硫酸鹽侵蝕作用下再生混凝土耐久性研究

付騰歡， 王瑞駿， 何曉瑩， 陶 喆， 馬利平

(西安理工大學 水利水電學院， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

我國城市化建設過程中，產生了大量建筑垃圾，其中50%～60%為廢棄混凝土。據統計，我國2010年混凝土垃圾達2.39×108t。長期以來，這些建筑垃圾大都采取填埋的方式進行處理，不僅花費了大量運輸成本，也使得土地資源更加緊張，同時還會污染填埋區的土質水質，進而影響人類生活環境[1-6]。

再生混凝土的廣泛使用既可緩解建筑骨料日益短缺的局面，又可解決處理廢棄混凝土所帶來的一系列問題，最終達到“無害化”和“資源化”。近年來，諸多學者對再生混凝土做了一系列研究。肖建莊等[7]通過再生混凝土單軸受壓疲勞試驗，考察了疲勞荷載作用下應變響應的疲勞損傷累積，提出了一個再生混凝土損傷模型。陳宗平等[8]、余乃宗等[9]研究了不同再生粗骨料取代率、側向圍壓值、齡期、再生骨料來源和混凝土強度等級參數變化對再生混凝土三軸受壓力學性能的影響。雷斌等[10]系統研究了水膠比、水泥用量、再生粗集料性能、礦物摻和料、再生粗集料取代率、荷載水平等因素對再生混凝土碳化性能的影響。耿歐等[11]采用正交試驗的方法研究了溫度、水灰比、粗骨料取代率和水泥用量4個因素對再生混凝土碳化深度的影響規律，在此基礎上，通過試驗數據的回歸分析建立了再生混凝土碳化深度的預測模型，預測模型計算結果與試驗數據對比分析表明，此預測模型所選相關參數合理，能較好地預測普通大氣環境下再生混凝土的碳化深度。

其他學者也進行了多因素耦合作用下再生混凝土耐久性能的研究。劉金龍等[12]總結了近年來硫酸鹽與應力、氯離子、干濕循環、凍融循環、碳化以及不同陽離子類型等環境單因素及多因素耦合作用下混凝土耐久性的研究成果，并且對多因素耦合作用下混凝土抗硫酸鹽耐久性的研究進行了展望。劉輝[13]針對寒冷地區經常與水接觸的海岸和鹽湖水工建筑在晝夜溫差出現凍融破壞的同時，也可能在水平面浮動下，出現干濕交替和硫酸鹽侵蝕的情況進行了混凝土凍融循環后進行干濕循環、混凝土干濕循環后進行凍融循環和混凝土在凍融循環干濕循環交替作用3組對比試驗。趙高升等[14]采用單邊凍融和一維碳化的方法，在凍融循環和碳化交替作用下，研究混凝土耐久性能的演變規律及其與氣孔結構變化的關系，提出在實際工程中進行混凝土結構抗凍耐久性設計和使用壽命預測時，必須考慮和引進碳化與凍融的交替作用的建議。宿曉萍等[15]研究了不同類型的易溶鹽在凍融循環作用下對混凝土耐久性能的影響。同時在復合鹽侵蝕與凍融循環雙重因素作用下混凝土耐久性試驗研究的基礎上，進行混凝土的單鹽-凍融循環對比試驗，總結出在凍融交替作用下，硫酸鹽、氯鹽與碳酸氫鹽對混凝土材料腐蝕破壞的特點、規律，并進一步對混凝土的鹽凍破壞機理進行分析。

目前，對再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的研究相對較少[16-20]。因此，本文通過對不同粗骨料取代率的再生混凝土在硫酸鹽侵蝕環境下質量損失率、相對動彈模量和抗壓強度的測定來研究再生粗骨料的摻入對其抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。進行了SEM和EDS分析，研究了硫酸鹽侵蝕過程中再生混凝土的微觀結構變化，更有力地佐證了宏觀結果。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

試驗采用P.O 42.5R硅酸鹽水泥(陜西秦嶺水泥廠)，灞河中砂，細度模數2.5，汾河卵石，粒徑5～16 mm；再生粗骨料為廢棄混凝土試件經破碎加工制成，表1為骨料基本性能。減水劑為西安市紅旗外加劑廠聚羧酸高效減水劑；引氣劑為三萜皂甙高效引氣劑；混凝土拌和與養護用水為西安市飲用自來水。混凝土配合比如表2所示。

表1 骨料基本性能

表2 再生混凝土配合比

2.2 試件的制備

再生骨料取代率為0、20%、50%和100%的再生混凝土試件各制作一組，分別記為R0、R20、R50和R100。依據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中“抗硫酸鹽侵蝕試驗”章節內容，試件采用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。混凝土澆筑24 h后拆模，放入標準養護室(20 ℃±2 ℃，RH≥95%)養護28 d。

2.3 試驗方法

試件達到28 d養護齡期時，將試件從標準養護箱取出，擦拭干凈表面水分，再將試件放入烘箱中，烘干結束后將試件放置于干燥環境中冷卻至室溫，然后將試件放入硫酸鹽干濕循環試驗機中，按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行試驗。再生混凝土試件的浸泡溶液是質量分數為5%的NaSO4溶液，侵蝕試驗工況為干濕交替循環工況，試驗過程中每完成25次干濕循環測定一次再生混凝土試件的質量和相對動彈模量，每完成50次干濕循環測定一次再生混凝土試件的抗壓強度。

3 試驗結果與分析

3.1 硫酸鹽干濕循環后再生混凝土試件外觀形態

經過硫酸鹽干濕循環0、75、150次后試件外觀形態見圖1。

從圖1(b)可以看出，硫酸鹽干濕循環75次后，試件表面出現少量裂隙及孔洞，一兩處區域出現砂漿松動，但并不嚴重。從圖1(c)可以看出，硫酸鹽干濕循環150次后，試件表面裂隙及孔洞明顯增多，周邊角落區域骨料出露明顯，并伴隨有骨料剝落現象。原因在于硫酸鹽干濕循環初期，再生混凝土內部生成膨脹性產物，進而在其內部產生膨脹性應力。隨著干濕循環次數的增加，膨脹性產物持續生成，膨脹應力不斷增加，當膨脹應力大于再生混凝土的抗拉強度時，再生混凝土就會產生裂隙與孔洞并不斷發展。

圖1 不同硫酸鹽干濕循環次數后再生混凝土試件外觀形態

3.2 質量損失率

再生混凝土試件硫酸鹽侵蝕的質量損失率按公式(1)計算：

(1)

式中：Wn為試件經過n次硫酸鹽干濕循環后質量損失率，%；G0為試件初始測試質量，kg；Gn為試件經過n次硫酸鹽干濕循環后的質量，kg。每完成25次干濕循環后，取出試件并擦拭干凈表面水分，測定再生混凝土試件的質量，R0、R20、R50和R100 4組試件質量隨干濕循環周期的變化規律如圖2所示。

從圖2可以看出，在150次干濕循環結束后，4組試件的質量損失率都不明顯，其中，R0最小，為0.46%；R20、R50和R100相對稍大，分別為0.95%、1.21%和1.25%。混凝土硫酸鹽侵蝕過程是一個復雜的物理化學過程，再生混凝土出現質量變化的原因主要在于表面砂漿的剝落。再生混凝土在硫酸鹽侵蝕的過程中，混凝土試件會在80 ℃的高溫下進行干濕循環，在高溫條件下再生混凝土表面會產生干縮裂縫，從而加速混凝土表面砂漿破壞過程。在前50次循環周期中，4組試件的質量損失率都增加緩慢；50次循環周期后，所有試件的質量損失率增加速率都變得越來越快，其中，R100最快，其次為R50，再次為R20，R0最慢。可見，再生骨料取代率越高，再生混凝土質量損失越大且損失速率也越快。

圖2 4組試件質量損失率曲線

3.3 相對動彈模量

相對動彈模量現場試驗照片見圖3。

再生混凝土試件硫酸鹽侵蝕的相對動彈模量按公式(2)計算：

(2)

式中：Pn為經過n次干濕循環后試件相對動彈性模量，%；f0為硫酸鹽干濕循環前的自振頻率，Hz；fn為硫酸鹽干濕循環n次后的自振頻率，Hz。R0、R20、R50和R100 4組試件相對動彈模量隨干濕循環周期的變化規律如圖4所示。

圖3 相對動彈模量現場試驗

圖4 4組試件相對動彈模量曲線

從圖4可以看出，在150次干濕循環結束后，4組試件的相對動彈模量下降較明顯，其中，R0變化最小，為79.5%；R20、R50和R100相對變化較大，分別為65.2%、68.2%和66.7%。在整個干濕循環過程中，所有試件的相對動彈模量均隨干濕循環次數的增加逐漸下降，其中，R0下降最慢，R20、R50和R100相對較快。分析原因可知， SO42-滲入混凝土孔隙內部，與水泥水化產物發生反應生成膨脹性鈣礬石、石膏晶體，隨著生成產物的增多，膨脹性內力超過混凝土抗拉強度，混凝土內部開裂、強度損失較大；同時，伴隨著無水硫酸鈉結晶轉化成十水硫酸鈉的過程，體積膨脹產生的結晶壓力超過混凝土的抗拉強度時，也會使得混凝土孔隙內壁產生裂紋，最終使混凝土結構劣化和破壞。又由于再生骨料的孔隙率高于普通骨料，其滲透性更大，也就使得外部環境中的SO42-更容易進入再生混凝土內部，且隨著再生骨料取代率的增加，進入試件內部的SO42-就更多，試件所受的侵蝕程度和內部損傷就越嚴重。

3.4 抗壓強度變化

抗壓強度現場試驗照片見圖5。

圖5 抗壓強度現場試驗

分別對0、50、100、150次干濕循環后的試件進行抗壓強度試驗，其結果如圖6所示。

圖6 4組試件抗壓強度試驗數據

從圖6(a)可以看出，R0、R20、R50和R100 4組試件抗壓強度均呈現先小幅增加再逐步減小的過程。其中，經歷50次干濕循環硫酸鹽侵蝕后，R0、R20、R50和R100 4組試件抗壓強度分別增加了7.2%、2.3%、5.8%和7.7%。從圖6(b)可以看出，試驗結束時各組試件的抗壓強度均有明顯下降。其中，R0下降最少，為22.7%；R20和R50分別下降25.9%與26.1%；R100下降最多，為29.5%。依據GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中“抗硫酸鹽侵蝕試驗”章節內容，當抗壓強度耐蝕系數達到75%時，即可認為混凝土試件破壞。因此在硫酸鹽干濕循環到達150次時，R20、R50和R100均已破壞。結果表明：隨著再生粗骨料取代率的增加，經歷150次硫酸鹽干濕循環侵蝕后抗壓強度的減少率也在增加。原因在于，再生粗骨料具有孔隙率高、密度小和強度較低的特性。在硫酸鹽干濕循環侵蝕前期，硫酸鹽侵蝕再生混凝土的行為增加了其抗壓強度，隨著侵蝕過程的繼續進行，其抗壓強度開始下降。并且隨著再生粗骨料取代率的增加，侵蝕程度也在不斷加重，表現為抗壓強度的減少率越來越大。

3.5 再生混凝土微觀分析

一定的條件下，水泥水化產物Ca(OH)2和C-A-H與硫酸鹽反應生成鈣礬石晶體，在SO42-濃度超過1 000 mg/L時，還會生成石膏[21]。鈣礬石和石膏晶體的形成都會使得水泥石體積膨脹，最終使水泥石結構破壞。對再生骨料取代率為20%且經過干濕循環150次之后的試件進行EDS分析和SEM掃描，以分析再生混凝土微觀結構變化。從圖7中的EDS分析可以得出，此針狀晶體的主要成分有：Al、 S、 Ca 和O等化學元素，再根據各個化學元素的組成含量，可以推斷此針狀物為鈣礬石晶體。SEM掃描圖片見圖8。

圖8(a)顯示在經歷了150次硫酸鹽干濕循環后，再生混凝土內部產生了較多針狀鈣礬石晶體，同時再生混凝土內部出現了較多裂縫，表明此時再生混凝土內部結構已經出現了損傷。圖8(b)為檢測到的板狀石膏晶體，在石膏晶體周圍有大量絮狀水化產物，同時可以觀察到大量的微小裂縫及孔洞，再次說明了再生混凝土在硫酸鹽侵蝕下內部結構已經遭到破壞。

綜上所述，檢測到鈣礬石及石膏晶體的生成，同時也觀測到了再生混凝土內部的微小裂縫，這都與3.3節相對動彈模量數據的降低相互對應。

圖7 再生混凝土生成產物及EDS分析結果

圖8 150次干濕循環后SEM圖

4 結 論

(1)不同再生粗骨料取代率對混凝土在硫酸鹽干濕循環條件下的質量損失率影響不明顯。其中，R0為0.46%，R20、R50和R100分別為0.95%、1.21%和1.25%。所有試件的質量損失率都隨干濕循環次數的增加而不斷加大，在50次干濕循環之后增加速率變得越來越快，且再生骨料取代率越大，質量損失率增加越快。

(2)不同再生粗骨料取代率對混凝土在硫酸鹽干濕循環條件下的相對動彈模量影響較明顯。其中，R0為79.5%，R20、R50和R100分別為65.2%、68.2%和66.7%。所有試件的相對動彈模量均隨干濕循環次數的增加逐漸下降，在50次干濕循環之后下降速率有加快的趨勢。整體來說，R0下降速度最慢，R20、R50和R100下降速度相差不大且明顯高于R0。試驗結果表明：再生骨料取代率越高，再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕的能力越弱。

(3) 不同再生粗骨料取代率對混凝土在硫酸鹽干濕循環條件下的抗壓強度影響較明顯。其中，試驗結束時R0、R20、R50和R100的抗壓強度減少率分別為22.7%、25.9%、26.1%和29.5%。4組試件的抗壓強度減少率都隨再生粗骨料取代率的增加而增加。

(4)再生混凝土微觀結構觀察結果顯示：在干濕循環150次之后，混凝土內部出現了針狀鈣礬石晶體和板狀石膏，同時在混凝土內部還有較多裂縫出現。這些微觀測試結果證實了再生混凝土質量損失、相對動彈模量與抗壓強度降低的宏觀實測數據。