【摘 要】 通过分析大量文献,对再生混凝土耐久性方面的试验研究进行了较全面的综述和分析并且提出了改进措施。分别从抗碳化性、抗冻融性、抗渗性及氯离子渗透性、抗硫酸盐侵蚀性、抗磨性及抗火性能方面进行了分析。分析结果表明,再生混凝土的耐久性较普通混凝土差。但是,其耐久性可通过采用二次搅拌方法、采用半饱和面干状态的再生骨料、掺加粉煤灰或矿渣等活性掺和料和添加外加剂等措施得到改善。最后,提出进一步研究的问题。
【关键词】 再生骨料; 再生混凝土; 耐久性; 改进措施
【中图分类号】 TU52811 【文献标识码】 A
随着国家现代化的逐步实现,许多老式建筑的使用功能已经不能满足现代要求。再加上一般水泥结构建筑物都只有几十年的设计使用寿命,当达到设计使用寿命时,此建筑一般要拆除。因此造成大量建筑垃圾的出现,目前我国的废弃混凝土量已经超过115亿吨。如果直接将这些建筑垃圾遗弃,一方面将极大污染环境,另一方面也是资源的极大浪费。若把这些废弃的混凝土通过一定的处理再加以利用不但减轻了环境负担而且节约了资源。这也符合当今国家提出的可持续发展方针。国外学者首先提出了再生混凝土概念并进行了积极的研究与开发应用[ 1 ]、[ 2 ] 。近年来,国内的专家学者也开始进行这一领域的研究工作[ 3 ]、[ 4 ] ,在再生骨料的基本性能及强化、再生混凝土的配合比设计、物理力学性能等方面进行了一些研究。研究表明通过再生骨料强化,以合理配合比浇筑的再生混凝土在强度上完全可以代替普通混凝土。现代建筑设计对结构耐久性方面非常重视,也就是说只要再生混凝土的耐久性满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广泛应用到建设中去。
本文通过分析大量国内外文献,全面介绍了国外关于再生混凝土耐久性的最新研究进展,主要从抗碳化性、抗冻融性、抗渗性及氯离子渗透性、抗硫酸盐侵蚀性、抗磨性及抗火性能方面进行了分析并提出改进措施。最后,为了促进国内关于再生混凝土的进一步研究与工程应用,建议了关于再生混凝土耐久性需要进一步研究的内容。
1 再生混凝土概念
再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete, RAC)简称再生混凝土。一般将废弃混凝土经过多道筛分、破碎、清洁工艺组合与分级后,并按一定比例混合后形成的骨料称为再生混凝土骨料(Recycled Concrete Aggregate, RCA)简称再生骨料;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。相对于再生混凝土而言,用以生产再生骨料的原始混凝土称为基体混凝土(original concrete) ,有人也称之为原生混凝土。
再生骨料的强度较天然骨料强度较低,堆积密度和表观密度较低,杂质含量较高,并且含有大量微裂缝,导致再生混凝土的空隙率增大,吸水率高。所有这些特性导致再生骨料混凝土与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。
2 再生混凝土耐久性
2.1 再生混凝土的碳化
空气中的CO2 通过混凝土中的毛细孔隙,由表及里地向内部扩散,在有水分存在的条件下,与水泥石中的Ca(OH) 2反应生成CaCO3 ,使混凝土中Ca(OH) 2 浓度下降,并且使其成分、组织和性能发生变化,称之为混凝土的碳化(或中性化) 。碳化与混凝土结构的耐久性密切相关,是衡量钢筋混凝土结构构件耐久性的重要指标。
SalomonM1Levy和Paulo Helene[ 5 ]对再生混凝土的碳化性能进行了试验研究。再生混凝土试件中再生骨料取代率分别为: 0, 20% , 50%和100% ,配制与普通混凝土有相同抗压强度的再生混凝土。试验结果表明取代率为20%和50%的再生混凝土碳化深度相对减小。作者认为出现此结果是由于要配制与普通混凝土同抗压强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,从而提供了更高的碱性环境阻止了碳化的发展。Nobuaki Otsuki等人[ 6 ]也进行了试验。再生混凝土试件和普通混凝土试件置于CO2 浓度为10% ,温度为40℃,相对湿度为70%的环境中28d。试验结果如图1所示,可看出再生混凝土碳化深度随着水灰比增加而增大,同一水灰比下, 再生混凝土的碳化深度略大于普通混凝土。崔正龙和杨力辉等人[ 7 ]的试验以100%再生骨料替代天然碎石和砂子制备再生混凝土试件, 在CO2 浓度为(5 ±012) %的试验箱里促进中性化26周。文中绘制了中性化深度- 龄期曲线如图2。从图中可看出100%全再生混凝土与普通混凝土试件相比,抵抗中性化能力差,中性化几乎以3倍的速度增长。综合以上研究成果,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;而同抗压强度的再生混凝土,则骨料取代率小于100%情况下则好于普通混凝土。
2.2 再生混凝土的抗冻融性
混凝土的抗冻性,是指混凝土在水饱和状态下能经受多次冻融作用而不破坏,同时也不严重降低强度的性能。混凝土的抗冻性通过测定强度损失率或重量损失率、抗冻融指数(相对动弹性模量变化)等抗冻指标来反映。这种性能对地处寒冷地区的混凝土建筑尤其重要。
A1Gokce等人[ 8 ]进行了再生混凝土的冻融试验。试验中采用的再生骨料是试验前水灰比为0.45 的条件下配制的,并在室外环境下放置一年。再生骨料分为无引气剂和添加引气剂两种。所配制再生混凝土试件添加引气剂。试验在再生混凝土养护28d后进行,试件尺寸为: 100 mm ×100mm ×400 mm。试验结果如图3。可以看出利用无引气剂再生骨料配制的再生混凝土抗冻融性比较差。而利用添加引气剂再生骨料配制的再生混凝土表现出非常好的抗冻融性。Roumiana Zaharieva等人[ 9 ]就抗冻融性方面与普通混凝土进行了比较试验,结果表明再生混凝土的抗冻性能相对较差。张雷顺等人[ 11 ]进行了类似试验。试件为100 mm ×100 mm×400 mm的棱柱体,试验过程中试件处于全浸水状态,温度控制在( - 17 ±2) ～ (8 ±2) ℃。试验选用普通法、预湿水法和增浆法三套配合比设计方案,通过冻融前后质量、动弹性模量和强度的对比研究,并与天然骨料混凝土作对比。结果发现,加入引气剂后再生混凝土能达到甚至超过天然混凝土的抗冻性能,其中增浆法配制的再生混凝土的抗冻融性能最好,降低水灰比会提高抗冻性能。崔正龙等人[ 10 ] ,覃银辉等人[ 12 ]的试验结果证明未添加任何外加剂的再生混凝土的受冻性能不及普通混凝土。综合以上研究成果,未添加外加剂的再生混凝土的抗冻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缝。
2.3 再生混凝土的抗渗性及氯离子渗透性
混凝土的抗渗性是指其抵抗压力水渗透作用的能力。抗渗性是混凝土的一项重要性质,除关系到混凝土的挡水及防水作用外,还直接影响混凝土的抗冻性及抗侵蚀性等。氯化物对钢筋混凝土结构来说是一种最危险的侵蚀介质,如果钢筋表面的孔溶液中氯离子浓度超过某一定值时,钢筋表面的钝化膜将遭到破坏而使钢筋局部酸化,加快其锈蚀率。
F. T. Olorunsogo和N1Padayachee[ 13 ]对再生混凝土的渗透性及氯离子的渗透性进行了试验研究。试件骨料取代率为: 0.50%和100% ,水灰比为0.5。在养护3d, 7d, 28d和56d进行渗透性指标测试。结果表明再生混凝土的耐久性随着再生骨料取代率的增大而降低,但是随着养护时间增加,其性能也逐渐改善。在56d的龄期时, 100%再生骨料浇筑的再生混凝土与普通混凝土相比,氯离子渗透指标和吸水性分别增加86.5% 和28.8% , 而氧渗透指标(OPI) 下降10.0%。对于50%再生骨料浇筑的再生混凝土, 56d龄期时的氯离子渗透指标和吸水性比3d龄期时分别下降62.7%和42.7% ,而氧渗透指标(OPI)增加37.6%。可以看出再生混凝土的抗氯离子渗透性比普通混凝土差。
与普通混凝土的氯离子渗透性,见图4。结果显示同一水灰比下再生混凝土的氯离子渗透深度较普通混凝土略大,并且氯离子渗透深度随着水灰比增加而增大。吴红利和宋少民[ 14 ]的试验结果得出同样结论。并且发现在较高水灰比条件下,随着再生骨料掺量的增加,氯离子扩散系数也随之增加,但在水灰比较低的情况下,再生骨料掺量的影响变得不大。孙浩等人[ 15 ]的试验也得出再生混凝土的抗气渗性较普通混凝土差的结论。从以上试验结果可以看出,再生混凝土的抗渗性较普通混凝土差,其主要原因是由于再生骨料本身含有很多裂缝并且部分包裹水泥浆,孔隙率较高,吸水率较大。
2.4 再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性
硫酸盐与混凝土中的水化硅酸钙如C3AH, Ca (OH) 2 和C - S - H凝胶发生化学反应,生成石膏和硫铝酸钙,产生体积膨胀,导致表层开裂。裂缝又助长了含有硫酸盐和其他离子的侵蚀水的渗透,进一步加速了混凝土的破坏,并且影响到水泥水化物的粘结性能,最终使混凝土瓦解。
Mandal S. 等人[ 16 ]对再生混凝土进行了抗硫酸盐侵蚀性研究。溶液包括两种,一为浓度为7.5%的Na2 SO4和MgSO4溶液;另一为pH = 2的H2 SO4溶液。结果表明,再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性略低于同水灰比的普通混凝土,这是由于再生混凝土的孔隙率高,抗渗性差的缘故。吴红利和宋少民[ 14 ]的试验结果表明加入粉煤灰的再生混凝土的抗硫酸盐的侵蚀性有很大的提高。
2.5 再生混凝土的抗磨性
受磨损、磨耗作用的表层混凝土要求有较高的抗磨性。混凝土的抗磨性不仅与混凝土强度有关,而且与原材料的特性及配合比有关。
Dhir等人[ 17 ]在这方面进行了试验研究。采用水灰比相同而再生骨料取代率不同的混凝土。结果表明, 再生骨料取代率低于50%时, 再生混凝土的磨损深度与普通混凝土差别不大。当取代率超过50%时, 再生混凝土的磨损深度随着再生骨料取代率的增加而增加。当再生骨料取代率为100%时, 再生混凝土的磨损深度较普通混凝土增加34%。孙清如和尹健[ 18 ]对掺复合超细粉煤灰再生混凝土进行了试验研究, 结果表明此种再生混凝土具有良好的耐磨性能。
2.6 再生混凝土的抗火性能
混凝土建筑物一旦发生火灾,其结构材料的强度和变形性能就会严重恶化,还将发生剧烈的内(应)力重分布,严重削弱结构的性能,危害结构的安全性。
肖建庄和黄运标[ 19 ]对再生混凝土的高温性能进行了研究。完成了不同再生粗骨料取代率( 0, 30% , 50% , 70% ,100% )的再生混凝土立方体试块在20℃～800℃下的高温试验。当再生粗骨料取代率为30%时,再生混凝土高温后的相对残余抗压强度比普通混凝土低;当再生粗骨料取代率为50%以上时,再生混凝土高温后的相对残余抗压强度整体上比普通混凝土高,且随再生粗骨料取代率的增大而提高。最后给出再生混凝土高温后残余抗压强度的估算公式:
RC - 30的回归方程
3 提高再生混凝土耐久性的措施
3.1 合理选择再生骨料的粒径并强化再生骨料
吴红利和宋少民[ 14 ]研究表明减小再生骨料的最大粒径,可以提高再生混凝土的抗渗、抗碳化等耐久性指标,同时有助于减少再生混凝土的收缩。再生骨料的最大粒径建议使用16 mm。张宏达[ 20 ]总结了再生骨料强化方法:化学方法、物理方法和化学与物理结合方法。
3.2 采用二次搅拌的方法
NobuakiOtsuki等人[ 6 ]通过试验研究得出采用二次搅拌的方法可以提高再生混凝土的强度、改善再生混凝土的抗氯离子渗透性和抗碳化性。根据试验结果表明采用二次搅拌法配制的再生混凝土氯离子渗透深度和碳化深度分别下降22.7%和12.3%。二次搅拌法的步骤如图5。
3.3 选择合适的水灰比
NobuakiOtsuki等人[ 6 ]研究发现减小水灰比可以改善再生混凝土的抗氯离子侵蚀性和抗碳化性。吴红利等人[ 14 ]的研究表明通过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强于同条件下的普通混凝土,建议再生混凝土的配合比设计时水灰比采用不高于0.36。
3.4 采用半饱和面干状态的再生骨料
OliveiraM.B等人[ 21 ]研究了再生骨料的含水状态对再生混凝土耐久性能的影响,试验采用的再生骨料的含水状态分别为完全干燥、饱和面干和半饱和面干。结果表明,采用半饱和面干状态的再生骨料后,再生混凝土的抗冻融性显著提高。
3.5 掺加粉煤灰或矿渣等活性掺和料
孙家瑛等人[ 22 ]对掺入矿渣、粉煤灰等活性掺合料的再生混凝土进行试验研究,结果表明再生混凝土的耐久性能得到明显改善。吴红利和宋少民[ 14 ]的试验结果表明加入粉煤灰的再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性有很大的提高。
3.6 添加外加剂
A1Gokce等人[ 8 ]试验研究表明添加引气剂可以明显改善再生混凝土的抗冻融性。
4 结 论
(1)通过以上试验分析得出,再生混凝土的抗碳化性、抗冻融性、抗渗性及氯离子渗透性、抗硫酸盐侵蚀性、抗磨性及高温性能均较普通混凝土弱,主要是由于再生骨料含有很多裂缝与水泥附浆、孔隙率和吸水率较高。再生混凝土耐久性好坏与再生骨料的取代率、自身性质、水灰比和添加料等因素有关。
(2)再生混凝土的耐久性可以通过减小再生骨料的最大粒径及强化、二次搅拌方法、降低水灰比、采用半饱和面干状态的再生骨料、掺加粉煤灰或矿渣等活性掺和添加外加剂等措施得到提高。
(3)关于再生混凝土的碱- 集料反应研究方面还是空白,为了能更好证明再生混凝土应用性,关于这方面的研究亟需展开。
