再生混凝土的耐久性及其改進(jìn)措施

【摘　要】　通過分析大量文獻(xiàn),對(duì)再生混凝土耐久性方面的試驗(yàn)研究進(jìn)行了較全面的綜述和分析并且提出了改進(jìn)措施。分別從抗碳化性、抗凍融性、抗?jié)B性及氯離子滲透性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗磨性及抗火性能方面進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明,再生混凝土的耐久性較普通混凝土差。但是,其耐久性可通過采用二次攪拌方法、采用半飽和面干狀態(tài)的再生骨料、摻加粉煤灰或礦渣等活性摻和料和添加外加劑等措施得到改善。最后,提出進(jìn)一步研究的問題。

 

【關(guān)鍵詞】　再生骨料; 　再生混凝土; 　耐久性; 　改進(jìn)措施

 

【中圖分類號(hào)】　TU52811　  【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】　A

 

     隨著國(guó)家現(xiàn)代化的逐步實(shí)現(xiàn),許多老式建筑的使用功能已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代要求。再加上一般水泥結(jié)構(gòu)建筑物都只有幾十年的設(shè)計(jì)使用壽命,當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命時(shí),此建筑一般要拆除。因此造成大量建筑垃圾的出現(xiàn),目前我國(guó)的廢棄混凝土量已經(jīng)超過115億噸。如果直接將這些建筑垃圾遺棄,一方面將極大污染環(huán)境,另一方面也是資源的極大浪費(fèi)。若把這些廢棄的混凝土通過一定的處理再加以利用不但減輕了環(huán)境負(fù)擔(dān)而且節(jié)約了資源。這也符合當(dāng)今國(guó)家提出的可持續(xù)發(fā)展方針。國(guó)外學(xué)者首先提出了再生混凝土概念并進(jìn)行了積極的研究與開發(fā)應(yīng)用^{[ 1 ]、[ 2 ]} 。近年來,國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者也開始進(jìn)行這一領(lǐng)域的研究工作^{[ 3 ]、[ 4 ]} ,在再生骨料的基本性能及強(qiáng)化、再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)、物理力學(xué)性能等方面進(jìn)行了一些研究。研究表明通過再生骨料強(qiáng)化,以合理配合比澆筑的再生混凝土在強(qiáng)度上完全可以代替普通混凝土?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性方面非常重視,也就是說只要再生混凝土的耐久性滿足建筑的正常使用功能要求,再生混凝土是完全可以代替普通混凝土廣泛應(yīng)用到建設(shè)中去。

    本文通過分析大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn),全面介紹了國(guó)外關(guān)于再生混凝土耐久性的最新研究進(jìn)展,主要從抗碳化性、抗凍融性、抗?jié)B性及氯離子滲透性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗磨性及抗火性能方面進(jìn)行了分析并提出改進(jìn)措施。最后,為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)關(guān)于再生混凝土的進(jìn)一步研究與工程應(yīng)用,建議了關(guān)于再生混凝土耐久性需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

 

 

　　再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete, RAC)簡(jiǎn)稱再生混凝土。一般將廢棄混凝土經(jīng)過多道篩分、破碎、清潔工藝組合與分級(jí)后,并按一定比例混合后形成的骨料稱為再生混凝土骨料(Recycled Concrete Aggregate, RCA)簡(jiǎn)稱再生骨料;部分或全部代替砂石等天然骨料(主要是粗骨料)再加水和水泥配制成新的混凝土。相對(duì)于再生混凝土而言,用以生產(chǎn)再生骨料的原始混凝土稱為基體混凝土(original concrete) ,有人也稱之為原生混凝土。

      再生骨料的強(qiáng)度較天然骨料強(qiáng)度較低,堆積密度和表觀密度較低,雜質(zhì)含量較高,并且含有大量微裂縫,導(dǎo)致再生混凝土的空隙率增大,吸水率高。所有這些特性導(dǎo)致再生骨料混凝土與天然骨料混凝土的性能有所不同,尤其在混凝土耐久性方面。

 

 

 

    空氣中的CO₂ 通過混凝土中的毛細(xì)孔隙,由表及里地向內(nèi)部擴(kuò)散,在有水分存在的條件下,與水泥石中的Ca(OH) ₂反應(yīng)生成CaCO₃ ,使混凝土中Ca(OH) ₂ 濃度下降,并且使其成分、組織和性能發(fā)生變化,稱之為混凝土的碳化(或中性化) 。碳化與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān),是衡量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性的重要指標(biāo)。

        SalomonM1Levy和Paulo Helene^{[ 5 ]}對(duì)再生混凝土的碳化性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。再生混凝土試件中再生骨料取代率分別為: 0, 20% , 50%和100% ,配制與普通混凝土有相同抗壓強(qiáng)度的再生混凝土。試驗(yàn)結(jié)果表明取代率為20%和50%的再生混凝土碳化深度相對(duì)減小。作者認(rèn)為出現(xiàn)此結(jié)果是由于要配制與普通混凝土同抗壓強(qiáng)度的再生混凝土所需要的水泥量大于普通混凝土的需求量,從而提供了更高的堿性環(huán)境阻止了碳化的發(fā)展。Nobuaki Otsuki等人^{[ 6 ]}也進(jìn)行了試驗(yàn)。再生混凝土試件和普通混凝土試件置于CO₂  濃度為10% ,溫度為40℃,相對(duì)濕度為70%的環(huán)境中28d。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,可看出再生混凝土碳化深度隨著水灰比增加而增大,同一水灰比下, 再生混凝土的碳化深度略大于普通混凝土。崔正龍和楊力輝等人^{[ 7 ]}的試驗(yàn)以100%再生骨料替代天然碎石和砂子制備再生混凝土試件, 在CO₂ 濃度為(5 ±012) %的試驗(yàn)箱里促進(jìn)中性化26周。文中繪制了中性化深度- 齡期曲線如圖2。從圖中可看出100%全再生混凝土與普通混凝土試件相比,抵抗中性化能力差,中性化幾乎以3倍的速度增長(zhǎng)。綜合以上研究成果,采用同水灰比配制的再生混凝土,其抗碳化性能略差于普通混凝土;而同抗壓強(qiáng)度的再生混凝土,則骨料取代率小于100%情況下則好于普通混凝土。

 

 

    混凝土的抗凍性,是指混凝土在水飽和狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融作用而不破壞,同時(shí)也不嚴(yán)重降低強(qiáng)度的性能?；炷恋目箖鲂酝ㄟ^測(cè)定強(qiáng)度損失率或重量損失率、抗凍融指數(shù)(相對(duì)動(dòng)彈性模量變化)等抗凍指標(biāo)來反映。這種性能對(duì)地處寒冷地區(qū)的混凝土建筑尤其重要。

    A1Gokce等人^{[ 8 ]}進(jìn)行了再生混凝土的凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用的再生骨料是試驗(yàn)前水灰比為0.45 的條件下配制的,并在室外環(huán)境下放置一年。再生骨料分為無(wú)引氣劑和添加引氣劑兩種。所配制再生混凝土試件添加引氣劑。試驗(yàn)在再生混凝土養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行,試件尺寸為: 100 mm ×100mm ×400 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖3?？梢钥闯隼脽o(wú)引氣劑再生骨料配制的再生混凝土抗凍融性比較差。而利用添加引氣劑再生骨料配制的再生混凝土表現(xiàn)出非常好的抗凍融性。Roumiana Zaharieva等人^{[ 9 ]}就抗凍融性方面與普通混凝土進(jìn)行了比較試驗(yàn),結(jié)果表明再生混凝土的抗凍性能相對(duì)較差。張雷順等人^{[ 11 ]}進(jìn)行了類似試驗(yàn)。試件為100 mm ×100 mm×400 mm的棱柱體,試驗(yàn)過程中試件處于全浸水狀態(tài),溫度控制在( - 17 ±2) ～ (8 ±2) ℃。試驗(yàn)選用普通法、預(yù)濕水法和增漿法三套配合比設(shè)計(jì)方案,通過凍融前后質(zhì)量、動(dòng)彈性模量和強(qiáng)度的對(duì)比研究,并與天然骨料混凝土作對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),加入引氣劑后再生混凝土能達(dá)到甚至超過天然混凝土的抗凍性能,其中增漿法配制的再生混凝土的抗凍融性能最好,降低水灰比會(huì)提高抗凍性能。崔正龍等人^{[ 10 ]} ,覃銀輝等人^{[ 12 ]}的試驗(yàn)結(jié)果證明未添加任何外加劑的再生混凝土的受凍性能不及普通混凝土。綜合以上研究成果,未添加外加劑的再生混凝土的抗凍融性能差于普通混凝土,原因是再生混凝土的孔隙率高,吸水率大且含有大量微裂縫。

 

 

    混凝土的抗?jié)B性是指其抵抗壓力水滲透作用的能力?？?jié)B性是混凝土的一項(xiàng)重要性質(zhì),除關(guān)系到混凝土的擋水及防水作用外,還直接影響混凝土的抗凍性及抗侵蝕性等。氯化物對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來說是一種最危險(xiǎn)的侵蝕介質(zhì),如果鋼筋表面的孔溶液中氯離子濃度超過某一定值時(shí),鋼筋表面的鈍化膜將遭到破壞而使鋼筋局部酸化,加快其銹蝕率。

     F. T. Olorunsogo和N1Padayachee^{[ 13 ]}對(duì)再生混凝土的滲透性及氯離子的滲透性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試件骨料取代率為: 0.50%和100% ,水灰比為0.5。在養(yǎng)護(hù)3d, 7d, 28d和56d進(jìn)行滲透性指標(biāo)測(cè)試。結(jié)果表明再生混凝土的耐久性隨著再生骨料取代率的增大而降低,但是隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加,其性能也逐漸改善。在56d的齡期時(shí), 100%再生骨料澆筑的再生混凝土與普通混凝土相比,氯離子滲透指標(biāo)和吸水性分別增加86.5% 和28.8% , 而氧滲透指標(biāo)(OPI) 下降10.0%。對(duì)于50%再生骨料澆筑的再生混凝土, 56d齡期時(shí)的氯離子滲透指標(biāo)和吸水性比3d齡期時(shí)分別下降62.7%和42.7% ,而氧滲透指標(biāo)(OPI)增加37.6%?？梢钥闯鲈偕炷恋目孤入x子滲透性比普通混凝土差。

 

    與普通混凝土的氯離子滲透性,見圖4。結(jié)果顯示同一水灰比下再生混凝土的氯離子滲透深度較普通混凝土略大,并且氯離子滲透深度隨著水灰比增加而增大。吳紅利和宋少民^{[ 14 ]}的試驗(yàn)結(jié)果得出同樣結(jié)論。并且發(fā)現(xiàn)在較高水灰比條件下,隨著再生骨料摻量的增加,氯離子擴(kuò)散系數(shù)也隨之增加,但在水灰比較低的情況下,再生骨料摻量的影響變得不大。孫浩等人^{[ 15 ]}的試驗(yàn)也得出再生混凝土的抗氣滲性較普通混凝土差的結(jié)論。從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出,再生混凝土的抗?jié)B性較普通混凝土差,其主要原因是由于再生骨料本身含有很多裂縫并且部分包裹水泥漿,孔隙率較高,吸水率較大。

 

 

    硫酸鹽與混凝土中的水化硅酸鈣如C₃AH, Ca (OH) ₂ 和C - S - H凝膠發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成石膏和硫鋁酸鈣,產(chǎn)生體積膨脹,導(dǎo)致表層開裂。裂縫又助長(zhǎng)了含有硫酸鹽和其他離子的侵蝕水的滲透,進(jìn)一步加速了混凝土的破壞,并且影響到水泥水化物的粘結(jié)性能,最終使混凝土瓦解。

    Mandal S. 等人^{[ 16 ]}對(duì)再生混凝土進(jìn)行了抗硫酸鹽侵蝕性研究。溶液包括兩種,一為濃度為7.5%的Na₂ SO₄和MgSO₄溶液;另一為pH = 2的H₂ SO₄溶液。結(jié)果表明,再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性略低于同水灰比的普通混凝土,這是由于再生混凝土的孔隙率高,抗?jié)B性差的緣故。吳紅利和宋少民_{^{[ 14 ]}}的試驗(yàn)結(jié)果表明加入粉煤灰的再生混凝土的抗硫酸鹽的侵蝕性有很大的提高。

 

 

     受磨損、磨耗作用的表層混凝土要求有較高的抗磨性。混凝土的抗磨性不僅與混凝土強(qiáng)度有關(guān),而且與原材料的特性及配合比有關(guān)。

     Dhir等人^{[ 17 ]}在這方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究。采用水灰比相同而再生骨料取代率不同的混凝土。結(jié)果表明, 再生骨料取代率低于50%時(shí), 再生混凝土的磨損深度與普通混凝土差別不大。當(dāng)取代率超過50%時(shí), 再生混凝土的磨損深度隨著再生骨料取代率的增加而增加。當(dāng)再生骨料取代率為100%時(shí), 再生混凝土的磨損深度較普通混凝土增加34%。孫清如和尹健^{[ 18 ]}對(duì)摻復(fù)合超細(xì)粉煤灰再生混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究, 結(jié)果表明此種再生混凝土具有良好的耐磨性能。

 

 

      混凝土建筑物一旦發(fā)生火災(zāi),其結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和變形性能就會(huì)嚴(yán)重惡化,還將發(fā)生劇烈的內(nèi)(應(yīng))力重分布,嚴(yán)重削弱結(jié)構(gòu)的性能,危害結(jié)構(gòu)的安全性。

肖建莊和黃運(yùn)標(biāo)^{[ 19 ]}對(duì)再生混凝土的高溫性能進(jìn)行了研究。完成了不同再生粗骨料取代率( 0, 30% , 50% , 70% ,100% )的再生混凝土立方體試塊在20℃～800℃下的高溫試驗(yàn)。當(dāng)再生粗骨料取代率為30%時(shí),再生混凝土高溫后的相對(duì)殘余抗壓強(qiáng)度比普通混凝土低;當(dāng)再生粗骨料取代率為50%以上時(shí),再生混凝土高溫后的相對(duì)殘余抗壓強(qiáng)度整體上比普通混凝土高,且隨再生粗骨料取代率的增大而提高。最后給出再生混凝土高溫后殘余抗壓強(qiáng)度的估算公式:

RC - 30的回歸方程

 

 

3.1　合理選擇再生骨料的粒徑并強(qiáng)化再生骨料

 

    吳紅利和宋少民^{[ 14 ]}研究表明減小再生骨料的最大粒徑,可以提高再生混凝土的抗?jié)B、抗碳化等耐久性指標(biāo),同時(shí)有助于減少再生混凝土的收縮。再生骨料的最大粒徑建議使用16 mm。張宏達(dá)^{[ 20 ]}總結(jié)了再生骨料強(qiáng)化方法:化學(xué)方法、物理方法和化學(xué)與物理結(jié)合方法。

 

     NobuakiOtsuki等人^{[ 6 ]}通過試驗(yàn)研究得出采用二次攪拌的方法可以提高再生混凝土的強(qiáng)度、改善再生混凝土的抗氯離子滲透性和抗碳化性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明采用二次攪拌法配制的再生混凝土氯離子滲透深度和碳化深度分別下降22.7%和12.3%。二次攪拌法的步驟如圖5。

 

 

     NobuakiOtsuki等人^{[ 6 ]}研究發(fā)現(xiàn)減小水灰比可以改善再生混凝土的抗氯離子侵蝕性和抗碳化性。吳紅利等人^{[ 14 ]}的研究表明通過降低水灰比有助于提高混凝土的耐久性,在低水灰比下的再生混凝土其部分耐久性強(qiáng)于同條件下的普通混凝土,建議再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)時(shí)水灰比采用不高于0.36。

 

 

     OliveiraM.B等人^{[ 21 ]}研究了再生骨料的含水狀態(tài)對(duì)再生混凝土耐久性能的影響,試驗(yàn)采用的再生骨料的含水狀態(tài)分別為完全干燥、飽和面干和半飽和面干。結(jié)果表明,采用半飽和面干狀態(tài)的再生骨料后,再生混凝土的抗凍融性顯著提高。

 

 

    孫家瑛等人^{[ 22 ]}對(duì)摻入礦渣、粉煤灰等活性摻合料的再生混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明再生混凝土的耐久性能得到明顯改善。吳紅利和宋少民^{[ 14 ]}的試驗(yàn)結(jié)果表明加入粉煤灰的再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性有很大的提高。

 

 

     A1Gokce等人^{[ 8 ]}試驗(yàn)研究表明添加引氣劑可以明顯改善再生混凝土的抗凍融性。

 

 

(1)通過以上試驗(yàn)分析得出,再生混凝土的抗碳化性、抗凍融性、抗?jié)B性及氯離子滲透性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗磨性及高溫性能均較普通混凝土弱,主要是由于再生骨料含有很多裂縫與水泥附漿、孔隙率和吸水率較高。再生混凝土耐久性好壞與再生骨料的取代率、自身性質(zhì)、水灰比和添加料等因素有關(guān)。

(2)再生混凝土的耐久性可以通過減小再生骨料的最大粒徑及強(qiáng)化、二次攪拌方法、降低水灰比、采用半飽和面干狀態(tài)的再生骨料、摻加粉煤灰或礦渣等活性摻和添加外加劑等措施得到提高。

(3)關(guān)于再生混凝土的堿- 集料反應(yīng)研究方面還是空白,為了能更好證明再生混凝土應(yīng)用性,關(guān)于這方面的研究亟需展開。