氯離子侵蝕程度與再生細(xì)骨料取代率對混凝土碳化的影響探討

王玲玲

（南通市建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南通 226000）

0 引言

再生骨料混凝土簡稱再生混凝土，即將廢棄混凝土塊體經(jīng)破碎、篩分、除去雜質(zhì)等工序處理為再生粗細(xì)骨料，然后部分或全部替代天然粗細(xì)骨料制備而成的一種新型混凝土。因其可以實(shí)現(xiàn)對廢棄混凝土的回收再利用，使其具有再生特性。但再生混凝土相較于普通混凝土而言，由于再生骨料的存在具有密實(shí)度較差，內(nèi)部孔隙微裂縫較多，抗壓強(qiáng)度低等缺點(diǎn)[1-2]。遭受氯離子侵蝕后的再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)將重新分布，因而氯離子侵蝕的濃度和時間將直接影響到結(jié)構(gòu)再生混凝土的安全性和耐久性，其中碳化行為的變化尤為受關(guān)注[3-4]。因此，本文將研究高濃度氯離子環(huán)境作用下不同氯離子侵蝕程度與不同再生細(xì)骨料取代率的混凝土的碳化行為，以期為再生混凝土性能的提升提供一定的參考。

1 不同氯離子侵蝕時間下單摻再生細(xì)骨料混凝土碳化規(guī)律

1.1 氯離子侵蝕5d和10d比較分析

為了研究不同氯離子侵蝕天數(shù)對單摻再生細(xì)骨料混凝土碳化深度的影響，圖1和圖2分別給出了碳化時間分別為7d、14d、21d和28d時，兩組單摻再生細(xì)骨料混凝土碳化深度均值和平均碳化速率。

圖1 碳化深度隨時間變化規(guī)律

圖2 碳化速率隨時間的變化

從圖1可以發(fā)現(xiàn)：碳化深度隨著氯離子侵蝕時間的增加而減小。這是因?yàn)槁入x子侵蝕之后會使混凝土孔隙更加密實(shí)，減少了二氧化碳的進(jìn)入，這個過程可能是由于化學(xué)反應(yīng)引起也可能是物理作用形成。

從圖2中可得，氯離子侵蝕5d的相對碳化速率明顯要比氯離子侵蝕10d的要快，且總體的碳化速率呈上升趨勢。尤其當(dāng)碳化14d后碳化速率明顯增大，其中當(dāng)碳化到21d和28d時氯離子侵蝕5d的碳化速率比氯離子侵蝕10d的碳化速率分別大出0.41mm/d和0.52mm/d。這可能是由于短期的氯離子侵蝕只對單摻再生細(xì)骨料混凝土內(nèi)部達(dá)到填充孔隙的效果，而5d的氯離子侵蝕填充度小于10d的氯離子侵蝕，甚至可能目前氯離子僅在單摻再生細(xì)骨料混凝土孔洞內(nèi)結(jié)晶尚未開始化學(xué)反應(yīng)。從而使得10d氯離子侵蝕后的單摻再生細(xì)骨料混凝土試件的密實(shí)度更高，CO2更不易進(jìn)入到混凝土內(nèi)部。

1.2 氯離子侵蝕5d

在氯離子浸泡5d之后，單摻再生細(xì)骨料混凝土和控制混凝土碳化深度實(shí)測值如表1。圖3（a）給出了各碳化齡期下不同取代率單摻再生細(xì)骨料混凝土與控制混凝土對應(yīng)的碳化深度增大率。

表1 5d單摻再生細(xì)骨料混凝土碳化深度值（單位：mm）

通過計(jì)算可知，與控制混凝土相比，單摻再生細(xì)骨料混凝土7d、14d、21d和28d碳化深度平均提高了0.15mm、0.78mm、1.30mm、2.40mm，相應(yīng)的碳化深度增大率為96%、51%、24%、39%。

1.3 氯離子侵蝕10d

氯離子侵蝕10d之后，單摻再生細(xì)骨料混凝土碳化深度實(shí)測值如表2。

表2 10d單摻再生細(xì)骨料混凝土碳化深度值（單位：mm）

與控制混凝土相比，單摻再生細(xì)骨料混凝土7d、14d、21d和28d碳化深度平均提高了0.10mm、0.68mm、0.50mm、0.30mm，相應(yīng)的碳化深度增大率隨碳化時間的增加 而 遞 減，分別為66%、20%、21%、10%，見圖3（b）。

圖3 碳化深度增大百分率

2 相同侵蝕時間下取代率對單摻再生細(xì)骨料混凝土碳化的影響

2.1 氯離子侵蝕作用下碳化規(guī)律

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，不論氯離子侵蝕試件5d或10d，隨著取代率的增大，碳化深度均值是先增大后再減小的趨勢，其中當(dāng)再生細(xì)骨料的取代率達(dá)到30%時，再生細(xì)骨料混凝土的碳化均值達(dá)到最低值。碳化深度隨著取代率增大主要有兩方面因素。首先，再生骨料的孔隙率比普通骨料的孔隙率大，再生細(xì)骨料混凝土密實(shí)度低，導(dǎo)致CO2更容易往內(nèi)部擴(kuò)散，其碳化深度增大；其次，再生骨料表面附著老水泥砂漿，這使得再生細(xì)骨料混凝土中總水泥含量較普通混凝土大，更容易發(fā)生碳化反應(yīng)。而當(dāng)取代率為30%碳化深度達(dá)最低值，可能是由于30%的再生細(xì)骨料取代率是目前的最優(yōu)取代率。

圖4 不同取代率下平均碳化深度

不同取代率下氯離子濃度百分比見圖5，圖5顯示了取代率不同的再生細(xì)骨料混凝土試件在浸泡過氯離子溶液一段時間后，其內(nèi)部的氯離子濃度百分比。將圖4和圖5結(jié)合可以發(fā)現(xiàn)，氯離子濃度最高的試件為再生細(xì)骨料取代率為0%和30%的再生細(xì)骨料混凝土，而這兩組試件的碳化深度值恰恰又是最小值，因此可以確定氯離子浸泡5d和10d后再生混凝土試件內(nèi)的孔隙處于填充狀態(tài)，因而改變了內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)分布，且氯離子尚未與再生細(xì)骨料混凝土內(nèi)部的Ca（OH）2和C3A發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖5 不同取代率下氯離子濃度百分比

2.2 氯離子侵蝕下，碳化深度與取代率的函數(shù)方程式

首先，根據(jù)再生細(xì)骨料取代率為0的再生細(xì)骨料混凝土的碳化數(shù)據(jù)建立碳化經(jīng)時方程（見式1），而后建立不同取代率下的碳化經(jīng)時方程（見式2和式3）。

氯離子浸泡5d：

氯離子浸泡10d：

式中：

Xc——碳化深度，mm；

t——碳化齡期，d；

r——再生混凝土單摻時，再生細(xì)骨料取代率，%。

這兩個擬合方程擬合度分別為0.985和0.986。

2.3 氯離子碳化深度與擴(kuò)散系數(shù)函數(shù)關(guān)系式

從圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，再生細(xì)骨料混凝土內(nèi)部氯離子濃度對碳化深度是有一定影響的，但由于浸泡時間較短，再生混凝土內(nèi)部的氯離子濃度不足以達(dá)到耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范中以環(huán)境類別與作用等級規(guī)定的極限含量（0.06%硅酸鹽水泥熟料質(zhì)量），因此以氯離子擴(kuò)散系數(shù)作為自變量從而建立氯離子擴(kuò)散系數(shù)與碳化函數(shù)關(guān)系式。

采用王前等[5]改進(jìn)的氯離子滲透系數(shù)計(jì)算公式計(jì)算出5d和10d氯離子侵蝕下各個深度處的氯離子滲透系數(shù)，見表3和表4。

表3 5d氯離子擴(kuò)散系數(shù)（單位：mm2/d）

表4 10d氯離子擴(kuò)散系數(shù)（單位：mm2/d）

從表3和表4中計(jì)算出相對應(yīng)碳化深度處的氯離子滲透系數(shù)，擬合不同取代率中氯離子滲透系數(shù)與碳化深度的關(guān)系圖，見圖6。

圖6 氯離子侵蝕后碳化深度與氯離子滲透系數(shù)擬合圖

氯離子浸泡5d后單摻再生細(xì)骨料混凝土碳化深度Xc

與氯離子滲透系數(shù)Di公式：

氯離子浸泡10d后單摻再生細(xì)骨料混凝土碳化深度與氯離子滲透系數(shù)Di公式：

從這兩個公式可以發(fā)現(xiàn)，氯離子滲透系數(shù)越大，碳化深度越深。這是由于再生細(xì)骨料混凝土內(nèi)部孔隙較多，在氯離子浸泡初期水中氯離子逐漸向再生細(xì)骨料混凝土內(nèi)部發(fā)展，僅僅能填補(bǔ)再生細(xì)骨料混凝土表面小部分孔隙，但大多數(shù)孔隙依舊存在，也致使CO2愈加向其內(nèi)部擴(kuò)散。比較氯離子浸泡5d和10d的氯離子滲透系數(shù)與再生細(xì)骨料混凝土碳化深度公式，可以看出隨著浸泡時間延長，氯離子滲透系數(shù)減小，而碳化發(fā)展逐漸減緩，這可能是由于再生細(xì)骨料混凝土試件置于氯離子溶液中，隨著溶液中氯離子逐漸滲透，混凝土內(nèi)部的微小孔隙逐漸填滿，致使孔結(jié)構(gòu)改變，從而開始抑制CO2進(jìn)入再生細(xì)骨料混凝土內(nèi)部。

3 結(jié)束語

通過本文分析，主要得出以下結(jié)論：碳化深度隨著氯離子侵蝕時間的增加而減小；碳化速率隨著氯離子侵蝕時間的增加而降低；碳化深度隨著再生細(xì)骨料取代率的增加先增大后減小，取代率為30%時達(dá)到最低值；氯離子滲透系數(shù)越大，碳化深度越深；隨著氯離子侵蝕時間的增加，氯離子滲透系數(shù)減小，而碳化發(fā)展逐漸減緩；碳化深度與再生細(xì)骨料取代率呈現(xiàn)一元二次函數(shù)關(guān)系。