣化過程通常用相對動彈性模量進行表征，因此引入損傷力學中的損傷度為

(1)

式中：DEn為n次凍融循環后試塊的損傷度，En為n次凍融循環后試塊的凍彈性模量，E0為經過凍融循環試塊的動彈性模量.

據相對動彈性模量的實驗數據，計算得出再生混凝土在凍融循環與硫酸鹽侵蝕共同作用下的損傷度結果，如表3所示.

表3 不同水灰比再生混凝土在硫酸鹽溶液與凍融循環共同作用下的損傷度

劉志勇[12]認為凍融累計損傷值與凍融循環次數之間可以指數型函數來描述，根據相關定義，得到損傷度與凍融循環次數為

Dn=aebn

(2)

式中：Dn為損傷值；n為凍融循環次數；a、b為常值參數.將實驗數據與指數函數關系式進行擬合，得到a、b參數值及相關系數如表4所示.

表4 不同水灰比的a、b參數值及相關系數

得到不同水灰比下再生混凝土試塊的擬合公式為

0.35水灰比的凍融度與凍融循環次數方程為

Dn=4.98×10-3×e1.41×10-2×n

(3)

0.45水灰比的凍融度與凍融循環次數方程為

Dn=2.30×10-3×e1.86×10-2×n

(4)

0.55水灰比的凍融度與凍融循環次數方程為

Dn=2.61×10-2×e1.13×10-2×n

(5)

引入水灰比并進行修正得到式6為

Dn=(0.223-1.086×i+1.324×i2)×

e(-0.095+0.517×i-0.59×i2)×n

(6)

式中：Dn為損傷值；n為凍融循環次數；i為水灰比.根據GBJ82—85《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法》，當相對動彈性模量下降到60%即認為再生混凝土失去抗凍性能，利用相對動彈性模量對再生混凝土試塊進行壽命預測，計算出不同水灰比再生混凝土達到破壞所需要的凍融循環次數如表5所示.

表5 不同水灰比再生混凝土達到破壞所需要的凍融循環次數

曹永康[13]分析中提出了計算混凝土結構使用壽命的公式如下.

T=KF/M

(7)

式中：T為混凝土結構的預測使用壽命；K為比例系數，即室內進行一次快速凍融相當于室外自然凍融次數的比例關系；F為室內混凝土的快速凍融次數；M為室外混凝土一年經受的凍融循環次數.

根據李金玉[14]的相關研究，我國東北地區一年平均凍融循環次數為120次/a，華北地區一年平均凍融循環次數為84次/a，西北地區一年平均凍融循環次數為118次/a.相關文獻[15]研究分析得出，室內快速凍融循環次數與室外實際環境凍融循環次數的換算關系在1∶10～1∶15之間，本實驗考慮到硫酸鹽溶液對試塊的侵蝕，其換算關系取1∶15.計算得到各地區不同水灰比再生混凝土的壽命如表6所示.

表6 不同水灰比再生混凝土的壽命

可以看到，華北地區0.35和0.45水灰比的再生混凝土壽命超過50 a，因此華北地區的工程建設項目運用再生骨料混凝土的水灰比應該控制在0.45或者以下.

3 結論

(1)再生混凝土在凍融循環和硫酸鹽共同作用下，水灰比越大，其破壞程度越大，表觀形貌越粗糙；相同凍融循環次數下，水灰比越大，其損傷值越大；

(2)凍融循環過程中，生成的侵蝕膨脹物不斷累積，凍融循環次數越多，強度、相對動彈性模量、質量下降越快，內部孔隙破壞越嚴重，0.55水灰比的試塊破壞程度最大；

(3)硫酸鹽與凍融破壞共同作用下，侵蝕產物有鈣釩石水化硫鋁酸鈣和NaSO4·10H2O，同時再生混凝土中Ca(OH)2含量減少，減少再生混凝土中的Ca(OH)2可有效改善再生混凝土的抗凍性和抗硫酸腐蝕；

(4)凍融與硫酸鹽共同作用下，再生混凝土的壽命隨水灰比的增大而減少，在海港及低溫地區，再生混凝土的水灰比宜控制在0.45及以下.