黏附砂漿含量對再生混凝土抗氯離子侵蝕性能影響

陳春紅，劉榮桂，朱平華，臧旭航

（1.江蘇大學土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013；2.常州大學土木工程系，江蘇常州 213164）

隨著我國城鎮化進程加快，城市建設和改造提速，建筑垃圾劇增，由此造成的環境污染和垃圾圍城等問題日益突出.將建筑垃圾資源化利用是解決環境和資源問題的有效措施.再生混凝土是將建筑垃圾破碎后制備成再生骨料，部分或全部替代天然骨料拌制的一種新型綠色混凝土，是目前建筑垃圾資源化利用技術研究和推廣的主要方向，可以解決建筑垃圾的環境危機和天然骨料的資源危機.

研究表明，再生混凝土存在很多缺陷，再生骨料質量是影響其性能的關鍵.再生骨料表面黏附著一定厚度的舊砂漿，使得再生混凝土具有骨料-新砂漿、骨料-舊砂漿和新砂漿-舊砂漿等多重界面，導致再生混凝土較普通混凝土表現出更復雜的非均質材料特性，是影響再生混凝土力學性能和耐久性的根本原因［1-3］.抗氯離子侵蝕是混凝土重要的耐久性，氯離子在混凝土中以化學、物理結合態和自由狀態存在并不斷遷移，劣化混凝土的界面結構，引起鋼筋銹蝕，導致鋼筋混凝土結構銹蝕和破壞，不斷降低混凝土的耐久性.再生骨料的黏附砂漿結構疏松，存在大量的孔隙、微裂紋和未水化的水泥顆粒，這增加了氯離子的滲透性和氯離子的結合能力，是再生混凝土中薄弱的區域［4-5］.Villagrán-Zaccardi等［6］研究發現，再生骨料中的黏附砂漿提高了氯離子的結合能力.應敬偉等［7］利用有限元建立再生骨料混凝土模型，對氯離子擴散進行分析，發現在相同擴散深度下，天然骨料處的氯離子濃度較小，舊砂漿處的氯離子濃度較大，附著舊砂漿和界面過渡區處氯離子擴散較快；在較深部位，隨著舊砂漿厚度的增加，總氯離子濃度顯著增加.Xiao等［8］考慮粗骨料分布的隨機性，對再生混凝土中的氯離子擴散進行數值建模，并將結果與已有試驗數據進行對比，發現氯離子擴散速度隨著舊砂漿含量的增加而增大.

目前，有關黏附砂漿對再生混凝土性能影響的研究較少，而且基本是定性研究，而以黏附砂漿含量為量化分析指標，探究其與再生混凝土抗氯鹽侵蝕性能演化規律的研究卻鮮有報道.黏附砂漿含量直接影響再生粗骨料的性能，黏附砂漿含量越大，再生混凝土越難以達到目標性能.量化分析黏附砂漿含量與再生混凝土抗氯鹽侵蝕性能的規律，確定不同氯鹽環境下再生粗骨料黏附砂漿含量，合理科學地利用再生粗骨料，將有效推進建筑垃圾的資源化利用.因此，本文以黏附砂漿含量為指標，探究全再生粗骨料混凝土抗氯鹽侵蝕性能的演化規律并分析其作用機制，同時界定黏附砂漿含量門檻值.

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，硅灰來源于安徽某化工廠，其化學組成（質量分數，本文涉及的組成、含量和比值等除特別指明外均為質量分數或質量比）列于表1.細骨料為河砂，表觀密度為2 586 kg/m3，細度模數為2.4，符合GB/T 14684—2011《建設用砂》的要求.天然粗骨料（NCA）為石灰石碎石，粒徑為4.75～20 mm；黏附砂漿含量不同的4種再生粗骨料（RCA）均來自廢棄建筑混凝土，分別標記為RCA 1、RCA 2、RCA 3和RCA 4，粒徑均為4.75～20 mm，級配良好；天然粗骨料和再生粗骨料的性能列于表2.減水劑采用聚羧酸高性能減水劑，減水率為25%.拌和水為潔凈自來水.

表1 水泥和硅灰的化學組成Table 1 Chemical compositions of cement and silica fume w/%

1.2 配合比設計

再生粗骨料與天然粗骨料的最大區別在于再生粗骨料表面黏附了質量分數為20%～70%的舊砂漿，而舊砂漿對再生粗骨料及再生混凝土性能影響很大.為深入考察再生粗骨料黏附砂漿對混凝土性能的影響，將黏附砂漿含量不同的4種再生粗骨料以100%取代天然粗骨料，制備全再生粗骨料混凝土，分別標記為RAC1、RAC2、RAC3和RAC4；配合比計算采用全計算法［9］，采用等體積取代使天然粗骨料和再生粗骨料的體積相等，計算出再生粗骨料的質量，再確定各項材料的配合比，如表3所示.混凝土設計強度為C40，水膠比取0.37，附加水用量根據表2中再生粗骨料30 min內的吸水率計算.同時設計了全部使用天然粗骨料的對照組，標記為NAC.為了使再生混凝土的性能具有可比性，對照組的設計強度、水膠比和膠凝材料用量與再生混凝土一致.

表2 再生粗骨料和天然粗骨料的性能Table 2 Properties of recycled and natural coarse aggregate

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

1.3 試驗方法

天然粗骨料和再生粗骨料的表觀密度、吸水率、開口孔隙率和壓碎值按照GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》測定；再生粗骨料的黏附砂漿含量通過剝除骨料表面砂漿進行測定，根據骨料與砂漿的熱衰減系數和膨脹系數不同，采用熱處理方法去除再生粗骨料表面的黏附砂漿［3，10］，試驗流程如圖1所示.

圖1 測定黏附砂漿含量的試驗流程Fig.1 Test flow for determination of attached mortar content

按照表3所示的配合比制備混凝土，采用Tam等［11］提出的改進二次攪拌工藝攪拌，流程如圖2所示.同時按照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測試混凝土坍落度，NAC、RAC1～RAC5的坍落度分別為117、124、128、130、133 mm.拌和成型后，拆模取出試件，再放入標準養護室內養護28 d，然后按照以下方法對混凝土的性能進行測試：

圖2 混凝土二次攪拌工藝流程圖Fig.2 Flow diagram of concrete secondary mix process

（1）混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測定，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.

（2）混凝土氯離子擴散系數參照GB/T 50082—2019《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，采用快速氯離子遷移系數法（RCM法）測定.

（3）為了測試混凝土中的氯離子含量，制備尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的混凝土試件，浸泡在質量分數為10%的NaCl溶液中90 d，然后在試件兩側面中線以及距兩端40 mm的線段上分別取距試件表面0、5、10、15、20 mm等不同深度的樣品，參照SL352—2006《水工混凝土試驗規程》，測定樣品的自由氯離子含量cf和氯離子總含量ct，并計算其結合氯離子含量cb＝ct-cf和氯離子結合能力R＝cb/cf.

（4）混凝土孔隙率按照“可蒸發水含量法”測試［12-13］，試件為直徑150 mm、高300 mm的圓柱體.

2 試驗結果與分析

2.1 黏附砂漿含量對再生粗骨料性能的影響

圖3為黏附砂漿含量不同的再生粗骨料性能變化趨勢.由圖3（a）～（c）擬合的趨勢線可知，再生粗骨料的吸水率、開口孔隙率和壓碎值均與黏附砂漿含量呈正相關關系.其中，RCA 4的黏附砂漿含量最高，其吸水率、開口孔隙率和壓碎值最大，分別是NCA的6.0倍、3.4倍和1.82倍.由圖3（d）擬合的趨勢線可知，再生粗骨料的表觀密度與黏附砂漿含量呈負相關關系.RCA 4的表觀密度最小，是NCA的86.3%.但是圖3（c）中再生粗骨料的壓碎值并不隨著黏附砂漿含量的增大而單調增加，這可能是因為再生粗骨料來自不同來源的廢棄混凝土，原生骨料的性能和混凝土強度對再生骨料的性能會產生較大影響，導致不同再生粗骨料的黏附砂漿以及黏附砂漿與骨料之間界面過渡區的力學性能有差異，從而影響再生粗骨料的壓碎值.但是從試驗結果依然可以推斷，再生粗骨料表面的黏附砂漿含量是影響其性能差異的重要因素，隨著黏附砂漿含量增加，再生粗骨料的性能呈現劣化趨勢，這與文獻［11］的研究結果一致.這是因為黏附砂漿疏松多孔，密度較低，含有很多微裂紋和孔隙，導致再生粗骨料的吸水率和開口孔隙率大幅度增加，表觀密度卻降低.

圖3 黏附砂漿含量與再生粗骨料性能關系Fig.3 Relation between attached mortar content and coarse aggregate properties

再生粗骨料的性能是影響再生混凝土性能的主要因素.再生粗骨料性能要達到GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》的Ⅲ類標準，其吸水率和壓碎值要分別小于8%和30%，表觀密度要大于2 250 kg/m3.根據圖3中吸水率、壓碎值和表觀密度的擬合公式可知，此時再生粗骨料的黏附砂漿含量分別不能超過33.38%、119.2%和30.57%.由此可知，再生粗骨料吸水率和表觀密度對其黏附砂漿含量要求較嚴格，壓碎值對黏附砂漿含量要求不太嚴格.

2.2 黏附砂漿含量對再生混凝土抗壓強度和孔隙率的影響

圖4為混凝土各齡期（3、7、28 d）抗壓強度.由圖4可見，再生混凝土的各齡期抗壓強度均低于普通混凝土，且隨著再生粗骨料黏附砂漿含量的增加，再生混凝土的抗壓強度逐漸降低.NAC的3、7 d抗壓強度分別為27.7 MPa和38.6 MPa，是其28 d抗壓強度46.7 MPa的60%和83%，而再生混凝土的早期抗壓強度均不高，尤其是RAC4的3、7 d抗壓強度分別為16.6 MPa和23.9MPa，是其28 d抗壓強度36.1 MPa的47%和68%.

圖4 混凝土不同齡期的抗壓強度Fig.4 Compressive strength of concrete

這是因為在拌和混凝土時再生骨料會吸收大量水分，這些附加水分在混凝土硬化過程中會逐漸滲出，引起界面過渡區砂漿的有效水膠比增大，影響了骨料與新砂漿的界面反應，從而導致再生混凝土抗壓強度降低；黏附砂漿含量越高，吸水率越大，這種對混凝土抗壓強度的削弱效應越明顯，RAC3、RAC4的28 d抗壓強度僅為38.6 MPa和36.1 MPa，沒有達到設計強度40 MPa.

圖5為混凝土的孔隙率隨黏附砂漿含量的變化趨勢.由圖5可知，再生混凝土的孔隙率大于天然混凝土，且隨著黏附砂漿含量的增加而線性增大.這是因為，再生粗骨料的孔隙率很大，水泥水化會細化部分孔隙，但是再生粗骨料的附加用水量又會引起再生混凝土孔隙率的增加，導致再生混凝土與天然混凝土的孔隙率產生差異，這種差異又會隨著再生粗骨料黏附砂漿含量的增加而變大.“可蒸發水含量法”測得的是混凝土的連通孔隙率，而氯離子侵入混凝土的主要方式是將水分作為載體，通過連通孔隙不斷滲入到混凝土內部，因此再生混凝土的孔隙率越大，說明其抗氯離子侵蝕性能越差.

圖5 黏附砂漿含量與混凝土孔隙率的關系Fig.5 Relationship between attached mortar content and porosity of concrete

2.3 黏附砂漿含量對再生混凝土氯離子擴散性能的影響

圖6為再生混凝土的氯離子擴散系數DRCM與其黏附砂漿含量的關系圖.由圖6可知，再生混凝土的氯離子擴散系數遠遠高于天然混凝土，且隨著再生粗骨料黏附砂漿含量的增加而不斷增大，RAC1、RAC2、RAC3、RAC4的DRCM值分別是NAC的2.2倍、2.7倍、3.4倍和4.1倍.正如2.2分析，再生粗骨料表面黏附砂漿含量越高，再生混凝土的孔隙率越高，這些孔隙促進了氯離子的不斷滲透，導致再生混凝土的氯離子擴散系數增大［14］.粗骨料是一種近似不透氯離子的介質，而砂漿和界面過渡區是混凝土氯離子滲透的薄弱區域，吸附砂漿的存在削弱了混凝土內部的界面過渡區，增加了砂漿總量，從而劣化了混凝土的抗氯離子性能，且隨著黏附砂漿含量的增加，這種劣化作用逐漸變強，導致再生混凝土的氯離子擴散系數大幅增大.

圖6 黏附砂漿含量與氯離子擴散系數關系Fig.6 Relation between attached mortar content and D RCM

對圖6中的試驗數據進行擬合，可見再生粗骨料黏附砂漿含量與氯離子擴散系數DRCM呈二次拋物線關系，如式（1）所示.

式中：y為氯離子擴散系數DRCM，μm2/s；x為再生粗骨料黏附砂漿含量，%.

根據GB/T 50476—2019《混凝土結構耐久性設計標準》規定，對于在氯化物環境中的重要配筋混凝土結構工程，若設計使用年限為100 a，則當環境作用等級為D級時，DRCM＜7μm2/s，此時由式（1）可得黏附砂漿含量的最大值為26.54%，當作用等級為E級時，DRCM＜4μm2/s，同樣可由式（1）得到黏附砂漿含量的最大值為12.97%；若設計使用年限為50 a，則當環境作用等級為D級時，DRCM＜10μm2/s，此時黏附砂漿含量的最大值為35.03%，當作用等級為E級時，DRCM＜6μm2/s，此時黏附砂漿含量的最大值為23.01%.

2.4 黏附砂漿含量對再生混凝土氯離子含量的影響

自由氯離子是引起混凝土內部鋼筋銹蝕和承載力下降的主要原因.圖7（a）為再生混凝土自由氯離子含量cf隨取樣深度的變化趨勢.由圖7（a）可見：在相同取樣深度處，cf隨著黏附砂漿含量的增加而增大；同一黏附砂漿含量下，cf隨取樣深度的增加而急劇減小；再生混凝土的自由氯離子含量比天然混凝土高，尤其是RAC4.這歸因于再生混凝土孔隙率高，氯離子擴散系數大，導致混凝土中自由氯離子含量高，從而引起混凝土的pH值下降和鋼筋銹蝕.

混凝土中結合氯離子存在的形式包括化學結合和物理吸附.氯離子的化學結合，一方面主要是氯離子與砂漿內部3CaO·Al2O3和4CaO·Al2O3·Fe2O3發生化學反應，生成Friedel′s鹽（3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O）和氯化鈣；另一方面是與孔隙中的氫氧化鈣發生反應，生成膨脹性復鹽（CaCl2·Ca（OH）2·H2O）.對氯離子進行物理吸附的主要是3CaO·SiO2和2CaO·SiO2的水化產物C-S-H凝膠，且3CaO·SiO2的結合能力大約占氯離子總結合能力的25%～50%［2，15］.圖7（b）～（c）為再生混凝土的結合氯離子含量cb和氯離子結合能力R隨取樣深度的變化趨勢.由圖7（b）～（c）可知，再生混凝土的結合氯離子含量cb和氯離子結合能力R均大于天然混凝土，而且隨著黏附砂漿含量的增加而增大.相比天然混凝土，再生混凝土的砂漿總含量（新砂漿和舊砂漿含量之和）較高，使得再生混凝土的孔隙率較大，比表面積變大，導致再生混凝土的氯離子結合能力更強，這與文獻［16］的研究結果一致.已有研究表明［17-18］，混凝土中的結合氯離子并不穩定，在環境氯離子濃度、酸化、化學侵蝕、外電場、溫度等作用下會失穩，釋放出自由氯離子，加劇鋼筋銹蝕.因此對再生混凝土的抗氯鹽侵蝕性能進行評估時，要考慮結合氯離子含量的影響.

圖7 混凝土氯離子含量與擴散深度關系Fig.7 Relationship between chloride ion content and diffusion depth of concret

2.5 天然混凝土和再生混凝土的SEM分析

圖8為再生混凝土RAC4與天然混凝土NAC的電鏡掃描（SEM）圖.

對比圖8（a）、（d）可見：天然粗骨料的表面較為光滑，骨料顆粒規則整齊，孔隙較少，結構致密；而再生粗骨料整體結構呈松散多孔狀，表面較多孔隙，骨料與黏附砂漿之間的聯接不夠緊密，有明顯的界面過渡區，在界面周圍有一些裂紋.再生粗骨料的微觀結構變化是引起再生混凝土性能變化的根本原因，微觀結構變化表明，再生粗骨料的品質會隨著黏附砂漿含量的增加而逐漸降低，這與表2中粗骨料的性能相一致.

圖8（b）、（e）是氯鹽侵蝕前的天然混凝土和再生混凝土的SEM圖.對比可見：天然混凝土的結構界面比較清晰，表面致密，天然骨料和砂漿黏結較為緊密，孔隙較少；而再生混凝土結構表面粗糙，界面比較模糊，有較多的微裂縫和孔隙.

圖8（c）、（f）是在氯鹽中浸泡90 d后的天然混凝土和再生混凝土的SEM圖.對比可見：天然混凝土和再生混凝土表面孔隙增多，結構較為松散，并附著大量的鹽晶體，說明氯離子滲透到混凝土內部后，與混凝土發生了化學結合，生成了Friedel’s鹽和膨脹性復鹽，這2種反應會劇烈消耗砂漿內部的氫氧根，使孔隙液p H值下降，C-S-H發生分解，導致再生混凝土孔隙結構劣化，混凝土的致密性及其穩定性降低［19-20］.尤其是再生混凝土的黏附砂漿含量高，界面處黏結薄弱，內部的孔隙和裂縫多，大量的孔隙加快了氯離子在混凝土中的滲透，導致再生混凝土結構更加松散.

圖8 混凝土電鏡掃描SEM圖Fig.8 SEM images of recycled aggregate concrete

3 結論

（1）再生粗骨料的黏附砂漿含量是影響其性能的主要因素.隨著黏附砂漿含量的增加，再生粗骨料的吸水率、開口孔隙率和壓碎值線性增加，表觀密度線性降低.根據吸水率、開口孔隙率、壓碎值和表觀密度指標，再生粗骨料性能要達到GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中的Ⅲ類標準，則其黏附砂漿含量最大值不能超過30.57%.

（2）隨著再生粗骨料黏附砂漿含量的增加，再生粗骨料的吸水性能將影響再生混凝土的有效水膠比，導致其3、7、28 d的抗壓強度出現不同程度的降低，RAC3、RAC4的28 d抗壓強度僅為38.6 MPa和36.1 MPa，沒有達到設計強度40 MPa；而再生混凝土的孔隙率逐漸增大.

（3）再生混凝土的氯離子擴散系數、自由氯離子含量和結合氯離子含量隨著黏附砂漿含量的增加而增大，而且氯離子結合能力逐漸增強，對再生混凝土的抗氯鹽侵蝕性能進行評估時要考慮結合氯離子含量的影響.再生混凝土的氯離子擴散系數與再生粗骨料的黏附砂漿含量呈二次拋物線關系，能滿足再生混凝土在D級和E級氯鹽環境下50 a抗氯離子侵入性指標的黏附砂漿含量最大值分別確定為35.03%和23.01%.