再生粗骨料旧砂浆附着率对混凝土硫酸盐侵蚀性能影响

再生粗骨料旧砂浆附着率对混凝土硫酸盐侵蚀性能影响

 

再生粗骨料旧砂浆附着率对混凝土硫酸盐侵蚀性能影响

江　洲

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳）

 

摘　要：采用不同再生骨料替代率及砂浆附着率的再生骨料制备C30混凝土，研究再生骨料旧砂浆附着率对混凝土抗压强度和抗硫酸盐侵蚀性能影响，并利用显微硬度计量化表征再生混凝土老骨料－新砂浆、老骨料－老砂浆及老砂浆－新砂浆界面过渡区显微硬度和界面过渡区宽度。结果表明，随着再生骨料旧砂浆附着率增加，混凝土抗压强度和抗硫酸盐侵蚀能力均呈下降趋势；再生混凝土中老砂浆－新砂浆界面过渡区抗硫酸盐侵蚀性能最优，老骨料－老砂浆界面次之，老骨料－新砂浆界面最差。

关键词：再生混凝土；旧砂浆附着率；多重界面过渡区；硫酸盐侵蚀性能

再生骨料由废弃混凝土经挑拣、破碎、筛分处理后制备而成，将其部分或全部替代天然骨料制备的混凝土称为再生混凝土。使用再生混凝土一方面可以减少城市化过程改建、拆除建筑垃圾堆放量，另一方面可以解决过度开采天然骨料带来的生态环境问题，具有重要的生态、经济和社会意义。

然而，再生骨料在制备过程中不可避免地附着一层旧砂浆（见图１），导致其物理性能远低于天然骨料，且再生骨料附着旧砂浆的存在导致再生混凝土形成多重界面结构。再生混凝土作为一种界面结构复杂的复合材料，严重影响其耐久性，而硫酸盐侵蚀又是混凝土耐久性研究的重要内容。有学者研究发现，再生骨料旧砂浆附着率对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力具有较大的不确定性。本文研究再生骨料不同旧砂浆附着率对混凝土在外部硫酸盐侵蚀环境下力学性能和硫酸盐侵蚀性能影响规律，并利用显微硬度计量化表征经硫酸盐侵蚀的再生混凝土多重界面过渡区显微硬度和界面宽度，从微观角度揭示再生混凝土在外界硫酸盐侵蚀环境下的劣化机理。

 

1原材料及试验方法

１.１原材料

采用 Ｐ·Ｏ42.5级硅酸盐水泥，其主要性能指标见表１。采用聚羧酸高性能减水剂，减水率为20％ ，掺量为水泥质量的1.0％。采用细度模数为2.6的天然河砂，表观密度为2.61g／cｍ３，吸水率为3.01％。拌和水为普通饮用水。

表1 水泥主要技术技能

 

２种粗骨料分别为粒径范围５～２５ｍｍ 的天然石灰岩碎石（ＮＡ）和实验室制备的不同砂浆附着率再生粗骨料（ＲＡ）。其中，再生粗骨料通过调整配合比砂率制备的 C30 混凝土，在标准养护条件下养护 90ｄ后用颚式破碎机破碎、筛分而成。粗骨料主要性能指标见表２。

表2 粗骨料主要性能指标

 

1.2实验配合比

在前期试验基础上，以不同再生粗骨料旧砂浆附着率（0％，20％，40％，60％和80％）和不同再生骨料取代率（0％和50％）为变量配制 C30 混凝土，其中试件命名规则如下：Ref表示基准混凝土，R20-50表示砂率为20％，再生骨料取代率为50％的再生混凝土。混凝土配合比见表３。

表3 混凝土混合比

 

1.3实验方法

试件在标准养护条件下分别在7，28，60ｄ龄期时取出测试其抗压强度，具体操作依据GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，试件尺寸为 150ｍｍ×150ｍｍ×150ｍｍ。

混凝土抗硫酸盐侵蚀试验参考 GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》进行，以混凝土抗压强度损失率评价其抗硫酸盐侵蚀能力，试件尺寸为100ｍｍ×100ｍｍ×100ｍｍ。同条件的试件钻芯取样后切片，切片尺寸为20ｍｍ×20ｍｍ×20ｍｍ，将切片打磨、抛光至满足显微硬度测试要求，然后分别测试切片中老骨料－新砂浆（LG-XJ）、老骨料－老砂浆（LG-LJ）界面及老砂浆-新砂浆（LJ-XJ）界面显微硬度和界面过渡区宽度，见图２。

图2 再生混凝土多重界过渡区结构
 

2 实验结果与分析

2.1 抗压强度

图３为再生骨料旧砂浆附着率对混凝土7，28，60，ｄ龄期抗压强度影响测试结果。

图3 再生骨料就砂浆附着率对混凝土抗压强度测试结果
 

由图３可见，与基准混凝土相比，再生粗骨料替代率为50％的混凝土抗压强度均呈下降趋势，且随着再生骨料旧砂浆附着率增加，混凝土抗压强度下降程度越明显。

这是因为：①再生骨料旧砂浆附着率越高，再生骨料自身缺陷越大、性能越差；②再生骨料旧砂浆附着率越高，其附着砂浆层越厚，骨料与水泥砂浆界面黏结力越弱；③由于再生骨料附着旧砂浆，再生混凝土表现出多重界面特性，而界面过渡区是混凝土中最为薄弱环节，再生骨料附着旧砂浆率越高，混凝土的多重界面结构区域越薄弱，故在宏观上表现为再生混凝土抗压强度降低。

2.2硫酸盐侵蚀性能

图４为不同再生骨料旧砂浆附着率的混凝土在Ｎａ２ＳＯ４溶液中浸泡30，6，90ｄ后抗压强度损失率测试结果。

图4 再生骨料旧砂浆附着率对混凝土抗硫酸盐侵蚀能力测试结果
 

由图４可见，与基准混凝土相比，在相同硫酸盐侵蚀龄期下，再生骨料旧砂浆附着率越高，再生混凝土抗压强度损失率越大。这是因为随着再生骨料旧砂浆附着率提高，骨料表面附着旧砂浆含量越多或附着砂浆层越厚，旧砂浆一定数量的毛细孔隙和裂缝等原始缺陷成为侵蚀介质进入混凝土内部的便捷通道，进入混凝土内部的 ＳＯ４２－与水泥石中 ＣＨ、水化铝酸钙等成分反应生成石膏和水化硫铝酸钙晶体等产物，显著增加水泥石中固相体积，导致骨料与水泥石界面产生膨胀应力破坏，同时该反应过程降低水泥石中 CH含量，导致C-S-H凝胶分解，进而降低水泥石黏结能力，在宏观上表现为再生混凝土抗硫酸盐侵蚀能力降低。

这是因为混凝土经硫酸盐侵蚀龄期越长，ＳＯ４２－进入混凝土的含量越多，上述破坏作用更明显。

2.3显微硬度

１）再生混凝土老骨料－新砂浆界面显微硬度。图５为硫酸盐侵蚀后不同旧砂浆附着率的再生骨料混凝土老骨料－新砂浆界面过渡区显微硬度测试结果。

图5 再生混凝土老骨料-新砂浆界面显微硬度
 

对比图5a）和图５b）可见，混凝土经硫酸盐溶液侵蚀0ｄ，混凝土界面显微硬度值为132.1～171.3MPa，界面过渡区宽度为45-50μｍ；混凝土经硫酸盐溶液侵蚀90ｄ，混凝土界面显微硬度值为106.8～141.2 MPa，界面过渡区宽度约为60～65μｍ。表明与基准混凝土相比，硫酸盐侵蚀龄期越长，混凝土界面显微硬度值明显减小，界面过渡区宽度显著增大。这是因为再生粗骨料表面附着一层旧砂浆，且在制备过程中不可避免产生一定损伤裂缝，导致水泥水化过程中体系局部水灰比变化，界面过渡区呈现出疏松多孔特性，该薄弱区域成为侵蚀介质中ＳＯ４２－ 进入混凝土内部的便捷通道，侵入到混凝土内部的 ＳＯ４２－与界面处富集水化产物二次反应生成膨胀型产物，随硫酸盐侵蚀龄期延长，混凝土内部结晶压力累积到大于混凝土极限拉应力状态，老骨料－新砂浆界面处产生膨胀裂缝，进而加速ＳＯ４２－ 渗入，最终再生混凝土在硫酸盐溶液中侵蚀90ｄ后，其老骨料－新砂浆界面过渡区在微观层面表现为显微硬度值较低，界面过渡区宽度较大。

由图５可见，再生骨料旧砂浆附着率越高，混凝土界面显微硬度越低，界面过渡区宽度越大，其中R80-50系列混凝土，硫酸盐侵蚀0和90ｄ，混凝土对应显微硬度值分别为100.3～130.9MPa和60.9～80.1MPa；混凝土界面过渡区宽度分别为60和85μｍ。这是因为再生骨料旧砂浆附着率越高，ＳＯ４２－离子进入混凝土内部量和概率越大，上述硫酸盐侵蚀破坏作用越严重。

２）再生混凝土老骨料－老砂浆界面显微硬度。图６为经硫酸盐侵蚀后不同旧砂浆附着率再生混凝土老骨料－老砂浆界面过渡区显微硬度测试结果。

图6 再生混凝土老骨料-老砂浆界面显微硬度
 

对比图6a）和图6b）可见，其界面过渡区宽度和显微硬度值变化规律与老骨料－新砂浆界面相似。混凝土经硫酸盐溶液侵蚀0ｄ，界面显微硬度值为155.6～178.5MPa，界面过渡区宽度为50～55μｍ；混凝土经硫酸盐溶液侵蚀90ｄ，混凝土界面显微硬度值为 125.2～145.2 MPa，界面过渡区宽度为65～70μｍ，与老骨料－新砂浆界面过渡区相比，再生混凝土老骨料－老砂浆界面过渡区宽度和显微硬度变化幅度较小。这是因为虽然老骨料－老砂浆与老骨料－新砂浆界面过渡区均为骨料－浆体界面，但是老骨料－老砂浆界面处于原始天然骨料与附着旧砂浆之间，其中原始天然骨料几乎不存在裂缝，故形成的界面结构较为密实，在微观上表现为界面显微硬度较高，界面过渡区宽度较小，表明在相同硫酸盐侵蚀环境中，再生混凝土的老骨料－老砂浆界面抗硫酸盐侵蚀能力优于老骨料－新砂浆界面抗硫酸盐侵蚀能力。

由图６可见，再生骨料旧砂浆附着率越高，混凝土界面显微硬度越低，界面过渡区宽度越大，其中R80-50系列混凝土硫酸盐侵蚀０和90ｄ龄期，混凝土对应显微硬度值分别为129.3～146.7MPa和71.9～96.2 MPa；混凝土界面过渡区宽度分别为55和80μｍ。这是因为再生骨料旧砂浆附着率越高，老砂浆层越厚，与原始天然骨料黏结作用越弱，且旧砂浆附着率越高，骨料缺陷越多，故旧砂浆附着率越高，老骨料－老砂浆界面在微观层面表现为显微硬度越低，界面宽度越大。

３）再生混凝土老砂浆－新砂浆界面显微硬度。图７为经硫酸盐侵蚀后不同旧砂浆附着率的再生骨料混凝土老砂浆－新砂浆界面过渡区显微硬度测试结果。

图7 再生混凝土老砂浆-新砂浆界面显微硬度
 

对比图7a）和图7ｂ）可见，与基准混凝土相比，侵蚀龄期为90ｄ混凝土界面显微硬度值略有减小，界面过渡区宽度稍有增大。硫酸盐侵蚀 ０ｄ，混凝土界面显微硬度值为165.6～178.5MPa，界面过渡区宽度为35～40μｍ；硫酸盐侵蚀90ｄ，混凝土界面显微硬度值为145.3～156.7MPa，界面过渡区宽度约为45～50μｍ，表明老砂浆－新砂浆界面过渡区宽度和显微硬度变化幅度很小。这是因为：①水泥水化过程中，新砂浆的水泥颗粒被吸入到老砂浆孔隙中，新、老砂浆结合密实，孔隙率很低；②老砂浆的吸水能力适中，在保证界面周围水泥颗粒水化的同时又不会产生较大充水空间，可以改善老砂浆－新砂浆界面孔隙结构，降低ＳＯ４２－进入混凝土内部的量和概率，减少界面过渡区膨胀产物数量。

由图７可见，R80-50系列混凝土硫酸盐侵蚀０和90ｄ龄期，混凝土对应显微硬度值分别为120.7～134.9ＭＰａ和108.1～110.9ＭＰａ；混凝土界面过渡区宽度分别为40和50μｍ，表明再生骨料旧砂浆附着率越高，混凝土界面显微硬度越低，界面过渡区宽度越大，但是由于新砂浆－老砂浆界面结构较致密，故界面显微硬度值降低幅度不大，界面宽度增加幅度较小，再生混凝土新砂浆－老砂浆界面抗硫酸盐侵蚀能力最强。

3 结论

1）与基准混凝土相比，再生骨料旧砂浆附着率越高，混凝土抗压强度越低，其中 R80-50混凝土7，28和60ｄ 抗 压 强 度 分 别 降 低 31.5％，22.3％和26.9％。

２）与基准混凝土相比，再生混凝土在相同硫酸盐侵蚀龄期下，随再生骨料旧砂浆附着率提高，混凝土抗压强度损失率增大。

３）再生混凝土中老砂浆-旧砂浆界面过渡区抗硫酸盐侵蚀能力最优，老骨料-老砂浆界面过渡区次之，老骨料-新砂浆界面过渡区最差。