賈文亮，張 琴，李 昊

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

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硫酸鹽干濕循環(huán)對再生骨料混凝土性能的影響

賈文亮，張 琴，李 昊

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

為了探討再生骨料混凝土在硫酸鹽作用下的耐久性能，選取再生粗骨料替代率為50%、100%的兩組再生混凝土和普通骨料混凝土進行硫酸鹽環(huán)境中的干濕循環(huán)試驗。從侵蝕后混凝土表觀形貌，質(zhì)量、強度、超聲波速經(jīng)時變化規(guī)律分析混凝土的損傷特性。結(jié)果表明：再生骨料混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力小于普通骨料混凝土，且抗侵蝕能力隨著再生骨料替代率的增加而降低。硫酸鹽侵蝕后，混凝土質(zhì)量、強度、超聲波速經(jīng)時變化曲線由上升段與下降段兩部分組成。超聲波法可以反映再生骨料混凝土侵蝕后的損傷特征。最后，建立了無量綱化超聲波速與抗壓強度之間的演化方程。

硫酸鹽； 干濕循環(huán)； 再生骨料混凝土； 超聲波速； 損傷特征

1 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟建設快速發(fā)展，世界范圍內(nèi)城市化建設速度不斷加快，廢舊建筑拆遷改造產(chǎn)生的大量廢棄混凝土排放量逐年增加，對環(huán)境造成了非常嚴重的破壞。據(jù)統(tǒng)計[1-2]，美國、日本、歐洲等國每年產(chǎn)生的廢棄混凝土以千萬噸為計，而我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾高達35億噸[3]。如何解決如此龐大的建筑垃圾成為一個非常棘手的問題。再生混凝土具有綠色、無污染、可持續(xù)發(fā)展等特點，近年來再生骨料混凝土發(fā)展方興未艾。硫酸鹽侵蝕是影響混凝土耐久性的重要因素之一，我國西部地區(qū)土壤以及水溶液中含有大量的硫酸鹽，這些地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)受硫酸鹽侵蝕非常嚴重，尤其是水工混凝土經(jīng)常遭受水位變化引起干濕作用的影響，對混凝土造成嚴重侵蝕[4]。因此，本文選取再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete，簡稱RAC)和普通骨料混凝土(Natural Aggregate Concrete，簡稱NAC)在硫酸鹽溶液中的干濕循環(huán)試驗，探討干濕循環(huán)作用對再生骨料混凝土耐久性能的影響規(guī)律，為再生骨料混凝土在我國西部地區(qū)使用提供一定借鑒。

2 試 驗

2.1 試驗原材料

水泥：蒙西P·O 42.5水泥；砂子：天然河砂，細度模數(shù)2.71，其他物理性能見表1；粗骨料：普通骨料選用粒徑連續(xù)級配天然碎石，再生骨料選用經(jīng)破碎后的混凝土(原設計強度C30)，骨料級配良好，其他物理性能見表1；水：普通自來水；外加劑：高效引氣減水劑。

表1 骨料物理性能

2.2 試驗配合比設計及相關性能

試驗基準組為普通骨料混凝土，通過再生骨料取代普通骨料(卵石與碎石的混合料)組成兩組再生骨料混凝土。再生粗骨料比表面積較大，且棱角分明，試驗選用40%的砂率使再生骨料混凝土具有良好的工作性能。其配合比及基本性能見表2。

表2 混凝土配合比及其相關指標

2.3 試驗方法

為了研究不同再生粗骨料替代率對再生骨料混凝土性能的影響，試驗設計了多次硫酸鹽環(huán)境中干濕循環(huán)試驗，研究干濕循環(huán)經(jīng)時變化對再生骨料混凝土質(zhì)量、抗壓強度和超聲波速的變化規(guī)律。試驗所用試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，抗壓試驗結(jié)果乘以換算系數(shù)0.95。侵蝕溶液為5%(質(zhì)量分數(shù))的MgSO4溶液。具體試驗方法為：試件養(yǎng)護26 d后置于(80±5) ℃的烘箱中48 h，待冷卻后放入MgSO4溶液中。干濕循環(huán)制度為：MgSO4溶液浸泡15 h→風干1 h→烘干6 h→冷卻2 h→MgSO4溶液浸泡15 h，一個循環(huán)周期為1 d。

3 結(jié)果與討論

3.1 表面破壞形態(tài)

圖1為3組混凝土干濕循環(huán)100次的宏觀形貌。由圖1(a)可見，NAC混凝土經(jīng)過100次干濕循環(huán)后表面形成很多微小裂紋，并且有部分砂漿剝蝕，棱角處侵蝕比較嚴重。由圖1(b)可見，N-RAC混凝土表面有多處較寬的裂縫，并且逐漸向貫穿裂縫發(fā)展；表面起鼓現(xiàn)象非常嚴重，砂漿與基體已經(jīng)不能很好的膠結(jié)，并且有白色硫酸鹽結(jié)晶物析出。圖1(c)可見，RAC混凝土侵蝕最為嚴重，表層砂漿幾乎完全脫落，甚至有粗骨料外露現(xiàn)象，已經(jīng)不能保持完整的形貌。這主要是因為硫酸鹽與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學反應生成膨脹性復鹽，當膨脹性復鹽的壓應力大于水泥基材料的極限抗拉強度時，便會引起混凝土表面砂漿剝落。文獻[5]表明，混凝土抗?jié)B透性隨著再生粗骨料替代率的增加而降低。RAC組混凝土進行了100%再生粗骨料替代，外部硫酸鹽溶液可以更快的進入混凝土內(nèi)部對混凝土造成損傷，宏觀表現(xiàn)為RAC組混凝土侵蝕破壞比其他兩種嚴重。硫酸鹽的滲入是一個由表及里的緩緩過程，硫酸鹽首先與混凝土表層的水化產(chǎn)物進行化學反應，復鹽首先在混凝土表層富集。所以，混凝土表層的腐蝕程度要比內(nèi)部嚴重很多。

圖1 3組混凝土試件表觀形貌特征(a)NAC;(b)N-RAC;(c)RACFig.1 Morphology characteristics in surface of 3 groups concrete

3.2 質(zhì)量經(jīng)時變化規(guī)律

3組混凝土質(zhì)量經(jīng)時變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可見，3組混凝土凝結(jié)硬化后(干濕循環(huán)次數(shù)為0次)質(zhì)量大小為NAC>N-RAC>RAC。產(chǎn)生這樣的原因是因為N-RAC與RAC都摻有不同比例的再生粗骨料，由表1可知再生粗骨料(RA)的密度小于普通粗骨料(NA)，因此，硬化后再生骨料混凝土的質(zhì)量隨著粗骨料替代率的增加而減小。

150次干濕循環(huán)全過程內(nèi)3組混凝土質(zhì)量經(jīng)時變化規(guī)律具有一定的相似性：由上升段與下降段兩部分組成。上升段發(fā)生在干濕循環(huán)70次左右，經(jīng)過最大值后混凝土質(zhì)量開始快速下降，混凝土表面出現(xiàn)不同程度的掉渣、脫皮等現(xiàn)象。不論是上升段還是下降段，RAC組混凝土質(zhì)量變化斜率均為最大，NAC質(zhì)量曲線斜率最小?；炷临|(zhì)量的增加主要來源于兩部分：一部分是由于外界水分進入所引起。再生骨料混凝土吸水率與再生骨料替代率呈線性關系，當再生骨料替代率為50%時，混凝土的吸水率為4.00%；當替代率為100%時，混凝土的吸水率高達7.01%[6]。另外一部分是因為硫酸鹽與水化產(chǎn)物發(fā)生化學反應生成鹽類物質(zhì)引起質(zhì)量增加，硫酸鹽與水泥發(fā)生化學反應的快慢程度主要與混凝土內(nèi)部硫酸鹽滲入量有關，混凝土自身抗?jié)B性能越小，硫酸鹽滲入量越大。由3.1可知，RAC混凝土的抗?jié)B性能最小，所以RAC組再生骨料混凝土質(zhì)量增長最為迅速。經(jīng)過極值點后質(zhì)量開始快速下降，150次循環(huán)后NAC、N-RAC、RAC3組混凝土質(zhì)量下降分別為初始質(zhì)量的93.7%、90.9%、86.9%，降幅為RAC>N-RAC>NAC。再生粗骨料表面包裹著一層硬化后的水泥砂漿，替代率越大，骨料中砂漿含量就越高。砂漿的孔隙率比較大，鈣礬石、石膏和硫酸鹽等結(jié)晶物在砂漿孔隙中形成了很大的膨脹應力，從而引起水泥砂漿開裂，在混凝土表層形成較寬的裂縫。

3.3 強度經(jīng)時變化規(guī)律

3組混凝土干濕循環(huán)后強度經(jīng)時變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可見：干濕循環(huán)初期，混凝土抗壓強度隨著侵蝕時間的增加而增加，經(jīng)過極值點后，強度隨侵蝕時間的增加而下降。強度增長現(xiàn)象是因為：(1)干濕循環(huán)初期，混凝土處于一種養(yǎng)護狀態(tài)，促進水泥水化[7]。(2)硫酸鹽類結(jié)晶填充了混凝土內(nèi)部微孔隙，增加了混凝土密實度，從而增加承壓面積，進而增加了混凝土抗壓強度。干濕循環(huán)中后期，由于硫酸鹽晶體在混凝土孔隙內(nèi)不斷富集，最終造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小裂紋[8]。這種裂紋為硫酸鹽的進入提供了便利條件，進而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，造成混凝土強度下降。

NAC混凝土強度最大值為干濕循環(huán)60次，RAC、N-RAC混凝土強度最大值為干濕循環(huán)45次，3組混凝土最大值的差異比較小。RAC、N-RAC兩組混凝土抗?jié)B性能小于NAC混凝土，所以硫酸鹽進入這兩組混凝土的量要大于NAC混凝土，硫酸鹽晶體在RAC、N-RAC內(nèi)增長比較迅速，所以這兩組混凝土強度極值點出現(xiàn)早于NAC混凝土。另外，RAC、N-RAC兩組混凝土都存在不同質(zhì)量的再生骨料，再生骨料在破碎過程中砂漿受到不同程度的初始損傷，從而形成一定的初始裂紋，對混凝土強度造成一定的影響[9]。經(jīng)過150次循環(huán)后3組混凝土的抗壓強度已經(jīng)不能滿足30 MPa，RAC混凝土強度下降為23.5 MPa。150次循環(huán)后NAC、N-RAC、RAC混凝土的強度下降為初始強度的83.9%、77.4%、72.3%。

圖2 3組混凝土質(zhì)量經(jīng)時變化規(guī)律Fig.2 Relationship between mass and dry-wet cycles of 3 groups concrete

圖3 3組混凝土強度經(jīng)時變化規(guī)律Fig.3 Relationship between compressive strength and dry-wet cycles of 3 groups concrete

3.4 超聲波速經(jīng)時變化規(guī)律

圖4 3組混凝土超聲波速經(jīng)時變化規(guī)律Fig.4 Relationship between ultrasonic velocity and dry-wet cycles of 3 groups concrete

混凝土強度無損檢測方法有回彈法、超聲波法、超聲-回彈綜合法等，超聲波法是利用聲波在混凝土中的傳播速度的快慢反映混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實程度?；炷翐p傷后，引起內(nèi)部出現(xiàn)裂紋或局部疏松，聲波將會繞過或反射穿過試件，從而增加聲波傳輸路徑，降低波速[10-11]。圖4為干濕循環(huán)后混凝土超聲波速經(jīng)時變化關系。由圖4可見，干濕循環(huán)后混凝土超聲波速的變化規(guī)律與強度變化規(guī)律相類似，由上升段與下降段兩部分組成。且超聲波速極值點與強度極值點出現(xiàn)時間相同。下降階段3組混凝土超聲波速數(shù)值大小關系為NAC>N-RAC>RAC，由此表明，隨著再生骨料替代率的增加，混凝土的抗侵蝕能力逐漸降低，內(nèi)部密實度也隨著再生骨料含量的增加而降低。NAC與RAC所不同的是粗骨料，再生骨料混凝土粗骨料與砂漿界面區(qū)實質(zhì)上是新舊砂漿界面區(qū)。而再生骨料混凝土界面區(qū)的密實程度以及抗侵蝕能力小于普通骨料混凝土，因此，有更多的硫酸鹽對此區(qū)域進行損傷，從而降低界面區(qū)密實度，降低聲波傳播速度。NAC、N-RAC、RAC組混凝土干濕循環(huán)120次到150次的下降幅度比較明顯，表明硫酸鹽干濕循環(huán)加速了混凝土后期的侵蝕程度。干濕循環(huán)150次后，RAC混凝土超聲波速下降為87.2%，由圖1(c)可見，RAC組混凝土已經(jīng)不能滿足完整的形貌。

3.5 強度與超聲波速的關系

超聲波速可以反映混凝土內(nèi)部的密實程度，混凝土內(nèi)部越密實，則強度越高，耐久性能越好，波速越快[12]。由圖3、4可見，干濕循環(huán)損傷全過程內(nèi)超聲波速與強度的變化規(guī)律相類似，且極值點出現(xiàn)時間一致?？梢姡瑥姸扰c超聲波速之間存在一種必然聯(lián)系。圖5表示3組混凝土超聲波速與強度的實測數(shù)據(jù)點，由圖5可見，3組混凝土超聲波速與強度之間呈現(xiàn)較好的線性關系。為了更好地表示3組混凝土強度與超聲波速的關系，將強度與超聲波數(shù)據(jù)進行無量綱化處理，對無量綱化數(shù)據(jù)點進行回歸演化，其演化結(jié)果如式(1)所示。由圖6可以看出：3組混凝土超聲波速與強度之間存在較好的線性關系，演化結(jié)果與測試值之間的誤差比較小。由此說明，再生骨料混凝土干濕循環(huán)侵蝕后其抗壓強度也可采用超聲波法測試。

(1)

式中：σ、σ0分別表示干濕循環(huán)0次和n次混凝土立方體抗壓強度，V、V0分別表示干濕循環(huán)0次和n次混凝土的超聲波速。

圖5 混凝土超聲波速與強度的關系(a)NAC;(b)N-RAC;(c)RACFig.5 Relationship between compressive strength and ultrasonic velocity

圖6 混凝土超聲波速與強度的關系擬合Fig.6 Fitting of compressive strength and ultrasonic velocity

4 結(jié) 論

(1)再生骨料混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力小于普通骨料混凝土，抗侵蝕能力隨著再生骨料替代率的增加而降低。硫酸鹽侵蝕后再生骨料混凝土表層砂漿剝蝕比較嚴重，100%替代率下再生骨料混凝土干濕循環(huán)100次后已經(jīng)不能保持完整形貌;

(2)再生骨料混凝土與普通骨料混凝土干濕循環(huán)全過程中，質(zhì)量、強度和超聲波速經(jīng)時變化規(guī)律相類似，變化曲線由上升段和下降段兩部分組成，上升段極值點相差比較小。下降階段，再生骨料混凝土的損傷劣化速度大于普通骨料混凝土，且隨再生骨料替代率的增加而增大;

(3)超聲波速可以敏感的反映再生骨料混凝土侵蝕后內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化，并且與侵蝕后抗壓強度之間存在較好的線性關系，以此為基礎，建立了無量綱化的超聲波波速與抗壓強度之間的演化方程。

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Effect of Sulfate Dry-Wet Cycles on the Performance of Recycled Aggregate Concrete

JIAWen-liang,ZHANGQin,LIHao

(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010018,China)

To study durability of recycled aggregate concrete with the help of sulfate,the experiment of dry-wet cycle based on recycled aggregate concrete of which was 50 and 100 percent of replacement rates with two groups of recycled aggregate concrete and natural aggregate concrete.The damage development was evaluated by apparent characteristics of attacked concrete under the condition of sulfate,mass,compressive strength and ultrasonic velocity changes over erosion time.The results showed that the sulphate-resistance of recycled aggregate concrete is not as good as natural aggregate concrete.And the ability of erosion resistance is decreasing with the increase of the replacement ratio of recycled aggregate.After the erosion of sulfate,the change curve is ascending and descending,in which the mass,compressive strength and ultrasonic velocity of concrete are related with time.The method of ultrasonic reflects the damage feature of recycled aggregate concrete after the erosion of sulfate.As a result,the evolution equation of dimensionless ultrasonic and compressive strength was built.

sulfate;dry-wet cycle;recycled aggregate concrete;ultrasonic velocity;damage characteristic

國家自然科學基金項目(51169014)

賈文亮(1981-)，男，講師.主要從事建筑材料、建筑學方面的教學和研究.

TU528.01

A

1001-1625(2016)12-3981-06