再生混凝土的耐久性及其改善措施

[摘　要] 在大量文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，本文較為全面地綜述和分析了再生混凝土的耐久特征及其改善措施，主要包括再生混凝土的抗?jié)B性、抗凍融性、抗硫酸鹽侵蝕性、碳化以及氯離子滲透性和耐磨性。研究表明，總體來講，再生混凝土的耐久性較普通混凝土差。但是，通過減小水灰比、摻加粉煤灰、采用二次攪拌工藝、減小再生骨料最大粒徑和采用半飽和狀態(tài)的再生骨料等措施可以改善再生混凝土的耐久性。最后，提出了關(guān)于再生混凝土耐久性需要進(jìn)一步研究的問題。

[關(guān)鍵詞] 　再生骨料；再生混凝土；耐久性；改善措施

1 　前言

　　利用廢棄混凝土破碎加工而成的再生骨料(主要是再生粗骨料) 部分或全部代替天然骨料配制而成的新混凝土稱為再生骨料混凝土，簡稱再生混凝土。再生混凝土技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對廢棄混凝土的循環(huán)利用，部分或全部恢復(fù)其原有性能，形成新的建材產(chǎn)品，不但解決了部分環(huán)保問題，而且最大限度的利用了資源，符合建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，是發(fā)展綠色生態(tài)混凝土的重要措施之一。國外關(guān)于再生混凝土的研究始自二次世界大戰(zhàn)以后，一些發(fā)達(dá)國家如前蘇聯(lián)、德國、日本、瑞典、美國等都進(jìn)行了積極的研究與開發(fā)應(yīng)用，取得了許多重要成果[ 1～2 ] 。近年來，國內(nèi)的一些專家學(xué)者也開始關(guān)注這一領(lǐng)域的研究工作[ 3～6 ] ，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)以及物理力學(xué)性能等方面進(jìn)行了一些研究，但是關(guān)于再生混凝土耐久性研究方面仍屬空白。

      本文在大量文獻(xiàn)分析研究的基礎(chǔ)上，全面介紹了國外關(guān)于再生混凝土耐久性的最新研究成果，主要包括再生混凝土的抗?jié)B性、抗凍融性、抗硫酸鹽侵蝕性、碳化、氯離子滲透性以及耐磨性及其改善措施。最后，為了促進(jìn)國內(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。

2 　再生混凝土的耐久性

2.1 　再生混凝土的抗?jié)B性

      影響混凝土耐久性的各種破壞過程幾乎均與水有密切的關(guān)系，因此混凝土的抗?jié)B性被認(rèn)為是評價(jià)混凝土耐久性的重要指標(biāo)。一般來講，混凝土的抗?jié)B性取決于孔隙的孔徑大小、分布、形狀、彎曲程度以及連貫性。B1C1S1J [7 ]通過試驗(yàn)研究了水灰比為015～017 ，坍落度為21cm的再生混凝土的滲透性，結(jié)果表明，再生混凝土的滲透性為普通混凝土的2 —5 倍而且試驗(yàn)結(jié)果較為離散。      Rasheeduzzafar 和Khan[8 ]比較了水灰比相同的再生混凝土與普通混凝土的滲透性，試驗(yàn)結(jié)果表明，再生混凝土的滲透性隨水灰比的增大而增加。當(dāng)水灰比較高時，再生混凝土的滲透性與普通混凝土差別不大；當(dāng)水灰比較小時，再生混凝土的滲透性則約為普通混凝土的3 倍。Mandal 等人[9 ]的試驗(yàn)研究了相同配合比的再生混凝土與普通混凝土的滲透深度和吸水率，混凝土的水灰比為0.4 ， 水泥用量為360kg/ m3 。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)普通混凝土的滲透深度和吸水率分別為18mm 和4.1 %，而再生混凝土的相應(yīng)指標(biāo)為25mm和5.9 %，分別較普通混凝土增加了38 %和44 %，表明再生混凝土的抗?jié)B性能較相同配合比的普通混凝土差。綜合以上試驗(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孔隙率較高，吸水率較大。

2.2 　再生混凝土的抗凍融性

       在寒冷地區(qū)，混凝土受凍融循環(huán)作用往往是導(dǎo)致混凝土劣化的主要因素。凍融循環(huán)還常和除冰鹽共同作用，加劇混凝土劣化。混凝土的抗凍融性間接反映了混凝土抵抗環(huán)境水侵入和抵抗冰晶壓力的能力，因此常作為混凝土耐久性的另一評價(jià)指標(biāo)?；炷恋目箖鋈谛钥梢酝ㄟ^測量試件的抗凍耐久性指數(shù)DF(動彈性模量的變化) 、重量損失率等加以反映。

      Malhotrah[ 10 ]和Buck[ 11 ]先后進(jìn)行了不同水灰比再生混凝土的抗凍融性試驗(yàn)，研究結(jié)果表明再生混凝土的抗凍融性并不低于普通混凝土，有些情況下甚至優(yōu)于普通混凝土。Coquillat[ 12 ] 、Rottler[ 13 ] 、Karaa[ 14 ]等人的試驗(yàn)也得出了類似的結(jié)論。但是，Nishibayashi 和Yamura[ 15 ]的試驗(yàn)則發(fā)現(xiàn)再生混凝土的動彈性模量和重量損失率均較普通混凝土降低很多，表明其抗凍融性較普通混凝土差。他們認(rèn)為其原因是由于再生骨料吸水率較高。近年來，Salem 等人[ 16 ] 、Oliveira 和Vazquez[ 17 ]的試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗凍融性較普通混凝土差。造成上述研究結(jié)果差別較大的原因可能來自于再生骨料性能的差異。

2.3 　再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性

      水化作用產(chǎn)物，如C3AH ，Ca (OH) 2 和C - S - H 凝膠與硫酸鹽反應(yīng)后，將生成膨脹性鹽，從而引起膨脹并導(dǎo)致表層開裂或軟化。裂縫又助長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，而且也影響到水泥水化物的粘結(jié)性能，最終影響到強(qiáng)度。

      關(guān)于再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性的研究較少。早期， Nishibayashi 和Yamura[ 15 ]在這方面進(jìn)行了一些初步探索，試驗(yàn)采用100mm ×100mm ×400mm 的棱柱體試塊，硫酸鹽溶液為濃度為20 %的Na2SO4 和MgSO4 ，共進(jìn)行了60 次循環(huán)。試驗(yàn)結(jié)果表明再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性較相同配合比的普通混凝土略差。近年來，Mandal 等人[ 9 ]又進(jìn)行了這方面的研究， 試驗(yàn)采用試塊為100mm ×100mm ×500mm 的棱柱體。溶液包括兩種，一為Na2SO4 和MgSO4 溶液，其濃度為715 %；另一為pH= 2 的H2SO4 溶液。試驗(yàn)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。Dhir 等[18 ]研究了再生粗骨料取代率分別為0 %、20 %、30 %、50 %和100 %的再生混凝土的抗凍融性。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生骨料取代率小于30 %時，再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性與普通混凝土基本相同：隨著再生骨料取代率增加，再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性降低，但差別不大。

2.4 　再生混凝土的碳化

     空氣中的CO2 不斷向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致混凝土孔溶液的pH 值降低，這種現(xiàn)象稱為碳化。當(dāng)混凝土的pH < 10 時， 鋼筋的鈍化膜被破壞，鋼筋發(fā)生銹蝕，體積膨脹2.5 倍，混凝土開裂，與鋼筋的黏結(jié)力降低，混凝土保護(hù)層剝落，鋼筋面積缺損，嚴(yán)重影響耐久性。

      B1C1S1J [ 7 ]研究了再生混凝土的碳化速度，并與相同配合比的普通混凝土進(jìn)行了對比。試驗(yàn)條件為溫度20 ℃，相對濕度60 % ，二氧化碳的濃度為20 % ，再生骨料由已碳化混凝土加工而成。試驗(yàn)結(jié)果表明，再生混凝土的碳化速度較普通混凝土高65 %。Dhir 等人[ 18 ]研究了強(qiáng)度等級分別為C30 和C35 ，再生骨料取代率不同的混凝土的抗碳化性能。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)取代率低于50 %時，再生混凝土的碳化速度與普通混凝土相差不大；隨著再生骨料的進(jìn)一步增加，再生混凝土的碳化速度略有增加。Otsuki 等人[ 19 ]的試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)再生混凝土的碳化深度較普通混凝土略大，同時隨著水灰比增加，再生混凝土的碳化深度增加。綜合以上研究成果，可以得出結(jié)論，再生混凝土的抗碳化性能略差于普通混凝土，原因是再生混凝土的孔隙率高，抗?jié)B性差。

2.5 　再生混凝土的氯離子滲透性

      當(dāng)混凝土中孔溶液的pH > 10 時，如果鋼筋表面的孔溶液中氯離子濃度超過某一定值時，也能破壞鋼筋表面的鈍化膜， 使鋼筋局部酸化，加快其銹蝕率。因此，氯離子滲透性對于混凝土的耐久性至關(guān)重要。

      Otsuki 等人[ 19 ]研究了相同水灰比的再生混凝土與普通混凝土的氯離子滲透性，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)再生混凝土的氯離子滲透深度較普通混凝土略大，表明再生混凝土的抗氯離子滲透性差，其主要原因是由于再生骨料孔隙率高。

2.6 　再生混凝土的耐磨性

      混凝土的耐磨性取決于其強(qiáng)度和硬度，尤其是面層混凝土的強(qiáng)度和硬度。Dhir 等人[ 18 ]研究了水灰比相同而再生骨料取代率不同的混凝土的耐磨性。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生骨料取代率低于50 %時，再生混凝土的磨損深度與普通混凝土差別不大；再生骨料取代率超過50 %時，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，再生混凝土的磨損深度較普通混凝土增加34 %。關(guān)于再生混凝土的堿2骨料反應(yīng)、耐火性等未見研究報(bào)道， 為了進(jìn)一步推動再生混凝土的工程應(yīng)用，關(guān)于這方面的研究亟待展開。

3 　改善再生混凝土耐久性的措施

3.1 　減小水灰比

      Rasheeduzzafar 和Khan[ 8 ]的研究表明，通過降低再生混凝土的水灰比可以提高再生混凝土的抗?jié)B性能。他們的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)再生混凝土的水灰比降低至低于普通混凝土的0.05 - 0.10 時，兩者的吸水率相差不大。Dhir 等人[ 18 ]的試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)，同時還發(fā)現(xiàn)減小再生混凝土的水灰比可以提高其抗碳化性能。Otsuki 等人[ 19 ] 的試驗(yàn)也有類似的結(jié)論，其試驗(yàn)結(jié)果見表1 。

　　Salem 等[ 10 ]的試驗(yàn)則發(fā)現(xiàn)減小再生混凝土的水灰比能夠改善其抗凍融性。Dhir 等人[ 18 ]的試驗(yàn)表明減小再生混凝土的水灰比還可提高再生混凝土的耐磨性。

3.2 　摻加粉煤灰

      Mandal 等[ 9 ]的試驗(yàn)表明粉煤灰可以改善再生混凝土的抗?jié)B性和抗硫酸鹽侵蝕性。在他們的試驗(yàn)中，粉煤灰的摻入量為10 % ，試驗(yàn)結(jié)果表明，與未摻加粉煤灰的混凝土相比，摻加粉煤灰的再生混凝土的滲透深度、吸水率和重量損失率分別降低了11 %、30 %和40 %。Ryu[ 20 ] 的研究表明摻加粉煤灰還可以提高再生混凝土的抗氯離子滲透性，其試驗(yàn)表明摻加30 %的粉煤灰后，再生混凝土的氯離子滲透深度降低了21 %。

3.3 　采用二次攪拌工藝

      Ryu[ 20 ]的研究表明采用圖1 所示的二次攪拌工藝可以提高再生混凝土的抗氯離子滲透性。根據(jù)其試驗(yàn)結(jié)果，采用二次攪拌工藝的再生混凝土的氯離子滲透深度減小了26 %。

3.4 　減小再生骨料最大粒徑

      Rottler[ 13 ]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過減小再生骨料的最大粒徑可以提高再生混凝土的抗凍融性?；谶@一原因，他建議再生骨料的最大粒徑宜為16mm～20mm。

3.5 　采用半飽和面干狀態(tài)的再生骨料

      Oliveira 等[ 17 ]研究了再生骨料的含水狀態(tài)對再生混凝土性能的影響，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(飽和度分別為89.5 %和88.1 %) 。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。

4 　結(jié)論與建議

(1) 總體來講，再生混凝土的抗?jié)B性、抗凍融性、抗硫酸鹽侵蝕性、抗碳化能力、抗氯離子滲透性和耐磨性均較普通混凝土弱，主要是由于再生骨料的孔隙率和吸水率較高的緣故；

(2) 再生混凝土的抗?jié)B性可以通過減小水灰比或摻加粉煤灰加以改善；通過降低水灰比、減小再生骨料的最大粒徑、二次攪拌或采用半飽和面干的再生骨料可提高再生混凝土的抗凍融性；摻加粉煤灰能提高再生混凝土的抗硫酸鹽侵蝕性：再生混凝土的抗碳化性能和耐磨性可以通過減小水灰比得以改善； 摻加粉煤灰、采用二次攪拌工藝能有效增加再生混凝土的抗氯離子滲透性。

(3) 關(guān)于再生混凝土的堿骨料反應(yīng)以及耐火性能未見研究報(bào)道，為了進(jìn)一步論證再生混凝土應(yīng)用實(shí)際工程的可能性，關(guān)于這方面的研究急需展開。

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