再生粗骨料舊砂漿附著率對混凝土硫酸鹽侵蝕性能影響

江 洲

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

再生骨料由廢棄混凝土經挑揀、破碎、篩分處理后制備而成，將其部分或全部替代天然骨料制備的混凝土稱為再生混凝土[1]。使用再生混凝土一方面可以減少城市化過程改建、拆除建筑垃圾堆放量，另一方面可以解決過度開采天然骨料帶來的生態環境問題，具有重要的生態、經濟和社會意義[2]。

然而，再生骨料在制備過程中不可避免地附著一層舊砂漿(見圖1)，導致其物理性能遠低于天然骨料，且再生骨料附著舊砂漿的存在導致再生混凝土形成多重界面結構。再生混凝土作為一種界面結構復雜的復合材料，嚴重影響其耐久性，而硫酸鹽侵蝕又是混凝土耐久性研究的重要內容[3]。有學者研究發現，再生骨料舊砂漿附著率對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力具有較大的不確定性[4-5]。本文研究再生骨料不同舊砂漿附著率對混凝土在外部硫酸鹽侵蝕環境下力學性能和硫酸鹽侵蝕性能影響規律，并利用顯微硬度計量化表征經硫酸鹽侵蝕的再生混凝土多重界面過渡區顯微硬度和界面寬度，從微觀角度揭示再生混凝土在外界硫酸鹽侵蝕環境下的劣化機理。

圖1 再生骨料

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

采用 P·O 42.5 級硅酸鹽水泥，其主要性能指標見表1。采用聚羧酸高性能減水劑，減水率為20% ，摻量為水泥質量的1.0%。采用細度模數為 2.6的天然河砂，表觀密度為2.61 g/cm3，吸水率為3.01%。拌和水為普通飲用水。

表1 水泥主要技術性能

2種粗骨料分別為粒徑范圍5～25 mm的天然石灰巖碎石(NA)和實驗室制備的不同砂漿附著率再生粗骨料(RA)。其中，再生粗骨料通過調整配合比砂率制備的C30混凝土，在標準養護條件下養護90 d后用顎式破碎機破碎、篩分而成。粗骨料主要性能指標見表2。

表2 粗骨料主要性能指標

1.2 試驗配合比

在前期試驗基礎上，以不同再生粗骨料舊砂漿附著率(0%，20%，40%，60%和80%)和不同再生骨料取代率(0%和50%)為變量配制C30混凝土，其中試件命名規則如下：Ref表示基準混凝土，R20-50表示砂率為20%，再生骨料取代率為50%的再生混凝土。混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比

1.3 試驗方法

試件在標準養護條件下分別在7，28，60 d齡期時取出測試其抗壓強度，具體操作依據GB/T 50081-2002 《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

混凝土抗硫酸鹽侵蝕試驗參考GB/T 50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》進行，以混凝土抗壓強度損失率評價其抗硫酸鹽侵蝕能力，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。同條件的試件鉆芯取樣后切片，切片尺寸為100 mm×100 mm×20 mm，將切片打磨、拋光至滿足顯微硬度測試要求，然后分別測試切片中老骨料-新砂漿(LG-XJ)、老骨料-老砂漿(LG-LJ)界面及老砂漿-新砂漿(LJ-XJ )界面顯微硬度和界面過渡區寬度，見圖2。

圖2 再生混凝土多重界過渡區結構

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

圖 3為再生骨料舊砂漿附著率對混凝土7，28，60 d齡期抗壓強度影響測試結果。

圖3 再生骨料舊砂漿附著率對混凝土抗壓強度測試結果

由圖3可見，與基準混凝土相比，再生粗骨料替代率為50%的混凝土抗壓強度均呈下降趨勢，且隨著再生骨料舊砂漿附著率增加，混凝土抗壓強度下降程度越明顯。

這是因為：①再生骨料舊砂漿附著率越高，再生骨料自身缺陷越大、性能越差；②再生骨料舊砂漿附著率越高，其附著砂漿層越厚，骨料與水泥砂漿界面黏結力越弱[6]；③由于再生骨料附著舊砂漿，再生混凝土表現出多重界面特性，而界面過渡區是混凝土中最為薄弱環節，再生骨料附著舊砂漿率越高，混凝土的多重界面結構區域越薄弱，故在宏觀上表現為再生混凝土抗壓強度降低[7]。

2.2 硫酸鹽侵蝕性能

圖4為不同再生骨料舊砂漿附著率的混凝土在Na2SO4溶液中浸泡30，60，90 d后抗壓強度損失率測試結果。

圖4 再生骨料舊砂漿附著率對混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力測試結果

由圖4可見，與基準混凝土相比，在相同硫酸鹽侵蝕齡期下，再生骨料舊砂漿附著率越高，再生混凝土抗壓強度損失率越大。這是因為隨著再生骨料舊砂漿附著率提高，骨料表面附著舊砂漿含量越多或附著砂漿層越厚，舊砂漿一定數量的毛細孔隙和裂縫等原始缺陷成為侵蝕介質進入混凝土內部的便捷通道，進入混凝土內部的SO42-與水泥石中CH、水化鋁酸鈣等成分反應生成石膏和水化硫鋁酸鈣晶體等產物，顯著增加水泥石中固相體積，導致骨料與水泥石界面產生膨脹應力破壞，同時該反應過程降低水泥石中CH含量，導致C-S-H凝膠分解，進而降低水泥石黏結能力，在宏觀上表現為再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力降低[8]。

相同舊砂漿附著率的再生骨料混凝土，其抗壓強度損失率隨腐蝕齡期延長而增大。這是因為混凝土經硫酸鹽侵蝕齡期越長，SO42-進入混凝土的含量越多，上述破壞作用更明顯。

2.3 顯微硬度

1) 再生混凝土老骨料-新砂漿界面顯微硬度。圖5為硫酸鹽侵蝕后不同舊砂漿附著率的再生骨料混凝土老骨料-新砂漿界面過渡區顯微硬度測試結果。

圖5 再生混凝土老骨料-新砂漿界面顯微硬度

對比圖5a)和圖5b)可見，混凝土經硫酸鹽溶液侵蝕0 d，混凝土界面顯微硬度值為132.1～171.3 MPa，界面過渡區寬度為 45～50 μm；混凝土經硫酸鹽溶液侵蝕 90 d，混凝土界面顯微硬度值為 106.8～141.2 MPa，界面過渡區寬度約為60 ～65 μm。表明與基準混凝土相比，硫酸鹽侵蝕齡期越長，混凝土界面顯微硬度值明顯減小，界面過渡區寬度顯著增大。這是因為再生粗骨料表面附著一層舊砂漿，且在制備過程中不可避免產生一定損傷裂縫，導致水泥水化過程中體系局部水灰比變化，界面過渡區呈現出疏松多孔特性，該薄弱區域成為侵蝕介質中SO42-進入混凝土內部的便捷通道，侵入到混凝土內部的SO24-與界面處富集水化產物二次反應生成膨脹型產物，隨硫酸鹽侵蝕齡期延長，混凝土內部結晶壓力累積到大于混凝土極限拉應力狀態，老骨料-新砂漿界面處產生膨脹裂縫，進而加速SO42-滲入，最終再生混凝土在硫酸鹽溶液中侵蝕90 d后，其老骨料-新砂漿界面過渡區在微觀層面表現為顯微硬度值較低，界面過渡區寬度較大[9-10]。

由圖5可見，再生骨料舊砂漿附著率越高，混凝土界面顯微硬度越低，界面過渡區寬度越大，其中R80-50系列混凝土，硫酸鹽侵蝕 0和90 d，混凝土對應顯微硬度值分別為100.3～130.9 MPa和60.9～80.1 MPa；混凝土界面過渡區寬度分別為60和85 μm。這是因為再生骨料舊砂漿附著率越高，SO42-離子進入混凝土內部量和概率越大，上述硫酸鹽侵蝕破壞作用越嚴重。

2) 再生混凝土老骨料-老砂漿界面顯微硬度。圖6為經硫酸鹽侵蝕后不同舊砂漿附著率再生混凝土老骨料-老砂漿界面過渡區顯微硬度測試結果。

圖6 再生混凝土老骨料-老砂漿界面顯微硬度

對比圖6a)和圖6b)可見，其界面過渡區寬度和顯微硬度值變化規律與老骨料-新砂漿界面相似。混凝土經硫酸鹽溶液侵蝕 0 d，界面顯微硬度值為155.6～178.5 MPa，界面過渡區寬度為 50～55 μm；混凝土經硫酸鹽溶液侵蝕 90 d，混凝土界面顯微硬度值為 125.2～145.2 MPa，界面過渡區寬度為65～70 μm，與老骨料-新砂漿界面過渡區相比，再生混凝土老骨料-老砂漿界面過渡區寬度和顯微硬度變化幅度較小。這是因為雖然老骨料-老砂漿與老骨料-新砂漿界面過渡區均為骨料-漿體界面，但是老骨料-老砂漿界面處于原始天然骨料與附著舊砂漿之間，其中原始天然骨料幾乎不存在裂縫，故形成的界面結構較為密實，在微觀上表現為界面顯微硬度較高，界面過渡區寬度較小，表明在相同硫酸鹽侵蝕環境中，再生混凝土的老骨料-老砂漿界面抗硫酸鹽侵蝕能力優于老骨料-新砂漿界面抗硫酸鹽侵蝕能力。

由圖6可見，再生骨料舊砂漿附著率越高，混凝土界面顯微硬度越低，界面過渡區寬度越大，其中R80-50系列混凝土硫酸鹽侵蝕0和90 d齡期，混凝土對應顯微硬度值分別為129.3～146.7 MPa和71.9～96.2 MPa；混凝土界面過渡區寬度分別為55和80 μm。這是因為再生骨料舊砂漿附著率越高，老砂漿層越厚，與原始天然骨料黏結作用越弱，且舊砂漿附著率越高，骨料缺陷越多，故舊砂漿附著率越高，老骨料-老砂漿界面在微觀層面表現為顯微硬度越低，界面寬度越大。

3) 再生混凝土老砂漿-新砂漿界面顯微硬度。圖7為經硫酸鹽侵蝕后不同舊砂漿附著率的再生骨料混凝土老砂漿-新砂漿界面過渡區顯微硬度測試結果。

圖7 再生混凝土老砂漿-新砂漿界面顯微硬度

對比圖7a)和圖7b)可見，與基準混凝土相比，侵蝕齡期為90 d 混凝土界面顯微硬度值略有減小，界面過渡區寬度稍有增大。硫酸鹽侵蝕 0 d，混凝土界面顯微硬度值為165.6～178.5 MPa，界面過渡區寬度為 35～40 μm；硫酸鹽侵蝕 90 d，混凝土界面顯微硬度值為145.3～156.7 MPa，界面過渡區寬度約為45 ～50 μm，表明老砂漿-新砂漿界面過渡區寬度和顯微硬度變化幅度很小。這是因為：①水泥水化過程中，新砂漿的水泥顆粒被吸入到老砂漿孔隙中，新、老砂漿結合密實，孔隙率很低；②老砂漿的吸水能力適中，在保證界面周圍水泥顆粒水化的同時又不會產生較大充水空間，可以改善老砂漿-新砂漿界面孔隙結構，降低SO42-進入混凝土內部的量和概率，減少界面過渡區膨脹產物數量。

由圖7可見，R80-50系列混凝土硫酸鹽侵蝕 0和90 d齡期，混凝土對應顯微硬度值分別為120.7～134.9 MPa和108.1～110.9 MPa；混凝土界面過渡區寬度分別為40和50 μm，表明再生骨料舊砂漿附著率越高，混凝土界面顯微硬度越低，界面過渡區寬度越大，但是由于新砂漿-老砂漿界面結構較致密，故界面顯微硬度值降低幅度不大，界面寬度增加幅度較小，再生混凝土新砂漿-老砂漿界面抗硫酸鹽侵蝕能力最強。

3 結論

1) 與基準混凝土相比，再生骨料舊砂漿附著率越高，混凝土抗壓強度越低，其中R80-50混凝土7，28和60 d抗壓強度分別降低31.5%，22.3%和26.9%。

2) 與基準混凝土相比，再生混凝土在相同硫酸鹽侵蝕齡期下，隨再生骨料舊砂漿附著率提高，混凝土抗壓強度損失率增大。

3) 再生混凝土中老砂漿-舊砂漿界面過渡區抗硫酸鹽侵蝕能力最優，老骨料-老砂漿界面過渡區次之，老骨料-新砂漿界面過渡區最差。