再生混凝土性能影响因素分析及耐久性研究

彭勇军

(中铁十八局集团第二工程有限公司， 唐山 063000)

0 引言

据测算，我国建筑垃圾年产量近8×107t[1]，巨量的建筑垃圾大都采用露天堆放和填埋的方式进行处理，这种传统的处理方式不仅占用土地资源，还在运输和堆放过程中产生大量粉尘，雨水的冲刷还会使其中的有害物质渗入土壤和地下水，污染土壤和水体。除此之外，还严重阻碍城市发展，影响生态环境[2]。同时，天然粗细骨料的开采与生产也会对环境治理造成很大压力。据计算，生产1m3混凝土大约需要1 700～2 000kg砂石骨料，每年混凝土生产会消耗超过200亿t原材料，以目前的趋势，二三十年后对混凝土骨料的需求会增加1倍[3]，这势必增加天然骨料的开采量。

再生混凝土可以将一部分建筑垃圾转化为混凝土的粗细骨料，从两方面减轻建筑行业对自然环境的影响。但目前国内对于再生混凝土的研究还有很多不足，由于再生混凝土原材料性质复杂，再生混凝土的配合比设计方法还需进一步研究，这需要大量的配合比试验数据；关于再生混凝土的耐久性研究与改善方法也较为薄弱。本文将针对影响再生混凝土工作性能和强度的因素设计再生混凝土配合比，并进行一系列的耐久性试验和微观试验以分析再生混凝土的腐蚀破坏机理。

混凝土配合比 表7

1 原材料分析

外加剂为减水率30%、含气量2.2%的高性能聚羧酸减水剂。拌合水为普通自来水。

1.1 骨料性能

再生骨料来自北京某工程中的建筑垃圾，其中废混凝土含量约为70%，废砖含量约为30%，破碎筛分后，将粒径范围4.75mm以下的作为再生细骨料，细骨料粒径分布及各项性能指标分别见表1、表2。粒径范围4.75～26.5mm的作为再生粗骨料，粗骨料各项性能指标见表3。

细骨料分计筛余/% 表1

细骨料各项性能指标 表2

粗骨料各项性能指标 表3

1.2 粉煤灰与水泥性能

水泥为北京某公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰(FA)为河北某公司生产的Ⅱ级粉煤灰；粉煤灰与水泥各项性能指标见表4、表5。

粉煤灰(FA)的性能指标 表4

水泥的性能指标 表5

2 各因素对再生混凝土性能影响程度分析

由于需要研究的因素较多，故设计正交试验[4]，正交因素为水胶比α、胶凝材料中粉煤灰与水泥的质量比例β、再生粗骨料与天然石子的质量比例γ、再生细骨料与天然砂的质量比例δ，正交因素水平见表6。

正交因素水平 表6

2.1 试验配合比

按照正交试验规则，设计出9组试验配合比(A1～A3，B1～B3，C1～C3组)。α1，α2，α3分别表示3种不同的水胶比，每种水胶比下各有3组粉煤灰与水泥的质量比例β(1∶4，3∶10，2∶5)、再生粗骨料与天然石子的质量比例γ(2∶5，4∶5，1∶0)、再生细骨料与天然砂的质量比例δ(1∶10，1∶5，3∶10)，混凝土试验配合比见表7。

2.2 再生混凝土性能分析

混凝土搅拌机采用天津某公司生产的J-50型强制性搅拌机。搅拌完成后制成100mm×100mm×100mm的立方体试件。

2.2.1 再生混凝土坍落度主要影响因素分析

混凝土的坍落度在混凝土出机时测试。坍落度正交分析结果见表8。表8中再生粗骨料掺和比例的极差最大，说明随着再生粗骨料掺和比例的变化，再生混凝土的坍落度数据最为离散，所以再生粗骨料的掺和比例对再生混凝土的工作性能影响最大，之后的影响程度依次是粉煤灰掺和比例、水胶比、再生细骨料掺和比例。而且，只有在再生粗骨料掺和比例为40%时，再生混凝土才能满足施工要求。

坍落度正交分析结果 表8

2.2.2 再生混凝土抗压强度主要影响因素分析

混凝土标准养护28d后取出擦干，使用YA-3000电液式压力试验机进行抗压试验，抗压强度正交分析结果见表9。表9中再生粗骨料掺和比例的极差最大，说明随着再生粗骨料掺和比例的变化，再生混凝土的抗压强度最为离散，所以再生粗骨料的掺和比例对再生混凝土的工作性能影响最大，之后的影响程度依次是水胶比、再生细骨料掺和比例、粉煤灰掺和比例。

抗压强度正交分析结果 表9

3 再生混凝土耐久性研究

选择第2节坍落度和抗压强度表现最好的A1组再生混凝土配合比，并配制抗压强度和坍落度相近的C40普通混凝土作为对照组，以此研究再生混凝土的耐久性，对照组混凝土耐久性试验配合比见表10。

混凝土耐久性试验配合比 表10

3.1 氯离子扩散试验

采用清华大学研发的NEL法测试再生混凝土氯离子扩散系数[5]，通过测量一定时间内通过混凝土机体的氯离子电通量来反映混凝土的抗渗性能。试验所用仪器为NEL-PD型混凝土渗透性检测仪，先将切割后两组100mm×100mm×50mm的混凝土块在20℃的水中真空保水24h，之后放入专门的夹具中，在负极处倒入3%浓度的NaCl溶液，在正极处倒入0.3mol/L的NaOH溶液。

在相同试验条件下，以A1和C40试验组中各3块混凝土试块为一组进行氯离子扩散系数试验，最后对各组试验结果取平均值作为最后的结果，试验结果见图1。由图1可以看出，强度相近的普通混凝土的氯离子扩散系数比再生混凝土小，再生混凝土的抗渗透能力比普通混凝土差[6]，但氯离子渗透性能评价等级都是中等。本试验说明再生混凝土较普通混凝土致密性略差，在实际工程中可以采取加大混凝土保护层厚度或提高矿粉、粉煤灰等矿物掺合料改善其抗氯离子侵蚀性能。

图1 混凝土氯离子扩散系数

3.2 抗冻融试验

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GBT 50028—2009)进行快速冻融试验[7]。混凝土在标准养护条件下养护24d后，将混凝土浸泡在水中(温度(20±2)℃)4d，各取6块A1和C40试验组中混凝土试块放入冻融机28d。在确定的时间点测试两种混凝土质量损失率和相对动弹性模量，对每次的试验数据取平均后得到最终试验结果。

质量损失率随冻融循环次数的变化见图2，相对动弹性模量[8]随冻融循环次数的变化见图3。从图2，3可以看出，A1与C40试验组试块在冻融循环过程中质量损失率差异较大，相对动弹性模量差别较小。相关研究[9]表明，混凝土在冻融循环作用下，其机体内部将产生一些损伤微裂缝，随着冻融循环次数的增加，这些微裂缝逐渐发展并连通为较大的贯通裂缝，从而造成其耐久性降低或完全丧失。可再生混凝土受到的冻融循环损伤更大的原因就是再生粗骨料初始损伤更大，加速了冻融损伤的发展。

图2 质量损失率随冻融循环次数的变化

图3 相对动弹性模量随冻融循环次数的变化

3.3 碳化试验

各取30块A1和C40试验组中混凝土试块进行碳化试验，在3，7，14，21，28d时各取3块两种混凝土试块测量其碳化深度[10]，各组试验数据取平均后即为最终试验结果。本试验在二氧化碳浓度为20%±3%、温度为(20±5)℃、湿度为70%±5%下进行。

再生混凝土与普通混凝土28d内的碳化深度变化相差不大，再生混凝土碳化深度略大于普通混凝土，且再生混凝土碳化深度的后期发展趋势明显强于普通混凝土，碳化深度随碳化时间的变化趋势见图4，碳化试验现场照片见图5。一方面是因为再生混凝土骨料在加工时会出现一些微裂缝，CO2与水有相对更多的孔道进入混凝土内部发生碳化反应；另一方面是再生骨料的基体混凝土在之前就有可能已经碳化。相关研究[11]也表明再生骨料取代率小于50%时，再生混凝土与普通混凝土碳化速度相差不大，但取代率大于50%后，再生混凝土碳化速度会随取代率的提高而变快。在实际工程中可以通过加大混凝土保护层厚度、适量提高矿粉粉煤灰等矿物掺合料掺和比例提高混凝土结构的耐久性。

图4 碳化深度随碳化时间的变化

图5 混凝土的碳化试验现场照片

3.4 耐硫酸钠侵蚀试验

各取24块两组混凝土试块同时放置在NELD-LSC全自动硫酸盐干湿循环机中，其中每种混凝土试块各固定4块为测量线膨胀率的专用试块，每种混凝土试块另外的20个试块用于测试混凝土抗压强度变化，将各组试块试验数据取平均后即为最终的试验结果。全自动硫酸盐干湿循环机中腐蚀溶液为5%浓度的硫酸盐，干湿循环周期为24h，其中浸泡16h，烘干冷却8h[12]。

由图6可知，A1和C40试验组中混凝土试块在硫酸盐干湿循环交替作用下线膨胀率不断增加，其中A1试验组中混凝土试块的线膨胀率一直高于C40试验组中混凝土试块，这是由于有更多的硫酸根进入孔隙相对较大的再生混凝土中，反应生成的膨胀性钙矾石、石膏的量也相应变多。从图6中还可以发现，A1试验组中混凝土试块的线膨胀率增长幅度越来越快，这是因为硫酸盐腐蚀混凝土生成的膨胀性产物将混凝土机体胀裂，更多的硫酸盐进入混凝土内部，发生反应后生成了更多的膨胀性产物。

图6 硫酸盐干湿循环下混凝土线膨胀率变化

在图7中，可以将混凝土的硫酸盐腐蚀分为两个阶段。首先是强度上升阶段，混凝土内部在硫酸根的作用下生成少量膨胀性产物使得混凝土更加致密。但继续发展下去就进入了第二个阶段，混凝土抗压强度不断降低直至失效[13]。

图7 硫酸盐干湿循环下抗压强度变化情况

4 微观机理分析

利用扫描电镜观察两种混凝土的骨料及界面结构，使用压汞法研究两种混凝土的孔隙分布规律。

4.1 扫描电镜

利用扫描电镜观测两组混凝土内部微观结构，见图8。由图8(a)可以看出，一些再生骨料表面存在一些初始微裂缝，这些微裂缝长时间受到外部环境的侵蚀后，外部有害离子容易进入混凝土内部与混凝土机体发生反应，影响再生混凝土的耐久性和混凝土内部钢筋的性能。而作为对比的普通混凝土的机体比较致密，只有一些无害孔。由图8(b)可以看出，再生骨料-水泥石界面发育良好，这主要是因为再生粗骨料表面比较粗糙，与水泥石之间的粘结更为牢靠。而且再生粗骨料表面有石粉附着，遇水后粘结性能强，这也是造成再生混凝土用水量较高的原因。相关研究[14]表明，再生混凝土可以看作是由天然骨料、旧水泥石、新水泥石组合形成的多项非匀质复合界面，虽然新界面粘结性能良好，但旧界面可能存在细微裂隙，影响再生混凝土的强度和耐久性。

图8 混凝土的SEM图像

4.2 孔隙分布

标准养护条件下养护28d后，将混凝土用压力机压坏，从混凝土内部随机取不含粗大骨料的浆体，用无水乙醇终止水化。采用压汞法测量混凝土内部孔结构[15]。

通过图9可以看出，再生混凝土细微孔数量明显多于普通混凝土，其中孔径100～1 000nm范围内的孔数量差别最大，结合SEM分析结果，这是由于再生粗骨料的细微孔数量大于天然骨料。从图9可以看出，孔径1 000nm以上的两种混凝土孔隙体积非常接近，这是因为孔径超过1 000nm的细孔隙主要是由引气剂和拌合时卷入的空气产生。孔径100～1 000nm的孔隙对混凝土耐久性影响较大，而孔径1 000nm以上的孔隙则会影响混凝土的抗压强度。

图9 A1与C40累计孔隙体积随孔径的变化

5 结论

(1)对再生混凝土坍落度大小的影响顺序是：再生粗骨料掺和比例>粉煤灰掺和比例>水胶比>再生细骨料掺和比例。对再生混凝土强度大小的影响顺序是：再生粗骨料掺和比例>水胶比>再生细骨料掺和比例>粉煤灰掺和比例。

(2)再生粗骨料的掺和比例对再生混凝土的坍落度和强度影响很大，合理选择掺和比例完全可以配制出满足实际施工要求的再生混凝土。

(3)再生混凝土的氯离子扩散系数、碳化深度、冻融质量损失、抗硫酸盐腐蚀性能较普通混凝土差，但差异并不明显。这是由于再生骨料的初始损伤，使得再生混凝土内部微裂缝较多，直接影响再生混凝土的耐久性，在实际工程中适当增加混凝土保护层厚度、粉煤灰、矿粉等矿物掺合料掺量可以有效改善再生混凝土耐久性。

(4)分析微观机理发现，影响再生混凝土耐久性的原因主要是再生骨料可能存在由于破碎或之前服役产生的初试微裂缝。通过压汞法分析两种混凝土孔隙结构发现再生混凝土孔径100～1 000nm范围内孔数量明显多于普通混凝土，这也是再生混凝土与普通混凝土耐久性差异的主要来源。