再生混凝土抗硫酸盐侵蚀机理及可靠性分析

杜康武，魏 伟，蔡晨晖，孙 鑫，乔宏霞

(1.甘肃建投商品混凝土有限公司，兰州 730060；2.兰州理工大学，西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，兰州 730050)

0 引 言

目前众多学者对RAC的研究取得了一定的成果，关于硫酸盐腐蚀环境对RAC性能的影响提出不同看法[2-4]。刘大庆等[5]探讨了再生粗骨料(recycled coarse aggregate,RCA)取代率、水胶比对RAC力学性能和抗硫酸盐侵蚀能力的影响，结果表明，随水胶比的增大，抗压及劈裂抗拉强度逐渐减小。当RCA质量取代率70%、水胶比0.3时，抗硫酸盐能力最显著。耿欧等[6]通过RAC浸泡在NaCl-Na2SO4溶液、NaCl-MgSO4溶液的研究发现，氯盐可以提高RAC抵抗硫酸钠侵蚀能力，其中，NaCl质量分数5%为最优参数，而氯盐对RAC抵抗硫酸镁侵蚀能力无显著影响。付腾欢等[7]采用0%、20%、50%及100%四种RCA取代率(替代天然骨料质量)在干湿循环条件下对抗硫酸盐腐蚀性能的影响，分析得出：和普通混凝土相比，RCA的掺入会使得混凝土抗硫酸盐侵蚀能力减弱，且RCA掺量越高，负面效果越显著。贾文亮等[8]也得到类似的规律，RAC在硫酸盐腐蚀的作用下，劣化速率大于普通混凝土，且硫酸盐干湿循环试验后RAC表面砂浆剥落严重，部分骨料外露，经100次干湿循环后已不能维持完整的形貌，并且RAC因骨料表面附着旧水泥砂浆，使得混凝土内部存在较多的界面过渡区(interface transition zone,ITZ)，ITZ粘结较为薄弱，存在微小裂缝[9]，为腐蚀离子进一步浸入混凝土内部提供了丰富的路径，这使得硫酸盐干湿循环过程中RAC的破坏过程和规律较为复杂，有必要进一步进行分析与研究。

鉴于此，本文通过硫酸盐干湿循环试验，以不同掺量的RCA和再生细骨料(recycled fine aggregate,RFA)来制备RAC，采集不同循环次数后的相对动弹性模量、质量等数据，并结合扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)对硫酸盐侵蚀破坏机理进行研究。利用一元Wiener概率分布对其可靠度进行分析，并建立退化模型，预测其使用寿命，以期为硫酸盐干湿循环作用下RAC的试验研究提供有效参考。

1 实 验

1.1 试验材料

试验中的原材料如下：水泥采取P·O 42.5级普通硅酸盐水泥；天然粗骨料(natural coarse aggregate,NCA)粒径为5～20 mm，表观密度2 670 kg/m3；天然细骨料(natural fine aggregate,NFA)选用河砂，细度模数为3.08；RA采用C60废弃混凝土经机械破碎、筛分后得到，表观密度2 476 kg/m3，其中粒径5～20 mm作为RCA，粒径0～5 mm作为RFA，且均满足GB/T 25176—2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》的使用标准，骨料的各项物理性能见表1；水选用兰州自来水；减水剂采用JW-IV萘系高效减水剂，减水率25%。

表1 骨料的各项物理性能指标Table 1 Various physical property indexes of aggregate

1.2 试验方案

新拌混凝土的和易性受水胶比、骨料级配、骨料最大粒径和骨料吸水率等因素的显著影响。RCA由于其高吸水性能，比NCA需要更多的水(见表1)。为了达到相同的坍落度，一些研究者在混凝土搅拌前使用预浸RA[10]。虽然额外加水的量取决于RCA的吸水量，但在饱和表面干燥状态下使用RCA对RAC性能会产生一定的负面影响。Matias等[11]在RAC拌制中采用添加减水剂，不需要增加更多的水来实现RAC所需的和易性。因此，在本研究中，通过添加高性能减水剂，以获得预期的RAC和易性。为研究不同掺量下RCA和RFA受硫酸盐干湿循环侵蚀的影响，设计每组3个试件，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，具体配合比和坍落度如表2所示。RAC制备24 h后拆模，标准养护28 d后依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行试验，浸泡溶液浓度为5%(质量分数)的Na2SO4，使试件处于全浸泡状态，每24 h完成一次循环。每10次干湿循环测其质量及相对动弹性模量，为减小误差，最终结果取3个试件的平均值。

表2 RAC配合比Table 2 Mix proportion of recycled aggregate concrete

1.3 试验方法

RAC的相对动弹性模量和质量损失率按式(1)和(2)计算：

(1)

(2)

式中：Pni为循环n次后第i个试件的相对动弹性模量；E0i、Eni为循环0次、n次后第i个试件的动弹性模量；wni为循环n次后第i个试件的相对质量损失率；m0i、mni为循环0次、n次后第i个试件的质量。

在硫酸盐干湿循环试验过程中，用一元Wiener概率分布评价RAC的退化趋势，以硫酸盐干湿循环次数作为劣化因素，Pni和wni作为衡量指标[12]，建立可靠度函数。为使退化趋势满足一元Wiener概率分布，假定失效阈值为Df(Df>0)，其寿命(T)及可靠度函数F(t)见式(3)和(4)：

T=inf{t|X(t)=Df,t≥0}

(3)

(4)

式中：Df为失效阈值；t为时间;μ为漂移参数；σ为扩散参数。

期望和方差如式(5)所示：

(5)

对试件进行性能退化试验，第i试件在初始时刻t0的退化指标记Xi0=0，则试件i在ti1,…,tim时刻性能退化指标为Xi1,…,Xim，当1

由性能退化指标推导出概率密度似然函数如式(6)所示：

(6)

式中：ΔXij为第i个试件在Δtij的性能退化量，Δtij=tij-t(i(j-1))。

其中μ和σ2的极大似然估计值如式(7)所示：

(7)

式中：Xim为第i个试件在m时刻的性能退化指标。

在t时刻试件的可靠度估计如式(8)所示：

(8)

2 结果与讨论

2.1 RAC相对动弹性模量分析

图1 RAC相对动弹性模量与硫酸盐干湿循环次数的变化曲线Fig.1 Curves of relative dynamic elastic modulus of recycled aggregate concrete and dry-wet cycles of sulfate

2.2 RAC质量损失率分析

图2 RAC质量损失率与硫酸盐干湿循环次数的变化曲线Fig.2 Curves of mass loss rate of recycled aggregate concrete and dry-wet cycles of sulfate

2.3 RAC侵蚀形貌分析

图3为硫酸盐干湿循环后RAC的SEM照片。由图3(a)可知，局部存在较为密实的石膏结晶产物；图3(b)中出现相互搭接、疏松的网状晶体结构；图3(c)发现蚀坑中存在大量的钙矾石，并呈聚团现象，说明钙矾石生成后，以局部放射状聚集生长[13]；图3(d)中生成大量疏松片层状碎屑物；图3(e)中试件在经过硫酸盐干湿循环后形成网状片层结构，且有较多的针状晶体，主要以钙矾石、C-S-H等晶状体存在[14]；图3(f)发现大量杂乱无序的针状钙矾石分布在孔隙和石膏表面。根据以上分析，试件经过硫酸盐干湿循环后，主要生成较多的钙矾石晶体，具备较高的强度并产成膨胀应力，以此加速RAC产生裂缝，直至破坏。

图3 RAC在硫酸盐干湿循环后的SEM照片Fig.3 SEM images of RAC after dry-wet cycles of sulfate

2.4 RAC可靠性分析

RAC硫酸盐干湿循环试验中，相对动弹性模量和质量都可描述试件的劣化过程，但相对动弹性模量对环境变化的敏感度要优于质量损失[15]，能更好地反映试件损伤情况，因此，本文选取RCA掺量30%，RFA掺量15%的试件进行一元Wiener可靠性分析，其Pni如表3所示。

表3 相对动弹性模量损失Table 3 Loss of relative dynamic modulus of elasticity

表4 等间隔硫酸盐干湿循环性能退化量Table 4 Degradation of equal-spaced sulfate dry-wet cycle performance

图4 RAC可靠度曲线Fig.4 Reliability curve of recycled aggregate concrete

3 结 论

(1)随硫酸盐干湿循环次数的增加，不同RA掺量下试件的相对动弹性模量先增大后减小，而质量损失率则呈现为先下降后上升，其中RCA影响较为显著。

(2)一元Wiener分布可较好地反映RAC处于硫酸盐干湿循环作用下的退化过程，且与试验结果相吻合，采用试件相对动弹性模量作为退化量是有效、可靠的，为RAC在硫酸盐环境下的实际应用提供很好的理论依据。

(3)通过对硫酸盐干湿循环后的RAC进行SEM分析，发现其内部生成较多针状、絮状和片状等结晶物，这将产生较大的膨胀应力导致试件内部结构疏松、微裂缝扩张，最终被破坏。