物理化学强化对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响

李秋义，韩 帅，2，莫 建，张修勤，孔 哲

（1.青岛理工大学，山东青岛 266033；2.济南轨道交通集团有限公司，山东济南 250101）

物理化学强化对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响

李秋义1，韩 帅1，2，莫 建1，张修勤1，孔 哲1

（1.青岛理工大学，山东青岛 266033；2.济南轨道交通集团有限公司，山东济南 250101）

废弃混凝土经简单破碎、一次颗粒整形和二次颗粒整形后分别制得Ⅱ类再生粗骨料、准类再生粗骨Ⅰ料和Ⅰ类再生粗骨料，将三类再生粗骨料在浓度6％的有机硅烷防水剂中进行24h化学浸渍处理，得到三类物理化学强化再生粗骨料。分别研究不同品质物理化学强化再生粗骨料和不同取代率（取代率：0％、25％、50％、75％、100％）取代天然骨料对再生混凝土的抗氯离子渗透性能的影响。结果显示：再生粗骨料混凝土抗氯离子性能为：化学强化二次颗粒整形再生粗骨料混凝土＞化学强化一次颗粒整形再生粗骨料混凝土＞化学强化简单破碎再生粗骨料混凝土，且均优于普通混凝土;三类化学强化再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数均随着取代率的增大而减小。

颗粒整形;物理化学强化;再生粗骨料混凝土;非稳态氯离子迁移系数

1 前 言

氯离子侵蚀是导致混凝土结构失效的重要因素之一，来自于海洋环境和化冰盐的氯化物引起钢筋锈蚀，严重影响混凝土结构的使用寿命，对建筑结构造成了巨大的损失。混凝土抗氯离子侵蚀性能的研究，已成为我国混凝土结构研究的热门研究领域之一［1-3］。

再生骨料混凝土是一种新型绿色混凝土，它以建筑废弃物为主要原材料，这一方面大大缓解了我国建筑业对于砂石骨料的需求;另一方面建筑垃圾也得到了有效的回收利用，这无疑有利于建筑业的可持续发展和自然环境的保护。但是由于再生骨料品质存在较大的差异，再生骨料混凝土的耐久性往往低于普通混凝土，这就给再生混凝土广泛的应用带来了困难［4-5］。杨青等人引入高活性纳米SiO2和纳米改性矿物掺合料，得到了纳米改性再生混凝土，显著改善再生混凝土的抗氯离子渗透性能［6］。

本文将废弃混凝土经简单破碎、一次颗粒整形和二次颗粒整形分别制备出三种不同品质的再生粗骨料，并将三类再生粗骨料在浓度6％的有机硅烷防水剂中进行化学浸渍24h处理，测试物理化学强化后的再生粗骨料不同品质和取代率对再生混凝土抗氯离子渗透性能影响。

2 试 验

2.1 试验原材料

试验所采用原材料及其品质如下：水泥：山水水泥厂P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，其物理力学性能指标见表1。天然砂：河砂，Ⅱ级砂，级配良好，符合（GB/T 14684-2011）要求;天然粗骨料：崂山产5～25mm连续级配的花岗岩碎石，符合（GB/T 14685-2011）要求;再生粗骨料：化学强化简单破碎再生粗骨料（SBA-SI），化学强化一次颗粒整形再生粗骨料（FA-SI），化学强化二次颗粒整形再生粗骨料（SA-SI），简单破碎再生粗骨料（SBA），一次颗粒整形再生粗骨料（FA）以及二次颗粒整形再生粗骨料（SA），具体性能指标见表2和表3;减水剂：江苏博特高效聚羧酸减水剂，减水率为30％;水：自来水，符合（JGJ63-2006）要求。

表1 水泥的主要技术性质指标Table 1 Main technical indicators of cement

表2 再生粗骨料颗粒级配Table 2 Grain size distribution of recycled coarse aggregate

表3 再生粗骨料主要性能指标Table 3 Main technical indicators of recycled coarse aggregate

2.2 试验方法

本试验根据《混凝土用再生粗骨料》（GB/T 25177-2010）、《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）和《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009），确定混凝土原材料及配合比，研究几种物理化学强化再生粗骨料品质和取代率对再生粗骨料混凝土抗氯离子渗透性能的影响。

本试验采用砂率为40％，减水剂为胶凝材料用量的1.2％，通过调整控制坍落度160～200 mm确定用水量。通过测试非稳态氯离子迁移系数（DRCM），研究化学强化再生粗骨料不同品质和取代率（φZ=0％、25％、50％、75％、100％）对再生粗骨料混凝土抗氯离子性能的影响，试验配合比如表4，再生混凝土工作性能和基本力学性能如表5。

表4 再生粗骨料混凝土试验配合比（以1m3计）Table 4 Mix proportion of the recycled coarse aggregate concrete（1m3）

表5 再生粗骨料混凝土的工作性能和力学性能Table 5 Workability and mechanical properties of recycled coarse aggregate concrete

3 试验结果分析

3.1 试验结果

参照《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082-2009），测试试件的非稳态氯离子迁移系数（DRCM），试验结果如表6。

表6 再生粗骨料混凝土氯离子非稳态迁移系数/×10-12 m2·s-1Table 6 Chloride migration coefficient of recycled coarse aggregate concrete

3.2 不同品质再生粗骨料对再生混凝土抗氯离子性能的影响

不同品质再生粗骨料对再生混凝土抗氯离子性能的影响如图1所示。

由图1可知，再生粗骨料混凝土抗氯离子性能为：SA-SI再生粗骨料混凝土＞FA-SI再生粗骨料混凝土＞SBA-SI再生粗骨料混凝土，且均优于普通混凝土。

图1 不同品质再生粗骨料混凝土氯离子迁移系数（a）水泥用量350kg/m3;（b）水泥用量400kg/m3;（c）水泥用量450kg/m3;（d）水泥用量500kg/m3Fig.1 Chloride migration coefficient of recycled coarse aggregate concrete of varied quality（a）Cement dosage：350kg/m3;（b）Cement dosage：400kg/m3;（c）Cement dosage：450kg/m3;（d）Cement dosage：500kg/m3

以图1（b）为例，与SBA-SI再生混凝土相比，当φZ=50％时，FA-SI再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数减小了1.14×10-12m2/s，SA-SI再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数减小了1.41×10-12m2/s;当φZ=100％时，FA-SI再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数减小了1.11×10-12m2/s，SA-SI再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数减小了2.16×10-12m2/s。

有机硅烷防水材料能渗透到骨料微孔的壁上形成薄膜而不会封闭通道，这使得骨料表面浸渍硅烷后具有较强的憎水作用。在控制相同坍落度的情况下，骨料表层的憎水薄膜减小了混凝土的单位用水量。有机硅烷与水泥石中的Ca（OH）2反应，形成三维交联有机硅烷树脂，混凝土缩合从而使它牢固地和骨料联系起来，使非极性的有机集团排列向外形成增水层。由于其分子量较小，渗透性较强，并形成立体憎水结构网络，防止氯离子的深入，从而显著提高混凝土的防水和抗氯离子渗透性能［7］。另外，有机硅烷可以优化混凝土的结构，其填充效应占据自由水的空间使结构紧密，并降低了渗水，防止水分在骨料表面聚集，从而提高了界面过渡区的密实度。因此，与物理强化再生混凝土相比，物理化学强化再生粗骨料混凝土抗氯离子性能有显著的提高。由表6可知，与物理强化再生混凝土相比，物理化学强化再生粗骨料混凝土氯离子迁移系数降低了33.5％～55.8％。

简单破碎再生骨料周围附着的旧水泥砂浆体孔隙率较大，有机硅烷防水剂在再生骨料表面形成一层保护膜，会有效减小再生骨料表面的孔隙，从而使吸水率减小。简单破碎再生骨料表面存在大量微细裂纹，其外观质量低于周围的新水泥砂浆体，有机硅烷防水剂可修复部分微裂缝，提高骨料质量。化学强化提升了再生骨料品质，明显改善了再生粗骨料的各项性能，消除了再生混凝土孔隙率高和界面区疏松多孔的缺陷，显著提高了再生混凝土的抗氯离子渗透性能。

再生粗骨料经过简单破碎、一次颗粒整形和二次颗粒整形后，其品质可分别达到二类骨料、准一类骨料、一类骨料的要求［8］，正是由于简单破碎再生粗骨料自身的品质较差，虽然经过化学强化显著提高了简单破碎再生骨料的部分性能，但是与化学强化颗粒整形再生粗骨料混凝土相比，其抗氯离子渗透性能较低。

3.3 不同取代率对再生粗骨料混凝土抗氯离子性能的影响

不同再生粗骨料取代率对再生混凝土抗氯离子性能的影响如图2所示。

由图2可知，随着再生粗骨料取代率的增大，SBA-SI、FA-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数呈减小趋势。

以图2（c）为例，随着φZ的增大，SA-SI再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数呈减小趋势。与普通混凝土相比，当φZ=50％时，SA-SI再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数减小了42％～51％;当φZ=100％时，SA-SI再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数减小了43％～52％。

图2 再生粗骨料取代率对再生混凝土抗氯离子性能影响（a）SBA-SI再生粗骨料混凝土;（b）FA-SI再生粗骨料混凝土;（c）SA-SI再生粗骨料混凝土Fig.2 The influence of replacement ratio of recycled coarse aggregate on chloride migration coefficient of recycled coarse aggregate concrete（a）SBA-SI recycled coarse aggregate concrete;（b）FA-SI recycled coarse aggregate concrete;（c）SA-SI recycled coarse aggregate concrete

水胶比是反映混凝土密实度的一个重要指标，水胶比的大小反映了混凝土抵抗氯离子入侵的能力。水胶比越大，包围水泥颗粒的水层就越厚，水在水泥石中形成相互连通的、无规则的毛细孔系统，使水泥石的孔隙率增加，混凝土抗氯离子渗透性能就变差。

化学强化减小了再生骨料表面的孔隙，从而使孔隙率和吸水率减小，并修复了部分微裂缝，提高了骨料品质。化学强化改善了再生骨料的性能，再生骨料的含泥量、泥块含量、吸水率、压碎指标等性能均可达到I类再生骨料的要求。由表4可知，与物理强化相比，经物理化学强化之后，再生粗骨料多孔和高吸水的特性得到明显改善，其吸水率可达0.8％～1.5％，与天然骨料吸水率为0.5％～2％接近。另外，物理化学强化再生粗骨料含泥量＜0.2％，远远小于（GB/T 14685-2011）中Ⅰ类骨料含泥量＜0.5％的要求。

经化学强化后，物理化学强化再生粗骨料的品质达到、甚至超过天然骨料。在控制相同的坍落度条件下，随着取代率的增大，SBA-SI、FA-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土所需的用水量减少，相应地引起水胶比的减小。由图3（b）和图3（c）可知，随着φZ的增大，FA-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土的水胶比呈减小趋势。其中，当φZ=50％时，水胶比分别减小了17.3％～26.3％和18.7％～26.5％;当φZ=100％时，水胶比分别减小了13.6％～26.3％和17.1％～28.6％。因此，随着φZ的增大，水胶比逐渐减小，再生混凝土孔隙率减小，SBA-SI、FA-SI和SA-SI再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数呈减小趋势。

图3 再生粗骨料取代率对再生混凝土水胶比的影响（a）SBA-SI再生粗骨料混凝土;（b）FA-SI再生粗骨料混凝土;（c）SA-SI再生粗骨料混凝土Fig.3 Influence of ratio of recycled coarse aggregate on water-binder ratio of recycled concrete（a）SBA-SI recycled coarse aggregate concrete;（b）FA-SI recycled coarse aggregate concrete;（c）SA-SI recycled coarse aggregate concrete

4 结 论

1.化学强化改善了再生粗骨料的品质，减小了再生粗骨料混凝土的单位用水量，提高了界面过渡区的密实度，这些都有利于提高再生粗骨料混凝土的抗氯离子性能。

2.SA-SI再生粗骨料混凝土抗氯离子性能最好，FA-SI再生粗骨料混凝土抗氯离子性能次之，SBA-SI再生粗骨料混凝土抗氯离子性能最差，但均优于普通混凝土。

3.SBA-SI、FA-SI、SA-SI再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数随着φZ的增大而减小。

［1］王元战，周海锋.盐雾环境下受荷混凝土中氯离子扩散试验［J］.材料科学与工程学报，2004，（92）：645～650.

［2］徐强，詹树林，等.海洋工程钢筋混凝土纳米硅渗透型防护剂的制备和性能［J］.材料科学与工程学报，2014，（6）：443～447.

［3］任志威，丁新，更董泽，等.混凝土表面SiO2-GPTMS-PDMS复合薄膜的耐腐蚀性能［J］.材料科学与工程学报，2012，（139）：737～740.

［4］李秋义，全洪珠，秦原.混凝土再生骨料［M］.北京：中国建材工业出版社，2011.

［5］李秋义.建筑垃圾资源化再生利用技术［M］.北京：中国建材工业出版社，2011.

［6］杨青，钱晓倩，等.再生混凝土纳米复合强化试验［J］.材料科学与工程学报，2011，（129）：66～69.

［7］朱岩，陈雨，甘万强.有机硅烷浸渍高性能海工混凝土防腐蚀性能的研究［J］.混凝土，2007，（10）：77～80.

［8］郭远新，李秋义，汪卫琴，牛景轶，孔哲.再生粗骨料品质提升技术研究［J］.混凝土，2015，（7）：134～138.

Influence of physical and Chemical Enhancement of Recycled Coarse Aggregate on Coefficient of Chloride Migration of Recycled Concrete

LI Qiu-yi1，HAN Shuai1，2，MO Jian1，ZHANG Xiu-qin1，KONG Zhe1
（1.Qingdao University of Technology，Qingdao 266033，China;2.Ji'nan Rail Transit Group Co.，Ltd Shandong province，Jinan 250101，China）

Waste concrete was simply crushed toⅡclass recycled coarse aggregate，firstly reshaped toⅠclass-to-be recycled coarse aggregate in physical strengthening and twice reshaped toⅠclass recycled coarse aggregate in physical strengthening.Three kinds of recycled coarse aggregate were marinated in an organic silicon waterproof agent for 24h for chemical treatment that the concentration of organic silicon is 6％，then three kinds of recycled coarse aggregate of physical and chemical enhancement were obtained.The influence of quality and substitution rate（substitution rate：0％，25％，50％，75％，100％）of recycled coarse aggregate of physical and chemical enhancement on recycled concrete were studied.The coefficient of the chloride migration of recycled coarse aggregate concrete is found：Ⅰclass recycled coarse aggregate concrete＞Ⅰclass-to-be recycled aggregate concrete＞Ⅱclass recycled coarse aggregate concrete，its performance of anti-chloride ions is better than that of ordinary concrete.With the increase of the substitution rate，the coefficient of the chloride migration of three kinds of recycled coarse aggregate concrete reduces.

particle shaping;physical and chemical enhancement;recycled coarse aggregate concrete; coefficient of the chloride migration

1673-2812（2016）03-0432-06

TU528.01

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.020

2015-05-11;

2015-07-15

国家自然科学基金资助项目（51378270，51208272）;山东省高校优秀科研创新团队计划资助项目

李秋义（1964-），男，博士，教授，主要从事固体废弃物资源化利用、高性能混凝土与耐久性研究。E-mail：lqyyxn@163.com。

韩 帅（1990-），男，硕士研究生，主要从事混凝土材料与结构研究工作。E-mail：hs_lff@163.com。