碳化、干湿与冻融耦合作用下再生混凝土耐久性能

王建刚，张金喜，党海笑，丁 博

(北京工业大学交通工程北京市重点实验室，北京 100124)

再生混凝土技术的开发与应用，一方面可缓解建筑垃圾处理困难问题，另一方面可降低大量开采砂石材料对生态环境的破坏，符合人类社会可持续发展的要求[1]. 与天然骨料相比，再生骨料具有表观密度低、孔隙率大、集料表面粗糙且大多附着砂浆、吸水率高、压碎值大和集料微裂纹多等特点[2-3]，因此其制备的混凝土存在用水量大、力学性能与耐久性能差的缺点[4]. 同时，由普通混凝土耐久性问题可知，在实际服役过程中，造成其耐久性破坏的原因除荷载作用以外，还往往包含冻融、碳化、干湿、氯离子侵蚀等环境因素作用[5]. 然而，再生混凝土耐久性问题比普通混凝土更加复杂，且相关研究起步较晚.

目前，国内外针对再生混凝土耐久性能的研究多以单一环境因素作用为主. 崔正龙等[6]、何晓莹等[7]分别研究再生混凝土抗碳化性能与抗冻融性能，结果表明随再生骨料掺量增加，碳化深度增大，而相对动弹性模量减小；许颖等[8]研究粉煤灰再生混凝土抗氯离子渗透性能，结果表明掺加粉煤灰可有效提升再生混凝土抗渗性能；Thomas等[9]研究不同再生骨料掺量下的混凝土力学性能、抗碳化及抗渗性能. 夏季高温多雨，混凝土除了受到碳化作用外，还受到干湿循环作用，而冬季寒冷地区，混凝土将经受冻融作用. 因此，混凝土在实际服役过程中并非仅受单一环境因素作用而是经受多种环境因素的耦合作用[10]. 近年来，普通混凝土在多种环境因素耦合作用下的耐久性研究成果较多，而再生混凝土相对较少，尤其是在碳化、干湿与冻融三因素耦合作用下的力学性能、抗碳化性能及抗氯离子渗透性能研究匮乏. 此外，复杂环境因素作用对混凝土微观孔隙结构产生不同影响，且有效表征再生混凝土耐久性的微观量化指标较少. 因此，本文以5种再生混凝土为研究对象，测试其在碳化、干湿与冻融耦合作用下的相对动弹性模量、氯离子迁移系数、碳化深度、微观孔隙构造参数等，并与单一环境因素下的相应参数做对比，以探讨耦合作用对再生混凝土耐久性的影响规律及机理.

1 原材料与配合比

1.1 原材料

水泥为河北燕新建材有限公司生产的42.5R普通硅酸盐水泥；粉煤灰为山东聊城信源有限公司生产的F类Ⅰ级粉煤灰；矿粉为北京首钢嘉华建筑材料有限公司生产的S95型磨细高炉矿渣粉. 细集料为细度模数2.3的天然河砂；粗骨料包括天然粗集料与再生粗集料，粒径范围均为5～25 mm，压碎值分别为10.98%、18.26%，吸水率依次为0.57%、4.93%. 其中，再生粗骨料来自于同一批次废弃混凝土结构拆除物，其原生混凝土强度等级约为C30，经除杂、破碎、筛分等工序后制备而成. 减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率为20%. 拌和水为普通自来水.

1.2 再生混凝土配合比

本研究考虑再生骨料掺量与胶凝材料类型2个变量，制备5种类型混凝土，水胶比与砂率分别固定为0.48与37%，见表1. 其中，P-0为普通混凝土，即不掺加再生粗料，为空白对照组；P-50为等质量代替50%天然粗料的再生混凝土；P-100为100%全再生粗料混凝土；F-100为用15%粉煤灰等质量代替水泥制备的全再生粗料混凝土；S-100为用15%粉煤灰与15%矿粉分别等质量代替水泥制备的全再生粗料混凝土. 有研究表明，干燥的再生骨料在拌和混凝土过程中会吸收约70%的总吸水量[11-12]，因此本研究中附加水用量选为再生骨料吸水率的70%. 通过调节减水剂用量使新拌混凝土坍落度控制在100～120 mm. 不同类型混凝土在养护56 d时的抗压强度见表1，可以看出，与P-100相比，F-100在养护56 d的抗压强度仅降低1.74%，即等质量内掺15%粉煤灰对其56 d时的强度并未产生显著劣化作用，这主要是因为粉煤灰的火山灰效应在一定程度上可以弥补水泥用量的减少对强度造成的损失. 而等质量内掺15%粉煤灰与15%矿粉后，其56 d强度降低11.3%. 一方面，减少30%的水泥用量对再生混凝土强度产生明显劣化作用，另一方面，粉煤灰与矿粉的水化均是与水泥水化产物氢氧化钙发生反应，而在56 d的养护过程中，矿物掺合料的二次水化反应尚未充分，使得再生混凝土内仍存在一定量的未水化胶凝颗粒，从而导致强度出现一定程度的降低.

表1 再生混凝土配合比及特性

2 试验方案与方法

2.1 试验方案

本研究选择先进行碳化7 d，后干湿循环7 d，最后冻融50次，构成1个大循环，累计进行6个大循环的耦合作用试验方案，每个大循环结束后测试再生混凝土的动弹性模量、氯离子迁移系数、碳化深度及相应的微观孔隙参数等. 作为对比，还进行单一碳化、单一干湿循环与单一冻融循环试验. 考虑掺加粉煤灰、矿粉等混凝土的水化反应相对较慢的特点，所有试件在进行耐久性试验前均标准养护至56 d.

2.2 试验方法及设备

碳化试验参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T50082—2009)(以下简称《标准》)进行，所用设备为国产CCB-70F型碳化箱. 干湿循环试验参考《标准》中抗硫酸盐侵蚀测试方法，采用60 ℃条件下干燥12 h，25 ℃条件下清水中浸渍12 h的方式，所用设备为日本圆井株式会社生产的MIT-651-01型混凝土耐久性综合试验机. 冻融循环试验参考《标准》中快冻法进行，所用设备为日本圆井株式会社生产的MIT-682-1-32型冻融循环试验机. 氯离子迁移系数参考《标准》中RCM法进行测试，所用设备为国产RCM-D型混凝土氯离子扩散系数测定仪. 再生混凝土微观孔隙参数采用美国Micromeritics公司制造的AutoporeIV9510型材料内部孔隙分布测定仪进行测试.

3 试验结果与分析

3.1 耦合作用对再生混凝土相对动弹性模量的影响

再生混凝土在单一碳化(T)、单一干湿(G)、单一冻融(D)、碳化干湿与冻融耦合(TGD)作用下的相对动弹性模量结果见图1. 不同类型再生混凝土的相对动弹性模量与碳化龄期之间的关系如图1(a)所示. 碳化初期，产生的碳化产物填充孔隙，使再生混凝土变得密实，动弹性模量增大；而当碳化龄期超过56 d或63 d时，动弹性模量出现轻微降低趋势. 与峰值相比，5种混凝土在碳化84 d时的动弹性模量分别降低1.02%、1.59%、0.58%、1.31%与2.13%. 一方面，碳化反应失水在混凝土表面产生收缩微裂纹，在一定程度上会促进CO2气体的渗入，有利于CaCO3的生成；另一方面，长期碳化反应生成较多的CaCO3，体积膨胀9%～11%，填充孔隙的同时可能会产生膨胀微裂缝[13]. 微裂缝的扩展、延伸会阻碍波的传输，从而使得动弹性模量出现轻微降低.

由图1(b)可知，整体而言，不同类型再生混凝土的相对动弹性模量均随干湿循环次数的增加而增大，且S-100与F-100相对动弹性模量增长率要明显高于P-100. 在干湿循环过程中，混凝土内部水泥可继续进行水化反应. 由于矿物掺合料的二次水化反应相对缓慢，在标准养护56 d后，内部仍残留较多的未水化胶凝材料，干湿循环作用促进水分向混凝土内部迁移[14]，使得二次水化反应更加彻底. 需要注意的是，F-100与S-100在持续进行56次干湿循环后，其动弹性模量出现削减趋势，这是因为干湿循环对再生混凝土产生温度收缩疲劳应力，造成表层混凝土产生微裂纹，从而对动弹性模量带来削减效应.

由图1(c)可知，再生混凝土相对动弹性模量随冻融循环次数的增加而减小. 与P-0相比，P-50、P-100冻融损伤速率分别增大3.75倍与6.41倍. 掺加矿物掺合料后，再生混凝土冻融损伤削减更快，且F-100抗冻性要稍劣于S-100. 这主要是因为矿粉比水泥、粉煤灰颗粒更细，微填充效应更显著，混凝土更密实，在冻融过程中产生较小的冻胀水压力，从而产生较小的破坏.

由图1(d)可知，与单一冻融相比，碳化、干湿与冻融耦合作用下，不同类型再生混凝土的相对动弹性模量均出现更加快速降低的趋势. 累计冻融300次(即累计碳化42 d与干湿42次)时，耦合作用比单一冻融对再生混凝土造成的损伤增加21.9%～26.9%，即耦合作用对再生混凝土造成的损伤要显著大于单一冻融作用. 碳化产生的微裂纹在干湿过程中得到扩展，然后在冻胀水压力作用下形成局部应力集中区，进一步加速微裂纹的延伸，同时冻融作用也会产生新的微裂纹，上述多种劣化效果的叠加导致相对动弹性模量的快速降低.

图1 不同环境因素对再生混凝土相对动弹性模量的影响Fig.1 Influence of different environmental factors on the relative dynamic elastic modulus of recycled concrete

3.2 耦合作用对再生混凝土氯离子迁移系数的影响

5种混凝土分别在不同环境因素下的氯离子迁移系数见图2. 由图2(a)可知，在未碳化时，P-100氯离子迁移系数大于P-50，当碳化超过28 d时，P-100氯离子迁移系数小于P-50，这表明碳化可弥补由于再生骨料掺量增加造成再生混凝土抗氯离子渗透性能的劣化作用. 与未碳化相比，5种混凝土在碳化56 d时的氯离子迁移系数分别降低25.8%、23.5%、43.7%、52.4%与53.8%. 当碳化龄期超过56 d时，氯离子迁移系数基本无降低，对于F-100、S-100而言，氯离子迁移系数出现轻微增大趋势.

由图2(b)可知，不同类型再生混凝土氯离子迁移系数均随干湿循环次数的增加而减小，说明短期的干湿循环并未对再生混凝土的氯离子渗透性能产生劣化效果，反而由于内部胶凝材料的持续水化作用使得混凝土更加密实而阻碍氯离子的渗透. 干湿循环超过56 d后，氯离子迁移系数变化较小. 相同试验龄期下，干湿循环对再生混凝土抗氯离子渗透性能的提升效果比碳化更显著.

由图2(c)可知，再生混凝土氯离子迁移系数均随冻融次数的增加而近似呈线性增大，该结果与洪雷等[15]研究冻融循环对普通混凝土抗氯离子渗透性能影响规律一致. 再生骨料掺量越大，抗冻融性能越差，氯离子迁移系数增大也越快. 矿物掺合料等质量取代部分水泥降低了再生混凝土的抗冻融性能，所以在冻融循环300次时，F-100、S-100氯离子迁移系数比P-100分别增加32.39%、18.48%.

由图2(d)可知，与单一冻融相似，碳化、干湿与冻融耦合作用下的氯离子迁移系数随冻融次数的增加也呈线性增大. 冻融300次时，不同类型再生混凝土在耦合作用下的氯离子迁移系数要比单一冻融作用下的氯离子迁移系数大45.05%～96.18%，其原因是碳化与干湿过程中对再生混凝土表面产生的微裂纹的超叠加效应，使得冻融水分的大量渗入，对再生混凝土造成严重损伤，为氯离子渗透提供良好条件. 同时可以看出，与P-0相比，P-50与P-100在累计冻融300次时的氯离子迁移系数分别增大34.73%、82.37%；与P-100相比，F-100与S-100在累计冻融300次时的氯离子迁移系数分别增大62.96%、35.66%. 即增大再生骨料掺量与掺加矿物掺合料均可显著降低复杂恶劣环境条件下再生混凝土抗氯离子渗透性能. 再生骨料附着的旧砂浆增大水泥混凝土的总砂浆量与总孔隙率，同时增加薄弱界面数量，为再生混凝土中氯离子的渗透提供良好通道. 掺加矿物掺合料在一定程度上可以优化孔隙结构，减小薄弱界面宽度，但同时减少了水泥用量，降低了胶凝材料的黏聚力，从而降低100%再生粗骨料混凝土抗冻融性能，导致其抗氯离子渗透性能急剧衰减. 因此，在除冰盐等恶劣环境条件下，大掺量再生骨料混凝土中不宜掺加矿物掺合料.

图2 不同环境因素对再生混凝土氯离子迁移系数的影响Fig.2 Influence of different environmental factors on the chloride ion migration coefficient of recycled concrete

3.3 耦合作用对再生混凝土碳化深度的影响

5种再生混凝土在单一碳化及碳化、干湿与冻融耦合作用下的碳化深度分别如图3(a)(b)所示. 由图3(a)可知，不同类型混凝土的碳化深度均随碳化龄期的延长表现为前期增长较快、后期相对缓慢的趋势，这主要是因为碳化产物使表层混凝土更加密实，阻碍了CO2的进一步渗入. 再生骨料对混凝土抗碳化性能存在正负两方面的影响：一是再生骨料掺量越高，使得混凝土内部孔隙率越大，薄弱界面也越多，从而导致抗碳化能力越低[16-17]；二是再生骨料表面附着的旧砂浆中含有可碳化物质，对抗碳化性能有一定的提升效果[18]. 由本研究试验结果可知，前者的衰减效果要大于后者的提升效果，表现为再生骨料掺量增加，碳化深度增大，抗碳化性能降低. 等质量掺加矿物掺合料，一方面减少水泥用量，另一方面，其二次水化反应消耗部分氢氧化钙，造成再生混凝土内部碱储量降低. 相同水胶比条件下，混凝土内部碱储量是影响其抗碳化性能的主要因素[9,19]，因此F-100、S-100在相同碳化龄期下的碳化深度大于P-100，且S-100要小于F-100，这与S-100更加密实有关.

由图3(b)可知，再生混凝土的碳化深度均随交替循环次数的增加而增大，交替循环6次(即累计碳化42 d、干湿循环42次及冻融循环300次)时，碳化深度分别达到15.6、22.4、24.0、38.0、32.0 mm. 与单一碳化42 d相比，交替干湿循环42次与冻融循环300次可使5种再生混凝土的碳化深度增加1.6～3.5倍. 再生混凝土在经历冻融循环后，内部孔隙劣化，微裂纹得到一定发展，然后在碳化前的烘干过程中，混凝土经受干燥收缩作用，微裂纹继续扩展，在碳化过程中CO2的渗入产生一定碳化产物，但不足以弥补上一循环冻融带来的损伤，在干湿循环阶段水分更易侵入，使混凝土遭受吸水膨胀和干燥收缩时的应力更大，损伤劣化严重，为下一次交替碳化过程中CO2的渗入提供了有利条件. 因此，在碳化、干湿与冻融耦合作用下，再生混凝土的碳化深度随龄期表现为前期增长较慢，后期增长较快.

图3 不同环境因素对再生混凝土碳化深度的影响Fig.3 Influence of different environmental factors on the carbonation depth of recycled concrete

3.4 耦合作用对再生混凝土微观孔隙结构的影响

(1)

(2)

(3)

式中：ξ为孔隙迂曲度；YS为表观密度，g/mL；Di为第i个数据点对应的孔径，nm；Ii为第i个数据点对应的进汞量，mL；Davg为平均孔径权重；Perm为渗透率，mD；C为渗透率常数；Lchar为特征长度，nm；σ/σ0为相对电导率；Itot为总进汞量，mL.

不同环境因素影响下的再生混凝土孔隙迂曲度结果见图4.由图4(a)可知，未碳化时，与P-0相比，P-50、P-100孔隙迂曲度分别降低10.32%、27.76%，即增加再生骨料掺量对孔隙迂曲度有削减作用.而掺加15%～30%的矿物掺合料后可有效提升孔隙迂曲度，降低孔隙连通性，这主要与矿物掺合料的微填充、火山灰效应有关.碳化42 d时，不同类型再生混凝土的孔隙迂曲度增大16.40%～65.15%.其中，F-100增长率最大，其原因是掺加粉煤灰后，再生混凝土内部碱性降低，抗碳化性能变差，反应生成更多的碳化产物填充孔隙，改善孔径分布，增大孔隙迂曲度.

由图4(b)可知，再生混凝土在经受干湿循环42次过程中，其孔隙迂曲度均随干湿循环次数的增加而增大.干湿循环中的烘干过程，在一定程度上近似于高温蒸气养护，可明显促进再生混凝土中未水化胶凝颗粒继续水化，产生的硅酸钙凝胶填充孔隙通道，使得孔隙结构曲折而复杂，降低孔隙连通性.干湿循环超过14次时，P-100孔隙迂曲度大于P-0与P-50，这表明干湿循环对孔隙迂曲度具有显著的提升效果.

图4 不同环境因素对再生混凝土孔隙迂曲度的影响Fig.4 Influence of different environmental factors on the pore tortuosity of recycled concrete

由图4(c)可知，冻融循环作用下，孔隙迂曲度快速降低，尤其是F-100与S-100，冻融循环300次时的孔隙迂曲度降低率分别达65.79%与72.03%.掺加矿物掺合料后，其抗冻性能降低，在静水压力与渗透压力的双重作用下，孔隙结构劣化严重，渗流路径缩短，从而导致孔隙迂曲度减小.冻融超过100次时，F-100、S-100孔隙迂曲度均小于P-100，说明矿物掺合料对孔隙迂曲度的提升作用不能有效抵偿冻融循环对该指标的劣化效果.

由图4(d)可知，在碳化、干湿与冻融耦合作用下，再生混凝土孔隙迂曲度削减更加迅速.冻融循环300次时，耦合作用比单一冻融对再生混凝土孔隙迂曲度的劣化效果提升11.71%～32.59%.即交替碳化与干湿循环加速了再生混凝土因冻融作用导致的孔隙迂曲度的降低.这与单一碳化与单一干湿作用对孔隙迂曲度的影响效果不同，主要与两因素对混凝土耐久性的影响具有双面性有关.单一碳化与干湿循环作用可产生碳化产物与水化产物，填充孔隙、优化孔隙结构的同时，在混凝土表面产生失水收缩裂纹与干燥收缩裂纹.单一环境因素作用下，该微裂纹对再生混凝土宏观耐久性能及微观孔隙方面的影响并不明显，但在三因素耦合作用下，碳化收缩裂纹与干燥收缩裂纹均为冻融水的渗入提供了良好条件，使得再生混凝土内部孔隙结构因静水压力与渗透压力的多重作用而出现较为彻底的损坏，造成内部孔隙通道相互贯通，孔隙迂曲度显著降低.

3.5 再生混凝土孔隙迂曲度与宏观性能之间的关系

图5为再生混凝土孔隙迂曲度指标与氯离子迁移系数及相对动弹性模量之间的关系. 由图5可知，不同环境因素影响下的孔隙迂曲度与氯离子迁移系数呈良好的对数函数关系，孔隙迂曲度越大，孔隙结构越曲折、复杂，渗流路径越长，再生混凝土抗渗性越好. 同时，孔隙迂曲度与相对动弹性模量之间存在良好的正相关关系，即孔隙迂曲度越大，再生混凝土内部微观结构强度(动弹性模量)也越高，即孔隙的迂曲连通状态在一定程度上能反映再生混凝土的力学特征. 综上可知，孔隙迂曲度指标可以表征再生混凝土在复杂环境因素作用下的耐久性能.

图5 孔隙迂曲度与氯离子迁移系数及相对动弹性模量之间的关系Fig.5 Correlation between chloride ion migration coefficient, relative dynamic elastic modulus and pore tortuosity

4 结论

1) 单一碳化与单一干湿作用可提高再生混凝土内部结构强度(动弹性模量)，而冻融会降低其内部结构强度. 碳化与干湿交替对再生混凝土的冻融损伤有显著促进作用，累计碳化42 d与干湿循环42次可使再生混凝土冻融损伤量增加21.9%～26.9%.

2) 单一碳化与单一干湿作用均增强再生混凝土的抗氯离子渗透性，而单一冻融及三因素耦合作用均降低其抗氯离子渗透性，且耦合作用比单一冻融对抗氯离子渗透性的劣化效果更显著. 矿物掺合料可增强再生混凝土在单一碳化、单一干湿下的抗氯离子渗透性，但却降低单一冻融、耦合作用下的抗氯离子渗透性.

3) 增大再生骨料掺量与掺加矿物掺合料均可降低再生混凝土的抗碳化性能. 交替干湿循环42次与冻融循环300次可使碳化深度增加1.6～3.5倍，即多因素耦合作用会显著降低再生混凝土的抗碳化性能.

4) 碳化、干湿作用增大孔隙迂曲度，而冻融及三因素耦合作用均减小孔隙迂曲度. 孔隙迂曲度与氯离子迁移系数及相对动弹性模量具有明显的相关性，孔隙迂曲度越大，孔隙结构越复杂，再生混凝土耐久性能越好.

整体而言，不管是单因素还是多因素作用，再生混凝土耐久性能均随再生骨料掺量的增加而降低；粉煤灰、矿粉等矿物掺合料的掺入可以增强再生混凝土在单一碳化与单一干湿因素作用下的抗氯离子渗透性能，而除此之外均表现为削减作用，且单掺粉煤灰比双掺粉煤灰和矿粉的削减作用更显著. 所以，对于可能经受复杂环境因素作用下的再生混凝土而言，针对不同的使用要求，合理选择再生骨料掺量、矿物掺合料种类与组合形式是非常必要的. 同时，在实际工程应用时应经过室内模拟耐久性试验的验证.