張緒平,張志廳,宋志濤
(中交一公局第五工程有限公司,北京 100024)
再生骨料(Recycled Aggregate, RA)由天然骨料和表面附著砂漿組成,與天然骨料(Natural Aggregate, NA)相比,RA吸水率、吸水速率和壓碎值等指標偏高,將RA引入新混凝土,對其結構和性能有不利影響[1-2]。另外,RA附著舊砂漿使混凝土內部形成多重界面結構(老骨料-老砂漿界面、老骨料-新砂漿界面和新砂漿-老砂漿界面),增加外界侵蝕介質進入試件內部的通道[3]。
近年來,國內外學者關于RA和再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete, RAC)的研究主要包括:(1)再生骨料改善技術研究。有學者研究[1]表明,去除和強化再生骨料附著舊砂漿均可一定程度改善其品質,提高RAC性能。(2)界面改性技術研究。李秋義等[3]研究了RAC多重界面特性及其改善技術,指出改善薄弱界面結構可提高混凝土性能。(3)攪拌工藝研究。有學者研究[4-5]發(fā)現(xiàn),改善攪拌工藝可提高RAC均質性,進而改善其性能。(4)養(yǎng)護方式改善RAC性能研究。王繼娜等[6]研究了CO2養(yǎng)護時間對RAC力學性能影響,發(fā)現(xiàn)CO2可改善RAC力學性能,養(yǎng)護時間為48 h時,改性RAC強度甚至超過標養(yǎng)條件下的NAC。史才軍胡等[7]通過試驗驗證了CO2養(yǎng)護提高RAC耐久性能的可行性。姜正平和明維[8]探索了蒸壓養(yǎng)護條件下,RAC性能改善機理。崔正龍和陳自豪等[9-10]研究了RAC在高溫蒸壓養(yǎng)護條件下的耐久性能,發(fā)現(xiàn)試件收縮率較標準養(yǎng)護試件降低20%。張冰等[11]研究發(fā)現(xiàn),與干濕循環(huán)養(yǎng)護相比,RAC在薄膜覆蓋養(yǎng)護和浸水養(yǎng)護下,14 d抗壓強度分別降低8.7%和14.2%。
當前國內外學者關于養(yǎng)護條件對RAC性能的研究主要集中在單一養(yǎng)護條件提高混凝土力學性能方面,鮮有涉及多種養(yǎng)護制度間提升效果對比研究,以及養(yǎng)護條件對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能影響研究。通過調整RA替代率制備出C40混凝土,研究養(yǎng)護條件(標準養(yǎng)護、CO2養(yǎng)護和高溫蒸壓養(yǎng)護)對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能影響,并利用XRD和SEM分析其物相組成和微觀形貌,探索養(yǎng)護條件對提升RAC抗硫酸鹽侵蝕性能的可行性,為RAC在橋梁工程的推廣應用提供技術支撐。
試驗用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,主要技術指標見表1。重慶珞璜I級粉煤灰,細度(45 μm方孔篩篩余量)為8.3%,燒失量為3.0%。永浩礦粉場生產S95級礦粉,密度為2.93 g/cm3,比表面積為460 m2/kg,28 d活性指數(shù)為97%。細骨料為細度模數(shù)2.7的天然河砂,表觀密度為2.734 g/cm3,吸水率為1.24%。粗骨料為5~25 mm的RA和NA,主要技術指標見表2。減水劑為聚羧酸高性能減水劑,摻量為膠凝材料質量1.2%。
表1 P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥主要性能指標
表2 粗骨料主要性能指標
在前期試驗基礎上,以RA等質量(0,25%,50%,75%及100%)替代NA方式設計5組C40混凝土,膠凝材料用量420 kg/m3,水泥、粉煤灰和礦粉質量比為65∶15∶20??紤]到RA吸水率遠高于NA,為保證拌合物工作性能,采用額外加水法計算拌和用水量(普通混凝土設計用水量與附加用水量之和),附加用水量計算見公式(1),混凝土配合比設計和新拌混凝土性能測試結果見表3。
式中:△W—額外用水量,kg;mRA— RA質量,kg;SRA— RA飽和面干吸水率,%;SNA— NA飽和面干吸水率,%。
表3 試驗配合比設計及新拌混凝土性能測試結果
1.3.1 養(yǎng)護制度
(1)CO2養(yǎng)護:試件拆模后在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護24 h后進行CO2養(yǎng)護(溫、濕度分別為20 ±5 ℃和(70 ± 5)% ,CO2濃度和壓力分別(20 ±3)%和0.15 MPa,再放入標準養(yǎng)護室[6]。(2)高溫蒸壓養(yǎng)護:試件拆模后在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護7 d后進行高溫蒸壓養(yǎng)護(2 h內溫度升至180 ℃,壓力升至10 MPa),保持3 h后自然冷卻,再放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護[10]。再生混凝土試件經標準養(yǎng)護、CO2養(yǎng)護和高溫蒸壓養(yǎng)護后試件編號分別為RAC-1、RAC-2和RAC-3。
1.3.2 新拌混凝土性能
參考《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002),采用坍落度和含氣量測試新拌混凝土性能。
1.3.3 抗壓強度
依據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)測試混凝土抗壓強度,試樣尺寸150 mm×150 mm×150 mm。
1.3.4 抗硫酸鹽侵蝕性能
經標準養(yǎng)護、CO2養(yǎng)護和高溫蒸壓養(yǎng)護后的試件,參考《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009),采用質量損失率和抗壓耐蝕系數(shù)評價其抗硫酸鹽侵蝕性能:
式中:Kf—抗壓耐蝕系數(shù),%;fcn—N次干濕循環(huán)后試件抗壓強度,MPa;fco—同齡期標養(yǎng)試件抗壓強度,MPa。
式中:Km—經N次干濕循環(huán)后試件質量損失率,%;Mn—N次干濕循環(huán)后試件質量,g;M0—干濕循環(huán)前試件質量,g。
1.3.5 微觀結構表征
(1)物相組成(XRD):采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀分析混凝土在不同條件養(yǎng)護下,經干濕循環(huán)后的物相組成,2θ角度范圍為8~50°,角度重現(xiàn)性為0.000 1°。(2)微觀形貌(SEM-EDS):采用S-800型掃描電鏡觀察混凝土在不同條件養(yǎng)護下,經干濕循環(huán)后的微觀形貌,試驗前對試樣表面進行噴Au處理,試驗溫度為20 ℃[6]。
不同養(yǎng)護條件下,RAC 7 d和28 d抗壓強度測試結果見圖1。
圖1 養(yǎng)護條件對試件抗壓強度影響
由圖1可見:(1)3種養(yǎng)護條件下試件抗壓強度均隨RA替代率提高而降低,且當RA替代率為50%時,試件抗壓強度出現(xiàn)陡降。(2)CO2養(yǎng)護7 d和28 d的試件較同齡期標養(yǎng)條件下RAC抗壓強度高25%和10%左右;高溫蒸壓條件下,試件7 d和28 d抗壓強度較同齡期標準養(yǎng)護條件下試件高90%和-5%左右。結果表明,CO2養(yǎng)護條件可明顯提高混凝土抗壓強度,且前7 d增長幅度很大,28 d增長幅度變緩。因為CO2養(yǎng)護條件下,水泥水化產物CH與CO2反應生成CaCO3,增加結構密實度,故試件抗壓強度有所提高,隨養(yǎng)護齡期增長,CO2含量變少,試件強度增長變緩[6]。高溫蒸壓養(yǎng)護前7 d混凝土中水泥顆??焖偎蕴峁┰缙趶姸龋S養(yǎng)護不斷進行,水泥水化產物分散性較差,導致水泥石結構疏松,故試件28 d抗壓強度出現(xiàn)降低[10]。
不同養(yǎng)護條件對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能影響試驗結果見圖2。
圖2 養(yǎng)護條件對試件抗硫酸鹽侵蝕性能影響
由圖2可見:(1)RAC在前50次干濕循環(huán)作用下,質量損失率出現(xiàn)小幅降低(質量增加),當干濕循環(huán)作用次數(shù)超過50次時,試件質量損失率急劇增加。因為干濕循環(huán)作用次數(shù)小于50次時,對混凝土損傷作用較小,僅少數(shù)骨料和砂漿剝落,隨干濕循環(huán)次數(shù)增加,試件侵蝕破壞嚴重,質量損失率增大。干濕循環(huán)次數(shù)對試件抗壓耐蝕系數(shù)影響和質量損失率變化規(guī)律類似,呈現(xiàn)先降低后增加趨勢,因凍融循環(huán)次數(shù)較少時,硫酸根離子與CH反應生成少量腐蝕產物,填充試件內部孔隙,小幅增加試件強度所致[12]。(2)當RA替代率相同時,與標準養(yǎng)護條件相比,CO2養(yǎng)護的混凝土經150次干濕循環(huán)后,試件質量損失率和抗壓耐蝕系數(shù)大幅降低,而高溫蒸壓養(yǎng)護條件下,試件損失率和抗壓耐蝕系數(shù)出現(xiàn)增長。結果表明,CO2養(yǎng)護可改善RAC抗硫酸鹽侵蝕性能,而高溫蒸壓養(yǎng)護對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能有不利影響。
2.3.1 物相組成
標準養(yǎng)護、CO2養(yǎng)護和高溫蒸壓養(yǎng)護28 d的RAC-1、RAC-2和RAC-3,經干濕循環(huán)150次后物相組成見圖3。
圖3 不同養(yǎng)護條件下混凝土物相組成
由圖3可見:(1)標準養(yǎng)護條件下的NAC和RAC主要包含AFt、CH和少量石膏等產物,因試件在硫酸鹽長期侵蝕環(huán)境下,擴散到RAC內部的硫酸根離子與水泥水化產物CH反應生成石膏和鈣礬石等產物[12]。(2)CO2養(yǎng)護下的再生混凝土(RAC-2)內部存在大量AFt和方解石,而CH含量相對減小,因CO2養(yǎng)護條件下,水泥水化產物CH與CO2反應生成CaCO3[6]。(3)高溫蒸壓養(yǎng)護條件下的再生混凝土(RAC-3)內部存在較多水泥水化產物AFt和CH。
2.3.2 微觀形貌
標準養(yǎng)護、CO2養(yǎng)護和高溫蒸壓養(yǎng)護7 d和28 d的RAC-1、RAC-2和RAC-3,經干濕循環(huán)150次后微觀形貌見圖4。
由圖4(a)、(b)和(d)可見,與RAC-100-1相比,RAC-100-2結構更為致密,而RAC-100-3內部結構出現(xiàn)水化產物結團現(xiàn)象。由圖4(c)和(d)可見,高溫蒸壓養(yǎng)護7 d的再生混凝土內部結構極為致密,而高溫養(yǎng)護至28 d時,RAC內部出現(xiàn)大量孔隙和水化產物產物分布極不均勻現(xiàn)象。這是因為CO2養(yǎng)護條件下,水泥水化產物CH與CO2氣體發(fā)應生成CaCO3填充于混凝土內部孔隙,增加其密實度[6]。而高溫蒸壓前期水泥顆??焖偎瘜е滤a物來不及分散,故高溫蒸壓養(yǎng)護后期,RAC內部出現(xiàn)大量水化產物結團現(xiàn)象[10]。
圖4 不同養(yǎng)護條件下混凝土微觀形貌
通過調整RA替代率制備出C40混凝土,研究標準養(yǎng)護、CO2養(yǎng)護和高溫蒸汽養(yǎng)護條件對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能影響,并利用XRD和SEM-EDS分析其物相組成和微觀形貌。(1)與標準養(yǎng)護條件相比,CO2養(yǎng)護養(yǎng)護前7 d,RAC抗壓強度大幅增長,而養(yǎng)護至28 d,試件抗壓強度增長幅度變緩。高溫蒸壓養(yǎng)護前7 d,試件抗壓強度猛增,養(yǎng)護后期試件抗壓強度出現(xiàn)降低現(xiàn)象。(2)CO2養(yǎng)護可一定程度改善RAC抗硫酸鹽侵蝕性能,而高溫蒸壓養(yǎng)護對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能有不利影響。為提高RAC抗硫酸鹽侵蝕性能,建議采用CO2養(yǎng)護試件。(3)CO2養(yǎng)護后的RAC,經150次干濕循環(huán)后,試件內部結構比較致密。高溫蒸壓養(yǎng)護前7 d,RAC內部水化產物豐富,而養(yǎng)護至28 d后,RAC內部孔隙較多,水化產物出現(xiàn)結團。