吸附砂浆含量对混凝土力学与氯离子渗透性能的影响

杨 伟，华敏琦，朱平华，刘 惠，刘少峰

(常州大学环境与安全工程学院，常州 213164)

0 引 言

在过去的几十年中，混凝土一直是土木工程领域中最热门的材料[1]。但是，随着城市基础建设和住房投资规模的不断扩大，大量新建建筑物使得混凝土消耗陡增，造成天然骨料急剧短缺[2]。与此同时，建筑和拆卸废物(C&D)引发了诸多严重的环境问题，给自然环境带来庞大的负担[3]。为同时解决土木工程领域中上述两大难题，对再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete，RAC)的研究迫在眉睫。

再生混凝土是指将废弃混凝土经过破碎、筛分和清洗后，作为部分或全部骨料所配制的混凝土[4]。已有研究表明：相对于天然骨料混凝土，RAC的性能较差，这是由于再生骨料表面的吸附砂浆降低了再生骨料的比重，同时增加了再生骨料的吸水率[5-6]所致。而再生骨料比重较低又是由于吸附砂浆的固有特性以及其所具有的多孔性[7]。王晓飞等[8]通过6种不同品质的再生粗骨料配制再生混凝土，研究了不同品质再生混凝土的力学性能，发现I类再生粗骨料混凝土因骨料吸附砂浆含量最少，吸水率与压碎指标均降低，力学性能最好。Marta等[9]研究了吸附砂浆含量对再生骨料的密度、吸水率、洛杉矶磨损和硫酸盐含量的影响，发现只有吸附砂浆含量低于44%的再生骨料才能用于结构混凝土中。韩帅等[10]研究了不同品质的再生粗骨料和取代率对混凝土非稳态氯离子迁移系数的影响，发现二次整形的再生粗骨料混凝土，由于骨料表面吸附砂浆较少，从而使得其用水量较少，粘聚性和保水性也较好，提高了再生粗骨料混凝土的抗氯离子性能。

以上研究表明再生粗骨料的吸附砂浆含量对再生粗骨料混凝土抗氯离子渗透性能具有重大的影响。然而，有关吸附砂浆含量与再生粗骨料混凝土抗氯离子渗透性能的定量关系研究鲜见报道。为弥补不足，本文采用天然粗骨料以及5种不同吸附砂浆含量的再生粗骨料，制备目标强度等级均为C40的混凝土，探讨了吸附砂浆含量与混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、氯离子渗透性的定量关系。研究发现，在吸附砂浆含量为34.9%～38.6%条件下，再生粗骨料混凝土可在环境作用等级为D的氯化物环境下使用50年，这对于再生混凝土在氯化物环境下的使用具有重大的参考价值。

1 实 验

1.1 原材料

本实验所需的原材料组成包括：P·O 52.5R水泥(表观密度3 100 kg/m3)、天然河砂(表观密度2 586 kg/m3，细度模数2.46)、硅灰(表观密度2 759 kg/m3)、聚羧酸(JK-PCA)高效减水剂、天然粗骨料(表观密度2 267 kg/m3)、天然粗骨料及5种商用再生粗骨料(粒径4.75～20 mm)、自来水。

1.2 配合比

配合比设计参考了陈建奎高性能混凝土(HPC)配合比设计新法—全计算法[11]，目标强度等级取C40，目标坍落度取110～160 mm。配合比详见表1。所有混凝土均采用二次搅拌法[12]成型后标准养护28 d。

表1 不同吸附砂浆含量下再生粗骨料混凝土配合比Table 1 Mixing ratios of recycled coarse aggregate concrete with different adsorption mortar contents /(kg/m3)

1.3 试验方法

再生粗骨料的表观密度、堆积密度、吸水率、压碎值、开口孔隙率均按照GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》[13]测试，吸附砂浆含量采用热处理[9]的方法测试。

再生粗骨料混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[14]，采用YNS 300型电液伺服万能试验机测试。依据现行国家标准GB/T 50082—2019《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[15]中快速氯离子迁移系数法(RCM法)进行抗氯离子渗透试验，试验采用高50 mm和直径100 mm的样品，利用溶液浓度梯度使氯离子穿透样品,并通过电场加速氯离子的迁移。混凝土的非稳态氯离子迁移系数DRCM的计算依据如公式(1)。

(1)

式中：DRCM为混凝土的非稳态氯离子迁移系数，精确到0.1×10-12m2/s；U为所用电压值，单位为V；T为阳极溶液初始和最终温度的平均值，单位为℃；L为试件厚度，单位为mm，精确到0.1 mm；Xd为氯离子渗透深度的平均值，单位为mm，精确到0.1 mm；t为试验持续时间，单位为h。

2 结果与讨论

2.1 再生粗骨料基于吸附砂浆含量的物理性质

再生粗骨料物理性能测试结果见表2。由表2数据可得知，随着再生粗骨料吸附砂浆含量的增加，再生混凝土的吸水率与压碎值逐渐增加。

表2 再生粗骨料物理性质Table 2 Physical properties of recycled coarse aggregate

2.2 再生粗骨料混凝土工作性能

坍落度是目前各国应用最为广泛的评价混凝土工作性能的方法。为确保再生混凝土在相同工作性能下进行各项性能的对比，本试验的目标坍落度取110～160 mm，再生混凝土的坍落度测试结果如表3所示。

表3 再生混凝土拌合物的坍落度Table 3 Slump of recycled concrete mixture

由表中的数据可知，随着吸附砂浆含量的增大，再生混凝土拌合物的坍落度逐渐降低。这主要是由于再生骨料表面吸附砂浆孔隙率大、表面粗糙，增大了与水泥之间的内部摩擦阻力[16]，从而降低了拌合物的流动性。且吸附砂浆含量越大，内部摩擦阻力越大，流动性越差。

2.3 再生粗骨料混凝土力学性能

图1、图2是试样的力学性能结果。根据图1(a)，图2(a)的试验结果分别绘制出吸附砂浆含量与天然混凝土和再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的关系曲线图，如图1(b)，图2(b)所示。NAC为天然粗骨料混凝土，RAC1、RAC2、RAC3、RAC4、RAC5分别为吸附砂浆含量34.9%、38.6%、39.6%、41.3%、43.9%的再生粗骨料混凝土。

图1 (a)天然和再生混凝土抗压强度；(b)吸附砂浆含量与再生混凝土抗压强度拟合曲线Fig.1 (a) Compressive strength of natural and recycled concrete; (b) fitting curve of adsorption mortar content and compressive strength of recycled concrete

吸附砂浆含量与混凝土抗压强度拟合曲线如图1(b)所示。所得曲线方程为：y=117.96-1.7x，R2=0.99>0.9，吸附砂浆含量与抗压强度之间具有较好相关性。以NAC为基准混凝土，由图1(a)可看出随着吸附砂浆含量的增加，混凝土的抗压强度逐渐降低。吸附砂浆含量与混凝土劈裂抗拉强度拟合曲线如图2(b)所示。所得曲线方程为：y=502.44×e(-x/7.36)+0.91，R2=0.99>0.9，吸附砂浆含量与劈裂抗拉强度之间具有较好相关性。以NAC为基准混凝土，由图2(a)可看出随着吸附砂浆含量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度逐渐降低。这是由于再生混凝土由再生粗骨料与旧砂浆组成的架构层和新硬化的砂浆层及两者之间的界面过渡层组成，而该界面过渡层是混凝土结构中最薄弱的区域[17]。再生粗骨料吸附砂浆自身的力学特性决定原界面过渡区的力学特性，新砂浆和吸附砂浆共同的力学特性决定了新界面过渡区的力学特性。相比于基准混凝土，再生混凝土的界面过渡区更广，使得再生混凝土传递应力的能力比基准混凝土传递应力的能力差，导致再生混凝土的力学性能低于基准混凝土。

图2 (a)天然和再生混凝土劈裂抗拉强度；(b)吸附砂浆含量与再生混凝土劈裂抗拉强度拟合曲线Fig.2 (a) Splitting tensile strength of natural and recycled concrete; (b) fitting curve of adsorption mortar content and splitting tensile strength of recycled concrete

综上所述，吸附砂浆为34.9%时，混凝土的抗压强度与劈裂抗拉强度相比于基准混凝土分别下降0.3%和9.6%；吸附砂浆为38.6%时，混凝土的抗压强度与劈裂抗拉强度相比于基准混凝土分别下降8.6%和40.5%;吸附砂浆大于38.6%时，混凝土的抗压强度与劈裂抗拉强度相比于基准混凝土最多下降26%和62%。并且，随着吸附砂浆含量的增加，再生混凝土的力学性能持续下降。

2.4 再生粗骨料混凝土抗氯离子渗透性

天然和再生混凝土氯离子侵蚀后的形貌图如图3所示，氯离子渗透深度及氯离子渗透系数见表4和表5。根据表4所示实验结果可知，天然粗骨料混凝土在24 h的渗透深度为9.3 mm，而含吸附砂浆的再生粗骨料混凝土在8 h的渗透深度可达到10.7 mm，其抵抗氯离子渗透的能力明显低于天然粗骨料混凝土。从表5可见，天然粗骨料混凝土的氯离子渗透系数仅为3.9×10-12m2/s，远低于5种再生粗骨料混凝土的氯离子渗透系数。

表4 氯离子渗透深度Table 4 Chloride ion penetration depth

表5 氯离子渗透系数Table 5 Permeability coefficient of chloride ions

图4 吸附砂浆含量与再生混凝土氯离子渗透系数拟合曲线Fig.4 Fitting curve of adsorption mortar content and chloride ion permeability coefficient of recycled concrete

将吸附砂浆含量与混凝土氯离子渗透系数进行拟合，拟合曲线如图4所示。所得曲线方程为：y=-15.42+0.67x，R2=0.91>0.9，吸附砂浆含量与氯离子渗透系数之间具有较好相关性。由图可以看出，随着吸附砂浆含量的增加，混凝土的氯离子渗透系数逐渐增加。这是因为再生骨料表面含有吸附砂浆，其内部孔隙较多，质量明显低于周围新的砂浆，从而为氯离子的渗透创造了良好的条件。所以再生骨料的吸附砂浆含量越高，内部孔隙分布越集中，氯离子渗透系数越大。根据混凝土的抗氯离子侵入指标，吸附砂浆为34.9%时，混凝土的氯离子渗透系数为8.2×10-12m2/s<10×10-12m2/s，满足设计使用年限为50年，作用等级为D的使用要求；吸附砂浆为38.6%时，混凝土的氯离子渗透系数为9.7×10-12m2/s<10×10-12m2/s，满足设计使用年限为50年，作用等级为D的使用要求[18]。吸附砂浆含量大于38.6%时，混凝土的氯离子渗透系数大于规范的限定，不满足使用要求。所以，34.9%～38.6%的吸附砂浆含量满足不同氯化物环境等级下使用年限的要求。

2.5 再生粗骨料混凝土SEM分析

图5 界面过渡区SEM照片Fig.5 SEM images of interfacial transition zone

取渗透前后NAC与RAC4进行电镜扫描，结果如图5所示。通过对比图5(a)和图5(c)，发现天然骨料混凝土的骨胶界面比较清晰，骨料表面致密，和砂浆粘结较为紧密，砂浆表面的孔隙较少，而再生骨料表面粗糙有裂痕，界面比较模糊，砂浆表面有较多的微裂缝，孔隙密布。对比渗透试验前后的电镜图可以观察到，混凝土在进行渗透试验后，界面处有较多微裂缝，且界面处砂浆较为疏松，说明氯离子渗透会破坏骨料和砂浆的粘结界面，从而降低混凝土的强度及其稳定性。对比图5(b)和图5(d)，天然骨料混凝土界面处几乎没有微裂缝，而再生混凝土的界面处存在微裂缝且逐步蔓延到骨料内部，并且随着吸附砂浆含量的增加，混凝土界面处的粘结越薄弱，内部的孔隙和裂缝越多，大量的孔隙加快氯离子在混凝土中的渗透，导致再生混凝土的抗氯离子渗透能力显著下降。

3 结 论

(1)随着再生粗骨料吸附砂浆含量的增多，混凝土界面处的粘结越来越薄弱，内部孔隙和裂缝增多，混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度逐渐降低，抗氯离子渗透的能力降低。

(2)吸附砂浆含量为34.9%～38.6%时，再生粗骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度仍与天然骨料混凝土相近，抗氯离子渗透性满足设计使用年限50年，环境作用等级为D的氯化物环境下的要求。吸附砂浆含量大于38.6%时，再生粗骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度相较于天然骨料混凝土分别下降26%和62%，氯离子渗透系数大于10×10-12m2/s，不满足规范的使用要求。所以，再生粗骨料混凝土具有良好力学性能且满足不同氯化物环境等级下使用年限的吸附砂浆含量为34.9%～38.6%。