道路再生混凝土干缩性能和抗硫酸盐侵蚀性能研究

郑建华，彭 瀑，胡 明

［1.林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆 400000；2.重庆机电职业技术大学，重庆 400000］

0 引言

随着废弃混凝土问题日益突出，世界各国都在积极开展废弃混凝土再生利用方面的研究，再生混凝土技术已成为国内外工程界学者共同关心的热门课题。各国学者对再生混凝土的破碎工艺、配合比设计、力学性能、耐久性及其改善措施等方面进行了广泛的试验研究，发展了很多再生集料制备技术和再生混凝土应用技术[1]。欧美等发达国家再生资源化率比较高，先后立法或制定了相应的技术标准，将再生集料成功应用于道路工程和非承重结构混凝土中。在我国，再生集料以及再生混凝土的应用技术研究尚处于初级阶段，但政府已制定了中长期科教兴国战略和社会可持续发展战略，积极鼓励废弃物再生技术的研究和应用。上海、北京、重庆、香港等城市进行了大量科学研究，并相继铺筑了再生混凝土路面试验路[2]。

1 再生混凝土的耐久性能研究进展

混凝土结构在长期使用过程中，在其自身特性与环境因素、时间因素综合作用下，随着时间的推移将发生材料老化与结构损伤，这种损伤的积累导致结构性能劣化、承载能力下降、耐久性能降低[3]。

干缩性能研究方面，普通混凝土收缩变形主要是水泥石的收缩，而粗集料又能抑制水泥石的收缩变形；由于再生集料吸水率较大、弹性模量较小，这种抑制作用就减弱了，导致再生混凝土的干缩变形较普通混凝土的大。试验研究表明，再生混凝土收缩变形随再生粗集料取代率增加而增大。Khatib和孙浩的试验都表明，再生混凝土的干缩变形与龄期也有关，其早期（分别为前10d，前60d）增长很快，此后逐渐减慢[4-5]。

抗硫酸盐侵蚀性能研究方面，硫酸盐溶液能与混凝土中水化产物发生化学反应，使混凝土产生体积膨胀而破坏。再生混凝土抗硫酸盐腐蚀性能低于同水灰比的普通混凝土，再生粗集料引入到再生混凝土中的硫酸盐不可忽略。一般地，再生混凝土抗硫酸盐腐蚀性能随再生集料取代率增加而降低。肖开涛研究认为，当再生骨料取代率小于50%时，再生混凝土的抗硫酸盐性能与完全采用天然骨料配制的混凝土非常类似；而当再生骨料取代率超过50%时，再生混凝土的抗硫酸盐性能明显下降[6]。

与普通混凝土相比，再生混凝土的耐久性能研究还处于初级阶段，不够系统、深入。再生混凝土的耐久性能与再生集料的来源、界面性质、取代率、级配、吸水率，以及再生混凝土的水灰比、孔结构等密切相关，目前的研究多集中在宏观分析上，还应加强在微观层次方面的研究，包括采取什么样的措施改善再生混凝土的耐久性能、采取什么样的方法评价其耐久性能等方面有待进一步研究。

2 干缩性能研究

混凝土的收缩是指由于混凝土中所含水分的变化、化学反应及温度变化等因素引起的体积缩小，其中干缩是指在干燥环境中，混凝土内部因水分蒸发而引起的体积变化。各种收缩变形引起的混凝土开裂问题一直是混凝土裂缝控制的重点和难点。普通混凝土干缩变形主要是由于水泥石的干缩，而粗集料又能抑制水泥石的干缩变形，混凝土的干缩程度与水泥品种及用量、单位用水量和集料用量有关。对于再生粗集料的特殊性，再生混凝土的干缩变形规律也有其特殊性。本文利用前面力学强度研究得到的较优配合比，研究分析再生粗集料取代率、粉煤灰等量取代率或超量取代系数、聚合物乳液掺量、再生粗集料的界面改性方法等因素对再生混凝土干缩变形的影响[7]。

本文试验参考现行《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）中的干缩试验方法，制作10cm×10cm×51.5cm混凝土试块，并使用测量标距为540mm，精度为0.01mm的混凝土收缩仪。成型1d后拆模并标准养护至3d（从搅拌混凝土加水时算起），立即移入温度为20℃±2℃、相对湿度为60%±5%的干缩室中，测定其初始长度。此后，分别测量1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d、90d龄期时混凝土的干缩率。

2.1 再生粗集料取代率对干缩性能的影响

由测试结果分析得知，各组再生混凝土的干缩率随龄期的增长而不断增大，前3d干缩率较小，3d以后干缩率增长速度加快，至45d时速度趋于平缓。同一个龄期内，随着再生粗集料取代率增加，再生混凝土的干缩率均有不同程度的增大，再生粗集料取代率增加会加剧再生混凝土的干缩变形。这与很多研究者的结论一样。普通混凝土收缩变形主要是水泥石的收缩，而粗集料又能抑制水泥石的收缩变形；由于再生集料吸水率较大、弹性模量较小，这种抑制作用就减弱了，导致再生混凝土的干缩变形较普通混凝土更大。

2.2 粉煤灰等量取代率或超量取代系数对干缩性能的影响

由测试结果分析得知，同一龄期内，掺加10%的粉煤灰明显减小了再生混凝土的干缩率，而且超量取代法的效果优于等量取代法的效果。掺入粉煤灰替代部分水泥，相当于减少了早期参加水化反应的胶凝材料量，也就减少了同一龄期水化产物的生成量，水化产物对内部结构的填充作用减弱，因此，随着粉煤灰掺量的增多，早期水泥石内部结构变得疏松，部分未反应的粉煤灰颗粒起到了微集料的作用，抑制了再生混凝土的干缩变形。

2.3 聚合物乳液掺量对干缩性能的影响

由测试结果分析得知，各组再生混凝土的干缩率随龄期的增长而不断增大，前3d干缩率较小，3d以后干缩率增长速度加快，至45d时速度趋于平缓。同一个龄期内，随着聚合物乳液掺量的增加，再生混凝土的干缩率均有不同程度的增大，聚合物乳液的掺入会加剧再生混凝土的干缩变形。聚合物改性再生混凝土的干缩性取决于所用的聚合物乳液的性质、聚合物乳液的掺量。

2.4 再生粗集料界面改性方法对干缩性能的影响

由测试结果分析得知，同一个龄期内，经由这三种界面改性方法处理的再生粗集料配制的再生混凝土的干缩率基本满足IRC-3（水泥浆包裹法）>IRC-2（预湿法）>IRC-1（机械磨耗法）>RC-100（未处理），这说明这三种方法都会增大再生混凝土的干缩变形，水泥浆包裹法最显著，预湿法其次。配合比基本相同下，水泥浆包裹法或预湿法都会增加水分，而且保水性又不佳，自然会在干燥情况下大量失水。

3 抗硫酸盐侵蚀性能研究

地下水的硫酸盐主要来源于含硫酸钙、硫酸钠、硫酸钾和硫酸镁的泥土。混凝土的硫酸盐侵蚀破坏被认为是引起混凝土材料失效破坏的四大主要因素之一。如果硫酸盐浓度超过1500mg/L，硫酸盐侵蚀的可能性就很大。如成昆铁路的部分隧道工程、青海盐湖地区的公路工程、枝柳铁路工程等都出现了不同程度的混凝土硫酸盐侵蚀破坏。针对再生混凝土的特殊性，本文利用前面力学强度研究得到的较优配合比，研究分析再生粗集料取代率、粉煤灰等量取代率或超量取代系数、聚合物乳液掺量、再生粗集料的界面改性方法等因素对再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能的影响。

关于路用再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的评价指标，本文采用抗压强度变化率和劈裂抗拉强度变化率。将再生混凝土试块（10cm×10cm×10cm）放在质量分数为10%硫酸钠溶液中浸泡28d后，测试侵蚀前后再生混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度，并观察试件表面受侵蚀的程度。

3.1 再生粗集料取代率对抗硫酸盐侵蚀性能的影响

由测试结果分析得知，经10%硫酸钠溶液浸泡侵蚀28d后，再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度明显低于未浸泡时的强度。随着再生粗集料取代率增加，抗压强度损失率相差不大，而劈裂抗拉强度损失率增大。再生混凝土的强度损失率明显大于普通混凝土（NC）的，说明再生粗集料与普通粗集料存在明显的差异。

3.2 粉煤灰等量取代率或超量取代系数对抗硫酸盐侵蚀性能的影响

由测试结果分析得知，经10%硫酸钠溶液浸泡侵蚀28d后，与未掺粉煤灰的再生混凝土相比，粉煤灰再生混凝土的抗压强度损失率、劈裂抗拉强度损失率都较小。特别的是，当粉煤灰超量取代系数为1.2时，混凝土浸泡后两种强度损失很小，不超过0.9%；当粉煤灰等量取代水泥10%（FRC-10），以及超量取代系数为1.4（FRC-10-4）时，混凝土浸泡后两种强度都未损失，反而增加了。这是因为，在浸泡龄期（28d）不太长时，硫酸盐的存在不仅不会导致混凝土试件的抗压强度或劈裂抗拉强度损失，而且还会起到粉煤灰发生火山灰反应的激发剂作用，使得抗压强度或劈裂抗拉强度增大。

3.3 聚合物乳液掺量对抗硫酸盐侵蚀性能的影响

由测试结果分析得知，经10%硫酸钠溶液浸泡侵蚀28d后，与未掺聚合物乳液的再生混凝土相比，聚合物改性再生混凝土的抗压强度损失率、劈裂抗拉强度损失率都较小。随着聚合物乳液掺量增加，再生混凝土的劈裂抗拉强度损失率不断减小，而抗压强度损失率或增或减，相差不大，变化趋势不明显。这里，聚合物改性再生混凝土被硫酸钠溶液浸泡侵蚀，导致强度下降，除了与再生粗集料的性能较低有关外，还取决于聚合物乳液的性质、聚合物乳液的掺量。

3.4 再生粗集料界面改性方法对抗硫酸盐侵蚀性能的影响

由测试结果分析得知，经10%硫酸钠溶液浸泡侵蚀28d后，由界面改性处理的再生粗集料配制的再生混凝土的抗压强度损失率由大到小排序为：IRC-3（水泥浆包裹法）>IRC-1（机械磨耗法）>RC-100（未处理）>IRC-2（预湿法）；劈裂抗拉强度损失率由大到小排序为IRC-3（水泥浆包裹法）>RC-100（未处理）>IRC-1（机械磨耗法）>IRC-2（预湿法）。说明水泥浆包裹法被侵蚀的程度最严重，预湿法被侵蚀的程度最轻微。水泥浆包裹法处理再生粗集料，水泥浆用量相对最大，水化反应产生的固相物质与硫酸盐溶液能生成相对较多的钙矾石，因此，破坏力度最强。

4 结语

本文主要研究再生粗集料取代率、粉煤灰等量取代率或超量取代系数、聚合物乳液掺量、再生粗集料界面改性方法等因素对再生混凝土干缩性能和抗硫酸盐侵蚀性能的影响，得到了以下结论。

（1）关于再生混凝土的干缩性能研究，评价指标为干缩率。再生混凝土的干缩变形随再生粗集料取代率的增加而增大。粉煤灰等量取代法或超量取代法都能减小再生混凝土的干缩变形，且后者效果更好。随着聚合物乳液掺量的增加，再生混凝土的干缩率均有不同程度的增大，掺入聚合物乳液会加剧再生混凝土的干缩变形。对于本文中的三种再生粗集料界面改性方法，都能增大再生混凝土的干缩变形，其中水泥浆包裹法最显著。

（2）关于再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能研究，评价指标包括抗压强度变化率和劈裂抗拉强度变化率。随着再生粗集料取代率增加，抗压强度损失率相差不大，而劈裂抗拉强度损失率增大。粉煤灰的掺入能明显改善再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，特别地，在浸泡龄期（28d）不太长时，硫酸盐的存在不仅不会导致水泥基材料试件的抗压强度或劈裂抗拉强度损失，而且还会起到粉煤灰发生火山灰反应的激发剂作用，使得抗压强度或劈裂抗拉强度增大，这有待于从微观角度进行试验分析。随着聚合物乳液掺量增加，再生混凝土的劈裂抗拉强度损失率不断减小，而抗压强度损失率或增或减，相差不大，变化趋势不明显。对于本文中的三种再生粗集料界面改性方法，水泥浆包裹法和机械磨耗法改善效果较好，预湿法效果最差。

（3）劈裂抗拉强度变化率和抗压强度变化率都可以作为再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能评价指标，且前者更适宜。