再生骨料混凝土氯離子滲透性的研究現狀分析

閆玉蓉 王 欣 仝小芳 蔣業浩

（揚州職業大學土木工程學院， 揚州 225009）

0 引言

2019年1月1日起上海將施行[1]《上海市建筑廢棄混凝土回收利用管理辦法》，該辦法規定了再生骨料取代率在強度等級為C25及以下的混凝土中需大于15%，在交通基礎設施工程中需大于30%。實際上，循環利用建筑廢棄物已經成為緩解我國社會經濟高速發展與自然資源短缺矛盾的一種有效途徑[2]。

但是，原混凝土在破碎、清洗和分級后，舊砂漿與再生骨料界面過渡區損傷產生大量微裂紋，界面過渡區成為再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete， RAC）最為薄弱的區域，為氯離子滲透到RAC內部提供了通道，影響了RAC的耐久性。因此，研究RAC的氯離子滲透性能，對其在海洋工程、近海工程、鹽堿地帶工程和道橋工程等中的應用具有重要的意義。筆者通過分析國內外研究現狀，歸納了RAC氯離子滲透性能的主要影響因素，并對進一步研究提出了相應的建議。

1 再生骨料混凝土氯離子滲透性的影響因素

肖建莊[3]將RAC視為五相復合材料，由新水泥砂漿、新老砂漿的界面過渡區（NITZ）、再生骨料附著的老砂漿、老砂漿與再生骨料的界面過渡區（OITZ）、再生骨料組成。基于多相復合理論，老砂漿層和OITZ界面過渡區在再生骨料制備過程中產生大量的微裂紋，成型后受內部應力作用，微裂紋向外擴展，最后形成通縫，為氯離子滲透提供了有利的通道。然而，界面過渡區的微觀結構主要受水膠比、再生骨料取代率、礦物摻合料、外加劑、養護時間、荷載形式及應力

水平等因素的影響，因此，國內外學者開展了大量研究，明確了這些因素對RAC氯離子滲透行為的影響。

1.1 水膠比

Vazquez 等通過自然浸泡法研究了水膠比為0.45～0.6時不同再生骨料取代率的RAC抗氯離子滲透性能，結果表明RAC在低水灰比時，可以有效提高再生骨料摻量的RAC耐久性。Andreu 等通過電通量法分析了再生骨料在高性能混凝土（HPC）中的應用，結果發現水灰比較低時，再生骨料取代率（≤50%）對高性能混凝土的抗氯離子滲透性能影響小。胡波[4]等通過RCM法分析認為，水灰比低于0.5時，即使再生骨料取代率為100%，RAC也符合混凝土的抗氯離子滲透性能的要求。吳謹[5]通過NEL法研究發現，強度等級為C25～C40的RAC，降低水灰比可以有效提升RAC的抗氯離子滲透性能。這些研究表明，適當降低RAC的水灰比，可以提高RAC的抗氯離子滲透能力。這是由于較低的水灰比制備的RAC較為密實，硬化混凝土內部的孔隙率及孔徑更小，氯離子更難以擴散滲透加入混凝土內部。

1.2 再生骨料取代率

應敬偉[6]通過RCM法研究發現，RAC的抗氯離子滲透性能隨再生粗骨料取代率增加而降低，并且通過灰色關聯分析認為主要影響因素排序為：水灰比＞摻合料＞養護齡期。然后通過ABAQUS有限元軟件模擬的氯離子的非線性擴散特征，發現氯離子滲透性能與再生骨料分布位置有關。上官玉明[7]通過RCM法研究發現，調整顆粒粒型可以有效提高RAC的抗氯離子滲透性能，且與膠凝材料的用量成正比，與再生骨料取代率成反比。肖開濤等[8]用電通量法研究發現再生骨料取代率為50%是臨界點，再生骨料取代率小于50%的RAC抗氯離子滲透性能較強，大于50%的RAC抗氯離子滲透性能較弱。Evangelista等通過電通量法研究發現，由于再生細骨料具有較大的孔隙率，含有再生細骨料的RAC的抗氯離子滲透性能比普通混凝土弱。盡管各研究所用的表征指標不同，但可通過歸納總結，認為再生骨料取代率提高，RAC抗氯離子滲透性能力減弱。這是由于再生骨料在破碎過程中會產生較多的微裂縫，且骨料表面還包裹著一層舊砂漿，隨著再生骨料取代率提高，RAC內孔隙率較高，孔洞直徑較大，形成了有利于氯離子擴散的孔道。

1.3 礦物摻合料

Kou等采用電通量法研究認為粉煤灰的摻入為25%～35%時可以顯著改善RAC的抗氯離子滲透性能。韋慶東等[9]采用電通量法也得到了相似的研究成果，粉煤灰摻量為30%時可以抵消再生骨料取代率對RAC的抗氯離子滲透性能的影響。吳相豪等[10]通過電通量法研究發現隨粉煤灰摻量的增加，RAC抗氯離子滲透能力是先增強后減弱，粉煤灰的臨界摻量為20%。葉騰等[11]通過RCM法研究認為粉煤灰的適宜摻量為10%～20%。Berndt認為復摻兩種礦物摻和料對于提高RAC的抗氯離子滲透性能效果更為明顯。管小健[12]通過電通量法研究發現，粉煤灰（30%）與硅灰（5%）復摻時，改善RAC抗氯離子滲透性能的效果最為明顯，RAC抗氯離子滲透性能隨石粉的摻量先增大后減小，石粉的臨界摻量為5%。由這些研究成果可見，摻入合適品種和摻量的礦物摻合料，以及采用復摻的方式，可有效提高RAC的抗氯離子滲透性能。這是由于粉煤灰、硅灰等活性摻合料摻入到RAC中，可以發揮密實填充作用和二次水化作用，提高RAC的密實性，改善各界面區的結構，從而可有效地改善RAC的抗氯離子滲透性能。

1.4 外加劑

Corinaldesi等通過RCM法研究發現高效減水劑明顯可以改善再生混凝土的耐久性。Bravo等通過RCM法研究發現隨著骨料取代率和磚粒含量的增加，高效減水劑對于提高RAC耐久性和減小RAC收縮的作用下降。陳愛玖等[13]通過NEL法研究了引氣減水劑摻量對凍融循環作用下再生混凝土抗氯離子滲透性能的影響， 結果表明凍融前RAC抗氯離子滲透性能隨著引氣減水劑摻量的增加先提高后降低，引氣減水劑的臨界摻量為0.4%；經過250次凍融循環后，隨著引氣減水劑摻量增加至0.6%時，氯離子擴散系數下降82%，引氣減水劑顯著提高RAC抗氯離子滲透性能。摻入合適品種和摻量的外加劑，可以改善RAC的孔結構，進而RAC抗氯離子滲透性能。

1.5 養護時間

Tang J等通過RCM法研究發現，無應力時RAC的抗氯離子滲透性能隨著養護時間的延長逐漸提高。但是，RAC的氯離子擴散系數在養護初期的下降趨勢比普通混凝土更快。Olorunsogo測定再生骨料含量為85.4%的RAC在養護3、7、28和56天后的電通量，結果發現養護時間比再生骨料取代率對RAC的抗氯離子滲透性能的影響更大。杜婷等[14]通過電通量法研究表明粉煤灰、礦渣等礦物摻合料可以有效地改善RAC的抗氯離子滲透性能，且隨著強度的增長和養護時間的延長，RAC的抗氯離子滲透性能增強。

1.6 荷載作用

目前，再生骨料混凝土耐久性的研究，主要集中在無應力作用下再生骨料混凝土氯離子的遷移和擴散[15]。實際結構中，荷載作用對孔結構和微裂紋的新生和擴展具有十分重要的影響[16]。因此忽略荷載作用，將使模擬試驗環境與現實環境存在一定程度的脫離，壓荷載和彎曲荷載是最為常見的受荷形式。

（1） 壓荷載

Wang Wenjian等通過RCM法研究了持續壓荷載作用下的RAC的抗氯離子侵蝕能力，持續壓荷載的裝置如圖（1）所示。當水膠比為0.39、再生骨料取代率為100%、壓應力比為0.1～0.8時，抗氯離子滲透性能呈現先升后降的趨勢。同時，RAC的氯離子擴散系數比（D/D0）與壓應力比（λ）之間有著很好的線性關性，擬合結果表明臨界應力比（λ）為0.5，如式（1）和（2）所示。

式中：D-不同壓應力時氯離子擴散系數，m2/s；D0-無應力時氯離子擴散系數，m2/s；λ-壓應力比。

圖1 持續壓荷載加載試驗裝置

Tang J等通過RCM法研究了持續壓荷載作用下養護時間對RAC抗氯離子滲透性能的影響。當水膠比為0.39、再生骨料取代率為100%、壓應力比分別為0、0.3、0.6、0.8時，隨著養護時間從28 d延長至90 d時，RAC的氯離子擴散系數逐漸下降。氯離子擴散系數比（D/D0）與養護時間比t/t0（初始時間t0為28 d）呈現冪函數的關系，且在高壓應力比條件下，養護時間對RAC的抗氯離子滲透性能影響更為顯著，擬合結果如表1所示。

表1 氯離子擴散系數與養護時間的擬合曲線

王玉建等[17]通過電通量法研究發現，當水膠比為0.586，再生骨料取代率為50%時，臨界應力介于壓應力比為0.55～0.65之間，抗氯離子滲透性能呈現先升后降的趨勢。隨著水膠比降至0.250或者再生骨料取代率升高100%時，壓應力比為達到0.75仍未出現臨界應力，抗氯離子滲透性能逐漸增強。

（2） 彎曲荷載

Bing Qi研通過自然浸泡法研究持續彎曲荷載作用下RAC的抗氯離子性能，持續彎曲荷載的裝置如圖（2）所示。當水膠比為0.5時，隨著再生骨料取代率逐漸從30%提高至100%，新舊C-S-H凝膠對氯離子的物理吸附能力增強，氯離子擴散系數先升后降，與再生粗骨料取代率的關系符合二次多項式的關系如式（3）所示。不同彎曲荷載應力比（0、30%、50%、70%、100%）條件下，氯離子擴散系數明顯增大，且彎曲應力比呈現二次函數方程的關系，如式（4）所示。

式中：Dr-不同再生骨料取代率時氯離子擴散系數，m2/s；Dr0-無再生骨料時氯離子擴散系數，m2/s；Dλ-不同彎曲應力時氯離子擴散系數，m2/s；Dλ0-無彎曲應力時氯離子擴散系數，m2/s；r-再生骨料取代率；λ-彎曲應力比。

圖2 持續彎曲荷載加載試驗裝置

戴明輝[18]通過自然浸泡法研究認為隨著彎曲應力水平的提高，礦物摻合料對氯離子擴散系數的影響變小。當彎曲應力比為0.5時，氯離子滲透深度明顯大于彎曲應力比為0.3時。當彎曲應力比從0.3升高至0.5時，彎曲應力比對再生骨料取代率為100%的RAC抗氯離子滲透性能影響顯著大于再生骨料取代率為50%的RAC。

2 結束語與建議

本文基于國內外已有的研究成果，關于RAC抗氯離子滲透性能研究，可以初步得到以下結論：

（1）降低水灰比、摻入適量礦物摻合料、使用高效減水劑和延長養護時間均可

以顯著提高RAC的抗氯離子滲透性能。

（2）再生骨料取代率提高，RAC的抗氯離子性能下降，但是對于強度等級較高的RAC，再生骨料取代率對RAC的抗氯離子滲透性能影響較小。

（3）隨著粉煤灰摻量增加，再生骨料混凝土的抗氯離子性能呈現先升后降的趨勢，粉煤灰存在最佳摻量，介于10%～35%之間。

（4）壓荷載條件下，存在臨界應力，當壓應力水平低于臨界應力時，隨著應力水平的增加，抗氯離子滲透性能逐漸增強。當壓應力水平高于臨界應力時，隨著應力水平的增加，抗氯離子滲透性能逐漸減。

（5）彎曲荷載條件下，不存在臨界應力，隨著應力水平的增加，RAC氯離子擴散系數逐漸增加，且氯離子擴散系數和彎曲應力比存在良好的相關性。

目前，對再生骨料混凝土耐久性的研究主要集中在無荷載作用和單因素作用下，但是實際結構中，凍融循環、干濕循環、碳化作用、硫酸鹽侵蝕和荷載等因素耦合作用對孔結構和微裂紋的新生和擴展具有十分重要的影響。通過建立荷載與復雜環境耦合作用下RAC中氯離子的傳輸模型，揭示微結構損傷劣化演化機理和闡明再生骨料混凝土耐久性劣化的關鍵問題是一個良好的研究方向。