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再生混凝土的力学性能及耐久性研究

FaridDebieba,b,*,LucCourardb,SaidKenaic,RobertDegeimbreb

a阿尔及利亚Médéa大学土木工程系lptrr实验室

b比利时Liège大学应用科学学院ArGEnCo部的GeMMe部门

c阿尔及利亚Blida大学土木工程系岩土材料实验室

摘要

在土木工程中，氯化物和硫酸盐的渗透对混凝土结构退化和结构耐久性具有重大影响。

本文调查了不同污染对碎混凝土集料力学性能和再生混凝土耐久性影响的情况。

先将天然骨料制成的混凝土（NC）板分别在水，海水，氯离子溶液和硫酸溶液进行预处理，再将它们粉碎得到纯净再生骨料和污染再生骨料（处理后）。

接着对天然骨料（NA）、再生骨料（RA）和由100%再生骨料（RA）制成的全新混凝土进行力学性能和耐久性能的分析，可以发现，受污染的再生骨料对氯化物比硫酸盐更加敏感，并且氯化物在水中会被迅速的淋溶浸出。

而在观察原有混凝土和新混凝土之间的性能时，发现它们有显著的差异性，这清楚地表明我们有必要对这些污染物进行研究。

关键词：

混凝土，再生骨料，污染，氯化物，硫酸盐，耐久性。

1.引言

在最近十年，利用拆建（C&D）废物作为生产再生混凝土的原料已经变得很常见了。

在欧盟每年生产的3000000000吨各种废物中，约有31%的废物来自拆建地区；它们主要包括沥青、混凝土和砖石。

拆建（C&D）废物的重新利用技术现在已经走出实验室，并代替方案越来越多的用于工业中。

亨德里克斯（Hendricks）说，目前使用再生骨料制造的混凝土和砖块在欧洲分别占近11%和10%，并估计在2015年这些产品份额将增加至15%和14%。

此外，由于大多数西方国家发布与应用新标准与规范，导致了环境法规的升级和天然骨料生产成本的增加。

然而，混凝土的回收必须在特定的环境下进行粉碎和处理。

在实践中，RA会被各种来源的积极离子所污染，比如除冰盐，污水处理厂或海水中的氯化物和硫酸盐离子。

这些污染物可能会影响新旧混凝土的性能以及会加速自身的降解过程。

许多调查都对使用再生骨料（RA）制成的再生混凝土（RC）的性能进行了研究。

然而，大多数这些研究仅集中于力学性能并没有考虑到再生骨料可能受到的污染。

这就是为什么这个研究项目定义为：

研究和分析这些类型的侵蚀对混凝土（由100%的受污染再生骨料制成的）力学性能和耐久性的影响。

这个实验反映出了天然骨料和再生骨料（纯净和污染）在物理，化学和力学方面各自的特点。

在经28天养护龄期后，对它们的抗压强度和抗折强度以及弹性模量进行评估和比较，同时也对氧渗透，吸水性，孔隙率，冻融性和耐腐蚀等方面进行了测量和分析。

2.实验工作

2.1.材料

实验所用水泥型号是比利时工业波特兰水泥CEMⅠ52.5N，布莱恩细度为385m2/kg，密度为3130kg/m3，在28天养护龄期后的平均抗压强度为64MPa。

配置4组不同粗细的石灰石碎石用于混凝土混合比的设计（粗天然骨料（NG）：

2/7mm，7/14mm，14/20mm和细天然骨料（NS）：

0/2mm）。

将在实验室制造的（100%由天然粗细骨料制成）小混凝土板（365×265×100mm）一部分进入受污染的溶液中，一部分暴露在空气中，观察它的吸水性；用三种受污染的溶液对试样进行处理。

（氯化物：

NaCl-5%（Cl），硫酸盐：

MgSO4·7H2O-5%（Su），海水（Sw））经过一年的处理后，将混凝土板粉碎，分别用来制造纯净再生骨料（VRA）和受污染再生骨料（CRA）。

经过这样的处理，通过观察沉浸在溶液中混凝土因毛细吸收产生的侵蚀来模拟在实际的构造及道路基础设施中混凝土的老化情况。

（图1）为了加速混凝土的老化过程，定期反转混凝土板（每月一次）。

制作实验溶液的溶剂是pH值为7.9不含杂质的立即饮用水。

先用颚式破碎机进行最初粉碎，然后再将进行第二次的粉碎撞击。

制造另外三组再生骨料（粗再生骨料（RG）：

4/14mm，14/20mm和细再生骨料（RS）：

0/4mm）用于混凝土配合比的设计。

2.2.配合比设计

对五组由相同颗粒骨架和相同水泥制成的试样分别进行测验（图1）。

用细天然骨料和粗天然骨料制造天然混凝土。

用纯净再生骨料代替天然骨料制成再生混凝土（RC-VRA）；用受氯化物处理的受污染再生骨料制成再生混凝土（RC-Cl）；用受硫酸盐处理的受污染再生骨料制成再生混凝土（RC-Su）；用受海水处理的受污染再生骨料制成再生混凝土（RC-Sw）（图2）。

图1混凝土板的污染过程

天然混凝土颗粒配合比是根据比利时工业水泥研究中心（CRIC）规范设计的，而再生混凝土的配合比是根据法国配合比设计规范指定的。

为了它们能在同一基础上进行对比，我们根据规定限制了混合物的含量。

因为配合比设计是在干燥粗骨料情况下下设计的，因此粗骨料中不含任何水分，所以在使用前将它浸入水中和受污染的溶液中（Cl,、Su、Sw）24小时。

表1给出了配合比设计。

表2给出了在5分钟内混凝土的混合过程。

2.3.测试程序

新旧混凝土力学性能和物理性能的测定是根据欧洲标准（表3）。

此外，根据比利时标准NBNB15-257,NBNB61-201和NBNB15-256，用电位滴定法和重量法分别对氯离子和硫酸根离子浓度进行了测量。

在拆模前，试样需在实验室条件下保存（25±5℃，相对湿度55±5%），并且为了避免水分蒸发，用塑料薄膜覆盖其表面。

24小时后拆模（28天后测量样本

图2再生骨料和再生混凝土的生产过程

强度和弹性模量，8个月后测量其他数值）并储存气候室中（20±2℃，相对湿度95±5%）。

每组实验都准备了三个试样。

渗透测试是由欧洲工业水泥协会的的一位渗透专家进行的，测量明显渗透压系数（Kapp）。

根据Klinkenberg概念，计算内在气体渗透系数（Kint）。

表1配合比

表2搅拌过程

毛细现象实验按图3进行。

将试样较低的一侧浸入水中，定期对试样进行清理和称重。

将最初一小时的吸水量定义为最初吸水性（kg/m2），将1到24小时“每表单元吸水量与时间平方根”曲线的斜率定义为吸水性（kg/m2h0.5）。

将清洁的试样制品全部浸入水中，借此进行对孔隙度进行具体测量。

腐蚀敏感性分析是通过一个叫做“半电池电位”电化学技术进行的。

实验用普通便携式半电池对电位之间进行各种测量。

将参考电极铜/硫酸铜（Cu/CuSO4）放在钢筋混凝土梁的一个纵向表面上（最好成塑），钢筋插入混凝土内，灵敏度可以通过电压值进行评估。

为了评价抗冻性，对在水中处理已饱和的试样进行14个冻结-解冻周期实验（24小时1周期，温度-15℃到±15℃）。

然后通过目视检查和质量损失来对试样抗冻性进行评估。

表3测试内容

图3吸水性实验

3.结果与讨论

3.1.骨料的物理性能和力学性能

图5为天然骨料和再生骨料的筛分曲线，表4列出了天然骨料和再生骨料的物理和力学特性。

粗天然骨料和粗再生骨料在粒度级配分部上是一样的，但是再生砂比天然砂（由粗砂和小部分中砂组成）粗（图5）。

同样的，细天然骨料中细骨料（<80μm）的成分比细再生骨料所含的要高。

再生骨料与天然骨料相比，再生骨料的体积密度较低，吸水性高，这是因为再生骨料中含有高吸水性的煤矸石砂浆。

它的硬度小于天然骨料，但是所有Los-Angeles的值（平均35%）仍然是可以接受的（允许极限值为40%）。

再生骨料的形状是很不规则的。

通过视觉观测可以看出再生骨料的表面粗糙有裂纹，而天然骨料的表面则比较光滑，这证明再生骨料的孔隙率较高。

天然骨料的立方体系数比再生骨料高。

图4半电池电位实验

图5天然骨料和再生骨料级配（S=沙子，G=骨料）

3.2.集料性能

试样经过一年的各自处理后（氯化物，硫酸盐，海水），其含有的氯化物（Cl%）和硫酸盐（Su%）的平均值列在表5中。

实验结果证明混凝土板受到高度的污染。

天然混凝土（NC）中氯化物和硫酸盐的含量是不可忽略的，产生这种现象的原因可能是天然骨料和水泥砂浆中含有一定量的氯化物和硫酸盐。

欧洲标准EN206:

2001规定了天然混凝土，天然骨料和水泥砂浆中氯化物的含量分别不能超过1%，0.4%，0.2%。

瑞士标准SIA162/4规定氯化物在钢筋混凝土和预应力混凝土中含量分别不能超过0.12%和0.03%（主体混凝土质量）。

表6列出了在天然骨料、纯净再生骨料和受污染再生骨料中氯化物、硫酸盐的含量。

这些数值是取2组试样测量的平均值（取试样骨料约200克）。

表4物理和力学性能

表5受污染混凝土板中氯化物和硫酸盐平均值

表6骨料中氯化物和硫酸盐含量

我们可以看出受污染再生骨料中含有大量的氯化物，而纯净再生骨料中则含有大量的硫酸盐。

在对细骨料和粗骨料所含氯化物和硫酸盐含量的测定中，发现细骨料中的含量高于粗骨料中的含量。

产生这种现象的可能原因是细骨料中含有大量的水泥砂浆并且沙子中含有水泥颗粒。

根据一些标准规范，再生骨料中氯化物的最高含量为0.06%，根据法国标准（NFP18-541），RILEM和欧洲标准化委员会规范的规定，再生骨料中硫酸盐最高含量（SO3）分别为0.15%和1%。

通常使用混凝土结构、混凝土道路、砌体建筑和建筑废物生产的再生骨料中含有一定量的硫酸盐（SO3含量为0.3-0.8%），他们大部分和水泥中氢氧化物结合在一起，并且对砂浆和水泥不会产生任何明显的膨胀现象。

对于氯化物，我们已经确定他没有连接和加固硬化水泥结构的作用。

这一观察结果的重要意义在于，由于离子扩散作用，扩散的氯离子会腐蚀钢筋混凝土中的钢筋。

事实上，经氯化物处理（污染）的粗再生骨料在全部浸泡水中15天后，氯化物的含量减少了96%，最后的含量与天然骨料中氯化物含量差不多。

减少的这部分氯化物是自由氯化物，它并没有与水泥结合形成其他不可溶氯化物。

所以经过适当的浸泡可以除去它们。

因此在使用再生骨料前，它的氯化物含量是很明显需要测量的。

另外，在进行彻底清洗或浸泡至少2周后，浸出氯化物溶液可以用来清洗再生骨料。

这样在混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土中使用再生骨料时也不会有腐蚀的危害。

当骨料进入水中时，观察它的浸出总量。

为了确保相同的污染程度，在制作再生混凝土配料时，再生骨料不能放入水中浸湿，而要放入相同的污染溶液浸湿。

这样就减少了每组骨料之间污染量的差异。

图6粗再生骨料进入溶液后氯化物含量变化（在含有丰富氯化物溶液浸泡）

图7混凝土的抗炎强度、抗折强度和弹性模量

3.3.混凝土性能

3.3.1.新拌混凝土

再生混凝土的密度（7%）比天然混凝土低。

此外，单独观察再生混凝土发现，再生混凝土混合时间超过30s，这可能是由于配合前，在溶液中浸泡时携带的水分所造成的。

3.3.2.力学性能

抗压强度（Rc）、抗折强度（Rt）和弹性模量（E）的变化可以从图7看出。

再生混凝土的机械性能比天然混凝土的机械性能低（Rc低40%，Rt低19%E低38%）。

研究人员从这些具有可对比性的结果中发现，用再生骨料制成的再生混凝土在力学性能方面降低了约24-35%。

在28天的养护龄期后，受不同污染的再生骨料在这些性能方面没有显著的区别。

图8再生钢筋混凝土梁半电池电位电压

3.3.3.硬化混凝土的物理特性

3.3.2.1.透氧性结果证明再生混凝土透氧性比天然混凝土好，即使再生混凝土的透氧性是天然混凝土的近2倍，但是它还是很低的，并且基本保持不变。

这一结果与Wainwrightetal.的结果是一致的。

Quebaud同样发现再生混凝土和天然混凝土的透氧性是接近的，但是当再生骨料含量超过46%时，再生混凝土透氧性是天然混凝土透氧性的2倍。

从这个实验结果我们可以得出结论，试验中再生混凝土透氧性的增加是因为含有高比例（100%）的再生砂。

不同的污染类型对再生骨料透氧性没有显著的影响，多孔的混凝土纹理对再生混凝土透氧性的影响很大。

相比较于再生骨料的化学成分而言，水泥砂浆的影响特别明显。

3.3.2.2.吸水性毛细吸水实验和最初吸水试验的结果表明：

再生混凝土和天然混凝土毛细吸水实验结果是相似的。

然而，再生混凝土比天然混凝土表现出更高的水分吸收率，这主要是它所含再生骨料的比例很高，尤其是因为再生骨料中含有吸水能力很强的再生细骨料。

因为细骨料具有多孔结构，所以它的吸水能力很强。

在最初吸水性试验中，再生混凝土吸水率是天然混凝土吸水率的10倍。

这个结果证明了最初吸水率可以最为评价混凝土表面孔隙率的依据，同样可以作为再生混凝土的评价依据。

3.3.2.3.孔隙率根据孔隙率实验结果，相比天然混凝土而言，再生混凝土的孔隙度非常高（约2倍）这可能是由于再生骨料的孔隙度很高，而再生混凝土中再生骨料比例很高（100%）。

Katz也发现了类似的结果。

这种模式下，不同处理的再生骨料对再生混凝土孔隙率没有任何显著影响。

所有的再生混凝土都呈现相近为25%的孔隙率。

3.3.2.4.腐蚀敏感性普遍认为在水泥中含量仅为0.3%-0.5%之间甚至更低的氯化物成分会对混凝土产生腐蚀危害。

图8给出了用半电池电位实验测量再生钢筋混凝土梁的结果。

测量由经氯化物污染的粗细骨料制成的钢筋混凝土电压值为0.57V，由经硫酸盐污染的粗细骨料制成的钢筋混凝土电压值为0.35V，由经海水污染的粗细骨料制成的钢筋混凝土电压值为0.44V.根据ASTMC876-80标准，由经氯化物污染的骨料制成的混凝土中钢筋腐蚀率超过90%。

3.3.2.5.抗冻性在14次冻融循环后，通过视觉观察，发现试样混凝土没有明显的退化。

质量损失和吸水性的关系表明在任何时刻，再生混凝土的质量损失都不超过1%。

这些混凝土尽管有较高的孔隙率，但是有很好的抵抗冬季恶劣气候的性能。

这一结果已被Québaudetal.证实。

4.结论

从目前的调查可以得出以下结论：

1.再生混凝土比较轻，含有较多的水分并且含有相当数量的旧砂浆。

2.若将受氯化物污染的再生混凝土浸入水中时，氯化物会被浸出。

在彻底的清洗或在水中浸泡至少2个星期后，浸出的氯化物溶液可以用来清洗制造混凝土和钢筋混凝土的再生骨料，并且不会产生腐蚀危害。

3.在28天养护龄期后，混凝土的力学性能不受污染物的影响。

4.受污染再生骨料的耐久性主要受孔隙率和高吸水性的影响。

5.由受不同污染物处理的再生骨料制成的不同再生混凝土在孔隙度和渗透性方面没有显著区别。

而利用再生骨料诱导初始吸水性和孔隙度的提高不属于实验的污染处理方法。

6.尽管含有再生骨料的混凝土有较高的孔隙度，但是却具有良好的抗冻融能力。

7.氯化物的污染对混凝土耐久性有很巨大的影响，具体来说，是它对钢筋的腐蚀。

使用受污染的骨料则需要一个特定方法来确保足够低的氯离子和硫酸根离子浓度。

为了避免高浓度的情况，将它浸入水中是一个解决方案。

由于这些离子不与水泥的微观结构连结，因此它们容易从混凝土中被浸出。

但是对它们的具体测量和预防措施仍然是必须考虑的，尤其是骨料用于建造有污染危险的工程时，比如污水处理厂、道路基础设施或海底建筑。

而硫酸盐污染和二次形成钙矾石对混凝土造成的潜在危害则需要进一步研究。

外文生词

Mechanical

机械

durability

耐久性

properties

性能

concrete

混凝土

contaminated

污染的

Algeria

阿尔及利亚

Belgium

比利时

Chlorides

氯化物

Sulphates

硫酸盐

degradation

降解

penetration

渗透的

structural

结构

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调查

soaked

浸泡

leached

浸出

demolition

拆除

asphalt

沥青的

masonry

砌体

respectively

分别为

estimates

估计

degradation

降解

Compressive

抗压强度

flexural

弯曲

elasticity

弹性的

modulus

模量

Oxygenpermeability

透氧性

capillaryabsorption

毛细吸收

porosity,

孔隙率

freeze–thawing

冻结解冻

resistance

电阻

corrosion

腐蚀的

Portlandcement

波特兰水泥

Blainefineness

布莱恩细度

limestone

石灰石

immersion

浸没

simulate

模拟

infrastructures

基础设施

impurities

杂质

percussion

打击

fraction

分数

granular

颗粒

skeleton

骨架

potentiometric

电位

titration

滴定法

gravimetric

重量分析

evaporation

蒸发量

intrinsic

内在的

coefficient

系数

absorption

吸收

permeability

渗透性的

slope

边坡

curve

曲线

versus

与

half-cellpotential

半电池电位

reference

参考

electrode

电极

copper

铜

inspection

检查

grainsize

颗粒尺寸

bulk

大量的

density

密度

gangue

煤矸石

irregular

不规则的

Cylinder

圆柱

cone

锥

Prism

棱镜

Beam

梁

presence

存在

mortar

砂浆

voltmeter

电压表

Cumulative

累积的

leakage

泄漏

saturate

饱和的

dispersion

分散的

segregation

种族隔离

excess

多余的

variation

变异

ettringite

钙矾石

formation

形成