黏土磚再生混凝土抗氯離子滲透性試驗研究

趙書鋒

(開封大學土木建筑工程學院，河南開封475004)

摘要：試驗研究了再生黏土磚粗骨料取代率、骨料強化、攪拌工藝、粉煤灰和硅灰單摻與復(fù)摻對黏土磚再生粗骨料混凝土抗氯離子滲透性能的影響。結(jié)果表明，隨著再生骨料替代率的增加，再生混凝土抗氯離子滲透性能降低，替代率為0,30%，50%，70%，100%時，6 h通電量分別為2 090，2 596，3 207，3 989，5 182 C, 氯離子滲透等級由適中過渡到高；骨料強化處理和改善攪拌工藝能夠提高再生混凝土抗氯離子滲透性能，再生骨料取代率在50%以下，經(jīng)過二次包裹強化或者采用改良的攪拌工藝后，再生混凝土的抗氯離子滲透性能與普通混凝土已經(jīng)接近；粉煤灰和硅灰單摻或復(fù)摻可以較大幅度改善再生混凝抗氯離子的滲透性能，硅灰效果優(yōu)于粉煤灰，20%粉煤灰和10%硅灰復(fù)摻可以作為最佳摻量，6 h通電量為171 C，可以用來配置較高抗氯離子滲透性能的再生混凝土。試驗結(jié)果為再生混凝土推廣應(yīng)用提供了有力依據(jù)。

關(guān)鍵詞：再生粗骨料混凝土； 骨料強化； 粉煤灰； 硅灰； 氯離子滲透性能

中圖分類號：TU 528.041

文獻標志碼：A

文章編號：1009-640X(2015)03-0108-06

Abstract：The influences of coarse aggregate replacement rate，coarse aggregate strengthening treatment with improved mixing， fly ash, silica fume on the resistance to the chloride ion permeability into the recycled coarse aggregate concrete are studied in this paper. The experiment results indicate that the resistance to the chloride ions permeability must decrease with the increase of a recycled aggregate replacement rate. When there are the replacement rates of 0，30%, 50%, 70% and 100%, 6 h electric charges are respectively 2 090, 2 596, 3 207, 3 989 and 5 182 C, with the chloride ion permeability level moving from the moderate to the high. Reinforcing the process of the concrete aggregate and improving the mixing process can improve the resistance to chloride ion permeability of the recycled concrete. As the recycled aggregate replacement rate is below 50%，the resistance to chloride ion permeability of the recycled concrete is close to that of the ordinary concrete after strengthening with twice packages or by improved stirring process. Mixing fly ash or silica fume alone or mixing both at the same time can significantly improve permeability resistance to the chloride ion into the recycled concrete， and the silica fume is better than fly ash in this respect. 20% fly ash admixed with 10% silica fume can be regarded as the best dosage, 6 h electric charge is 171 C, and the high-performance recycled concrete having higher permeability resistance to the chloride ion can be made up by this way. The experiment results would provide a strong basis for popularization and application of the recycled concrete in civil engineering.

隨著工業(yè)化、城市化進程的加速，建筑業(yè)也同時快速發(fā)展，相伴而產(chǎn)生的建筑垃圾日益增多，中國建筑垃圾的數(shù)量已占到城市垃圾總量的1/3以上，其中既有廢棄的混凝土，也有大量廢棄的磚瓦和砌塊，后者約占建筑垃圾總量30%~50%[1]，近年來很多學者對利用這些建筑垃圾生產(chǎn)再生骨料和再生混凝土開展了大量的研究，對廢棄混凝土的利用已經(jīng)形成一套完備的體系[2]；但是對于廢棄磚瓦利用的研究還不多，主要集中在以廢棄磚瓦為再生混凝土骨料的混凝土強度研究上，對于其耐久性的研究還比較缺乏。本文將對再生黏土磚粗骨料混凝土耐久性中的抗氯離子滲透性開展系統(tǒng)的試驗研究，為工程實踐提供參考。

1試驗設(shè)計

表1　粗骨料的基本性能

選用河南省開封市建筑垃圾處理場提供的廢棄黏土磚，經(jīng)試驗測定，強度可達到 MU10，表面整潔，人工破碎后用水沖洗。借鑒再生混凝土骨料及再生混凝土的強化處理方法，為改善粉粹后粗骨料性能，將其用同水灰比的水泥砂漿進行掛漿包裹強化處理，粒徑級配 5~25 mm，基本性能見表1。

水泥選用河南孟電集團水泥有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強度等級42.5。細骨料選用開封市河產(chǎn)中砂，細度模數(shù)2.9；天然粗骨料取自開封市某商品混凝土攪拌站，最大粒徑為20 mm，連續(xù)級配的碎石。粉煤灰選自開封電廠的干排粉煤灰，表觀密度2 050 kg/m3，0.045 mm 篩余量12.3%，屬于Ⅰ級粉煤灰。硅灰選自鄭州金石耐材有限公司，表觀密度 2.11 g/cm3，比表面積21 520 m2/kg。試驗所用混凝土的組成見表2。

表2　試驗配合比

2試驗方法

采用丹麥Germann PROOVE′it氯離子滲透率快速測定儀，依照ASTMC1202—97進行滲透性試驗。將制作好的Φ100 mm×200 mm的試件進行28 d標準養(yǎng)護，用切割機切除經(jīng)過標準養(yǎng)護的試件的頂部和底部，取中間Φ100 mm×50 mm圓柱試件用于抗氯離子滲透試驗。按規(guī)定將試件進行3 h真空處理，并在真空狀態(tài)下用蒸餾水浸泡18 h，取出試件去除多余水分，用密封膠密封后安裝于電池試驗槽中間。試驗用溶液池兩端分別注入3.0% NaCl溶液(與電源負極相連)和3.0% NaOH溶液(與電源正極相連)。在兩電極間施加60 V直流電壓，電流記錄時間間隔設(shè)置為5 min，通過測量6 h持續(xù)通電量, 測試試件抗氯離子滲透性。

3試驗結(jié)果分析

試驗研究了黏土磚再生粗骨料混凝土骨料替代率、骨料強化、攪拌工藝以及單摻和復(fù)摻粉煤灰、硅灰對再生混凝土抗氯離子滲透性的影響，其性能評價見表3[3]。

表3　ASTMC1202對混凝土滲透性評價

3.1碎磚骨料替代率

試件編號B-0, B-1，B-2，B-3和B-4再生混凝土對應(yīng)的6 h通電量分別為2 090，2 596，3 207，3 989和5 182 C。可見，黏土磚再生骨料混凝土抗氯離子滲透性能要低于普通混凝土，隨著再生骨料替代率的增加抗氯離子滲透性能逐漸下降，但在替代率70%以下，通電量都在4 000 C以下屬于抗氯離子能力適中，在再生骨料替代率分別為30%，50%，70%和100%情況下導(dǎo)電量分別增加24%，53%，90%和148%。這主要在于粉碎黏土磚骨料與天然的致密可忽略骨料滲透性的碎石相比具有較多的孔隙和裂紋[4-5]，這無疑給氯離子擴散提供了更多通道，雖然再生骨料的吸水作用可降低水灰比，對氯離子滲透有減弱作用，但二者交互作用仍然使得再生黏土磚骨料混凝土抗氯離子滲透性能不如天然碎石混凝土。

3.2再生骨料強化處理

圖1　骨料強化對再生混凝土6 h通電量影響 Fig.1 Influences of coarse aggregate strengthening on 6 h electric charge

再生粗骨料本身的性質(zhì)對混凝土的抗氯離子滲透性有著極大影響，采取水泥砂漿包裹粗骨料進行強化可在一定程度上增加其密實性，改善其抗氯離子滲透性能。本試驗將破碎洗凈的粗骨料用于混凝土相同配合比的水泥砂漿對其進行兩次包裹強化處理，使水泥漿附著在粗細骨料表面，包裹后放置4~6 d經(jīng)測定其含水率穩(wěn)定后制作試塊，并將其與未經(jīng)強化處理的再生混凝土進行對比，結(jié)果如圖1。再生粗骨料經(jīng)表面強化處理后抗氯離子滲透能力明顯增強，再生骨料替代率越高效果越明顯。就二次包裹強化處理而言，在再生骨料替代率分別為30%，50%，70%和100%時，導(dǎo)電量分別降低19%，26%，40%和44%。50%替代率時再生混凝土骨料表面經(jīng)強化處理后與普通混凝土抗氯離子滲透性能差別不大。

分析原因在于，黏土磚再生粗骨料由于其先天原因以及生產(chǎn)過程中會在內(nèi)部產(chǎn)生細微裂隙，易形成多孔隙結(jié)構(gòu)[6-7]，這將成為氯離子滲透的快速通道，導(dǎo)致再生混凝土抗氯離子滲透性能下降，因此其界面過渡區(qū)的處理非常重要；經(jīng)過水泥砂漿包裹強化處理后的骨料其孔隙率將會明顯降低，水泥砂漿對界面過渡區(qū)起到了很好的改善作用，骨料與新水泥漿之間黏結(jié)性能增強，從而提高了再生骨料混凝土的密實性，增強了其抗氯離子滲透性能。同時兩次包裹強化對比后可以發(fā)現(xiàn)第一次包裹強化處理效果是最顯著的，二次包裹改善效果不那么明顯，主要在于再生骨料孔隙率經(jīng)一次包裹后已明顯降低，包裹次數(shù)再增加其對改善磚瓦骨料的微觀結(jié)構(gòu)和力學特性則很有限。

圖2　攪拌工藝對再生混凝土6 h通電量影響 Fig.2 Influences of mixing technology on 6 h electric charge

3.3攪拌工藝改良

目前普遍采用的攪拌方法是先倒入砂子(或石子)再倒水泥，然后倒入石子(或砂子)，將水泥加在砂、石之間，加水后一起倒入攪拌筒中進行攪拌。這種攪拌方式會在骨料表面形成一層自由水膜，水泥與骨料的黏結(jié)被削弱，導(dǎo)致水泥漿體的作用得不到充分發(fā)揮，并且被砂石夾裹的水泥顆粒與水攪拌后會形成水泥團粒，一部分拌合水被包裹，不易被破壞，勢必造成部分水泥不能充分水化而導(dǎo)致混凝土的抗氯離子滲透性降低。本文采取改進攪拌方法：將粗細骨料(再生骨料未經(jīng)強化)浸水飽和拌勻，然后將全部水泥投入與砂石共同拌和，使水泥在砂石表面形成一層低水灰比的水泥漿殼，最后將剩余的水加入攪拌。采用此種攪拌工藝制作的試件與傳統(tǒng)工藝制作的試件6 h通電量對比如圖2。照此攪拌工藝生產(chǎn)的混凝土其抗氯離子滲透性能與骨料經(jīng)兩次強化處理后的相差不大，且更符合商品混凝土的生產(chǎn)工藝，不用額外增加工序。

3.4粉煤灰、硅灰混合料單摻

試驗研究了水灰比為0.55情況下再生混凝土分別摻入10%，20%，30%，40%粉煤灰和5%，10%，15%硅灰的抗氯離子滲透性能。當分別摻入10%，20%，30%和40%粉煤灰時，再生混凝土的6 h通電量由2 596 C分別降至1 313，1 119，1 007和971 C，抗氯離子滲透等級由適中到低、很低，但當其摻量超過20%后變化趨勢比較平緩。當分別摻入5%，10%和15%硅灰時，再生混凝土的6 h通電量由2 596 C分別降至366，266和199 C，抗氯離子滲透等級由適中到很低。這說明粉煤灰、硅灰再生黏土磚骨料混凝土具備極其良好的抗氯離子滲透性能；主要原因在于再生黏土磚骨料混凝土是一個極其復(fù)雜的多相體系，各組成材料之間有一定的空隙和不均勻性，粉煤灰、硅灰等活性混合料顆粒較細，能夠填充空隙，一定程度上改善了各組成材料的顆粒級配[8]，進而促進水泥石更加密實。除此之外，混凝土抗氯離子滲透性好壞還與水泥的水化產(chǎn)物密切相關(guān)， C-S-H凝膠(硅酸凝膠)和Ca(OH)2晶體是最重要的兩種晶體，C-S-H凝膠料細小，具有較大的比表面積，能與混凝土中天然粗細骨料以及再生骨料和沒有發(fā)生水化水泥顆粒黏結(jié)好，Ca(OH)2晶體與其相比而言晶體比表面積小更加容易在粗骨料表面覆蓋，而粉煤灰、硅灰中的活性成分SiO2,Al2O3能夠與水泥熟料水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2以及其他高堿性水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)生成C-S-H凝膠(硅酸凝膠)，減少Ca(OH)2，這勢必降低了混凝土界面過渡區(qū)的Ca(OH)2晶體含量，進一步增加結(jié)構(gòu)致密性，使毛細孔通道得以有效延長，綜上活性混合料能夠有效增強黏土磚再生粗骨料混凝土的抗氯離子滲透性。

至于硅灰比粉煤灰效果更好，則是由于粉煤灰比表面積315 m2/kg，硅灰比表面積21 520 m2/kg，是粉煤灰的60多倍，硅灰中非晶態(tài)活性SiO2含量更是超過90%，這都導(dǎo)致硅灰顆粒填充效果和活性遠遠超過粉煤灰，故硅灰再生黏土磚粗骨料混凝土抗氯離子滲透性更加優(yōu)于粉煤灰再生黏土磚粗骨料混凝土。

圖3　粉煤灰、硅灰復(fù)摻6 h通電量影響 Fig.3 Influences of fly ash, silica fume admixture on 6 h electric charge

3.5粉煤灰、硅灰混合料復(fù)摻

硅灰效果雖然遠遠優(yōu)于粉煤灰，但由于硅灰價格遠高于粉煤灰，故實際工程中為了既保證優(yōu)越的性能又能節(jié)省一定經(jīng)費，經(jīng)常考慮硅灰與粉煤灰、礦渣等復(fù)摻[9-10]。試驗研究了5%和10%硅灰分別與10%，20%，30%粉煤灰復(fù)摻(圖3)，粉煤灰與硅灰復(fù)摻6 h通電量有小到大排序為：10%粉煤灰5%硅灰、20%粉煤灰5%硅灰，30%粉煤灰5%硅灰，10%粉煤灰10%硅灰、20%粉煤灰10%硅灰、30%粉煤灰10%硅灰。由圖3可知，綜合考慮經(jīng)濟及其他因素可將20%粉煤灰10%硅灰作為最佳摻量，此時6 h通電量為171 C，與基準組B-1相比下降比例為93%，與單摻20%粉煤灰和10%硅灰相比下降比例分別為75%和32%。二元復(fù)摻良好效果來源于復(fù)合疊加活性效應(yīng)以及二者顆粒級配的互補。雖然單摻10%硅灰已經(jīng)可以取得比較良好效果，但摻入粉煤灰可進一步降低水泥水化熱，早期收縮裂縫[11-12]，經(jīng)濟效益明顯。

4結(jié)語

(1)黏土磚再生粗骨料混凝土抗氯離子滲透性能低于普通混凝土，隨著再生骨料替代率的增加，其抗氯離子滲透性能下降。

(2)骨料強化處理和改善攪拌工藝能提高再生混凝土抗氯離子滲透性能，采用二次包裹強化處理或改善攪拌工藝時在30%再生骨料替代率情況下，再生混凝土與普通混凝土抗氯離子滲透性差別不大。

(3)單摻和復(fù)摻粉煤灰和硅粉時，隨著礦物混合料的增加，再生混凝土抗氯離子滲透能力增強。從復(fù)摻效果看，5%硅灰與粉煤灰復(fù)摻時，效果與單摻硅粉時基本相當，摻20%粉煤灰和10%硅灰為最佳摻量，6 h通電量為171 C，可用來配置較高抗氯離子性能的再生混凝土。

參考文獻：

[1]劉玉蓮，曹明莉，張會霞. 再生混凝土耐久性研究進展[J]. 混凝土, 2013(4): 94- 97.(LIU Yu-lian, CAO Ming-li, ZHANG Hui-xia. A study of the durability of recycled concrete[J]. Concrete, 2013(4)：94- 97. (in Chinese))

[2]朱紅兵，趙耀，雷學文，等. 再生混凝土研究現(xiàn)狀及研究建議[J]. 公路工程，2013, 38(1)：98- 101.(ZHU Hong-bing, ZHAO Yao, LEI Xue-wen, et al. Current situation and suggestion on recycled concrete research[J]. Highway Engineering, 2013, 38(1): 98- 101. (in Chinese))

[3]王社良，景龍平. 磚含量對再生骨料性能影響的試驗研究[J]. 混凝土，2011(2)：83- 88.(WANG She-liang, JING Long-ping. Experimental analysis of properties of recycled aggregates with different brick contents[J]. Concrete, 2011(2): 83- 88. (in Chinese))

[4]魏鵬，游勁秋，陳佳琨. 再生混凝土的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景[J].浙江建筑，2008(11): 58- 56.(WEI Peng ,YOU Jing-qiu, CHEN Jia-kun. The research progress and application prospects of regenerated concrete[J]. Zhejiang Construction, 2008(11): 58- 61. (in Chinese))

[5] 嚴捍東, 陳秀峰. 廢棄粘土磚再生骨料對混凝土性能的影響研究[J]. 四川建筑科學研究，2009, 35 (5) : 179- 182.(YAN Han-dong, CHEN Xiu-feng. Study on the effects of waste clay brick recycled aggregate concrete properties[J]. Sichuan Building Science, 2009, 35(5): 179- 182. (in Chinese))

[6]胡波，柳炳康，張李黎.再生混凝土氯離子滲透性能測試與分析[J]. 合肥工業(yè)大學學報: 自然科學版, 2009, 32(8): 1240- 1244.(HU Bo, LIU Bing-kang, ZHANG Li-li. Chloride ion permeability test and analysis for recycled concrete[J]. Journal of Hefei University of Technology, 2009, 32(8): 1240- 1244. (in Chinese))

[7]賈淑明，王建軍,山水龍, 等. 再生骨料對混凝土性能影響研究[J]. 低溫建筑技術(shù)，2014(8): 7- 17. (JIA Shu-ming, WANG Jian-jun, SHAN Shui-long, et al. Study on impact of recycled aggregate on the properties of concrete[J]. Construction Technology of Low Temperature，2014(8): 7- 17. (in Chinese))

[8]何智海,劉寶舉.粉煤灰混凝土抗氯離子滲透性能的試驗研究[J].粉煤灰綜合利用,2007(4): 24- 27.(HE Zhi-hai, LIU Bao-ju. Experimental study on chloride ions penetration resistance of fly ash concrete[J]. Fly Ash Comprehensive Utilization, 2007(4): 24- 27. (in Chinese))

[9]李梅，溫勇，張廣泰，等. 礦物摻合料對混凝土抗氯離子滲透性的影響綜述[J]. 材料導(dǎo)報，2013, 27(6): 101- 110.(LI Mei，WEN Yong，ZHANG Guang-tai，et al. An overview on influence penetration of mineral admixture on chloride ion resistance of concrete[J]. Journal of Materials, 2013, 27(6): 101- 110. (in Chinese))

[10]楊綠峰, 周明. 氯鹽環(huán)境下混凝土耐久性多因素模型的試驗研究及統(tǒng)計分析[J].水運工程, 2013(5)：55- 61.(YANG Lv-feng, ZHOU Ming. Multi-factors for durability of concrete under chloride environment based on experimental and statistical analysis[J]. Port and Waterway Engineering, 2013(5): 55- 61. (in Chinese))

[11]余自若，高康，安明結(jié)，等. 活性粉末混凝土微觀結(jié)構(gòu)及其對強度與抗氯離子滲透性能的影響研究[J]. 西安建筑科技大學學報, 2013，45(1)：31- 36.(YU Zi-ruo，GAO Kang，AN Ming-jie. Influence of micro-structure on the strength and resistance to chloride ion permeability of reactive powder concrete[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology of Construction，2013，45(1)：31- 36. (in Chinese))

[12]劉斌云，李凱，趙尚傳. 復(fù)摻粉煤灰和硅灰對混凝土抗氯離子滲透性和抗凍性的影響研究[J]. 混凝土，2011(11)：83- 85.(LIU Bin-yun，LI Kai, ZHAO Shang-chuan. Study of effects on chloride resistance to ion penetration and frost of concrete mixed with fly ash and silica fume[J]. Concrete, 2011(11)：83- 85. (in Chinese))

Experimental studies on resistance to chloride ion permeability into recycled coarse aggregate concrete

ZHAO Shu-feng

(SchoolofCivilEngineering,KaifengUniversity,Kaifeng475004,China)

Key words： recycled concrete; coarse aggregate strengthening treatment; fly ash; silica fume; chloride ion permeability