再生混凝土抗渗性能试验研究

胡耀文 李镜培 谢 峰

（同济大学地下建筑与工程系，上海200092）

0 引 言

在世界范围内的混凝土产业中，用再生骨料替代天然骨料已经成为一种回收利用建筑废物的重要方式［1］。随着我国城镇化进程不断加速，地下空间不断利用发展，利用再生混凝土发展地下管道输送系统，可节省大量土地，节约自然资源，减少土地污染，同时实现资源回收再利用。目前关于再生混凝土抗渗性能在诸多影响下的研究较少［1］，同时地下水的侵蚀冻融及溶入到水中的化学物质对其耐久性能影响很大，因此对再生混凝土地下结构进行吸水性能进行相关研究具有十分重要的意义。

与天然骨料相比，再生骨料由于附着老砂浆使得混凝土孔隙率增大，渗透性增大，同时其耐久性能降低。但相关研究表明再生骨料混凝土在一定范围内具有满足工程应用的要求的能力［1］。关于再生混凝土材料中的水分传输过程分析，国内外学者也己开始了相关的研究，将土壤学中的非饱和流体理论引入到混凝土等多孔建筑材料中。Limbachiya［2］和 Salomon［3］的试验皆证明再生混凝土的抗渗性能随再生骨料取代率的增加而降低，同时Salomon 发现在水灰比过高时再生混凝土的渗透性与普通混凝土差别不大。张大长等［4］的试验研究表明：再生混凝土的抗渗性能随着骨料取代率增加呈现出先增大后减小的规律，当再生骨料取代率为50%时其抗渗性能最佳。宗明明等［5］从混凝土的抗渗性角度研究了碎砖骨料取代率为30%的再生混凝土渗透性能，发现与同等配合比的天然碎石混凝土相比，碎砖骨料再生混凝土的渗透性较大。

混凝土为多孔介质材料，其中水分、气体等可通过混凝土中的孔隙进行传输，非饱和状态下的混凝土试块或结构的表面同液态水进行接触，通过混凝土孔的毛细吸附力将液态水吸入混凝土内部。在毛细吸水过程中，在没有外界水头压力作用时，毛细管力是水分进入混凝土内部的主要驱动力［6］。对于毛细吸水，可以用毛细吸水系数和扩散系数来描述，前者描述混凝土吸水总量随时间的变化关系，而后者描述随时间变化混凝土内部水分分布含水率或饱和度分布的变化。

本文利用室内试验制作不同条件下的再生骨料混凝土进行湿润和干燥试验，通过测量不同时间段混凝土试块含水量的变化，测算不同水灰比、再生骨料取代率、粉煤灰添加量对再生混凝土埋管抗渗性能的影响，并计算出不同条件下试件的毛细吸水系数和扩散系数，研究其与再生混凝土抗渗性能的关系。

1 试验概况

本节以普通混凝土抗渗性能试验方法为基础，按照《普通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）和《水运工程混凝土试验规程》（JTJ 270—98），通过进行不同条件下再生混凝土试件的湿润和干燥试验，测算48 小时内各阶段试件的吸水脱水质量变化。

1.1 试验材料

粗骨料：本文采用的再生骨料取自于上海又宏环保科技有限公司的建筑结构破碎回收筛选的骨料产品，骨料样本量大，质地均匀，经人工筛分以后得到粒径范围为5～25 mm的再生骨料。根据规范《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）中的试验方法对粗骨料进行粒径范围、表观密度、含水量、吸水率及含泥量等物理性能指标的测定，表1 列出了本次试验所用天然骨料和再生骨料的基本性质。

表1 粗骨料性质Table 1 Coarse aggregate properties

砂：取自上海本地河砂，细度模数Mx=1.64，表观密度为2 536 kg/m3。符合《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）规范要求。

水泥：C30普通硅酸盐水泥。

水：饮用自来水。

粉煤灰：实验一级粉煤灰，掺量为20%。

1.2 试件设计与制作

本次再生混凝土的渗透性试验配合比按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）规范中的设计方法，考虑不同骨料取代率（0%、30%、50%、100%）、水灰比（0.35、0.4、0.45）、以及掺入粉煤灰作为设计工况，采用直径100 mm，高100 mm 模具制作出13 个相应的混凝土试件，本文试验配合比见表2。控制再生混凝土的坍落度为80～100 mm，试件在试验标准条件下（温度20 ℃±2 ℃，相对湿度95%以上）养护28 d 后进行试验。

1.3 试验步骤

1.3.1 湿润试验

（1）将小型试块送入温度105 ℃的烘箱中，烘至48 h 后每过15 min 称重一次，连续3 次试块质量不变时取出试块，此时试块的可蒸发水含量接近为0。

表2 试验配合比Table 2 Test mix ratio

（2）试块冷却后，用石蜡密封试块的上下底面，侧面不密封，该非密封面为预留吸水面，用天平称重，记录质量。

（3）进行湿润试验，每隔一定时间段进行称重，测试时间间隔为：0.5 h，1 h，1.5 h，2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，9 h，12 h，18 h，24 h，48 h。这主要是考虑到随着时间发展，吸水速度逐渐变慢。记录每个时间点所称的试块质量。

1.3.2 干燥试验

（1）将试件放入水中浸泡48 h 后每过15 min称重一次，连续3 次试块质量不变时取出试块，天平称重，记录质量。

（2）将饱和的混凝土试块一起放入恒温恒湿箱中干燥，控制温度45 ℃，湿度30%。

（3）进行干燥试验，每隔一定时间段进行称重，测试时间间隔为0.5 h，1 h，1.5 h，2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，9 h，12 h，18 h，24 h，48 h。这主要是考虑到随着时间发展，脱水速度逐渐变慢。记录每个时间点所称的试块质量。

2 试验结果及分析

2.1 湿润试验结果

在湿润试验各个阶段对试件进行称重，减去试件的干重，得出各个时间段试件的吸水质量如图1所示。

图1 湿润吸水质量随时间的变化Fig.1 Water absorption quality changes with time in wet test

由图1 中可知，普通混凝土与不同水灰比再生混凝土试件的吸水质量都随着时间的推移增大。相同取代率的试件，随着水灰比的增大，吸水质量呈现递增的趋势，水灰比为0.4和0.45的试件相较于0.35 的试件吸水量分别增加了79%和140%。再生混凝土的水灰比对混凝土的孔隙大小、数量起决定性作用，直接影响再生混凝土的吸水渗透性。水灰比过小，再生混凝土的密实性好，孔隙偏少，抗渗性能良好；水灰比过大，用水量太多使得再生混凝土内部的水泥在水化过程中的游离水蒸发后，在内部留下大量孔隙，多余的水排出也会留下相互贯通、无规则的毛细孔道，使再生混凝土抗渗性能降低，透水性增高［7］。所以根据试验结果，宜将水灰比限制在0.4 以内，提高再生混凝土的抗渗性能。

在水灰比相同条件下，随着取代率的增大，由图1 可知，试件的吸水质量呈现递增的趋势，30%、50%、100%取代率的试件吸水量分别增加了12%、17%、35%。100%取代率的再生混凝土试件比普通混凝土试件吸水量明显增加，抗渗透性能减弱，而对于30%及50%取代率的再生混凝土试件，其吸水性能略大于普通混凝土。再生骨料表面相对天然骨料更加粗糙，棱角及孔隙较多。同时再生骨料表面还附着很多旧水泥砂浆，水泥砂浆孔隙率大，吸水率高。再加上废弃混凝土在重制过程中，机械损伤积累会使再生骨料内部存在大量微裂纹，这些初始损伤都使再生骨料的吸水率和吸水速度增大，对再生混凝土抗渗性能不利。与此同时，根据相关研究［8］，由于再生骨料的高吸水性能够有效降低其结构的水灰比，使得再生骨料与水泥砂浆之间的界面过渡区得到强化，结构变得更加密实，对再生混凝土的抗渗能力的提高是有利的，于是当取代率逐渐增大至接近50%时，抗渗性能没有减弱得非常明显，证明这种有利作用在一定程度上削弱了高取代率再生混凝土持续吸水的过程。对比也可以发现，相较于水灰比的差异，骨料取代率对最后吸水量的影响较小。

同样根据图1中2-4和2-5曲线可以看出粉煤灰对再生混凝土吸水渗透性能的影响。本次试验选取了水灰比0.4，取代率100%的再生混凝土试件，其中一组添加20%粉煤灰进行研究，可以看出，试件添加粉煤灰后吸水量减少6.8%，能在一定程度上提高再生混凝土试件的抗渗性能。粉煤灰的活性成分会与硅酸盐水泥发生水化反应，产生氢氧化钙结合而生成稳定的硅酸钙水化物，在整个过程中体积发生膨胀，使得再生混凝土内部结构变得致密，从而使再生混凝土的抗渗性能得到显著提高［6］。同时粉煤灰能够填补水泥砂浆与骨料结合处的孔隙，使再生骨料与水泥砂浆之间的界面过渡区更加致密，提高再生混凝土的密实度，阻止外界水分渗入。

2.2 干燥试验结果

用饱和含水质量减去干燥试验各个阶段试件的质量，得出各个时间段试件的脱水质量如图2所示。

图2 干燥失水质量随时间的变化Fig.2 Water loss quality changes with time in dry test

由图2 中可知，普通混凝土与不同水灰比再生混凝土试件的脱水质量都随着时间的推移增大，并且脱水曲线与吸水曲线类似。相同取代率的试件，随着水灰比的增大，脱水质量呈现递增的趋势，水灰比为0.4和0.45的试件相较于0.35的试件脱水量分别增加了27%和74%。这也证明了水灰比增大使混凝土内部孔隙增多，试件脱水质量增加。

在水灰比相同条件下，随着取代率的增大，由图2 可知，试件的脱水质量呈现递增的趋势，30%、50%、100%取代率的试件脱水量分别增加了13%、16%、23%，与再生骨料存在微裂纹和孔隙，透水性更强的结论一致。

同样根据图2中2-4和2-5曲线可以看出粉煤灰对再生混凝土吸水渗透性能的影响。水灰比0.4，取代率100%的试件添加粉煤灰后吸水量减少6.8%，能在一定程度上提高再生混凝土试件的抗渗性能。

对比湿润和干燥试验结果，可以发现两个试验质量随时间的变化曲线相似，都是随着时间增加，试件吸水脱水质量增大，并且水灰比、取代率和粉煤灰对两个过程的影响也非常相似，各因素对再生混凝土埋管吸水性能的影响主次顺序为水灰比、骨料取代率、粉煤灰，其中水灰比是影响混凝土吸水性能的主要因素。对比48 小时质量的变化，湿润过程所有试件平均吸水质量89.0 g，而干燥过程所有试件平均脱水质量39.6 g，可知水分在干燥过程传输速率小于湿润过程。

3 抗渗性能的探究

前述试验结果仅仅对试件吸水脱水过程中质量变化进行了研究，而对于造成这一现象的过程没有定量的分析。对此可以引入毛细吸水系数和扩散系数的概念来体现不同试件吸水脱水速率的快慢。

3.1 毛细吸水系数

Dinku 和 Reinhardt［9］通过试验发现气体渗透与水分分布密切相关，并且可以通过毛细吸水试验结果来预测气体渗透规律。混凝土的干湿过程可以看成很多个毛细孔吸水过程的集合，因此宏观表现出的单位面积的质量变化与时间的关系可以用下式表示：

式中：M是整个试块的吸水质量；A是试块吸水面的面积；S为毛细吸水系数。

试件湿润和干燥过程中单位面积的吸水质量M/A和时间平方根t的关系分别如图3和图4所示。两个关系图都具有较好的线性关系，印证了毛细吸水公式的准确性，由于液态水前进深度较浅，液态水在混凝土表面的速度较快，能够使混凝土内部的毛细管最大限度地发挥其传输作用。

图3 湿润试验M/A- t 关系图Fig.3 Relationship between M/A- t in Wet test

根据图3 可以发现，从普通到再生混凝土取代率的增大，以及水灰比的增大，斜率增大，毛细吸水系数增大。并且w/c=0.45试件的毛细吸水系数是w/c=0.35 试件的2.3 倍，RA=100%试件的毛细吸水系数是普通混凝土试件的1.36 倍，添加粉煤灰后的试件毛细吸水系数是同等情况下的0.92倍，也说明了影响吸水速率的因素中，水灰比影响最大。而在48 小时后，M/A-t关系式的斜率有所下降，也说明了试件吸水接近饱和状态。

湿润试验部分试件在长时间后斜率k下降，是因为随着液态水前进深度不断增加，大孔内的水力梯度降低，液态水进入混凝土表面的速度降低。当表面入渗速度降低到一定程度时，大孔隙将不能发挥其传输能力，而只能够依靠较小的毛细孔进行传输，随着时间推进越久，斜率降低越明显。

由图4 可以发现，干燥试验各个试件的毛细吸水系数S都在0.13～0.26，可以看出随着从普通到再生混凝土取代率的增大，以及水灰比的增大，斜率增大，毛细吸水系数增大，且在影响吸水速率的三个因素中，水灰比影响最大。而在48 小时后，M/A-t关系式的斜率仍没有下降，也说明了试件脱水过程缓慢，远没有达到正常的饱和度。同时对比可以看出，湿润试验的平均毛细吸水系数是干燥试验的3 倍左右，也说明了湿润过程水分传输速率更快。

图4 干燥试验M/A- t 关系图Fig.4 Relationship between M/A- t in Dry test

3.2 扩散系数

同时可以用等效扩散系数Dw来反映水分传输速率的快慢。干燥和湿润过程由于内部传输机理和宏观表现的不同，不能用相同的扩散系数来表达，而应分别给出扩散系数。

Gummerson［10］提 出 指 数 形 式 的 湿 润 扩 散系数：

同时Lockington［11］提出了饱和度随湿度扩散系数前期缓慢增加后期加速变大的关系表达式，通过与毛细系数变化得到其表达式：

式中：D0为混凝土的扩散系数；n为回归系数，混凝土材料可取6。

为了对比上述等效扩散系数对湿润过程中水分在混凝土中的传输规律的影响，用Matlab 软件拟合出指数形式的等效扩散系数模型计算各试件水分质量随湿润时间的变化规律，并与试验测试结果进行了对比分析。最后也可以看出，指数形式扩散系数计算结果和试验测试数据比较接近。湿润试验前期模拟值比实测值偏大，是因为指数形式的扩散系数物理意义不够明确，考虑因素少，只适合分析单一条件下的水分传输规律，模型高估了混凝土湿润过程的水分扩散系数。

此外 Wong［12］提出混凝土干燥过程中的 S 形曲线：

图5 湿润试验数值模拟值与实测值对比Fig.5 Comparison of numerical and simulated values in Wet test

式中：Ds为混凝土在饱和状况下的扩散系数；n为回归系数，混凝土材料可取 6；α0，swc和N为回归系数。

对比扩散系数对干燥过程中水分在混凝土中的传输规律的影响，采用S 形曲线形式的等效扩散系数模型计算各试件水分质量随干燥时间的变化规律，并与试验测试结果进行了对比分析。可以看出，根据模型计算出的切片中水分损失量随时间变化规律与实测结果基本一致。前期拟合结果存在差距，可能原因是初始饱和混凝土试块的饱和度需要在干燥进行一段时间才会下降，而模型中扩散系数函数为理想状态，但此时试块已经开始干燥失水，所以计算结果存在一定误差。

4 结 论

本文通过试验研究，探讨了不同因素对再生骨料混凝土抗渗性能的影响规律，得出如下主要结论：

（1）影响再生骨料混凝土抗渗性能的因素，按影响大小排序依次为水灰比、骨料取代率和粉煤灰，其中水灰比是主要因素。

（2）随着水灰比和再生骨料取代率增大，再生混凝土抗渗性能降低，而适当添加粉煤灰有利于提高再生混凝土的抗渗性。

图6 干燥试验数值模拟值与实测值对比Fig.6 Comparison of numerical and simulated values in Dry test

（3）毛细吸水系数反映了试件的吸水能力，湿润过程比干燥过程水分传输速率更快。试验结果表明，试件单位面积吸水质量M/A和时间平方根呈线性相关，而随着取代率和水灰比的增大，毛细吸水系数也相应增大。

（4）扩散系数反映了试件吸水和脱水速率的快慢，采用指数形式扩散系数对水分质量变化的计算结果与试验测试数据比较接近。