凍融與硫酸鹽侵蝕耦合作用下再生混凝土劣化規律

肖前慧，曹志遠，關 虓，邱繼生

(西安科技大學建筑與土木工程學院，西安 710054)

0 引 言

再生混凝土是指將廢棄的建筑物或者構筑物拆除后的混凝土經過破碎后進行分級，制成再生骨料，再將再生骨料替代天然骨料配制成的混凝土，是無污染，可持續的綠色節能材料。

近年來，國內外學者對于混凝土遭受凍融和硫酸鹽侵蝕等耐久性問題進行了研究[1-7]。研究發現:普通混凝土的質量損失率在凍融循環的過程中出現緩慢增大的趨勢，然而相對動彈性模量出現減小的趨勢;當混凝土凍融循環和鹽溶液共同作用時，混凝土的損傷會明顯增加；在相同的凍融循環次數下，高強度等級的混凝土的抗凍性較好。同時已有部分學者對再生混凝土力學等基本性能做了相關研究[8-10]，試驗表明：由于再生混凝土中的再生骨料吸水率較高，性能較差，所以對于水灰比較低的再生混凝土，其抗壓強度明顯低于普通混凝土，而當水灰比提高時，其情況有所改善。也有一部分學者研究了再生混凝土在多因素耦合作用下的耐久性。安新正等[11]總結了在干濕循環和硫酸鹽侵蝕下不同再生粗骨料取代率混凝土材料性能的衰減退化規律。趙翔[12]在壓應力和硫酸鹽侵蝕單獨作用以及耦合作用下進行試驗，并分析了再生骨料取代率、應力情況等對再生混凝土耐久性能的影響。我國地域寬廣，西北和東北地區遭受凍融較為嚴重，而且該地區硫酸鹽分布非常廣泛，易造成硫酸鹽侵蝕，因此嚴寒地區，對再生混凝土的耐久性研究，例如凍融與硫酸鹽侵蝕尤為重要，這些環境因素會對再生混凝土的使用產生嚴重的不良影響。國內外學者對再生混凝土遭受凍融或者硫酸鹽侵蝕進行了研究，Nixon[13]通過對再生混凝土的抗凍性進行了試驗，總結了再生混凝土的動彈性模量和重量損失率變化規律，發現相對于普通混凝土，再生混凝土的抗凍融性能下降明顯。Nishibayashi等[14-16]初步研究再生混凝土受到硫酸鹽侵蝕后的性能，試驗結果表明相比于同樣配合比的普通混凝土，再生混凝土的動彈性模量和重量損失下降明顯，抗硫酸鹽性能較差。肖建莊等[17-18]研究了水灰比、外加劑、再生骨料摻量、砂率、含氣量等對再生混凝土抗凍性的影響，再生混凝土的抗凍性受到水灰比的影響最為明顯。而在東北或者西北等寒冷和硫酸鹽富集的環境中，對混凝土結構的凍融和硫酸鹽耦合侵蝕更加明顯，具有更加復雜的劣化機理。但再生混凝土這方面的耐久性問題卻少見研究，且再生混凝土在多因素耦合作用下的模型建立并不完善，精度不高，沒有實際應用到凍融環境中進行抗凍壽命分析。本文主要研究在不同硫酸鹽濃度下，再生混凝土經歷不同凍融次數后的質量損失、相對動彈性模量變化和抗壓強度變化規律，并且利用超聲平測法測量，得到再生混凝土的損傷層厚度，結合抗壓強度分析再生混凝土內部損傷，討論再生混凝土在凍融循環和硫酸鹽耦合侵蝕下的損傷機理，建立再生混凝土的凍融損傷模型，為評價再生混凝土的抗凍壽命提供參考。

1 實 驗

1.1 原材料和配合比

試驗原材料為陜西秦嶺水泥廠的P·O 42.5R水泥；細骨料為霸河中砂，細度模數2.68；粗骨料為涇陽口鎮石灰巖質錘破碎石，粒徑5～16 mm；再生粗骨料為大學實驗室廢棄混凝土，經過顎式破碎機制成，基本性能見表1；減水劑和引氣劑分別為GJ-1型高效減水劑、SJ-3型高效引氣劑；水為普通自來水。混凝土配合比如表2所示。

含氣量的測定采用CA-3型氣壓式含氣儀，在試件成型前測量。混凝土成型后帶模養護24 h，拆模后移入標準養護室(溫度為(20±1) ℃，濕度為95%以上)養護28 d。

1.2 試驗方案

1.2.1 硫酸鹽與凍融試驗

試驗中溶液采用3%Na2SO4，5%Na2SO4，10%Na2SO4(質量分數)溶液和H2O。提前4 d將試件浸泡于15～20 ℃的原溶液中。根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》[19]的相關內容，采用快凍法。再生混凝土的凍融試驗采用 KDR-V9系列混凝土快速凍融試驗機；動彈性模量測量采用北京康科瑞有限公司生產的NM-4B型非金屬超聲檢測分析儀。試件放入凍融箱后，每循環25次后翻轉試件，減少上下溫差。每循環25次后，測定質量及相對動彈性模量。每循環50次后進行立方體抗壓強度測試。

1.2.2 損傷層厚度試驗

損傷層厚度測試試件采用的棱柱體，尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，利用超聲平測法測試，該方法認為再生混凝土為均勻分布，受到損傷時內部劣化，影響超聲波速，而內部由于沒有損傷，與外部的損傷有明顯的界限，導致超聲波速的變化，從而判斷損傷層的厚度。由于較難測量再生混凝土前期的硫酸鹽與凍融共同侵蝕的損傷層，所以在凍融100次后開始測量，每凍融循環50次后進行測量。根據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》[20]進行試驗，儀器為NM-4B型超聲檢測分析儀。

2 結果與討論

2.1 表觀形貌變化

圖1所示為在硫酸鹽溶液中再生混凝土試件經歷不同凍融次數后的表觀形貌。寒區或高海拔地區的水工建筑物易受到凍融和鹽溶液耦合作用下的侵蝕破壞，導致建筑物表面出現掉渣和剝蝕現象，在鹽溶液中長時間遭受凍融循環破壞后結構甚至會出現砂漿脫落和骨料外露現象。由圖1可見再生骨料混凝土在試驗中受到凍融和硫酸鹽侵蝕破壞，是一個逐漸變化的過程。在凍融100次后表面有坑洞出現，200次凍融循環后再生混凝土表面起砂，砂漿剝落。凍融循環300次后，再生混凝土表面部分露出骨料，砂漿剝落嚴重。由以上分析可知在硫酸鹽溶液中再生混凝土經歷凍融循環后表面破壞嚴重，不同凍融次數后試件的表觀形貌差別較大。原因在于凍融初期，再生混凝土以凍融侵蝕為主，產生凍融損傷。當凍融循環次數增加時，因硫酸鹽侵蝕生成的產物不斷增加，當混凝土的抗拉強度小于侵蝕產物膨脹產生的應力時，再生混凝土損傷加劇，表面砂漿開始剝落[17]。

圖1 試件經歷不同凍融次數后的表觀形貌
Fig.1 Appearance of the specimen after different freeze-thaw cycles

2.2 質量變化

圖2 再生混凝土質量損失Fig.2 Mass loss of recycled concrete

圖2所示為浸泡于不同濃度Na2SO4溶液中，再生混凝土遭受不同凍融循環次數后的質量變化。根據圖2可知，在凍融循環300次后，在3%Na2SO4溶液、5%Na2SO4溶液、10%Na2SO4溶液和水中的質量損失率分別為0.98%、1.37%、2.2%和1.52%，其中10%Na2SO4溶液中的試件質量損失率最大，3%Na2SO4溶液中的試件質量損失率最小。這是因為再生混凝土質量損失主要由于表面剝落，硫酸鹽的存在，降低了水的冰點，且硫酸鈉鹽溶液凍結而成的冰塑性較大[21]，減緩了凍融侵蝕。所以3%Na2SO4，5%Na2SO4溶液中的質量損失較小。可見，低濃度的硫酸鹽溶液可以減緩凍融對混凝土的表面侵蝕。另一方面，高濃度的硫酸鹽溶液對再生混凝土有較大的滲透作用，會提高再生混凝土中水的飽和度，加劇凍害，所以10%Na2SO4溶液中的質量損失最大。可見，高濃度的硫酸鹽溶液不利的一方面占主導。

2.3 相對動彈性模量變化

圖3所示為浸泡于不同濃度Na2SO4溶液中，再生混凝土遭受不同凍融循環次數后的相對動彈性模量變化。根據圖3可知，在經歷凍融循環300次后，在3%Na2SO4溶液、10%Na2SO4溶液和水中的相對動彈性模量分別為0.704、0.699和0.762；再生混凝土在5%Na2SO4溶液中凍融循環275次后相對動彈性模量為0.646。

在凍融和硫酸鹽共同作用下，再生混凝土的相對動彈性模量變化均呈現凍融初期先緩慢下降，凍融中期下降加速，凍融后期快速下降3個階段。主要原因在于凍融循環初期，再生混凝土初始損傷較小，侵蝕主要集中在再生混凝土表面，相對動彈模量下降均呈緩慢趨勢；凍融中期，損傷向混凝土內部擴展。由于混凝土中摻加了30%的再生骨料，再生骨料存在骨料-舊砂漿界面，該界面存在較多的裂縫。水泥漿體在水化過程中形成的自然孔隙會由于該界面的裂縫得到延伸，導致其抗凍性較差，易遭受凍融侵蝕[22]。而且硫酸鹽溶液會提高水的滲透性，促進再生混凝土的裂縫擴展，加劇凍害，相對動彈性模量下降加速；凍融后期，硫酸鹽溶液進入再生混凝土內部，產生膨脹產物，加速裂縫擴展，加劇凍害。所以到凍融后期，硫酸鹽溶液侵蝕的再生混凝土彈性模量迅速下降。其中，5%Na2SO4溶液中再生混凝土試件在凍融循環275次后相對動彈性模量僅為0.646。所以可得到，5%Na2SO4溶液對于再生混凝土的凍融侵蝕不利作用最為明顯。

圖3 再生混凝土相對動彈性模量
Fig.3 RDME of recycled concrete

圖4 再生混凝土抗壓強度
Fig.4 Compressive strength of recycled concrete

2.4 抗壓強度變化

圖4所示為浸泡于不同濃度Na2SO4溶液中，再生混凝土遭受不同凍融循環次數后的抗壓強度變化。根據圖4可知，在經歷凍融循環300次后，在3%Na2SO4溶液、5%Na2SO4溶液、10%Na2SO4溶液和水中的抗壓強度分別為37.6 MPa、34.7 MPa、29.9 MPa和35.2 MPa。再生混凝土抗壓強度先緩慢下降，后加速下降。3%Na2SO4溶液中抗壓強度損失最小，這是因為對于低濃度硫酸鹽溶液，硫酸鹽溶液會降低水的冰點，且形成的冰塊塑性較大。雖然混凝土摻加再生骨料，存在骨料-舊砂漿界面，具有較多的孔隙，但由于硫酸鹽冰塊的可塑性，較容易的進入其他未充滿的孔隙中，而不造成內部的損傷。而在純水中，由水結冰而成的冰塊，塑性能力差，不易進入其他孔隙中，直接造成再生混凝土的孔隙擴展，加劇損傷，所以再生混凝土在水中的損傷大于3%Na2SO4溶液中。10%Na2SO4溶液中再生混凝土抗壓強度劣化明顯大于其他溶液，這是因為對于高濃度的硫酸鹽溶液，其溶液的滲透性較大[22]，當凍融進入再生混凝土的內部，骨料-舊砂漿界面區的微小損傷及孔隙迅速擴展，再生骨料與水泥的聯結作用減小，抗壓強度迅速下降。

2.5 再生混凝土損傷層厚度變化

再生混凝土受到凍融循環和硫酸鹽耦合作用，由侵蝕造成的損傷是一個逐步積累的過程，為了了解再生混凝土的內部損傷，可以測定再生混凝土損傷層厚度變化[23]。利用凍融損傷度Df可以綜合評價再生混凝土的內部損傷，計算結果見表3，計算公式為：

Df=Hf/Vf

(1)

式中：Hf為損傷層厚度;Vf為損傷層中超聲波速。

表3 再生混凝土表層損傷Table 3 Surface damage of recycled concrete

圖5 再生混凝土損傷側厚度與相對動彈性模量關系Fig.5 Relationship between RDME and damage layer thickness of recycled concrete

由表3 可知：隨著凍融次數的增加，Hf不斷增大，表示損傷層向內部擴展，這是因為隨著凍融循環次數的增加，侵蝕逐漸侵入再生混凝土內部，導致裂縫不斷擴展，而且硫酸鹽溶液不斷侵入再生混凝土內部，生成膨脹產物，造成內部損傷。在相同凍融次數下，5%Na2SO4溶液中再生混凝土的Df最大。在凍融150次前，10%Na2SO4溶液中再生混凝土的Df與水相當，大于3%Na2SO4溶液，隨著凍融次數的增加，10%Na2SO4溶液中再生混凝土的Df大于水，與3%Na2SO4溶液再生混凝土的Df相同。可見，凍融侵蝕中5%Na2SO4溶液不利作用占主導，對于再生混凝土的凍融侵蝕有較大的促進作用。凍融前期，10%Na2SO4溶液對損傷層的侵蝕作用不明顯，與水相同，而3%Na2SO4溶液對凍融的不利作用較大。凍融后期，3%Na2SO4，10%Na2SO4溶液侵蝕作用明顯加大，對凍融的不利作用逐漸占主導。

通過觀察再生混凝土相對動彈模量和損傷層厚度變化，發現這兩者之間存在非常相似的規律，關系圖見圖5。可見，再生混凝土損傷層厚度與相對動彈模量之間存在明顯的相關性。由于再生混凝土的損傷層厚度變化可以表明再生混凝土內部的損傷情況，所以可以利用再生混凝土的相對動彈性模量的變化表示受到侵蝕后的內部損傷情況。

3 凍融損傷模型和壽命預測

再生混凝土的凍融破壞是由內部的微小損傷逐漸發展導致，隨著凍融侵蝕，性能逐漸退化，相對彈性模量可以較好地表征再生混凝土的凍融劣化過程[24]。依據損傷力學，引入損傷度Dn：

Dn=1-En/E0

(2)

式中：Dn為凍融循環n次后的損傷度;En為凍融循環n次后的相對動彈性模量;E0為初始相對動彈性模量。

混凝土在凍融循環作用下的常用損傷模型有3種：Weibull損傷模型[25]，表達式見式(3);拋物線損傷模型[26]，表達式見式(4);曲線損傷模型[27]，表達式見式(5)。

(3)

Dn=1/2egn2

(4)

Dn=An2+Bn

(5)

式中：n為凍融循環次數；a為尺度因子；b為形狀因子；eg為損傷加速度；A，B為待定系數。

結合以上損傷模型，利用Origin軟件對試驗數據進行擬合，結果見表4。

表4 凍融損傷模型相關系數和結果Table 4 Correlation coefficient of freeze-thaw damage model and results

由表4可知：Weibull模型和拋物線模型擬合的相關系數較低，因此其待定系數未在表中列出。曲線模型中，各項的相關系數均在0.99以上，精度較高，表明曲線模型更加適合描述再生混凝土在硫酸鹽環境下的凍融損傷。

利用曲線損傷模型預測再生混凝土的抗凍耐久性壽命，計算損傷度大于0.4時的凍融循環次數，結合文獻[28]，中國東北地區、華北地區和西北地區的年平均凍融次數分別為120次、84次和118次，自然環境中12次凍融循環相當于室內快速凍融循環1次。由此得到再生混凝土在中國北方各地區的耐久性壽命，計算結果見表5。

表5 再生混凝土耐久性壽命Table 5 Durable life of recycled concrete /Year

由表5可知，在Na2SO4溶液中，再生混凝土的抗凍耐久性壽命較小。以東北地區為例，再生混凝土在濃度為3%，5%，10%的Na2SO4溶液中的抗凍耐久性壽命相比純水中分別下降了15.8%，24.2%，17.2%。這表明在硫酸鹽環境中，再生混凝土的抗凍融耐久性壽命大幅度降低，其中在5%濃度的Na2SO4溶液中，再生混凝土的抗凍耐久性最差。

4 結 論

(1)再生混凝土在5%Na2SO4和10%Na2SO4溶液中凍融破壞最為嚴重；凍融循環 275 次后5%Na2SO4溶液中再生混凝土的相對動彈性模量僅為0.646，凍融循環300次后10%Na2SO4溶液中再生混凝土的抗壓強度為34.7 MPa。

(2)再生混凝土的相對動彈模量變化規律和損傷層厚度的變化規律類似，存在較為明顯的相關性，可以利用再生混凝土的相對動彈性模量的變化表示受到侵蝕后的內部損傷情況。

(3)曲線模型可以較好表征再生混凝土在硫酸鹽環境下的凍融損傷，各項的相關系數均在0.99以上，精度較高。利用曲線模型進行再生混凝土在硫酸鹽環境中壽命預測，再生混凝土的抗凍壽命大幅度降低，其中在5%濃度的Na2SO4溶液中，再生混凝土的抗凍壽命最差，抗凍耐久性壽命相比純水中下降了24.2%。