再生混凝土抗滲性能試驗研究

胡耀文 李鏡培 謝 峰

（同濟大學地下建筑與工程系，上海200092）

0 引 言

在世界范圍內的混凝土產業中，用再生骨料替代天然骨料已經成為一種回收利用建筑廢物的重要方式［1］。隨著我國城鎮化進程不斷加速，地下空間不斷利用發展，利用再生混凝土發展地下管道輸送系統，可節省大量土地，節約自然資源，減少土地污染，同時實現資源回收再利用。目前關于再生混凝土抗滲性能在諸多影響下的研究較少［1］，同時地下水的侵蝕凍融及溶入到水中的化學物質對其耐久性能影響很大，因此對再生混凝土地下結構進行吸水性能進行相關研究具有十分重要的意義。

與天然骨料相比，再生骨料由于附著老砂漿使得混凝土孔隙率增大，滲透性增大，同時其耐久性能降低。但相關研究表明再生骨料混凝土在一定范圍內具有滿足工程應用的要求的能力［1］。關于再生混凝土材料中的水分傳輸過程分析，國內外學者也己開始了相關的研究，將土壤學中的非飽和流體理論引入到混凝土等多孔建筑材料中。Limbachiya［2］和 Salomon［3］的試驗皆證明再生混凝土的抗滲性能隨再生骨料取代率的增加而降低，同時Salomon 發現在水灰比過高時再生混凝土的滲透性與普通混凝土差別不大。張大長等［4］的試驗研究表明：再生混凝土的抗滲性能隨著骨料取代率增加呈現出先增大后減小的規律，當再生骨料取代率為50%時其抗滲性能最佳。宗明明等［5］從混凝土的抗滲性角度研究了碎磚骨料取代率為30%的再生混凝土滲透性能，發現與同等配合比的天然碎石混凝土相比，碎磚骨料再生混凝土的滲透性較大。

混凝土為多孔介質材料，其中水分、氣體等可通過混凝土中的孔隙進行傳輸，非飽和狀態下的混凝土試塊或結構的表面同液態水進行接觸，通過混凝土孔的毛細吸附力將液態水吸入混凝土內部。在毛細吸水過程中，在沒有外界水頭壓力作用時，毛細管力是水分進入混凝土內部的主要驅動力［6］。對于毛細吸水，可以用毛細吸水系數和擴散系數來描述，前者描述混凝土吸水總量隨時間的變化關系，而后者描述隨時間變化混凝土內部水分分布含水率或飽和度分布的變化。

本文利用室內試驗制作不同條件下的再生骨料混凝土進行濕潤和干燥試驗，通過測量不同時間段混凝土試塊含水量的變化，測算不同水灰比、再生骨料取代率、粉煤灰添加量對再生混凝土埋管抗滲性能的影響，并計算出不同條件下試件的毛細吸水系數和擴散系數，研究其與再生混凝土抗滲性能的關系。

1 試驗概況

本節以普通混凝土抗滲性能試驗方法為基礎，按照《普通混凝土長期性能和耐久性性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）和《水運工程混凝土試驗規程》（JTJ 270—98），通過進行不同條件下再生混凝土試件的濕潤和干燥試驗，測算48 小時內各階段試件的吸水脫水質量變化。

1.1 試驗材料

粗骨料：本文采用的再生骨料取自于上海又宏環保科技有限公司的建筑結構破碎回收篩選的骨料產品，骨料樣本量大，質地均勻，經人工篩分以后得到粒徑范圍為5～25 mm的再生骨料。根據規范《建設用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）中的試驗方法對粗骨料進行粒徑范圍、表觀密度、含水量、吸水率及含泥量等物理性能指標的測定，表1 列出了本次試驗所用天然骨料和再生骨料的基本性質。

表1 粗骨料性質Table 1 Coarse aggregate properties

砂：取自上海本地河砂，細度模數Mx=1.64，表觀密度為2 536 kg/m3。符合《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）規范要求。

水泥：C30普通硅酸鹽水泥。

水：飲用自來水。

粉煤灰：實驗一級粉煤灰，摻量為20%。

1.2 試件設計與制作

本次再生混凝土的滲透性試驗配合比按照《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55—2011）規范中的設計方法，考慮不同骨料取代率（0%、30%、50%、100%）、水灰比（0.35、0.4、0.45）、以及摻入粉煤灰作為設計工況，采用直徑100 mm，高100 mm 模具制作出13 個相應的混凝土試件，本文試驗配合比見表2。控制再生混凝土的坍落度為80～100 mm，試件在試驗標準條件下（溫度20 ℃±2 ℃，相對濕度95%以上）養護28 d 后進行試驗。

1.3 試驗步驟

1.3.1 濕潤試驗

（1）將小型試塊送入溫度105 ℃的烘箱中，烘至48 h 后每過15 min 稱重一次，連續3 次試塊質量不變時取出試塊，此時試塊的可蒸發水含量接近為0。

表2 試驗配合比Table 2 Test mix ratio

（2）試塊冷卻后，用石蠟密封試塊的上下底面，側面不密封，該非密封面為預留吸水面，用天平稱重，記錄質量。

（3）進行濕潤試驗，每隔一定時間段進行稱重，測試時間間隔為：0.5 h，1 h，1.5 h，2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，9 h，12 h，18 h，24 h，48 h。這主要是考慮到隨著時間發展，吸水速度逐漸變慢。記錄每個時間點所稱的試塊質量。

1.3.2 干燥試驗

（1）將試件放入水中浸泡48 h 后每過15 min稱重一次，連續3 次試塊質量不變時取出試塊，天平稱重，記錄質量。

（2）將飽和的混凝土試塊一起放入恒溫恒濕箱中干燥，控制溫度45 ℃，濕度30%。

（3）進行干燥試驗，每隔一定時間段進行稱重，測試時間間隔為0.5 h，1 h，1.5 h，2 h，3 h，4 h，5 h，6 h，9 h，12 h，18 h，24 h，48 h。這主要是考慮到隨著時間發展，脫水速度逐漸變慢。記錄每個時間點所稱的試塊質量。

2 試驗結果及分析

2.1 濕潤試驗結果

在濕潤試驗各個階段對試件進行稱重，減去試件的干重，得出各個時間段試件的吸水質量如圖1所示。

圖1 濕潤吸水質量隨時間的變化Fig.1 Water absorption quality changes with time in wet test

由圖1 中可知，普通混凝土與不同水灰比再生混凝土試件的吸水質量都隨著時間的推移增大。相同取代率的試件，隨著水灰比的增大，吸水質量呈現遞增的趨勢，水灰比為0.4和0.45的試件相較于0.35 的試件吸水量分別增加了79%和140%。再生混凝土的水灰比對混凝土的孔隙大小、數量起決定性作用，直接影響再生混凝土的吸水滲透性。水灰比過小，再生混凝土的密實性好，孔隙偏少，抗滲性能良好；水灰比過大，用水量太多使得再生混凝土內部的水泥在水化過程中的游離水蒸發后，在內部留下大量孔隙，多余的水排出也會留下相互貫通、無規則的毛細孔道，使再生混凝土抗滲性能降低，透水性增高［7］。所以根據試驗結果，宜將水灰比限制在0.4 以內，提高再生混凝土的抗滲性能。

在水灰比相同條件下，隨著取代率的增大，由圖1 可知，試件的吸水質量呈現遞增的趨勢，30%、50%、100%取代率的試件吸水量分別增加了12%、17%、35%。100%取代率的再生混凝土試件比普通混凝土試件吸水量明顯增加，抗滲透性能減弱，而對于30%及50%取代率的再生混凝土試件，其吸水性能略大于普通混凝土。再生骨料表面相對天然骨料更加粗糙，棱角及孔隙較多。同時再生骨料表面還附著很多舊水泥砂漿，水泥砂漿孔隙率大，吸水率高。再加上廢棄混凝土在重制過程中，機械損傷積累會使再生骨料內部存在大量微裂紋，這些初始損傷都使再生骨料的吸水率和吸水速度增大，對再生混凝土抗滲性能不利。與此同時，根據相關研究［8］，由于再生骨料的高吸水性能夠有效降低其結構的水灰比，使得再生骨料與水泥砂漿之間的界面過渡區得到強化，結構變得更加密實，對再生混凝土的抗滲能力的提高是有利的，于是當取代率逐漸增大至接近50%時，抗滲性能沒有減弱得非常明顯，證明這種有利作用在一定程度上削弱了高取代率再生混凝土持續吸水的過程。對比也可以發現，相較于水灰比的差異，骨料取代率對最后吸水量的影響較小。

同樣根據圖1中2-4和2-5曲線可以看出粉煤灰對再生混凝土吸水滲透性能的影響。本次試驗選取了水灰比0.4，取代率100%的再生混凝土試件，其中一組添加20%粉煤灰進行研究，可以看出，試件添加粉煤灰后吸水量減少6.8%，能在一定程度上提高再生混凝土試件的抗滲性能。粉煤灰的活性成分會與硅酸鹽水泥發生水化反應，產生氫氧化鈣結合而生成穩定的硅酸鈣水化物，在整個過程中體積發生膨脹，使得再生混凝土內部結構變得致密，從而使再生混凝土的抗滲性能得到顯著提高［6］。同時粉煤灰能夠填補水泥砂漿與骨料結合處的孔隙，使再生骨料與水泥砂漿之間的界面過渡區更加致密，提高再生混凝土的密實度，阻止外界水分滲入。

2.2 干燥試驗結果

用飽和含水質量減去干燥試驗各個階段試件的質量，得出各個時間段試件的脫水質量如圖2所示。

圖2 干燥失水質量隨時間的變化Fig.2 Water loss quality changes with time in dry test

由圖2 中可知，普通混凝土與不同水灰比再生混凝土試件的脫水質量都隨著時間的推移增大，并且脫水曲線與吸水曲線類似。相同取代率的試件，隨著水灰比的增大，脫水質量呈現遞增的趨勢，水灰比為0.4和0.45的試件相較于0.35的試件脫水量分別增加了27%和74%。這也證明了水灰比增大使混凝土內部孔隙增多，試件脫水質量增加。

在水灰比相同條件下，隨著取代率的增大，由圖2 可知，試件的脫水質量呈現遞增的趨勢，30%、50%、100%取代率的試件脫水量分別增加了13%、16%、23%，與再生骨料存在微裂紋和孔隙，透水性更強的結論一致。

同樣根據圖2中2-4和2-5曲線可以看出粉煤灰對再生混凝土吸水滲透性能的影響。水灰比0.4，取代率100%的試件添加粉煤灰后吸水量減少6.8%，能在一定程度上提高再生混凝土試件的抗滲性能。

對比濕潤和干燥試驗結果，可以發現兩個試驗質量隨時間的變化曲線相似，都是隨著時間增加，試件吸水脫水質量增大，并且水灰比、取代率和粉煤灰對兩個過程的影響也非常相似，各因素對再生混凝土埋管吸水性能的影響主次順序為水灰比、骨料取代率、粉煤灰，其中水灰比是影響混凝土吸水性能的主要因素。對比48 小時質量的變化，濕潤過程所有試件平均吸水質量89.0 g，而干燥過程所有試件平均脫水質量39.6 g，可知水分在干燥過程傳輸速率小于濕潤過程。

3 抗滲性能的探究

前述試驗結果僅僅對試件吸水脫水過程中質量變化進行了研究，而對于造成這一現象的過程沒有定量的分析。對此可以引入毛細吸水系數和擴散系數的概念來體現不同試件吸水脫水速率的快慢。

3.1 毛細吸水系數

Dinku 和 Reinhardt［9］通過試驗發現氣體滲透與水分分布密切相關，并且可以通過毛細吸水試驗結果來預測氣體滲透規律。混凝土的干濕過程可以看成很多個毛細孔吸水過程的集合，因此宏觀表現出的單位面積的質量變化與時間的關系可以用下式表示：

式中：M是整個試塊的吸水質量；A是試塊吸水面的面積；S為毛細吸水系數。

試件濕潤和干燥過程中單位面積的吸水質量M/A和時間平方根t的關系分別如圖3和圖4所示。兩個關系圖都具有較好的線性關系，印證了毛細吸水公式的準確性，由于液態水前進深度較淺，液態水在混凝土表面的速度較快，能夠使混凝土內部的毛細管最大限度地發揮其傳輸作用。

圖3 濕潤試驗M/A- t 關系圖Fig.3 Relationship between M/A- t in Wet test

根據圖3 可以發現，從普通到再生混凝土取代率的增大，以及水灰比的增大，斜率增大，毛細吸水系數增大。并且w/c=0.45試件的毛細吸水系數是w/c=0.35 試件的2.3 倍，RA=100%試件的毛細吸水系數是普通混凝土試件的1.36 倍，添加粉煤灰后的試件毛細吸水系數是同等情況下的0.92倍，也說明了影響吸水速率的因素中，水灰比影響最大。而在48 小時后，M/A-t關系式的斜率有所下降，也說明了試件吸水接近飽和狀態。

濕潤試驗部分試件在長時間后斜率k下降，是因為隨著液態水前進深度不斷增加，大孔內的水力梯度降低，液態水進入混凝土表面的速度降低。當表面入滲速度降低到一定程度時，大孔隙將不能發揮其傳輸能力，而只能夠依靠較小的毛細孔進行傳輸，隨著時間推進越久，斜率降低越明顯。

由圖4 可以發現，干燥試驗各個試件的毛細吸水系數S都在0.13～0.26，可以看出隨著從普通到再生混凝土取代率的增大，以及水灰比的增大，斜率增大，毛細吸水系數增大，且在影響吸水速率的三個因素中，水灰比影響最大。而在48 小時后，M/A-t關系式的斜率仍沒有下降，也說明了試件脫水過程緩慢，遠沒有達到正常的飽和度。同時對比可以看出，濕潤試驗的平均毛細吸水系數是干燥試驗的3 倍左右，也說明了濕潤過程水分傳輸速率更快。

圖4 干燥試驗M/A- t 關系圖Fig.4 Relationship between M/A- t in Dry test

3.2 擴散系數

同時可以用等效擴散系數Dw來反映水分傳輸速率的快慢。干燥和濕潤過程由于內部傳輸機理和宏觀表現的不同，不能用相同的擴散系數來表達，而應分別給出擴散系數。

Gummerson［10］提 出 指 數 形 式 的 濕 潤 擴 散系數：

同時Lockington［11］提出了飽和度隨濕度擴散系數前期緩慢增加后期加速變大的關系表達式，通過與毛細系數變化得到其表達式：

式中：D0為混凝土的擴散系數；n為回歸系數，混凝土材料可取6。

為了對比上述等效擴散系數對濕潤過程中水分在混凝土中的傳輸規律的影響，用Matlab 軟件擬合出指數形式的等效擴散系數模型計算各試件水分質量隨濕潤時間的變化規律，并與試驗測試結果進行了對比分析。最后也可以看出，指數形式擴散系數計算結果和試驗測試數據比較接近。濕潤試驗前期模擬值比實測值偏大，是因為指數形式的擴散系數物理意義不夠明確，考慮因素少，只適合分析單一條件下的水分傳輸規律，模型高估了混凝土濕潤過程的水分擴散系數。

此外 Wong［12］提出混凝土干燥過程中的 S 形曲線：

圖5 濕潤試驗數值模擬值與實測值對比Fig.5 Comparison of numerical and simulated values in Wet test

式中：Ds為混凝土在飽和狀況下的擴散系數；n為回歸系數，混凝土材料可取 6；α0，swc和N為回歸系數。

對比擴散系數對干燥過程中水分在混凝土中的傳輸規律的影響，采用S 形曲線形式的等效擴散系數模型計算各試件水分質量隨干燥時間的變化規律，并與試驗測試結果進行了對比分析。可以看出，根據模型計算出的切片中水分損失量隨時間變化規律與實測結果基本一致。前期擬合結果存在差距，可能原因是初始飽和混凝土試塊的飽和度需要在干燥進行一段時間才會下降，而模型中擴散系數函數為理想狀態，但此時試塊已經開始干燥失水，所以計算結果存在一定誤差。

4 結 論

本文通過試驗研究，探討了不同因素對再生骨料混凝土抗滲性能的影響規律，得出如下主要結論：

（1）影響再生骨料混凝土抗滲性能的因素，按影響大小排序依次為水灰比、骨料取代率和粉煤灰，其中水灰比是主要因素。

（2）隨著水灰比和再生骨料取代率增大，再生混凝土抗滲性能降低，而適當添加粉煤灰有利于提高再生混凝土的抗滲性。

圖6 干燥試驗數值模擬值與實測值對比Fig.6 Comparison of numerical and simulated values in Dry test

（3）毛細吸水系數反映了試件的吸水能力，濕潤過程比干燥過程水分傳輸速率更快。試驗結果表明，試件單位面積吸水質量M/A和時間平方根呈線性相關，而隨著取代率和水灰比的增大，毛細吸水系數也相應增大。

（4）擴散系數反映了試件吸水和脫水速率的快慢，采用指數形式擴散系數對水分質量變化的計算結果與試驗測試數據比較接近。