微珠對再生混凝土耐久性能影響及作用機理研究

楊 陽，黃 會 榮2，宋 小 武，王 欣 林

(1.西京學院 土木工程學院，陜西 西安 710123； 2.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

近年來，政府相關部門加大了對節能減排、綠色建筑的發展研究，提出了以綠色、生態、低碳理念指導城鄉建設。再生混凝土既能節省天然骨料，又可以解決廢舊混凝土堆砌、占地和處理不當引起的環境污染問題[1-2]。然而，再生粗骨料在破碎過程中引起的損傷、較大孔隙率、殘留水泥基、較高吸水率等易導致配制而成的再生混凝土在力學性能、耐久性能等方面與普通混凝土有較大差別[3]。在強度方面，陳宗平[4-5]等認為再生混凝土的取代率對其強度影響不大，當再生粗骨料取代率不超過50%時，可以滿足混凝土正常的強度要求，這一結論與J.M. Khatib[6]等得到結論相似。在耐久性方面，王雅思等研究了再生混凝土早期自收縮性能，結果表明混凝土自收縮隨著再生骨料取代率的增加而增加[7-8]。肖建莊認為當粗骨料取代率為100%時，混凝土收縮總變形值較普通混凝土增加了約17%[9]。文獻[10]表明，通過預處理方法可有效改善再生混凝土的自收縮性能。吳相豪、安新正等通過試驗研究發現，再生混凝土抗氯離子性能以及抗硫酸鹽性能較普通混凝土差，且隨著再生骨料取代率的增加，抗氯離子滲透以及抗硫酸鹽性能有不同程度的下降[11-14]。可見，再生混凝土的耐久性能研究已成為其應用推廣過程中所面臨的關鍵問題。采用新的拌和工藝或降低再生粗骨料的取代率是目前改善再生混凝土耐久性能的主要技術手段。而通過添加新型粉體材料也能改善再生混凝土的早期自收縮、抗硫酸鹽腐蝕等耐久性能，只是報道較少[15]。微珠是一種利用優質粉煤灰加工而成的超細且具有連續粒徑分布的亞微米球狀新型超微粉體材料，具有活性高、水化熱低、抗壓強度好等特點[16]。基于此，本文對比分析了不同摻量的再生骨料和微珠對再生混凝土抗壓強度、早期自收縮以及抗氯離子性能的影響規律，并進一步研究了加入最優微珠摻量的再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能以及微觀形貌特征。

1 試驗設計

1.1 原材料及配合比

試驗采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，需水比98%，燒失量3.0%。礦粉為S95級礦粉，比表面積為460 m2/kg，7，28 d活性值分別為83%，102%。本次試驗各組配合比中水膠比均為0.44。再生骨料由廢棄混凝土制備，破碎后清洗、篩分、烘干，天然骨料和再生骨料的主要物理性能參數見表1，微珠的物理性能參數見表2。細骨料選用天然河砂。減水劑選用聚羧酸高效減水劑，減水率為30%。

再生混凝土目標配制等級為C30；未加入再生粗骨料和微珠的試件編號為NC；摻入再生粗骨料的試件編號為RC；采用微珠取代粉煤灰，摻入微珠的試件編號為WC。混凝土配合比如表3所示。

表1 天然骨料和再生骨料的主要物理性能Tab.1 Physical properties of natural aggregateand recycled aggregate

表2 微珠的主要物理性能Tab.2 Physical properties of microbeads

表3 再生混凝土配合比Tab.3 Mix proportion of recycled concrete kg/m3

1.2 試驗方案

為對比研究微珠摻量和再生骨料摻量對再生混凝土力學強度、耐久性的影響規律，本文對再生混凝土試件進行了抗壓強度試驗、早期自收縮性能試驗、抗氯離子滲透性能試驗、抗硫酸鹽侵蝕試驗以及電鏡掃描。抗壓強度再生混凝土抗壓強度試件尺寸為100 mm × 100 mm × 100 mm，試驗參照GB/T50081 - 2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[17]進行。早期自收縮性能試驗、抗氯離子滲透性能試驗以及抗硫酸鹽侵蝕試驗均參照GB/T50082 -2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[18]進行。

2 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

對各編號混凝土試塊分別進行7,28 d抗壓強度試驗，試驗結果如表4及圖1～2所示。由表4可知，不同再生粗骨料摻量對再生混凝土7 d抗壓強度影響較小。然而，隨著再生粗骨料摻量的增大，28 d抗壓強度有一定程度的衰減，當再生粗骨料為100%時，28 d抗壓強度衰減7.8%。加入不同微珠摻量的再生混凝土7 d抗壓強度較普通混凝土有一定程度提高，當微珠摻量為100%時，7 d抗壓強度提高了14.8%。因為微珠作為新型超微粉體材料，活性高、水化反應快、早期強度高。然而，加入不同摻量的微珠后再生混凝土28 d抗壓強度較普通混凝土相差不大，影響較小。

表4 不同再生粗骨料和微珠摻量下再生混凝土抗壓強度Tab.4 Compressive strength of recycled concrete with differentrecycled coarse aggregate and microbeads content MPa

圖1 不同再生粗骨料摻量下再生混凝土的抗壓強度Fig.1 Compressive strength of recycled concrete withdifferent recycled coarse aggregate contents

圖2 不同微珠摻量下再生混凝土的抗壓強度Fig.2 Compressive strength of recycled concretewith different microbeads contents

2.2 早期自收縮性能

不同取代率再生骨料混凝土早期收縮試驗收縮率隨時間變化的趨勢如表5及圖3～4所示。

表5 不同再生粗骨料和微珠摻量下再生混凝土自收縮率Tab.5 Autogenous shrinkage of recycled concrete withdifferent recycled coarse aggregate and microbeads contents ×10-4

圖3 不同再生粗骨料摻量下再生混凝土自收縮曲線Fig.3 Autogenous shrinkage curve of recycled concrete withdifferent recycled coarse aggregate contents

圖4 不同微珠摻量下再生混凝土自收縮曲線Fig.4 Autogenous shrinkage curve of recycledconcrete with different microbeads contents

由表5可知，隨著齡期的增長，混凝土自收縮呈現先快速增長后又逐漸趨于平穩的趨勢。在前期14 d齡期之內混凝土自收縮較為顯著，占28 d齡期時的80%，主要是因為前期混凝土水化放熱迅速，水分蒸發快，因此，前期14 d齡期之內是控制和減少混凝土自收縮的關鍵時期。由圖3可知，隨著再生粗骨料取代率的增加，混凝土自收縮逐漸增大。當再生粗骨料取代率為100%時，再生混凝土28 d的自收縮相比普通混凝土增加了13.7%，這與肖建莊的研究成果[9]相似。原因在于再生粗骨料比普通粗骨料的吸水率大，從而引起混凝土內部濕度快速降低，使其自收縮加大。

由圖4可知，隨著微珠摻入量的增加，混凝土自收縮逐漸降低。當微珠摻量為100%時，再生混凝土28 d的自收縮相比普通混凝土降低了6.9%。主要原因在于微珠顆粒粒徑更小，具有微集料效應，它能有效改善再生骨料混凝土內部的孔隙結構，同時由于其水化作用時水化熱較低，一定程度上降低了再生混凝土本身的自收縮現象。

2.3 抗氯離子滲透性能

混凝土抗氯離子滲透性是評價混凝土耐久性的一個重要指標，它與混凝土硬化后水泥石的毛細管孔的數量和分布，以及混凝土中粗集料和水泥石界面結構的狀況有關。再生混凝土內部微裂縫較多，相比普通混凝土其抗氯離子滲透性較差。抗氯離子滲透試驗采用電通量法，各組試樣28 d電通量數據如表6所示。

由表6可知，隨著再生粗骨料取代率的增加，其抗氯離子滲透性能逐漸降低，表明再生混凝土抗氯離子滲透性能較普通混凝土差。這是由于再生粗骨料在物理破碎過程中內部形成了大量的微裂縫，并且再生粗骨料表面附著有一定的舊砂漿，使得再生粗骨料較普通粗骨料孔隙率大，為氯離子滲透提供了更多路徑[19]。因此，隨著再生粗骨料取代率的增加，混凝土抗氯離子侵蝕能力逐漸降低。當再生混凝土中摻入微珠后，再生混凝土抗氯離子滲透性能有明顯地改善，且隨著微珠取代量的增加，電通量值逐漸減小。這是由于微珠活性較高且顆粒粒徑更小，能有效填補混凝土內部微裂縫，從而增強再生混凝土的抗氯離子滲透性能。

表6 不同再生粗骨料和微珠摻量下再生混凝土電通量Tab.6 Electric flux of recycled concrete with different amountsof recycled coarse aggregate and micro-beads C

2.4 抗硫酸鹽侵蝕試驗

通過前面的研究可知，摻入一定量的微珠后，再生混凝土的早期自收縮性能、抗氯離子性能得到較大改善，對比發現，當微珠摻量為75%時，再生混凝土性能表現良好。在工程應用中，應考慮硫酸鹽環境對混凝土造成的腐蝕破壞。為進一步考察摻入微珠的再生混凝土抗硫酸鹽性能，將75%摻量的微珠再生混凝土(WC-3)、再生混凝土(RC-4)以及普通混凝土(NC-1)分別放入濃度為10%的硫酸鈉溶液和清水中，進行抗硫酸鹽侵蝕試驗研究，試塊硫酸鹽侵蝕結果如表7所示。

表7 試塊硫酸鹽侵蝕后28 d抗壓強度Tab.7 Specimens comperssive strength at the age of 28 dafter sulfate erosion MPa

注：每組所測強度值為4次試驗平均值。

經過濃度為10%的Na2SO4溶液侵蝕后，各類型試塊的28 d抗壓強度均有不同程度降低，NC-1試塊、RC-4試塊以及WC-3試塊28 d抗壓強度降低幅度分別為9.42%，14.95%和5.7%。進一步證明當粗骨料取代率為100%時，再生混凝土抗硫酸鹽性能受到顯著影響，當再生混凝土應用于腐蝕環境中時，應尤為重視其性能的衰減。此外，當微珠摻量為75%時，經濃度為10%的Na2SO4溶液侵蝕后，其28 d抗壓強度只降低了5.7%。相比混凝土在硫酸鹽溶液中的抗侵蝕性能，得到一定程度的提高，表明微珠摻量為75%時的再生混凝土有良好的抗硫酸鹽侵蝕性能。

(1)

(2)

2.5 微觀作用機理研究

綜合上述研究可知，適當摻量的微珠能提高再生混凝土的耐久性能。為進一步研究微珠提高再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的原因以及探究腐蝕條件下試塊的微觀形貌特征，本文針對微珠摻量為75%的再生混凝土試塊進行了微觀電鏡掃描試驗研究，試驗方案參考文獻[21]進行。試塊電鏡掃描結果如圖5所示。

將WC-3試塊內部水泥石放大500倍后(見圖5(a))，觀察到再生骨料與水泥基界面粘結牢固，形成了較為密實的板狀結構。放大1 000倍后(見圖5(b))，界面均勻，可以觀察到微小孔，而這些微小孔部分成閉合狀，在混凝土中屬于無害孔。其原因可能是由于加入一定摻量的微珠后，混凝土水化更為充分，孔結構優良。放大2 000倍后(見圖5(c))，可以觀察到一些不規則狀的顆粒，這是混凝土在水化過程中產生的C-S-H凝膠。經歷硫酸鹽侵蝕的再生混凝土微觀表現為C-S-H凝膠分解或溶出，導致水泥基材料失去粘接性能，從而導致承載力降低。放大5 000倍后(見圖5(d))，骨料與水泥基形成的表面相當密實，同時觀察到骨料-界面處有微裂紋產生。

圖5 微珠摻量為75%的再生混凝電鏡照片Fig.5 Micro-photographs of recycledconcrete with 75% micro-beads

3 結 論

本文對不同粗骨料取代率和微珠摻量的再生混凝土進行了抗壓強度試驗、耐久性試驗以及微觀形貌特征分析，主要得出以下結論。

(1) 微珠提高了再生混凝土7 d抗壓強度，但對28 d抗壓強度影響較小。

(2) 再生粗骨料取代率為100%時，再生混凝土早期自收縮性能和抗氯離子性能較普通混凝土有不同程度的降低。

(3) 再生混凝土中添加微珠，有效改善了早期自收縮性能、抗氯離子性能，微珠摻量存在最優值，本文建議微珠摻量為75%。

(4) 微珠摻量為75%的再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能良好，微觀形貌特征分析表明再生粗骨料與水泥基界面粘結密實。