彭勇軍

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司， 唐山 063000)

0 引言

據(jù)測(cè)算，我國(guó)建筑垃圾年產(chǎn)量近8×107t[1]，巨量的建筑垃圾大都采用露天堆放和填埋的方式進(jìn)行處理，這種傳統(tǒng)的處理方式不僅占用土地資源，還在運(yùn)輸和堆放過程中產(chǎn)生大量粉塵，雨水的沖刷還會(huì)使其中的有害物質(zhì)滲入土壤和地下水，污染土壤和水體。除此之外，還嚴(yán)重阻礙城市發(fā)展，影響生態(tài)環(huán)境[2]。同時(shí)，天然粗細(xì)骨料的開采與生產(chǎn)也會(huì)對(duì)環(huán)境治理造成很大壓力。據(jù)計(jì)算，生產(chǎn)1m3混凝土大約需要1 700～2 000kg砂石骨料，每年混凝土生產(chǎn)會(huì)消耗超過200億t原材料，以目前的趨勢(shì)，二三十年后對(duì)混凝土骨料的需求會(huì)增加1倍[3]，這勢(shì)必增加天然骨料的開采量。

再生混凝土可以將一部分建筑垃圾轉(zhuǎn)化為混凝土的粗細(xì)骨料，從兩方面減輕建筑行業(yè)對(duì)自然環(huán)境的影響。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于再生混凝土的研究還有很多不足，由于再生混凝土原材料性質(zhì)復(fù)雜，再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法還需進(jìn)一步研究，這需要大量的配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)；關(guān)于再生混凝土的耐久性研究與改善方法也較為薄弱。本文將針對(duì)影響再生混凝土工作性能和強(qiáng)度的因素設(shè)計(jì)再生混凝土配合比，并進(jìn)行一系列的耐久性試驗(yàn)和微觀試驗(yàn)以分析再生混凝土的腐蝕破壞機(jī)理。

混凝土配合比 表7

1 原材料分析

外加劑為減水率30%、含氣量2.2%的高性能聚羧酸減水劑。拌合水為普通自來水。

1.1 骨料性能

再生骨料來自北京某工程中的建筑垃圾，其中廢混凝土含量約為70%，廢磚含量約為30%，破碎篩分后，將粒徑范圍4.75mm以下的作為再生細(xì)骨料，細(xì)骨料粒徑分布及各項(xiàng)性能指標(biāo)分別見表1、表2。粒徑范圍4.75～26.5mm的作為再生粗骨料，粗骨料各項(xiàng)性能指標(biāo)見表3。

細(xì)骨料分計(jì)篩余/% 表1

細(xì)骨料各項(xiàng)性能指標(biāo) 表2

粗骨料各項(xiàng)性能指標(biāo) 表3

1.2 粉煤灰與水泥性能

水泥為北京某公司生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰(FA)為河北某公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰；粉煤灰與水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)見表4、表5。

粉煤灰(FA)的性能指標(biāo) 表4

水泥的性能指標(biāo) 表5

2 各因素對(duì)再生混凝土性能影響程度分析

由于需要研究的因素較多，故設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)[4]，正交因素為水膠比α、膠凝材料中粉煤灰與水泥的質(zhì)量比例β、再生粗骨料與天然石子的質(zhì)量比例γ、再生細(xì)骨料與天然砂的質(zhì)量比例δ，正交因素水平見表6。

正交因素水平 表6

2.1 試驗(yàn)配合比

按照正交試驗(yàn)規(guī)則，設(shè)計(jì)出9組試驗(yàn)配合比(A1～A3，B1～B3，C1～C3組)。α1，α2，α3分別表示3種不同的水膠比，每種水膠比下各有3組粉煤灰與水泥的質(zhì)量比例β(1∶4，3∶10，2∶5)、再生粗骨料與天然石子的質(zhì)量比例γ(2∶5，4∶5，1∶0)、再生細(xì)骨料與天然砂的質(zhì)量比例δ(1∶10，1∶5，3∶10)，混凝土試驗(yàn)配合比見表7。

2.2 再生混凝土性能分析

混凝土攪拌機(jī)采用天津某公司生產(chǎn)的J-50型強(qiáng)制性攪拌機(jī)。攪拌完成后制成100mm×100mm×100mm的立方體試件。

2.2.1 再生混凝土坍落度主要影響因素分析

混凝土的坍落度在混凝土出機(jī)時(shí)測(cè)試。坍落度正交分析結(jié)果見表8。表8中再生粗骨料摻和比例的極差最大，說明隨著再生粗骨料摻和比例的變化，再生混凝土的坍落度數(shù)據(jù)最為離散，所以再生粗骨料的摻和比例對(duì)再生混凝土的工作性能影響最大，之后的影響程度依次是粉煤灰摻和比例、水膠比、再生細(xì)骨料摻和比例。而且，只有在再生粗骨料摻和比例為40%時(shí)，再生混凝土才能滿足施工要求。

坍落度正交分析結(jié)果 表8

2.2.2 再生混凝土抗壓強(qiáng)度主要影響因素分析

混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后取出擦干，使用YA-3000電液式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度正交分析結(jié)果見表9。表9中再生粗骨料摻和比例的極差最大，說明隨著再生粗骨料摻和比例的變化，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最為離散，所以再生粗骨料的摻和比例對(duì)再生混凝土的工作性能影響最大，之后的影響程度依次是水膠比、再生細(xì)骨料摻和比例、粉煤灰摻和比例。

抗壓強(qiáng)度正交分析結(jié)果 表9

3 再生混凝土耐久性研究

選擇第2節(jié)坍落度和抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)最好的A1組再生混凝土配合比，并配制抗壓強(qiáng)度和坍落度相近的C40普通混凝土作為對(duì)照組，以此研究再生混凝土的耐久性，對(duì)照組混凝土耐久性試驗(yàn)配合比見表10。

混凝土耐久性試驗(yàn)配合比 表10

3.1 氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)

采用清華大學(xué)研發(fā)的NEL法測(cè)試再生混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)[5]，通過測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)通過混凝土機(jī)體的氯離子電通量來反映混凝土的抗?jié)B性能。試驗(yàn)所用儀器為NEL-PD型混凝土滲透性檢測(cè)儀，先將切割后兩組100mm×100mm×50mm的混凝土塊在20℃的水中真空保水24h，之后放入專門的夾具中，在負(fù)極處倒入3%濃度的NaCl溶液，在正極處倒入0.3mol/L的NaOH溶液。

在相同試驗(yàn)條件下，以A1和C40試驗(yàn)組中各3塊混凝土試塊為一組進(jìn)行氯離子擴(kuò)散系數(shù)試驗(yàn)，最后對(duì)各組試驗(yàn)結(jié)果取平均值作為最后的結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，強(qiáng)度相近的普通混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比再生混凝土小，再生混凝土的抗?jié)B透能力比普通混凝土差[6]，但氯離子滲透性能評(píng)價(jià)等級(jí)都是中等。本試驗(yàn)說明再生混凝土較普通混凝土致密性略差，在實(shí)際工程中可以采取加大混凝土保護(hù)層厚度或提高礦粉、粉煤灰等礦物摻合料改善其抗氯離子侵蝕性能。

圖1 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)

3.2 抗凍融試驗(yàn)

按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50028—2009)進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)[7]?；炷猎跇?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24d后，將混凝土浸泡在水中(溫度(20±2)℃)4d，各取6塊A1和C40試驗(yàn)組中混凝土試塊放入凍融機(jī)28d。在確定的時(shí)間點(diǎn)測(cè)試兩種混凝土質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量，對(duì)每次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均后得到最終試驗(yàn)結(jié)果。

質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見圖2，相對(duì)動(dòng)彈性模量[8]隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見圖3。從圖2，3可以看出，A1與C40試驗(yàn)組試塊在凍融循環(huán)過程中質(zhì)量損失率差異較大，相對(duì)動(dòng)彈性模量差別較小。相關(guān)研究[9]表明，混凝土在凍融循環(huán)作用下，其機(jī)體內(nèi)部將產(chǎn)生一些損傷微裂縫，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，這些微裂縫逐漸發(fā)展并連通為較大的貫通裂縫，從而造成其耐久性降低或完全喪失?？稍偕炷潦艿降膬鋈谘h(huán)損傷更大的原因就是再生粗骨料初始損傷更大，加速了凍融損傷的發(fā)展。

圖2 質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

圖3 相對(duì)動(dòng)彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化

3.3 碳化試驗(yàn)

各取30塊A1和C40試驗(yàn)組中混凝土試塊進(jìn)行碳化試驗(yàn)，在3，7，14，21，28d時(shí)各取3塊兩種混凝土試塊測(cè)量其碳化深度[10]，各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均后即為最終試驗(yàn)結(jié)果。本試驗(yàn)在二氧化碳濃度為20%±3%、溫度為(20±5)℃、濕度為70%±5%下進(jìn)行。

再生混凝土與普通混凝土28d內(nèi)的碳化深度變化相差不大，再生混凝土碳化深度略大于普通混凝土，且再生混凝土碳化深度的后期發(fā)展趨勢(shì)明顯強(qiáng)于普通混凝土，碳化深度隨碳化時(shí)間的變化趨勢(shì)見圖4，碳化試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片見圖5。一方面是因?yàn)樵偕炷凉橇显诩庸r(shí)會(huì)出現(xiàn)一些微裂縫，CO2與水有相對(duì)更多的孔道進(jìn)入混凝土內(nèi)部發(fā)生碳化反應(yīng)；另一方面是再生骨料的基體混凝土在之前就有可能已經(jīng)碳化。相關(guān)研究[11]也表明再生骨料取代率小于50%時(shí)，再生混凝土與普通混凝土碳化速度相差不大，但取代率大于50%后，再生混凝土碳化速度會(huì)隨取代率的提高而變快。在實(shí)際工程中可以通過加大混凝土保護(hù)層厚度、適量提高礦粉粉煤灰等礦物摻合料摻和比例提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

圖4 碳化深度隨碳化時(shí)間的變化

圖5 混凝土的碳化試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

3.4 耐硫酸鈉侵蝕試驗(yàn)

各取24塊兩組混凝土試塊同時(shí)放置在NELD-LSC全自動(dòng)硫酸鹽干濕循環(huán)機(jī)中，其中每種混凝土試塊各固定4塊為測(cè)量線膨脹率的專用試塊，每種混凝土試塊另外的20個(gè)試塊用于測(cè)試混凝土抗壓強(qiáng)度變化，將各組試塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均后即為最終的試驗(yàn)結(jié)果。全自動(dòng)硫酸鹽干濕循環(huán)機(jī)中腐蝕溶液為5%濃度的硫酸鹽，干濕循環(huán)周期為24h，其中浸泡16h，烘干冷卻8h[12]。

由圖6可知，A1和C40試驗(yàn)組中混凝土試塊在硫酸鹽干濕循環(huán)交替作用下線膨脹率不斷增加，其中A1試驗(yàn)組中混凝土試塊的線膨脹率一直高于C40試驗(yàn)組中混凝土試塊，這是由于有更多的硫酸根進(jìn)入孔隙相對(duì)較大的再生混凝土中，反應(yīng)生成的膨脹性鈣礬石、石膏的量也相應(yīng)變多。從圖6中還可以發(fā)現(xiàn)，A1試驗(yàn)組中混凝土試塊的線膨脹率增長(zhǎng)幅度越來越快，這是因?yàn)榱蛩猁}腐蝕混凝土生成的膨脹性產(chǎn)物將混凝土機(jī)體脹裂，更多的硫酸鹽進(jìn)入混凝土內(nèi)部，發(fā)生反應(yīng)后生成了更多的膨脹性產(chǎn)物。

圖6 硫酸鹽干濕循環(huán)下混凝土線膨脹率變化

在圖7中，可以將混凝土的硫酸鹽腐蝕分為兩個(gè)階段。首先是強(qiáng)度上升階段，混凝土內(nèi)部在硫酸根的作用下生成少量膨脹性產(chǎn)物使得混凝土更加致密。但繼續(xù)發(fā)展下去就進(jìn)入了第二個(gè)階段，混凝土抗壓強(qiáng)度不斷降低直至失效[13]。

圖7 硫酸鹽干濕循環(huán)下抗壓強(qiáng)度變化情況

4 微觀機(jī)理分析

利用掃描電鏡觀察兩種混凝土的骨料及界面結(jié)構(gòu)，使用壓汞法研究?jī)煞N混凝土的孔隙分布規(guī)律。

4.1 掃描電鏡

利用掃描電鏡觀測(cè)兩組混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，見圖8。由圖8(a)可以看出，一些再生骨料表面存在一些初始微裂縫，這些微裂縫長(zhǎng)時(shí)間受到外部環(huán)境的侵蝕后，外部有害離子容易進(jìn)入混凝土內(nèi)部與混凝土機(jī)體發(fā)生反應(yīng)，影響再生混凝土的耐久性和混凝土內(nèi)部鋼筋的性能。而作為對(duì)比的普通混凝土的機(jī)體比較致密，只有一些無害孔。由圖8(b)可以看出，再生骨料-水泥石界面發(fā)育良好，這主要是因?yàn)樵偕止橇媳砻姹容^粗糙，與水泥石之間的粘結(jié)更為牢靠。而且再生粗骨料表面有石粉附著，遇水后粘結(jié)性能強(qiáng)，這也是造成再生混凝土用水量較高的原因。相關(guān)研究[14]表明，再生混凝土可以看作是由天然骨料、舊水泥石、新水泥石組合形成的多項(xiàng)非勻質(zhì)復(fù)合界面，雖然新界面粘結(jié)性能良好，但舊界面可能存在細(xì)微裂隙，影響再生混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

圖8 混凝土的SEM圖像

4.2 孔隙分布

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28d后，將混凝土用壓力機(jī)壓壞，從混凝土內(nèi)部隨機(jī)取不含粗大骨料的漿體，用無水乙醇終止水化。采用壓汞法測(cè)量混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)[15]。

通過圖9可以看出，再生混凝土細(xì)微孔數(shù)量明顯多于普通混凝土，其中孔徑100～1 000nm范圍內(nèi)的孔數(shù)量差別最大，結(jié)合SEM分析結(jié)果，這是由于再生粗骨料的細(xì)微孔數(shù)量大于天然骨料。從圖9可以看出，孔徑1 000nm以上的兩種混凝土孔隙體積非常接近，這是因?yàn)榭讖匠^1 000nm的細(xì)孔隙主要是由引氣劑和拌合時(shí)卷入的空氣產(chǎn)生?？讖?00～1 000nm的孔隙對(duì)混凝土耐久性影響較大，而孔徑1 000nm以上的孔隙則會(huì)影響混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖9 A1與C40累計(jì)孔隙體積隨孔徑的變化

5 結(jié)論

(1)對(duì)再生混凝土坍落度大小的影響順序是：再生粗骨料摻和比例>粉煤灰摻和比例>水膠比>再生細(xì)骨料摻和比例。對(duì)再生混凝土強(qiáng)度大小的影響順序是：再生粗骨料摻和比例>水膠比>再生細(xì)骨料摻和比例>粉煤灰摻和比例。

(2)再生粗骨料的摻和比例對(duì)再生混凝土的坍落度和強(qiáng)度影響很大，合理選擇摻和比例完全可以配制出滿足實(shí)際施工要求的再生混凝土。

(3)再生混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)、碳化深度、凍融質(zhì)量損失、抗硫酸鹽腐蝕性能較普通混凝土差，但差異并不明顯。這是由于再生骨料的初始損傷，使得再生混凝土內(nèi)部微裂縫較多，直接影響再生混凝土的耐久性，在實(shí)際工程中適當(dāng)增加混凝土保護(hù)層厚度、粉煤灰、礦粉等礦物摻合料摻量可以有效改善再生混凝土耐久性。

(4)分析微觀機(jī)理發(fā)現(xiàn)，影響再生混凝土耐久性的原因主要是再生骨料可能存在由于破碎或之前服役產(chǎn)生的初試微裂縫。通過壓汞法分析兩種混凝土孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)再生混凝土孔徑100～1 000nm范圍內(nèi)孔數(shù)量明顯多于普通混凝土，這也是再生混凝土與普通混凝土耐久性差異的主要來源。