干湿环境下再生混凝土耐久性研究

干湿环境下再生混凝土耐久性研究

黄瑶

南宁理工学院 广西桂林 541006

摘 要：再生混凝土是当前建筑领域内使用最频繁的建筑材料之一，其性能的好坏直接影响的建筑的使用安全以及使用寿命。在本文中，笔者主要通过试验来对再生混凝土在酸碱盐干湿环境下的耐久性进行了研究。研究主要分为三个方面来进行，分别探究了再生粗骨料取代率、水胶比、粉煤灰掺量等影响因素。通过干湿循环条件对试件的抗压、抗劈拉性能研究，从而推算出其耐久性。

关键词：再生混凝土;干湿循环；耐久性

1研究背景

在我国城市化发展的过程中，桥梁、隧道、公共交通、写字楼和居民住宅等的出现无疑使得城市生活更加现代化。但与此同时，消耗了过多原生建筑材料，并且在修建的过程中大量的旧建筑被拆除而产生了大量的建筑废物。一方面是资源的过度开采，另一方面是建筑废物带来的环境压力，因此将这些建筑废料通过资源整合生产成可使用的再生混凝土是一项两全其美的政策。当前，使用再生混凝土来替代原生混凝土早已成为了业内的主流，并且将会在很长一段时间内保持这种趋势。废弃的混凝土经过破碎、清洗、筛分等一系列工艺后，按照一定的级配来进行混合，这样得到的骨料就是所谓的再生骨料。而以一定量的再生骨料所制备而成的混凝土就是再生混凝土。但是，与天然混凝土比起来，再生混凝土本身的各项性能存在缺陷。目前，再生混凝土的耐久性问题越来越受到人们的关注。建筑所处的环境是相当复杂的，当再生混凝土处于潮湿、酸性、碱性等的腐蚀过程中是，其耐久性问题就非常突出。在本文中，笔者通过模拟干湿循环条件，对再生混凝土试件的耐久性进行了探究，具有一定的指导意义。

2试验原材料与试验方案

2.1试验原材料

被此试验中使用到的原材料包括：水泥（比表面积为375m²/Kg）、细骨料、减水剂、拌合水、养护水。水泥、粉煤灰和粗骨料的性能指标分别见表1、表2、表3所示：

表1 水泥的各项性能指标

表2 粉煤灰的性能指标

表3 再生粗骨料的基本性能

2.2试验方案

将已配制好的拌合物制作成 100 mm×100 mm× 100 mm 的立方体试件，标准养护28d后，进行硫酸盐干湿循环侵蚀试验。

首先将试件放入温度为(20±2)℃的5%硫酸钠溶液中浸泡3d，保证溶液高出试件顶面( 20 ～ 30) mm，并定期更换溶液，然后取出在室内环境下晾干3 d，此时为一个干湿循环。分别在干湿循环 0，5，10，20，30，40，50，60 次时测定其指标，测定指标为立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和质量损失率。立方体抗压强度、劈裂抗拉强度检测方法参照《水工混凝土试验规程》( SL 352—2006) 中相关内容。每次测定 3 个试件，并取平均值，以此减小误差。当质量损失率达到 5% 或强度损失达到 25%时，试验终止。

取出在室内环境下晾干 3 d，此时为一个干湿循环。分别在干湿循环 0，5，10，20，30，40，50，60 次时测定其指标，测定指标为立方体抗压强度、劈裂抗拉强度 和质量损失率。每次测定 3 个试件，并取平均值，以此减小误差。当质量损失率达到 5% 或强度损失达到25%时，试验终止。

3试验结果及分析

3．1 再生粗骨料取代率对再生混凝土耐久性能的影响

图1是不同再生粗骨料取代率对硫酸盐与干湿循环耦合作用下的再生混凝土抗压和劈拉强度的经时变化图。

从纵向看，随着再生粗骨料取代率增大，抗压和劈拉强度也在增大。从横向看，在干湿循环侵蚀0～5次时，抗压和劈拉强度均得到提高，5～10次时，抗压和劈拉强度均降低，10～20次时，均又有所提高，且在干湿循环20次时达到峰值，20～60次时，抗压和劈拉强度基本趋于稳定，波动幅度较小。

抗压强度和劈拉强度随再生粗骨料取代率增大而增大的原因是再生粗骨料的吸水率较大，拌和时吸收了大量水分，为之后的养护过程中水泥的水化提供水分，起到内养护作用。初期抗压和劈拉强度增长的原因，由于腐蚀源硫酸根离子与混凝土中的氢氧化钙、水化铝酸钙反应生成了石膏和钙矾石，以及在干湿循环作用下，试件中硫酸盐溶液由于水分蒸发，产生了硫酸盐结晶体，从而填充了骨料与水泥石之间的孔隙，提高了试件的密实度，进而使得试件的抗压和劈拉强度得到提高。随着干湿循环侵蚀次数增加，生成石膏和钙矾石的量也将继续增加，当产生的膨胀力大于试件内部拉力时，将发生骨料与水泥石之间的黏结破坏，试件产生膨胀裂缝，甚至表 面水泥石剥落，从而使试件的抗压和劈拉强度降低。随着时间的推移，粉煤灰中的二氧化硅与氢氧化钙进行了第二次水化反应，生成新的水化凝胶材料，进而使抗压强度和劈拉强度提高，且达到最大值。当干湿循环到中后期时，生成的石膏和钙钒石产生的膨胀力平衡了粉煤灰二次水化作用产生的胶结力，以至于中后期的强度基本趋于稳定。

由图 1( b) 还可发现，在干湿循环 5 ～ 10次时， 劈拉强度下降更为迅速，其劣化程度较为严重，这表明劈拉强度受硫酸盐与干湿循环耦合作用的影响比抗压强度更为敏感。试件表面先受侵蚀产生膨胀而受压，而内部未受侵蚀层将会产生拉力，试件的内部拉力和施加的劈拉荷载产生了叠加，而表面先受侵蚀层基本不提供抗拉能力，导致再生混凝土劈拉强度明显降低。另一方面，由于再生粗骨料附着老砂浆，制作再生混凝土时，形成薄弱新旧砂浆界面，在外荷载作用下，易产生裂缝，而劈拉强度对裂缝更敏感。单从再生粗骨料取代率对抗压和劈拉强度的影响，当再生粗骨料取代率为70%时，在整个硫酸盐干湿循环侵蚀过程中，抗压强度和劈拉强度相对较高且波动幅度较小，这表明受硫酸盐与干湿循环耦合作用影响较小，能达到较好的抗硫酸盐干湿循环侵蚀效果。

3.2不同水胶比对再生混凝土耐久性能的影响

图 2 是不同水胶比对干湿循环耦合作用下的再生混凝土抗压和劈拉强度的经时变化图。

从纵向看，抗压和劈拉强度均随着水胶比的增大而降低，且水胶比为0.3的试件强度比水胶比为0.4，0.5的试件强度有显著的提高，水胶比为0.4的试件强度比水胶比为0.5的试件强度也有所提高，但并不显著。说明当水胶比＜0.4时对再生混凝土在干湿循环耦合作用的影响较大。

从横向看，抗压与劈拉强度随干湿循环侵蚀次数的变化规律与图 1的变化规律基本一致。

产生以上现象的原因，一方面由于再生粗骨料在破碎时不可避免地产生细微裂缝、附着砂浆等缺陷，导致试件的密实度降低，渗透性增大。另一方面随着水胶比增大，试件内部含水量增大，水分蒸发产生的连通孔隙增多增大，进一步导致密实度降低，渗透性增大，从而使得腐蚀源硫酸根离子更容易进入到试件内部，加快腐蚀源硫酸根与氢氧化钙、水化铝酸钙反应生成石膏和钙钒石的速度。随着生成石膏和钙矾石的量不断增加，将发生膨胀裂缝破坏，导致试件表面开裂，进而为腐蚀源硫酸根扩散到试件内部起到推动作用，导致试件的抗压强度和劈拉强度有明显的降低。而对于水胶比较低的试件，在标准养护条件下，具有密实度高，渗透性小，另一方面其具有吸附水层薄、裂缝少等微观结构特点，因此腐蚀源很难进入到试件内部，所以试件的抗压强度和劈拉强度相对较高，其硫酸盐干湿循环侵蚀性能较好。单从不同水胶比对试件的抗拉强度和劈拉强度的影响来看，当水胶比为0.3时，在整个干湿循环耦合作用过程中，抗压强度和劈拉强度均比水胶比为0.4,0.5的试件有显著提高，且波动幅度也较小，能达到较好的抗侵蚀效果。

3.3粉煤灰掺量对再生混凝土耐久性能的影响

图 3 是不同粉煤灰掺量对硫酸盐与干湿循环耦合作用下的再生混凝土抗压强度和劈拉强度的经时变化图。

从纵向上看，相比未掺粉煤灰的再生混凝土，粉煤灰掺量在 20% ～ 30%的再生混凝土抗压强度和劈拉强度均有所提高，总体上随着粉煤灰掺量增加而增大。从横向上看，粉煤灰掺量在 20% ～ 30%的再生混凝土在整个硫酸盐干湿循环侵蚀过程中抗压强度和劈拉强度变化平稳，尤其在中后期波动幅度很小，表明掺粉煤灰可以改善再生混凝土的抗侵蚀性能。然而当粉煤灰掺量增加到40%时，抗压强度和劈拉强度均不理想，单看劈拉强度，到中后期的波动幅度比较大，受硫酸盐干湿循环侵蚀影响较明显，表明掺过量的粉煤灰并达不到理想的抗侵蚀效果。当粉煤灰掺量为30%时，试件的抗压强度和劈拉强度在整个硫酸盐干湿循环侵蚀过程中基本达到最大值，且中后期波动幅度小，受硫酸盐干湿循环侵蚀影响较小， 表明再生混凝土在粉煤灰掺量为30%时能达到较好的抗侵蚀效果。

这可能是由于粉煤灰的三大效应的作用下粉煤灰细微颗粒均匀分散到水泥浆体中，填充、改善了再生混凝土的孔结构，有效地提高再生混凝土的致密性，阻止了腐蚀源的侵入。粉煤灰的掺入取代了一部分水泥，相对使得 C₃ A 的含量降低，进而降低水化产物水化铝酸钙的浓度，减少生成钙矾石和石膏的产量。后期粉煤灰进行二次水化反应，不仅消耗了水泥石中大量的水化硅酸钙，减少了水泥石与硫酸盐反应生成的膨胀物，而且产生了特殊凝胶，均改善了再生混凝土抗硫酸盐干湿循环侵蚀的性能。但是掺过量的粉煤灰，将会使得再生混凝土的抗压 强度和劈拉强度显著降低，主要因为粉煤灰的成分是 S_iO₂ ，Al₂ O₃ 等，具有较好的火山灰效应，但其活性较低，需要水泥水化作用时析出的 Ca(OH) ₂ 对粉煤灰进行适当激活，才能使粉煤灰的火山灰效应发挥出来。如果再生混凝土中粉煤灰掺量较大，就会存在没有水化的粉煤灰，影响其抗压强度和劈拉强度，而此结论与已有结论基本相同。因此要想提高再生混凝土的干湿循环侵蚀性能，要适量掺加粉煤灰，且不应超过30%。

结 语

综上所述，再生混凝土在复杂环境下的耐久性直接关系到建筑物的使用安全和寿命。本文通过试验探究出在不同环境下通过物料配比的调整使得再生混凝土抗压性能和抗劈拉性能达到最佳。具有较高的参考价值。

参考文献

[1]陈茜,贾青,王正君,董佳昕,时廷俊.不同轻骨料混凝土的力学性能和耐久性研究进展[J].建材技术与应用.2021(04).

[2]何涛,刘方,夏京亮,王中文,荣国城,谭立心,罗平生,关青锋,周永祥.岩石粉类型对混凝土长龄期耐久性能的影响研究[J].新型建筑材料.2021(07).

作者简介：黄瑶（1988-），女，瑶族，广西灵川，研究生，讲师，研究方向：结构工程。

课题项目：2019年度广西中青年教师基础能力提升项目（编号：2019KY1052）：基于干湿环境的再生混凝土抗压性能试验研究。