玻璃纖維再生混凝土抗化學侵蝕的研究

馬清清

（廣東開放大學）

0 引言

目前國內各種新建、翻建、改造工程開展得如火如荼，2020 年我國商品混凝土總產量高達28.43 億立方米。工程項目建設的同時也產生了相當大量的建筑垃圾，資料顯示[1]，新建工程的建筑垃圾達到500～600 噸/1 萬平方米，舊房拆除建筑垃圾更是達到了7000～12000 萬噸/1 萬平方米。我國城市建筑垃圾年產生量超過20 億噸，是生活垃圾產生量的8 倍左右，約占城市固體廢物總量的40%。大量的建筑垃圾為城市的管理帶來了巨大的挑戰[2]。統計表明建筑廢棄物大約占用土地面積67m2/1 萬噸，因建筑廢棄物填埋破壞的良田達到10.5 萬畝/年。20 億噸的建筑垃圾中混凝土的占比為30%～60%，即每年混凝土廢棄量高達5 億噸。作為混凝土主要用量的砂石資源呈全球告竭狀態，我國每年砂石的消耗量更是高達200 億噸，占全球砂石總量的50%，與此同時，砂石作為生態環境的重要組成部分，在開發過程中的不正當采集對生態環境也造成了不可逆的破壞。國務院相關部門聯合印發《關于促進砂石行業健康有序發展的指導意見》中明確指出，要從高效、綠色環保、充分利廢等幾個方面來合理利用砂石。再生混凝土（Recycled concrete，RC）是指將廢棄混凝土加工處理成級配合理的再生骨料部分或者全部替代天然砂石配置成的混凝土[3]。RC 具有節約資源、減少污染、降低生產成本等優點，是一種環保型建筑材料，符合我國可持續發展的政策。2021 年7 月，國家發改委印發的《“十四五”循環經濟發展規劃》：到2025 年，資源利用效率大幅提高，再生資源對原生資源的替代比例進一步提高，循環經濟對資源安全的支撐保障作用進一步凸顯，建筑垃圾綜合利用率達到60%。

再生混凝土在節能環保方面表現優越，但是因其內部孔洞較多，抗壓抗折強度及抗酸堿侵蝕能力較差[4]。廢棄玻璃制備的玻璃纖維具有耐高溫、阻燃、低吸水性、拉伸強度高等特點，將玻璃纖維作為活性摻合料加入混凝土中能改善混凝土力學性能。玻璃纖維主要成分為SiO2，摻入混凝土中能夠與水泥發生二次水化反應，改變混凝土生成產物，影響C-S-H 的形成[5]。這些水化產物填充在混凝土毛細孔中，降低混凝土孔隙率，增大混凝土密實性，提高混凝土耐久性。此外，摻入混凝土中的玻璃纖維還可形成大量網狀結構[6]，有利于提高混凝土強度。本試驗通過硫酸鹽侵蝕和海水侵蝕模擬實驗，對比摻有2%玻璃纖維的混凝土、再生混凝土、基準混凝土受侵蝕后抗折與抗壓性能的變化。

1 試驗原材料及方法

1.1 原材料

⑴水泥：華潤水泥有限公司生產42.5 普通硅酸鹽水泥，密度3.01g/cm3，比表面積350m2/㎏，80μm 篩余2.7%。膠砂強度28 天抗壓強度53.2MPa，抗折強度8.3MPa；f-cao 含量：0.92%熟料中C3A 含量7.55%；

⑵玻璃纖維：湖南長沙生產的玻璃纖維，外觀白色，彈性模量4286MPa，線密度8.12dtex，抗拉強度346MPa，密度0.91g/cm3，斷裂伸長率36.4%，吸水性小；

⑶混凝土外加劑：萬山集團萘系高效減水劑，主要成分β-萘磺酸鈉甲醛縮合物，外觀黃褐色粉末。摻量為水泥用量的0.5%～1%，減水率為18%～28%；

⑷粗集料：碎石、再生碎石，粗集料采用粒徑5mm～10mm 連續級配；細集料：河砂，細度模數2.8，屬于中砂范圍內。

1.2 試驗方法

參照GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》，進行混凝土抗硫酸鹽腐蝕干濕循環試驗研究。試驗方法為[7]：按照實驗配合比制作尺寸為40mm×40mm×160mm 的混凝土配合比試塊，靜置1d后拆模，移入濕度大于95%、溫度（20±2）℃的標準養護室養護28d。28d 后進行干濕循環試驗循環：在室溫5%Na2S04溶液中浸泡15h，取出晾干1h；放入80℃烘箱中烘干6h，冷卻1h 后稱重，抗壓強度每個循環周期為24h，盛溶液的容器采用帶蓋的塑料制品，每隔一個月重新配置硫酸鈉溶液，保證硫酸鈉溶液濃度穩定。記錄重量損失5%或強度損失25%時的循環次數為試驗終止判斷依據，同時觀察混凝土表面的破損情況。

本試驗研究采用普通硅酸鹽水泥、再生石及玻璃纖維配制C30 強度等級的混凝土。混凝土的配合比、工作性能及抗壓強度見表1。

表1 C30 混凝土的配合比及實驗結果

抗海水侵蝕實驗：為了在短時間內進行有效的試驗，本試驗采用人工海水作為侵蝕液，配制5 倍于海水濃度的侵蝕液，人工海水中各種鹽含量見表2。

表2 人工海水的配制成分

人工海水配制方法：在自來水中，根據配合比，先加入氯化鈉、硫酸鈣和碳酸鈣，放置一夜，全部溶解后再加入氯化鎂和硫酸鎂，溶解并混合均勻即可使用。每30 天更換一次溶液[7]。

本研究采用普通硅酸鹽水泥、再生石、玻璃纖維配制C30 強度等級的混凝土。

2 結果與討論

2.1 玻璃纖維RC 混凝土抗硫酸鹽侵蝕實驗結果分析

圖1、圖2 為混凝土被硫酸鹽侵蝕過程中抗折、抗壓強度隨時間變化的情況。結果表明，經過干濕循環，再生混凝土與基準普通混凝土相比，抗折、抗壓強度受硫酸鹽破壞時間節點提前，再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力大幅減弱。這可能是其內部孔洞所導致(圖4)。玻璃纖維RC 混凝土由于玻璃纖維的加入，混凝土內部的針狀結構形成拉結能力較強的網絡(圖5)，在硫酸鹽侵蝕下，與普通再生混凝土相比，抗壓強度保持性與基準混凝土相當，其抗折性能優于普通再生混凝土和基準混凝土。

圖1 混凝土在硫酸鹽中侵蝕不同時間后抗折強度的變化趨勢

圖2 混凝土在硫酸鹽中侵蝕不同時間后抗壓強度的變化趨勢

圖3 基準普通混凝土在硫酸鹽中侵烘循環60 次SEM 圖

圖4 再生混凝土在硫酸鹽中侵烘循環60 次SEM 圖

圖5 玻璃纖維RC 混凝土在硫酸鹽中侵烘循環60 次SEM 圖

2.2 玻璃纖維RC 混凝土抗海水侵蝕實驗結果分析

混凝土的配合比及實驗結果見表3。

表3 混凝土的配合比及實驗結果

從圖6、圖7 關系曲線可以看出，混凝土試件抗折、抗壓強度隨循環次數變化的趨勢基本一致。

圖6 混凝土在模擬海水中侵蝕不同時間后抗折強度的變化趨勢

圖7 混凝土在模擬海水中侵蝕不同時間后抗壓強度的變化趨勢

海水侵蝕初期，三種混凝土中未充分水化的如2CaO·SiO2等繼續參與水化，混凝土強度持續增長。隨著侵蝕時間增加，混凝土被侵蝕程度加劇，當循環次數達到30 次時，混凝土強度開始不斷下降。再生混凝土中由于存在大量孔洞，更易受到海水侵蝕，強度下降最為顯著，遠遠低于基準混凝土與玻璃纖維RC 混凝土；在海水侵蝕40 次時，基準混凝土強度呈斷崖式下跌；玻璃纖維RC 混凝土由于玻璃纖維的加入，增強了混凝土內部的纖維網狀結構，且由于玻璃本身抗海水侵蝕，所以后期抗侵蝕效果優于基準混凝土。

圖8～圖10 為混凝土在模擬海水中侵烘循環60次后的掃描電鏡圖。從圖中可以看出基準普通混凝土產生的C-S-H 凝膠顆粒明顯；玻璃纖維RC 混凝土中存在較多的纖維狀晶體，起到了較好的拉結應力，所以玻璃纖維RC 混凝土抗拉能力明顯優于普通混凝土

圖8 基準普通混凝土在模擬海水中侵烘循環60 次SEM 圖

圖9 再生混凝土在模擬海水中侵烘循環60 次SEM 圖

圖10 玻璃纖維RC 混凝土在模擬海水中侵烘循環60 次SEM 圖

3 結論

⑴在硫酸鹽侵蝕環境下，再生混凝土受侵蝕后抗折抗壓強度最低，抗侵蝕能力最差，玻璃纖維RC 混凝土抗壓強度保持性與基準混凝土相當，抗折性能優于基準混凝土。

⑵在海水侵蝕模擬實驗中，侵蝕初期，三種混凝土降最為顯著，遠遠低于基準混凝土與玻璃纖維RC 混凝土；玻璃纖維RC 混凝土由于玻璃纖維的加入，后期抗侵蝕效果優于基準混凝土。