養(yǎng)護(hù)條件對橋梁用C40再生混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能影響

張緒平，張志廳，宋志濤

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100024）

引言

再生骨料（Recycled Aggregate, RA）由天然骨料和表面附著砂漿組成，與天然骨料（Natural Aggregate, NA）相比，RA吸水率、吸水速率和壓碎值等指標(biāo)偏高，將RA引入新混凝土，對其結(jié)構(gòu)和性能有不利影響[1-2]。另外，RA附著舊砂漿使混凝土內(nèi)部形成多重界面結(jié)構(gòu)（老骨料-老砂漿界面、老骨料-新砂漿界面和新砂漿-老砂漿界面），增加外界侵蝕介質(zhì)進(jìn)入試件內(nèi)部的通道[3]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于RA和再生混凝土（Recycled Aggregate Concrete, RAC）的研究主要包括：（1）再生骨料改善技術(shù)研究。有學(xué)者研究[1]表明，去除和強(qiáng)化再生骨料附著舊砂漿均可一定程度改善其品質(zhì)，提高RAC性能。（2）界面改性技術(shù)研究。李秋義等[3]研究了RAC多重界面特性及其改善技術(shù)，指出改善薄弱界面結(jié)構(gòu)可提高混凝土性能。（3）攪拌工藝研究。有學(xué)者研究[4-5]發(fā)現(xiàn)，改善攪拌工藝可提高RAC均質(zhì)性，進(jìn)而改善其性能。（4）養(yǎng)護(hù)方式改善RAC性能研究。王繼娜等[6]研究了CO2養(yǎng)護(hù)時(shí)間對RAC力學(xué)性能影響，發(fā)現(xiàn)CO2可改善RAC力學(xué)性能，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為48 h時(shí)，改性RAC強(qiáng)度甚至超過標(biāo)養(yǎng)條件下的NAC。史才軍胡等[7]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了CO2養(yǎng)護(hù)提高RAC耐久性能的可行性。姜正平和明維[8]探索了蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，RAC性能改善機(jī)理。崔正龍和陳自豪等[9-10]研究了RAC在高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下的耐久性能，發(fā)現(xiàn)試件收縮率較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件降低20%。張冰等[11]研究發(fā)現(xiàn)，與干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)相比，RAC在薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)和浸水養(yǎng)護(hù)下，14 d抗壓強(qiáng)度分別降低8.7%和14.2%。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于養(yǎng)護(hù)條件對RAC性能的研究主要集中在單一養(yǎng)護(hù)條件提高混凝土力學(xué)性能方面，鮮有涉及多種養(yǎng)護(hù)制度間提升效果對比研究，以及養(yǎng)護(hù)條件對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能影響研究。通過調(diào)整RA替代率制備出C40混凝土，研究養(yǎng)護(hù)條件（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、CO2養(yǎng)護(hù)和高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)）對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能影響，并利用XRD和SEM分析其物相組成和微觀形貌，探索養(yǎng)護(hù)條件對提升RAC抗硫酸鹽侵蝕性能的可行性，為RAC在橋梁工程的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。重慶珞璜I(xiàn)級粉煤灰，細(xì)度（45 μm方孔篩篩余量）為8.3%，燒失量為3.0%。永浩礦粉場生產(chǎn)S95級礦粉，密度為2.93 g/cm3，比表面積為460 m2/kg，28 d活性指數(shù)為97%。細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.7的天然河砂，表觀密度為2.734 g/cm3，吸水率為1.24%。粗骨料為5～25 mm的RA和NA，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。減水劑為聚羧酸高性能減水劑，摻量為膠凝材料質(zhì)量1.2%。

表1 P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥主要性能指標(biāo)

表2 粗骨料主要性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，以RA等質(zhì)量（0，25%，50%，75%及100%）替代NA方式設(shè)計(jì)5組C40混凝土，膠凝材料用量420 kg/m3，水泥、粉煤灰和礦粉質(zhì)量比為65∶15∶20?？紤]到RA吸水率遠(yuǎn)高于NA，為保證拌合物工作性能，采用額外加水法計(jì)算拌和用水量（普通混凝土設(shè)計(jì)用水量與附加用水量之和），附加用水量計(jì)算見公式（1），混凝土配合比設(shè)計(jì)和新拌混凝土性能測試結(jié)果見表3。

式中：△W—額外用水量，kg；mRA— RA質(zhì)量，kg；SRA— RA飽和面干吸水率，%；SNA— NA飽和面干吸水率，%。

表3 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)及新拌混凝土性能測試結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 養(yǎng)護(hù)制度

（1）CO2養(yǎng)護(hù)：試件拆模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行CO2養(yǎng)護(hù)（溫、濕度分別為20 ±5 ℃和（70 ± 5）% ，CO2濃度和壓力分別（20 ±3）%和0.15 MPa，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室[6]。（2）高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)：試件拆模后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)（2 h內(nèi)溫度升至180 ℃，壓力升至10 MPa），保持3 h后自然冷卻，再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)[10]。再生混凝土試件經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、CO2養(yǎng)護(hù)和高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)后試件編號分別為RAC-1、RAC-2和RAC-3。

1.3.2 新拌混凝土性能

參考《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2002），采用坍落度和含氣量測試新拌混凝土性能。

1.3.3 抗壓強(qiáng)度

依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）測試混凝土抗壓強(qiáng)度，試樣尺寸150 mm×150 mm×150 mm。

1.3.4 抗硫酸鹽侵蝕性能

經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、CO2養(yǎng)護(hù)和高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)后的試件，參考《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009），采用質(zhì)量損失率和抗壓耐蝕系數(shù)評價(jià)其抗硫酸鹽侵蝕性能：

式中：Kf—抗壓耐蝕系數(shù)，%；fcn—N次干濕循環(huán)后試件抗壓強(qiáng)度，MPa；fco—同齡期標(biāo)養(yǎng)試件抗壓強(qiáng)度，MPa。

式中：Km—經(jīng)N次干濕循環(huán)后試件質(zhì)量損失率，%；Mn—N次干濕循環(huán)后試件質(zhì)量，g；M0—干濕循環(huán)前試件質(zhì)量，g。

1.3.5 微觀結(jié)構(gòu)表征

（1）物相組成（XRD）：采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀分析混凝土在不同條件養(yǎng)護(hù)下，經(jīng)干濕循環(huán)后的物相組成，2θ角度范圍為8～50°，角度重現(xiàn)性為0.000 1°。（2）微觀形貌（SEM-EDS）：采用S-800型掃描電鏡觀察混凝土在不同條件養(yǎng)護(hù)下，經(jīng)干濕循環(huán)后的微觀形貌，試驗(yàn)前對試樣表面進(jìn)行噴Au處理，試驗(yàn)溫度為20 ℃[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

不同養(yǎng)護(hù)條件下，RAC 7 d和28 d抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見圖1。

圖1 養(yǎng)護(hù)條件對試件抗壓強(qiáng)度影響

由圖1可見：（1）3種養(yǎng)護(hù)條件下試件抗壓強(qiáng)度均隨RA替代率提高而降低，且當(dāng)RA替代率為50%時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)陡降。（2）CO2養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的試件較同齡期標(biāo)養(yǎng)條件下RAC抗壓強(qiáng)度高25%和10%左右；高溫蒸壓條件下，試件7 d和28 d抗壓強(qiáng)度較同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下試件高90%和-5%左右。結(jié)果表明，CO2養(yǎng)護(hù)條件可明顯提高混凝土抗壓強(qiáng)度，且前7 d增長幅度很大，28 d增長幅度變緩。因?yàn)镃O2養(yǎng)護(hù)條件下，水泥水化產(chǎn)物CH與CO2反應(yīng)生成CaCO3，增加結(jié)構(gòu)密實(shí)度，故試件抗壓強(qiáng)度有所提高，隨養(yǎng)護(hù)齡期增長，CO2含量變少，試件強(qiáng)度增長變緩[6]。高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)前7 d混凝土中水泥顆?？焖偎蕴峁┰缙趶?qiáng)度，隨養(yǎng)護(hù)不斷進(jìn)行，水泥水化產(chǎn)物分散性較差，導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)疏松，故試件28 d抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低[10]。

2.2 抗硫酸鹽侵蝕性能

不同養(yǎng)護(hù)條件對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能影響試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 養(yǎng)護(hù)條件對試件抗硫酸鹽侵蝕性能影響

由圖2可見：（1）RAC在前50次干濕循環(huán)作用下，質(zhì)量損失率出現(xiàn)小幅降低（質(zhì)量增加），當(dāng)干濕循環(huán)作用次數(shù)超過50次時(shí)，試件質(zhì)量損失率急劇增加。因?yàn)楦蓾裱h(huán)作用次數(shù)小于50次時(shí)，對混凝土損傷作用較小，僅少數(shù)骨料和砂漿剝落，隨干濕循環(huán)次數(shù)增加，試件侵蝕破壞嚴(yán)重，質(zhì)量損失率增大。干濕循環(huán)次數(shù)對試件抗壓耐蝕系數(shù)影響和質(zhì)量損失率變化規(guī)律類似，呈現(xiàn)先降低后增加趨勢，因凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，硫酸根離子與CH反應(yīng)生成少量腐蝕產(chǎn)物，填充試件內(nèi)部孔隙，小幅增加試件強(qiáng)度所致[12]。（2）當(dāng)RA替代率相同時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相比，CO2養(yǎng)護(hù)的混凝土經(jīng)150次干濕循環(huán)后，試件質(zhì)量損失率和抗壓耐蝕系數(shù)大幅降低，而高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下，試件損失率和抗壓耐蝕系數(shù)出現(xiàn)增長。結(jié)果表明，CO2養(yǎng)護(hù)可改善RAC抗硫酸鹽侵蝕性能，而高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能有不利影響。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 物相組成

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、CO2養(yǎng)護(hù)和高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)28 d的RAC-1、RAC-2和RAC-3，經(jīng)干濕循環(huán)150次后物相組成見圖3。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土物相組成

由圖3可見：（1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的NAC和RAC主要包含AFt、CH和少量石膏等產(chǎn)物，因試件在硫酸鹽長期侵蝕環(huán)境下，擴(kuò)散到RAC內(nèi)部的硫酸根離子與水泥水化產(chǎn)物CH反應(yīng)生成石膏和鈣礬石等產(chǎn)物[12]。（2）CO2養(yǎng)護(hù)下的再生混凝土（RAC-2）內(nèi)部存在大量AFt和方解石，而CH含量相對減小，因CO2養(yǎng)護(hù)條件下，水泥水化產(chǎn)物CH與CO2反應(yīng)生成CaCO3[6]。（3）高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)條件下的再生混凝土（RAC-3）內(nèi)部存在較多水泥水化產(chǎn)物AFt和CH。

2.3.2 微觀形貌

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、CO2養(yǎng)護(hù)和高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的RAC-1、RAC-2和RAC-3，經(jīng)干濕循環(huán)150次后微觀形貌見圖4。

由圖4（a）、（b）和（d）可見，與RAC-100-1相比，RAC-100-2結(jié)構(gòu)更為致密，而RAC-100-3內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水化產(chǎn)物結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。由圖4（c）和（d）可見，高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)7 d的再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為致密，而高溫養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)，RAC內(nèi)部出現(xiàn)大量孔隙和水化產(chǎn)物產(chǎn)物分布極不均勻現(xiàn)象。這是因?yàn)镃O2養(yǎng)護(hù)條件下，水泥水化產(chǎn)物CH與CO2氣體發(fā)應(yīng)生成CaCO3填充于混凝土內(nèi)部孔隙，增加其密實(shí)度[6]。而高溫蒸壓前期水泥顆?？焖偎瘜?dǎo)致水化產(chǎn)物來不及分散，故高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)后期，RAC內(nèi)部出現(xiàn)大量水化產(chǎn)物結(jié)團(tuán)現(xiàn)象[10]。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土微觀形貌

3 結(jié)語

通過調(diào)整RA替代率制備出C40混凝土，研究標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、CO2養(yǎng)護(hù)和高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)條件對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能影響，并利用XRD和SEM-EDS分析其物相組成和微觀形貌。（1）與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件相比，CO2養(yǎng)護(hù)養(yǎng)護(hù)前7 d，RAC抗壓強(qiáng)度大幅增長，而養(yǎng)護(hù)至28 d，試件抗壓強(qiáng)度增長幅度變緩。高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)前7 d，試件抗壓強(qiáng)度猛增，養(yǎng)護(hù)后期試件抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)降低現(xiàn)象。（2）CO2養(yǎng)護(hù)可一定程度改善RAC抗硫酸鹽侵蝕性能，而高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)對RAC抗硫酸鹽侵蝕性能有不利影響。為提高RAC抗硫酸鹽侵蝕性能，建議采用CO2養(yǎng)護(hù)試件。（3）CO2養(yǎng)護(hù)后的RAC，經(jīng)150次干濕循環(huán)后，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密。高溫蒸壓養(yǎng)護(hù)前7 d，RAC內(nèi)部水化產(chǎn)物豐富，而養(yǎng)護(hù)至28 d后，RAC內(nèi)部孔隙較多，水化產(chǎn)物出現(xiàn)結(jié)團(tuán)。