道路再生混凝土干縮性能和抗硫酸鹽侵蝕性能研究

鄭建華，彭 瀑，胡 明

［1.林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 400000；2.重慶機電職業技術大學，重慶 400000］

0 引言

隨著廢棄混凝土問題日益突出，世界各國都在積極開展廢棄混凝土再生利用方面的研究，再生混凝土技術已成為國內外工程界學者共同關心的熱門課題。各國學者對再生混凝土的破碎工藝、配合比設計、力學性能、耐久性及其改善措施等方面進行了廣泛的試驗研究，發展了很多再生集料制備技術和再生混凝土應用技術[1]。歐美等發達國家再生資源化率比較高，先后立法或制定了相應的技術標準，將再生集料成功應用于道路工程和非承重結構混凝土中。在我國，再生集料以及再生混凝土的應用技術研究尚處于初級階段，但政府已制定了中長期科教興國戰略和社會可持續發展戰略，積極鼓勵廢棄物再生技術的研究和應用。上海、北京、重慶、香港等城市進行了大量科學研究，并相繼鋪筑了再生混凝土路面試驗路[2]。

1 再生混凝土的耐久性能研究進展

混凝土結構在長期使用過程中，在其自身特性與環境因素、時間因素綜合作用下，隨著時間的推移將發生材料老化與結構損傷，這種損傷的積累導致結構性能劣化、承載能力下降、耐久性能降低[3]。

干縮性能研究方面，普通混凝土收縮變形主要是水泥石的收縮，而粗集料又能抑制水泥石的收縮變形；由于再生集料吸水率較大、彈性模量較小，這種抑制作用就減弱了，導致再生混凝土的干縮變形較普通混凝土的大。試驗研究表明，再生混凝土收縮變形隨再生粗集料取代率增加而增大。Khatib和孫浩的試驗都表明，再生混凝土的干縮變形與齡期也有關，其早期（分別為前10d，前60d）增長很快，此后逐漸減慢[4-5]。

抗硫酸鹽侵蝕性能研究方面，硫酸鹽溶液能與混凝土中水化產物發生化學反應，使混凝土產生體積膨脹而破壞。再生混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能低于同水灰比的普通混凝土，再生粗集料引入到再生混凝土中的硫酸鹽不可忽略。一般地，再生混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能隨再生集料取代率增加而降低。肖開濤研究認為，當再生骨料取代率小于50%時，再生混凝土的抗硫酸鹽性能與完全采用天然骨料配制的混凝土非常類似；而當再生骨料取代率超過50%時，再生混凝土的抗硫酸鹽性能明顯下降[6]。

與普通混凝土相比，再生混凝土的耐久性能研究還處于初級階段，不夠系統、深入。再生混凝土的耐久性能與再生集料的來源、界面性質、取代率、級配、吸水率，以及再生混凝土的水灰比、孔結構等密切相關，目前的研究多集中在宏觀分析上，還應加強在微觀層次方面的研究，包括采取什么樣的措施改善再生混凝土的耐久性能、采取什么樣的方法評價其耐久性能等方面有待進一步研究。

2 干縮性能研究

混凝土的收縮是指由于混凝土中所含水分的變化、化學反應及溫度變化等因素引起的體積縮小，其中干縮是指在干燥環境中，混凝土內部因水分蒸發而引起的體積變化。各種收縮變形引起的混凝土開裂問題一直是混凝土裂縫控制的重點和難點。普通混凝土干縮變形主要是由于水泥石的干縮，而粗集料又能抑制水泥石的干縮變形，混凝土的干縮程度與水泥品種及用量、單位用水量和集料用量有關。對于再生粗集料的特殊性，再生混凝土的干縮變形規律也有其特殊性。本文利用前面力學強度研究得到的較優配合比，研究分析再生粗集料取代率、粉煤灰等量取代率或超量取代系數、聚合物乳液摻量、再生粗集料的界面改性方法等因素對再生混凝土干縮變形的影響[7]。

本文試驗參考現行《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420—2020）中的干縮試驗方法，制作10cm×10cm×51.5cm混凝土試塊，并使用測量標距為540mm，精度為0.01mm的混凝土收縮儀。成型1d后拆模并標準養護至3d（從攪拌混凝土加水時算起），立即移入溫度為20℃±2℃、相對濕度為60%±5%的干縮室中，測定其初始長度。此后，分別測量1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d、90d齡期時混凝土的干縮率。

2.1 再生粗集料取代率對干縮性能的影響

由測試結果分析得知，各組再生混凝土的干縮率隨齡期的增長而不斷增大，前3d干縮率較小，3d以后干縮率增長速度加快，至45d時速度趨于平緩。同一個齡期內，隨著再生粗集料取代率增加，再生混凝土的干縮率均有不同程度的增大，再生粗集料取代率增加會加劇再生混凝土的干縮變形。這與很多研究者的結論一樣。普通混凝土收縮變形主要是水泥石的收縮，而粗集料又能抑制水泥石的收縮變形；由于再生集料吸水率較大、彈性模量較小，這種抑制作用就減弱了，導致再生混凝土的干縮變形較普通混凝土更大。

2.2 粉煤灰等量取代率或超量取代系數對干縮性能的影響

由測試結果分析得知，同一齡期內，摻加10%的粉煤灰明顯減小了再生混凝土的干縮率，而且超量取代法的效果優于等量取代法的效果。摻入粉煤灰替代部分水泥，相當于減少了早期參加水化反應的膠凝材料量，也就減少了同一齡期水化產物的生成量，水化產物對內部結構的填充作用減弱，因此，隨著粉煤灰摻量的增多，早期水泥石內部結構變得疏松，部分未反應的粉煤灰顆粒起到了微集料的作用，抑制了再生混凝土的干縮變形。

2.3 聚合物乳液摻量對干縮性能的影響

由測試結果分析得知，各組再生混凝土的干縮率隨齡期的增長而不斷增大，前3d干縮率較小，3d以后干縮率增長速度加快，至45d時速度趨于平緩。同一個齡期內，隨著聚合物乳液摻量的增加，再生混凝土的干縮率均有不同程度的增大，聚合物乳液的摻入會加劇再生混凝土的干縮變形。聚合物改性再生混凝土的干縮性取決于所用的聚合物乳液的性質、聚合物乳液的摻量。

2.4 再生粗集料界面改性方法對干縮性能的影響

由測試結果分析得知，同一個齡期內，經由這三種界面改性方法處理的再生粗集料配制的再生混凝土的干縮率基本滿足IRC-3（水泥漿包裹法）>IRC-2（預濕法）>IRC-1（機械磨耗法）>RC-100（未處理），這說明這三種方法都會增大再生混凝土的干縮變形，水泥漿包裹法最顯著，預濕法其次。配合比基本相同下，水泥漿包裹法或預濕法都會增加水分，而且保水性又不佳，自然會在干燥情況下大量失水。

3 抗硫酸鹽侵蝕性能研究

地下水的硫酸鹽主要來源于含硫酸鈣、硫酸鈉、硫酸鉀和硫酸鎂的泥土。混凝土的硫酸鹽侵蝕破壞被認為是引起混凝土材料失效破壞的四大主要因素之一。如果硫酸鹽濃度超過1500mg/L，硫酸鹽侵蝕的可能性就很大。如成昆鐵路的部分隧道工程、青海鹽湖地區的公路工程、枝柳鐵路工程等都出現了不同程度的混凝土硫酸鹽侵蝕破壞。針對再生混凝土的特殊性，本文利用前面力學強度研究得到的較優配合比，研究分析再生粗集料取代率、粉煤灰等量取代率或超量取代系數、聚合物乳液摻量、再生粗集料的界面改性方法等因素對再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能的影響。

關于路用再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能的評價指標，本文采用抗壓強度變化率和劈裂抗拉強度變化率。將再生混凝土試塊（10cm×10cm×10cm）放在質量分數為10%硫酸鈉溶液中浸泡28d后，測試侵蝕前后再生混凝土試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度，并觀察試件表面受侵蝕的程度。

3.1 再生粗集料取代率對抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

由測試結果分析得知，經10%硫酸鈉溶液浸泡侵蝕28d后，再生混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度明顯低于未浸泡時的強度。隨著再生粗集料取代率增加，抗壓強度損失率相差不大，而劈裂抗拉強度損失率增大。再生混凝土的強度損失率明顯大于普通混凝土（NC）的，說明再生粗集料與普通粗集料存在明顯的差異。

3.2 粉煤灰等量取代率或超量取代系數對抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

由測試結果分析得知，經10%硫酸鈉溶液浸泡侵蝕28d后，與未摻粉煤灰的再生混凝土相比，粉煤灰再生混凝土的抗壓強度損失率、劈裂抗拉強度損失率都較小。特別的是，當粉煤灰超量取代系數為1.2時，混凝土浸泡后兩種強度損失很小，不超過0.9%；當粉煤灰等量取代水泥10%（FRC-10），以及超量取代系數為1.4（FRC-10-4）時，混凝土浸泡后兩種強度都未損失，反而增加了。這是因為，在浸泡齡期（28d）不太長時，硫酸鹽的存在不僅不會導致混凝土試件的抗壓強度或劈裂抗拉強度損失，而且還會起到粉煤灰發生火山灰反應的激發劑作用，使得抗壓強度或劈裂抗拉強度增大。

3.3 聚合物乳液摻量對抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

由測試結果分析得知，經10%硫酸鈉溶液浸泡侵蝕28d后，與未摻聚合物乳液的再生混凝土相比，聚合物改性再生混凝土的抗壓強度損失率、劈裂抗拉強度損失率都較小。隨著聚合物乳液摻量增加，再生混凝土的劈裂抗拉強度損失率不斷減小，而抗壓強度損失率或增或減，相差不大，變化趨勢不明顯。這里，聚合物改性再生混凝土被硫酸鈉溶液浸泡侵蝕，導致強度下降，除了與再生粗集料的性能較低有關外，還取決于聚合物乳液的性質、聚合物乳液的摻量。

3.4 再生粗集料界面改性方法對抗硫酸鹽侵蝕性能的影響

由測試結果分析得知，經10%硫酸鈉溶液浸泡侵蝕28d后，由界面改性處理的再生粗集料配制的再生混凝土的抗壓強度損失率由大到小排序為：IRC-3（水泥漿包裹法）>IRC-1（機械磨耗法）>RC-100（未處理）>IRC-2（預濕法）；劈裂抗拉強度損失率由大到小排序為IRC-3（水泥漿包裹法）>RC-100（未處理）>IRC-1（機械磨耗法）>IRC-2（預濕法）。說明水泥漿包裹法被侵蝕的程度最嚴重，預濕法被侵蝕的程度最輕微。水泥漿包裹法處理再生粗集料，水泥漿用量相對最大，水化反應產生的固相物質與硫酸鹽溶液能生成相對較多的鈣礬石，因此，破壞力度最強。

4 結語

本文主要研究再生粗集料取代率、粉煤灰等量取代率或超量取代系數、聚合物乳液摻量、再生粗集料界面改性方法等因素對再生混凝土干縮性能和抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，得到了以下結論。

（1）關于再生混凝土的干縮性能研究，評價指標為干縮率。再生混凝土的干縮變形隨再生粗集料取代率的增加而增大。粉煤灰等量取代法或超量取代法都能減小再生混凝土的干縮變形，且后者效果更好。隨著聚合物乳液摻量的增加，再生混凝土的干縮率均有不同程度的增大，摻入聚合物乳液會加劇再生混凝土的干縮變形。對于本文中的三種再生粗集料界面改性方法，都能增大再生混凝土的干縮變形，其中水泥漿包裹法最顯著。

（2）關于再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能研究，評價指標包括抗壓強度變化率和劈裂抗拉強度變化率。隨著再生粗集料取代率增加，抗壓強度損失率相差不大，而劈裂抗拉強度損失率增大。粉煤灰的摻入能明顯改善再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能，特別地，在浸泡齡期（28d）不太長時，硫酸鹽的存在不僅不會導致水泥基材料試件的抗壓強度或劈裂抗拉強度損失，而且還會起到粉煤灰發生火山灰反應的激發劑作用，使得抗壓強度或劈裂抗拉強度增大，這有待于從微觀角度進行試驗分析。隨著聚合物乳液摻量增加，再生混凝土的劈裂抗拉強度損失率不斷減小，而抗壓強度損失率或增或減，相差不大，變化趨勢不明顯。對于本文中的三種再生粗集料界面改性方法，水泥漿包裹法和機械磨耗法改善效果較好，預濕法效果最差。

（3）劈裂抗拉強度變化率和抗壓強度變化率都可以作為再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性能評價指標，且前者更適宜。