(西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，西安 710048)

1 研究背景

建筑廢料(也稱建筑垃圾)是在建筑物施工過程中產(chǎn)生的廢棄料。僅僅我國的廢棄料堆積量就能達(dá)到每年數(shù)千萬噸，如果對其不加控制，建筑垃圾將對環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞[1]。制備再生混凝土?xí)r用到的再生粗骨料就來源于建筑廢棄料中的廢棄混凝土，所以再生混凝土的研究不僅有利于工程建筑，還對環(huán)境保護(hù)起到積極作用。

目前，不少研究人員對再生混凝土抗硫酸鹽溶液侵蝕的作用機理和耐久性有了較多的研究，如：祁兵等[2]探究了硫酸根離子在再生混凝土中的傳輸規(guī)律，在干濕循環(huán)條件下，考慮了礦物摻合料對硫酸鹽溶液侵蝕的影響，還總結(jié)出粉煤灰和礦粉等對硫酸鹽侵蝕有阻礙作用；安新正等[3]研究發(fā)現(xiàn)了不同濃度的硫酸鈉溶液對再生混凝土性能的劣化規(guī)律，即隨著硫酸鹽溶液濃度升高，全再生混凝土的相對動彈性模量降低衰退；此外，安新正等[4]針對6%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸鈉溶液探究了再生混凝土的腐蝕特性，發(fā)現(xiàn)低再生粗骨料取代率的再生混凝土的劈裂強度有所提高；閆宏生[5]研究發(fā)現(xiàn)水膠比對再生混凝土結(jié)構(gòu)抗硫酸鹽侵蝕也有影響，降低水膠比會提高結(jié)構(gòu)抗硫酸鹽的腐蝕性能；薛建陽等[6]探究了在硫酸鹽溶液中再生混凝土的力學(xué)性能和耐久性，提出合理的配合比有利于改善再生混凝土受環(huán)境的影響，提高耐久性；肖建莊等[7]從多方面環(huán)境因素研究了再生混凝土的耐久性，并就再生混凝土的進(jìn)一步研究提出了相關(guān)問題；劉玉蓮等[8]結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)，綜述了再生混凝土耐久性的研究進(jìn)展，并就耐久性能的進(jìn)一步研究內(nèi)容提出有益的建議；魏應(yīng)樂[9]對再生混凝土的硫酸鹽侵蝕進(jìn)行了分析，提出了減小水灰比、摻加粉煤灰等改善混凝土的耐久性措施。

如今，國內(nèi)外對再生混凝土的耐久性研究較多，特別是礦物摻和料和水膠比對再生混凝土耐久性的影響有了較多的研究，而再生粗骨料取代率對再生混凝土受硫酸鹽溶液侵蝕影響的研究文獻(xiàn)較少[10-13]。水利樞紐工程中，環(huán)境中含有大量水分，一般環(huán)境水中硫酸鎂含量較多，對建筑物的侵蝕作用不容忽視，且干濕交替的環(huán)境可簡單模擬環(huán)境水的漲退，以探究其對侵蝕速率的影響。為此，本文考慮在干濕循環(huán)-硫酸鎂溶液耦合作用的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了再生粗骨料取代率對再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能影響的試驗研究，對比分析了多因素作用下再生粗骨料取代率對抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，以期為實際工程中選擇再生粗骨料的摻量提供參考。

2 試驗原材料和試驗方法

2.1 試驗原材料

試驗中用到的水泥是銅川水泥廠生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥(P·O)；天然粗骨料是渭河二級配卵石；再生粗骨料是廢棄的混凝土經(jīng)過破碎、整形、清洗、烘干、篩分后得到的二級配骨料；細(xì)骨料是陜西渭河河砂，細(xì)度模數(shù)2.9，屬于中砂，含泥量5%；外加劑采用的是聚羚酸高效減水劑。粗骨料的基本性能見表1。

表1 試驗選用的粗骨料的基本性能Table 1 Basic properties of coarse aggregate used in the test

2.2 配合比

試驗用的再生混凝土的配合比見表2。再生混凝土試件在溫度為(20±2)℃、相對濕度≥95%的條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗。

表2 再生混凝土配合比Table 2 Mix proportion of recycled concrete

2.3 試驗方案

本試驗4類再生混凝土試件均制作4個試塊，分別為1個100 mm×100 mm×100 mm的正方體試塊和3個100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試塊，前者更便于表觀觀測分析，后者用于試驗分析。干濕循環(huán)試驗采用完全浸入方式進(jìn)行，即將試件全部浸泡在硫酸鎂溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)中。干濕循環(huán)流程為：循環(huán)周期1 d，室溫下試件在溶液中浸泡16 h，隨后在60 ℃溫度下干燥7 h，之后室溫下冷卻1 h，以此為一個干濕循環(huán)周期。每25 d為一個測試周期，每個測試周期結(jié)束后測定試件在冷卻時的質(zhì)量、長度以及相對動彈性模量。其中相對動彈性模量采用共振法混凝土動彈性模量測定儀測定，按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)[14]進(jìn)行試驗操作，測試中儀器的顯示值即為相應(yīng)橫向基頻，進(jìn)而可計算出試件的相對動彈性模量。

每2個測試周期結(jié)束后利用紫外分光光度計法測定試件深度分別為2，5，8，11 mm處的硫酸根離子的濃度。在試件的特定深處鉆取少量樣品，烘干后浸泡至蒸餾水中，浸泡1 d后過濾溶液得到濾液，并在濾液中加入鹽酸和氯化鋇的混合液，得到待測定溶液；接著將溶液移入比色皿中，利用紫外分光光度計測定吸光度。另取10組不同濃度的硫酸鎂溶液，測定吸光度，擬合標(biāo)準(zhǔn)的硫酸鎂濃度-吸光度曲線，這樣就可以利用測定的吸光度得出硫酸根離子濃度。當(dāng)混凝土的質(zhì)量損失達(dá)到2%或干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到150次時，停止試驗。

試件質(zhì)量損失率、伸長率和相對動彈性模量的計算公式分別為：

(1)

(2)

(3)

式中：Δm即為所求得的質(zhì)量損失率(%)；m0為試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，干濕循環(huán)試驗前所測得的質(zhì)量(g)；mn為在第n次干濕循環(huán)時測得的試件的質(zhì)量(g)；ΔL為試件的伸長率(%)；Ln為第n次干濕循環(huán)時測得的試件的伸長長度(cm)；L0為試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，干濕循環(huán)試驗前所測得的試件長度(cm)；E為所求試件的相對動彈性模量(%)；fn為第n次干濕循環(huán)時試件的橫向基頻(Hz)；f0為干濕循環(huán)試驗前的橫向基頻初始值(Hz)。

圖1 試驗前后的再生混凝土試塊Fig.1 Specimens of recycled concrete before and after test

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗前后再生混凝土的外觀形態(tài)

在干濕循環(huán)和硫酸鎂溶液耦合試驗前后，試塊外觀形態(tài)差別顯著，如圖1所示。圖1中的(a)，(b)為試驗前任取的2個試驗試塊，可以看出，此時試塊平整度較高，表面孔洞微小且分布較少，結(jié)構(gòu)密集。圖1中(c)—(f)為再生粗骨料取代率分別為0%，20%，50%，100%的4組再生混凝土試塊在干濕循環(huán)和硫酸鹽侵蝕耦合試驗結(jié)束后的表觀形態(tài)。4組試件受硫酸鹽侵蝕后表面顏色均泛紅，微小孔洞增多，且表面出現(xiàn)裂縫。R0組試塊的裂縫最少且不明顯，試塊完整度高，表面較平整，結(jié)構(gòu)相對密集；R20組試塊出現(xiàn)明顯開裂現(xiàn)象，但裂縫較少，完整度不如R0組試塊，表面已有部分脫落現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)不密集；R50組試塊與R20組試塊較接近，但裂縫明顯增多，表面脫落較嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)松散，且表面出現(xiàn)小部分灰黑色小塊，這是干濕循環(huán)作用下長期高溫灼燒的結(jié)果；R100組試塊邊角損失較明顯，表面脫落嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)極其松散，表面有明顯的灰黑色小塊且數(shù)量較多。

3.2 再生粗骨料摻量對結(jié)構(gòu)質(zhì)量損失率的影響

圖2給出了在干濕循環(huán)作用下，再生混凝土的硫酸鹽侵蝕對試件質(zhì)量的影響。由圖2可以看出隨著試驗齡期增長，試件的質(zhì)量損失率逐漸變大，質(zhì)量逐漸降低。第25次干濕循環(huán)測得R100，R50，R20，R0組試件的質(zhì)量損失率分別為0.05%，0.03%，-0.05%，0.01%，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失率都較低且有負(fù)值出現(xiàn)。原因是硫酸根離子會與混凝土中水泥水化的產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成針棒狀鈣礬石晶體，晶體物質(zhì)會填充再生混凝土的孔隙使結(jié)構(gòu)質(zhì)量增大，同時在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生了膨脹應(yīng)力[15-16]。隨著結(jié)構(gòu)中硫酸根離子逐漸擴散，生成的晶體物質(zhì)逐漸增多，膨脹應(yīng)力也逐漸增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不足以承受較大的膨脹應(yīng)力而出現(xiàn)開裂破損，致使結(jié)構(gòu)質(zhì)量逐漸受損[17]。

圖2 再生混凝土的質(zhì)量損失率變化Fig.2 Change of mass loss rate of recycled concrete

R100，R50兩組試件由于結(jié)構(gòu)孔隙較多，不能承受較大的膨脹應(yīng)力而導(dǎo)致在第25次干濕循環(huán)前就已經(jīng)開裂破壞，結(jié)構(gòu)質(zhì)量受損；R20組試件由于再生粗骨料摻量較低，結(jié)構(gòu)相對更密實，能承受較大的膨脹應(yīng)力，在第25次干濕循環(huán)時尚未被硫酸鹽侵蝕破壞，且此時晶體物質(zhì)的增多使結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加；R0組試件是普通混凝土，不如再生混凝土有較多孔隙可供鈣礬石晶體填充，致使結(jié)構(gòu)遭受更大的膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)較早出現(xiàn)破壞，因此在第25次干濕循環(huán)時質(zhì)量已經(jīng)受損。

第150次干濕循環(huán)測得R100，R50，R20，R0組試件的質(zhì)量損失率分別為0.35%，0.30%，0.28%，0.25%，可以看出R100組試件的質(zhì)量損失得最多，R50，R20組次之，R0組試件質(zhì)量損失最少，即再生粗骨料的摻量越多，試件的質(zhì)量損失率越大。這是因為再生混凝土結(jié)構(gòu)薄弱，不能承受更大的膨脹應(yīng)力而加速結(jié)構(gòu)受損，且再生粗骨料取代率越高，結(jié)構(gòu)薄弱面越多，受損越快，質(zhì)量損失就越快[18]。

3.3 再生粗骨料摻量對結(jié)構(gòu)相對動彈性模量的影響

圖3為干濕循環(huán)-硫酸鎂耦合作用下，再生粗骨料取代率對不同干濕循環(huán)次數(shù)下再生混凝土相對動彈性模量的影響規(guī)律。相對動彈性模量表征的是結(jié)構(gòu)的密實度，所以結(jié)構(gòu)的密實度越大，相對動彈性模量就越大，而在干濕循環(huán)和硫酸鹽溶液共同作用下結(jié)構(gòu)的密實度變化較為復(fù)雜。

圖3 再生混凝土的相對動彈性模量變化Fig.3 Variation of relative dynamic modulus of recycled concrete

根據(jù)圖3可將4組試件相對動彈性模量的變化過程分為初期、中期和后期。

(1)干濕循環(huán)初期，4組試件的相對動彈性模量下降相對勻速。這是因為在試驗初期，干濕循環(huán)的影響較大，使結(jié)構(gòu)形成較多的干縮裂縫；而硫酸鹽侵蝕的影響較弱，影響因素近乎單一，結(jié)構(gòu)密實度減少較均勻，因此相對動彈性模量下降相對勻速。

(2)在干濕循環(huán)中期，相對動彈性模量下降相對變緩。由于硫酸鹽侵蝕的影響逐漸增大，硫酸根離子在強吸水性的作用下很輕易地就滲入到結(jié)構(gòu)孔隙等薄弱處，增加了結(jié)構(gòu)中硫酸根離子的濃度，進(jìn)而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成結(jié)晶體，固相物質(zhì)的增多就填充了結(jié)構(gòu)的裂縫，從而減緩了干濕循環(huán)對結(jié)構(gòu)的影響，使得結(jié)構(gòu)密實度趨于穩(wěn)定，所以相對動彈性模量下降相對平緩。

(3)干濕循環(huán)后期，試件的相對動彈性模量均有明顯下降。因為硫酸鹽侵蝕形成的固相物質(zhì)越來越多，從而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，加快結(jié)構(gòu)形成孔隙和裂縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)密實度加速降低，所以相對動彈性模量加速下降。

圖3中，每組試件的3個時期的分界線不統(tǒng)一，但可以明確的是再生粗骨料摻量越少，3個階段出現(xiàn)得越慢越明顯。例如，在第75次干濕循環(huán)之后R0組試件的相對動彈性模量才開始變平緩，而R20和R50組試件在第50次干濕循環(huán)就已經(jīng)開始平緩下降，R100組試件在進(jìn)入平緩期后，還沒達(dá)到下一個測試周期就已受侵蝕破壞，進(jìn)入加速下降期。

4組試件的相對動彈性模量均呈現(xiàn)逐漸下降的規(guī)律，R100組試件下降得最快，在第125次干濕循環(huán)周期測得的動彈性模量是初始的65.1%，而其他3組試件在整個試驗過程中相對動彈性模量均未降低到65.1%以下，說明再生粗骨料取代率越大的再生混凝土，其相對動彈性模量受干濕循環(huán)-硫酸鹽耦合作用的影響越明顯。因為相對動彈性模量的變化和試件受侵蝕破壞有關(guān)，隨著干濕循環(huán)齡期增長，試件由于硫酸根離子的作用而受到的破壞損傷會越來越嚴(yán)重，致使再生混凝土結(jié)構(gòu)部分開裂，因此相對動彈性模量會逐漸降低[19-20]。

3.4 再生粗骨料摻量對結(jié)構(gòu)長度變化的影響

干濕循環(huán)-硫酸鎂溶液耦合作用下，再生混凝土的線性長度也會有變化，而且不同再生骨料取代率的再生混凝土的伸長率也有規(guī)律可循，如圖4所示。

圖4 再生混凝土軸向長度變化Fig.4 Variation of axial length of recycled concrete

將試件伸長率的增幅變化分為如下3個階段：第1階段(0～50次干濕循環(huán))，每組試件的伸長率都≤0.01%，再生混凝土的伸長率幾乎為0，試件僅微有伸長；第2階段(50～100次干濕循環(huán))，R0，R20，R50，R100組試件的伸長率分別達(dá)到了0.08%，0.07%，0.09%，0.12%，分別比第1階段增長了0.07%，0.07%，0.08%，0.11%，可見第2階段試件伸長較多，且增長較快；第3階段(100～150次干濕循環(huán))，4組試件伸長率比第2階段分別增長了0.13%，0.18%，0.23%，0.32%，這個階段增長速度明顯加快，增長幅度大于前2個階段。因此在試驗過程中，試件逐漸伸長，試件伸長率經(jīng)歷了3個階段的增長，且增長幅度越來越大。

在試驗結(jié)束時，R0，R20，R50，R100組試件的伸長率分別達(dá)到了0.21%，0.25%，0.32%，0.45%，再生混凝土的伸長率隨著再生混凝土取代率的增大而增大。再生混凝土試件中的微裂縫、孔隙等容易吸收環(huán)境水中的硫酸根離子，這些硫酸根離子會和混凝土中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物，引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹變形，導(dǎo)致試件的體積增大，在物理性質(zhì)上表現(xiàn)為試件伸長。再生骨料摻量的增多會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂隙增多，所以再生骨料取代率越大的再生混凝土在試驗中伸長得越多。不摻再生骨料的普通混凝土在前100次干濕循環(huán)時期，試件的伸長率均不大于R100組試件，與R50組試件伸長率較接近，且均大于R20組試件的伸長率；而在第100次干濕循環(huán)之后，試件伸長率則表現(xiàn)為再生骨料取代率越大，伸長得越多。說明R20組試件中某個內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在大孔隙的試塊對伸長率有較大的影響，在試驗前期受到的膨脹變形反而不如普通混凝土多，導(dǎo)致R20組試件伸長長度不如R0組試件大。在100次干濕循環(huán)之后，這種大孔隙結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，再生混凝土比普通混凝土?xí)a(chǎn)生更多的膨脹性產(chǎn)物導(dǎo)致體積變形，試件伸長，伸長率超過普通混凝土。

圖5 再生混凝土中特定深度處硫酸根離子濃度變化Fig.5 Variation of sulfate ion concentration at specific depths in recycled concrete

3.5 再生粗骨料取代率對硫酸鹽溶液侵蝕的影響

干濕循環(huán)-硫酸鎂溶液耦合作用下，不同再生粗骨料取代率的再生混凝土不同深度處的硫酸根離子濃度變化規(guī)律見圖5。結(jié)果表明，再生粗骨料取代率越大的再生混凝土受硫酸鹽侵蝕越嚴(yán)重。如第150次干濕循環(huán)時測定的R100，R50，R20，R0 4組試件在入侵深度為2 mm處的硫酸鹽相對濃度分別為1.04%，0.83%，0.77%，0.70%。這是因為再生粗骨料摻量增大會使得結(jié)構(gòu)裂隙變多，孔隙率會變大，滲透性會增強，所以硫酸根離子很輕易就進(jìn)入結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)中硫酸根離子的濃度增大，導(dǎo)致再生混凝土遭受的腐蝕更嚴(yán)重。

縱向比較同一深度處的硫酸根離子濃度會發(fā)現(xiàn)，在同一深度的再生混凝土結(jié)構(gòu)中硫酸根離子濃度會隨著干濕循環(huán)齡期的增長而增大，且增長幅度也越來越大。如R100組試件在入侵深度為5 mm處，測得在干濕循環(huán)次數(shù)為50，100，150次時的硫酸根離子濃度依次為0.20%，0.26%，0.45%，分別增長了0.06個、0.19個百分點，增長幅度變大；又如R20組試件在入侵深度為8 mm處，3次測得硫酸根離子的濃度分別為0.04%，0.05%，0.13%，分別增長了0.01個、0.08個百分點，增長幅度變大，對比分析其他組試驗結(jié)果能發(fā)現(xiàn)同樣的結(jié)論。因此，硫酸根離子的濃度不僅隨著侵蝕齡期增長而增大，而且增大幅度會越來越大。原因是干濕交替的環(huán)境有利于硫酸根離子的擴散，表層的結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)初期逐漸被硫酸鹽溶液侵蝕破壞。隨著侵蝕齡期的增長，硫酸根離子向深層擴散，相應(yīng)深層的硫酸根離子的濃度逐漸增大，侵蝕破壞逐漸向深層移動，且表層結(jié)構(gòu)破壞逐漸加快，導(dǎo)致深層結(jié)構(gòu)破壞也逐漸加快，因此增幅也逐漸變大。

4 結(jié) 論

(1)在干濕循環(huán)與硫酸鹽共同作用下，再生混凝土的質(zhì)量在短期內(nèi)有增加，長期侵蝕作用下質(zhì)量必然受損；且隨著再生粗骨料摻量的增加，再生混凝土的質(zhì)量損失率增大。

(2)再生粗骨料取代率越大，再生混凝土受干濕循環(huán)和硫酸鹽耦合作用的影響越大，結(jié)構(gòu)的相對動彈性模量下降得就越快，其下降速率可分為勻速下降期、緩慢過渡期、加速下降期共3個時期。

(3)干濕循環(huán)條件下，再生混凝土的硫酸鹽侵蝕會影響結(jié)構(gòu)的長度。再生骨料摻量越多，結(jié)構(gòu)會由于滲進(jìn)較多的硫酸根離子而產(chǎn)生更多膨脹性物質(zhì)，因此試件伸長得越多，且伸長率的增幅隨著干濕循環(huán)齡期的增長而增大。

(4)再生混凝土內(nèi)部受到的侵蝕明顯少于表層，但隨著干濕循環(huán)次數(shù)增大，內(nèi)部受到的侵蝕逐漸加重；且再生粗骨料取代率越大，試件受硫酸鹽侵蝕越嚴(yán)重。試驗還發(fā)現(xiàn)，硫酸根離子會隨著侵蝕齡期增長而加速擴散，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加速受侵蝕破壞。