硫酸鹽環境下再生骨料混凝土的抗凍性能

賈文亮,李　昊,張　琴

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特　010018)

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硫酸鹽環境下再生骨料混凝土的抗凍性能

賈文亮,李昊,張琴

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特010018)

為了探討再生骨料混凝土在硫酸鹽作用下的抗凍耐久性能，選取再生粗骨料替代率為50%、100%的兩組再生混凝土和普通骨料混凝土進行硫酸鹽環境中的凍融試驗，以質量損失率和相對動彈性模量判別混凝土的抗凍性能。結果表明：質量損失率用于表征再生骨料混凝土的損傷劣化規律具有一定的局限性；相對動彈性模量的變化比較敏感，可以很好的表征再生骨料混凝土的損傷程度；再生骨料混凝土的抗鹽凍性能明顯低于普通骨料混凝土。以此為基礎，建立了Weibull概率函數與凍融損傷度之間的演化方程，演化方程可以很好表述凍融循環次數與相對動彈性模量的變化規律，為后續的分析研究提供了一定借鑒。

硫酸鹽； 凍融； 再生骨料混凝土； 損傷度； 相對動彈性模量

1　引　言

目前，混凝土依然是基礎建設的主要建筑材料之一。近年來，隨著經濟建設的快速發展，世界范圍內城市化建設速度不斷加快，廢舊建筑拆遷改造產生的大量廢棄混凝土排放量逐年增加。據統計[1-3]，美國、日本、歐洲等國每年產生的廢棄混凝土以千萬噸為計，而我國每年產生的建筑垃圾高達35億噸[4]。我國的建筑垃圾普遍采取堆放和掩埋的方式處理，其綜合利用率不足5%，遠遠低于歐盟(90%)、日本(97%)和韓國(97%)等發達國家和地區[4]。如何解決如此龐大的建筑垃圾成為一個非常棘手的問題。廢棄混凝土的再利用主要將其作為再生混凝土和再生水泥，再生混凝土具有綠色、無污染、可持續發展等特點，近年來逐漸受到專家學者的重視。然而，對于再生骨料混凝土的抗凍耐久性能，沒能提出統一定論,再生骨料混凝土的抗凍耐久性能主要與其強度、含氣量、滲透性等因素有關。硫酸鹽對混凝土腐蝕非常嚴重，硫酸鎂作為硫酸鹽中腐蝕性最大的一種，其主要原因是硫酸根離子與鎂離子的復合損傷[5]。本文選取5%的硫酸鎂溶液，研究再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，簡稱RAC)和普通骨料混凝土(Natural Aggregate Concrete，簡稱NAC)在硫酸鎂作用下的抗凍耐久性能。探討再生骨料混凝土在鎂離子和硫酸根離子雙因素作用下的損傷劣化規律，以期為再生骨料混凝土在嚴寒地區的利用提供一定參考。

2　試　驗

2.1試驗原材料

表1　水泥基本性能指標

表2　骨料物理性能

圖1　粗骨料粒徑分布圖Fig.1　Particle size distribution of coarse aggregate

水泥：蒙西P·O42.5水泥，各項性能指標見表1；砂子：顆粒級配良好的天然河沙，細度模數2.71，其他物理性能見表2；粗骨料：普通骨料選用粒徑連續繼配天然碎石，再生骨料選用經破碎后的混凝土(原設計強度C30)，骨料的級配性能見圖1，其他物理性能見表2；水：普通飲用水；外加劑：高效引氣減水劑。

2.2試驗配合比設計及相關性能

試驗基準組為普通骨料混凝土，通過再生骨料取代普通碎石組成兩組再生混凝土。考慮到再生骨料混凝土的流動性較差，砂率選取了40%。其配合比及相關性能見表3。

表3　混凝土配合比及其相關指標

2.3試驗方法

本試驗共3個配合比，抗凍性試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，立方體抗壓試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，各工況試件個數3個。抗壓試件養護28 d，按照普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB 50081-2002)進行力學性能測試。抗凍試件養護24 d，在15～20 ℃的清水溶液中浸泡4 d，按照普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準(GBT 50082-2009)中“快凍法”進行抗凍性試驗。凍融環境選取質量分數為5%的硫酸鎂溶液，每凍融循環25次測試動彈性模量和質量的變化。

3　結果與討論

混凝土相對動彈性模量和質量損失率是判別混凝土損傷劣化程度的主要指標，圖2、圖3為3組混凝土凍融循環相對動彈性模量及質量變化規律的關系曲線。

3.1相對動彈性模量

相對動彈性模量可以反映混凝土經凍融循環后內部結構的損傷劣化程度，由圖2可見，3組混凝土的相對動彈性模量隨凍融循環的增加而減小，RAC組相對動彈性模量下降最為迅速，NAC組最為緩慢，n-RAC組介于這兩組之間。n-RAC和RAC組經過200次凍融循環已經不能滿足相對動彈性模量大于60%的抗凍性指標，且相對動彈性模量的下降速率隨著再生骨料替代率的增加而增大。而NAC經過200次凍融循環相對動彈性模量下降為67.1%。由此說明再生骨料混凝土的抗凍性能小于普通骨料混凝土。產生這樣的原因主要是因為再生粗骨料的加入改變了原始混凝土結構的內部組成。再生粗骨料是經混凝土破碎而成，在破碎過程中不可避免對再生骨料造成初始損傷，混凝土內部水周期性相變導致混凝土內部周期性出現拉壓應力，這種拉壓應力對再生骨料造成二次損傷[6-8]，這種損傷是不可逆的，并隨著凍融次數的增加而增大。另外，砂漿-骨料界面過渡區也是影響再生骨料混凝土抗凍耐久性的重要區域，再生骨料的吸水率遠大于普通骨料，30 min內吸水幾乎接近飽和，這部分吸取的水分主要存在于砂漿中，所以再生骨料混凝土砂漿-骨料界面過渡區實際上是新舊砂漿的結合區。舊砂漿吸取了大量水分，水轉化為冰后體積增加了9%，這部分增加的體積集中在舊砂漿內，附著在再生骨料上的舊砂漿首先發生破壞，進而誘發周圍新砂漿出現裂縫，多次凍融循環后這種微裂縫形成了貫穿裂縫，最終導致混凝土發生破壞。

圖2　相對動彈性模量與凍融循環次數的關系Fig.2　Relationship between relative dynamic modulus and freeze-thaw cycles

3.2質量損率失及形態變化

由圖3可見，凍融初期n-RAC和RAC兩組質量損失率存在都不同程度的負增長，前50次凍融循環RAC組質量的增加量明顯高于n-RAC組。這兩組混凝土質量增加主要來源與兩部分，一部分是因為外部水分通過毛細管的傳輸進入混凝土內部所引起，另一部分是因為進入混凝土內的硫酸鎂與水泥水化產物發生化學反應生成鹽類結晶物所引起[9,10]。再生骨料混凝土新舊砂漿結合區是薄弱環節，混凝土滲透性能是影響混凝土抗凍耐久性的主要因素之一。隨著骨料替代率的增加導致混凝的抗滲透性能逐漸下降，從而為鹽溶液的進入提供了有利條件。盡管凍融前期混凝土表面出現一些破落，但鹽溶液的不斷進入與富集最終導致質量損失率出現負增長。當混凝土內部質量的增加量小于外表面砂漿的脫落時，質量損失率開始出現正值。NRC組在整個凍融期間質量損失率沒有出現負值，盡管NRC組混凝土也存在水分的吸入，但是硫酸鎂溶液的侵蝕為硫酸根離子與鎂離子的雙向侵蝕，凍融循環25次NRC組混凝土表面已經出現比較嚴重麻面現象，增加的重量不足以抵消表皮脫落重量。凍融循環125次以后3組混凝土質量損失率的變化規律表現為RAC>n-RAC>NRC組。n-RAC和RAC兩組再生混凝土經過前期的凍融劣化后進入了快速劣化階段，200次凍融循環后表面已經有粗骨料外露，質量損失率急劇上升。

由圖2可見，n-RAC和RAC兩組再生混凝土200次凍融期間相對動彈性模量沒有出現上升現象。而圖3質量損失率的變化規律為先下降再上升，且200次凍融循環后質量損失率均小于5%。由此可見，相對動彈性模量對混凝土的損傷劣化的表征比較敏感，而質量損失率的變化用于表征再生骨料混凝土具有一定的局限性。

4　凍融循環損傷演化方程建立

4.1凍融損傷機理

由以上分析可知，相對動彈性模量變化規律可以很好的表征混凝土凍融損傷劣化過程。因此，選用相對動彈性模量表述混凝土凍融機理。混凝土凍融循環初期，原始結構有較好的整體性，滲透性相對較小，進入混凝土內部的水量較少。此時，相對動彈性模量呈緩慢平穩下降趨勢。隨著凍融次數的增加，正負溫度交替作用對混凝土內部造成了一定的物理損傷，交替的拉壓應力迫使混凝土產生不可逆的裂紋，且這種裂紋不斷的擴散引起新裂紋的產生[11]。因此，增大了混凝土的滲透性，外部水分大量進入混凝土內部，經過前期損傷混凝土內部形成了較大裂縫，水溶液能夠自由移動，從而混凝土結構變得疏松。此時混凝土開始加速破壞，相對動彈性模量也開始加速下降。

4.2Weibull損傷演化方程建立

混凝土的損傷劣化大多具有隨機性，因此采用概率函數來表征混凝土的劣化過程是必要的。文獻[12-14]表明：利用Weibull雙參數或三參數分布函數刻畫混凝土損傷劣化是可行的。本文采用Weibull雙參數建立再生骨料混凝土的凍融損傷演化方程。

Weibull雙參數分布函數為：

(1)

混凝土損傷度定義為：

D(N)=1-Er

(2)

由式(1)、(2)可知：

(3)

式中：a為尺度因子；b為威布爾形狀因子，a、b為待定系數；Er為混凝土的相對動彈性模量。

由圖2相對動彈性模量試驗結果及式(2)計算，應用式(1)擬合得到3組混凝土凍融損傷演化模型，圖4為擬合曲線與實測點的關系，式(1)系數如表4所示，相關系數接近于1，表明擬合較好。

圖4　相對動彈性模量與模型之間的關系圖Fig.4　Relationship between relative dynamic modulus and freeze-thaw cycles attenuation model

No.abR2NAC275.22.9320.9877n-RAC246.22.4970.9882RAC217.42.0570.9934

5　結　論

(1)質量損失率用于評價再生骨料混凝土的抗凍性能具有一定的局限性，相對動彈性模量對再生骨料混凝土損傷劣化比較敏感，可以很好的表征再生骨料混凝土損傷劣化性能;

(2)相對于普通骨料混凝土，再生骨料混凝土抗硫酸鹽凍融耐久性較差，并且隨著再生粗骨料替代率的增加而增加，經過200次凍融循環再生骨料混凝土相對動彈性模量已經不能滿足抗凍性規范要求;

(3)Weibull雙參數損傷模型可以表征混凝土損傷劣化規律，為再生骨料混凝土服役壽命預測提供一定的支撐。

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Frost Resistance Property of Recycled Aggregate Concrete under Sulfate Environment

JIAWen-liang,LIHao,ZHANGQin

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

To explore frost resistance of recycled aggregate concrete with the help of sulfate, the experiment of freeze-thaw based on recycled aggregate concrete of which was 50 and 100 percent of replacement rates with two groups of recycled aggregate concrete and natural aggregate concrete in condition of sulfate was conducted to investigate the frost resistance property as the criterions were mass lose rates and relative dynamic modulus. The results showed the limited damage degree was characterized via mass lose rate and the change of relative dynamic modulus was sensitive, which can represent the damage degree of recycled aggregate concrete. The frost resistance of recycled aggregate is lower than natural concrete apparently, which can lay a basis for building the evolution equation which can illustrate the variation laws of frequency of freeze-thaw and relative dynamic modulus between Weibull probability function and freeze-thaw. It can provide some

for further studies.

sulfate;freeze-thaw;recycled aggregate concrete;damage degree;relative dynamic modulus

國家自然科學基金項目(51169014).

賈文亮(1981-)，男,講師.主要從事建筑材料、建筑學方面的教學和研究.

TU528

A

1001-1625(2016)06-1816-05