黏土砖再生混凝土抗氯离子渗透性试验研究

赵书锋

(开封大学土木建筑工程学院，河南开封475004)

摘要：试验研究了再生黏土砖粗骨料取代率、骨料强化、搅拌工艺、粉煤灰和硅灰单掺与复掺对黏土砖再生粗骨料混凝土抗氯离子渗透性能的影响。结果表明，随着再生骨料替代率的增加，再生混凝土抗氯离子渗透性能降低，替代率为0,30%，50%，70%，100%时，6 h通电量分别为2 090，2 596，3 207，3 989，5 182 C, 氯离子渗透等级由适中过渡到高；骨料强化处理和改善搅拌工艺能够提高再生混凝土抗氯离子渗透性能，再生骨料取代率在50%以下，经过二次包裹强化或者采用改良的搅拌工艺后，再生混凝土的抗氯离子渗透性能与普通混凝土已经接近；粉煤灰和硅灰单掺或复掺可以较大幅度改善再生混凝抗氯离子的渗透性能，硅灰效果优于粉煤灰，20%粉煤灰和10%硅灰复掺可以作为最佳掺量，6 h通电量为171 C，可以用来配置较高抗氯离子渗透性能的再生混凝土。试验结果为再生混凝土推广应用提供了有力依据。

关键词：再生粗骨料混凝土； 骨料强化； 粉煤灰； 硅灰； 氯离子渗透性能

中图分类号：TU 528.041

文献标志码：A

文章编号：1009-640X(2015)03-0108-06

Abstract：The influences of coarse aggregate replacement rate，coarse aggregate strengthening treatment with improved mixing， fly ash, silica fume on the resistance to the chloride ion permeability into the recycled coarse aggregate concrete are studied in this paper. The experiment results indicate that the resistance to the chloride ions permeability must decrease with the increase of a recycled aggregate replacement rate. When there are the replacement rates of 0，30%, 50%, 70% and 100%, 6 h electric charges are respectively 2 090, 2 596, 3 207, 3 989 and 5 182 C, with the chloride ion permeability level moving from the moderate to the high. Reinforcing the process of the concrete aggregate and improving the mixing process can improve the resistance to chloride ion permeability of the recycled concrete. As the recycled aggregate replacement rate is below 50%，the resistance to chloride ion permeability of the recycled concrete is close to that of the ordinary concrete after strengthening with twice packages or by improved stirring process. Mixing fly ash or silica fume alone or mixing both at the same time can significantly improve permeability resistance to the chloride ion into the recycled concrete， and the silica fume is better than fly ash in this respect. 20% fly ash admixed with 10% silica fume can be regarded as the best dosage, 6 h electric charge is 171 C, and the high-performance recycled concrete having higher permeability resistance to the chloride ion can be made up by this way. The experiment results would provide a strong basis for popularization and application of the recycled concrete in civil engineering.

随着工业化、城市化进程的加速，建筑业也同时快速发展，相伴而产生的建筑垃圾日益增多，中国建筑垃圾的数量已占到城市垃圾总量的1/3以上，其中既有废弃的混凝土，也有大量废弃的砖瓦和砌块，后者约占建筑垃圾总量30%~50%[1]，近年来很多学者对利用这些建筑垃圾生产再生骨料和再生混凝土开展了大量的研究，对废弃混凝土的利用已经形成一套完备的体系[2]；但是对于废弃砖瓦利用的研究还不多，主要集中在以废弃砖瓦为再生混凝土骨料的混凝土强度研究上，对于其耐久性的研究还比较缺乏。本文将对再生黏土砖粗骨料混凝土耐久性中的抗氯离子渗透性开展系统的试验研究，为工程实践提供参考。

1试验设计

表1　粗骨料的基本性能

选用河南省开封市建筑垃圾处理场提供的废弃黏土砖，经试验测定，强度可达到 MU10，表面整洁，人工破碎后用水冲洗。借鉴再生混凝土骨料及再生混凝土的强化处理方法，为改善粉粹后粗骨料性能，将其用同水灰比的水泥砂浆进行挂浆包裹强化处理，粒径级配 5~25 mm，基本性能见表1。

水泥选用河南孟电集团水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥，强度等级42.5。细骨料选用开封市河产中砂，细度模数2.9；天然粗骨料取自开封市某商品混凝土搅拌站，最大粒径为20 mm，连续级配的碎石。粉煤灰选自开封电厂的干排粉煤灰，表观密度2 050 kg/m3，0.045 mm 筛余量12.3%，属于Ⅰ级粉煤灰。硅灰选自郑州金石耐材有限公司，表观密度 2.11 g/cm3，比表面积21 520 m2/kg。试验所用混凝土的组成见表2。

表2　试验配合比

2试验方法

采用丹麦Germann PROOVE′it氯离子渗透率快速测定仪，依照ASTMC1202—97进行渗透性试验。将制作好的Φ100 mm×200 mm的试件进行28 d标准养护，用切割机切除经过标准养护的试件的顶部和底部，取中间Φ100 mm×50 mm圆柱试件用于抗氯离子渗透试验。按规定将试件进行3 h真空处理，并在真空状态下用蒸馏水浸泡18 h，取出试件去除多余水分，用密封胶密封后安装于电池试验槽中间。试验用溶液池两端分别注入3.0% NaCl溶液(与电源负极相连)和3.0% NaOH溶液(与电源正极相连)。在两电极间施加60 V直流电压，电流记录时间间隔设置为5 min，通过测量6 h持续通电量, 测试试件抗氯离子渗透性。

3试验结果分析

试验研究了黏土砖再生粗骨料混凝土骨料替代率、骨料强化、搅拌工艺以及单掺和复掺粉煤灰、硅灰对再生混凝土抗氯离子渗透性的影响，其性能评价见表3[3]。

表3　ASTMC1202对混凝土渗透性评价

3.1碎砖骨料替代率

试件编号B-0, B-1，B-2，B-3和B-4再生混凝土对应的6 h通电量分别为2 090，2 596，3 207，3 989和5 182 C。可见，黏土砖再生骨料混凝土抗氯离子渗透性能要低于普通混凝土，随着再生骨料替代率的增加抗氯离子渗透性能逐渐下降，但在替代率70%以下，通电量都在4 000 C以下属于抗氯离子能力适中，在再生骨料替代率分别为30%，50%，70%和100%情况下导电量分别增加24%，53%，90%和148%。这主要在于粉碎黏土砖骨料与天然的致密可忽略骨料渗透性的碎石相比具有较多的孔隙和裂纹[4-5]，这无疑给氯离子扩散提供了更多通道，虽然再生骨料的吸水作用可降低水灰比，对氯离子渗透有减弱作用，但二者交互作用仍然使得再生黏土砖骨料混凝土抗氯离子渗透性能不如天然碎石混凝土。

3.2再生骨料强化处理

图1　骨料强化对再生混凝土6 h通电量影响 Fig.1 Influences of coarse aggregate strengthening on 6 h electric charge

再生粗骨料本身的性质对混凝土的抗氯离子渗透性有着极大影响，采取水泥砂浆包裹粗骨料进行强化可在一定程度上增加其密实性，改善其抗氯离子渗透性能。本试验将破碎洗净的粗骨料用于混凝土相同配合比的水泥砂浆对其进行两次包裹强化处理，使水泥浆附着在粗细骨料表面，包裹后放置4~6 d经测定其含水率稳定后制作试块，并将其与未经强化处理的再生混凝土进行对比，结果如图1。再生粗骨料经表面强化处理后抗氯离子渗透能力明显增强，再生骨料替代率越高效果越明显。就二次包裹强化处理而言，在再生骨料替代率分别为30%，50%，70%和100%时，导电量分别降低19%，26%，40%和44%。50%替代率时再生混凝土骨料表面经强化处理后与普通混凝土抗氯离子渗透性能差别不大。

分析原因在于，黏土砖再生粗骨料由于其先天原因以及生产过程中会在内部产生细微裂隙，易形成多孔隙结构[6-7]，这将成为氯离子渗透的快速通道，导致再生混凝土抗氯离子渗透性能下降，因此其界面过渡区的处理非常重要；经过水泥砂浆包裹强化处理后的骨料其孔隙率将会明显降低，水泥砂浆对界面过渡区起到了很好的改善作用，骨料与新水泥浆之间黏结性能增强，从而提高了再生骨料混凝土的密实性，增强了其抗氯离子渗透性能。同时两次包裹强化对比后可以发现第一次包裹强化处理效果是最显著的，二次包裹改善效果不那么明显，主要在于再生骨料孔隙率经一次包裹后已明显降低，包裹次数再增加其对改善砖瓦骨料的微观结构和力学特性则很有限。

图2　搅拌工艺对再生混凝土6 h通电量影响 Fig.2 Influences of mixing technology on 6 h electric charge

3.3搅拌工艺改良

目前普遍采用的搅拌方法是先倒入砂子(或石子)再倒水泥，然后倒入石子(或砂子)，将水泥加在砂、石之间，加水后一起倒入搅拌筒中进行搅拌。这种搅拌方式会在骨料表面形成一层自由水膜，水泥与骨料的黏结被削弱，导致水泥浆体的作用得不到充分发挥，并且被砂石夹裹的水泥颗粒与水搅拌后会形成水泥团粒，一部分拌合水被包裹，不易被破坏，势必造成部分水泥不能充分水化而导致混凝土的抗氯离子渗透性降低。本文采取改进搅拌方法：将粗细骨料(再生骨料未经强化)浸水饱和拌匀，然后将全部水泥投入与砂石共同拌和，使水泥在砂石表面形成一层低水灰比的水泥浆壳，最后将剩余的水加入搅拌。采用此种搅拌工艺制作的试件与传统工艺制作的试件6 h通电量对比如图2。照此搅拌工艺生产的混凝土其抗氯离子渗透性能与骨料经两次强化处理后的相差不大，且更符合商品混凝土的生产工艺，不用额外增加工序。

3.4粉煤灰、硅灰混合料单掺

试验研究了水灰比为0.55情况下再生混凝土分别掺入10%，20%，30%，40%粉煤灰和5%，10%，15%硅灰的抗氯离子渗透性能。当分别掺入10%，20%，30%和40%粉煤灰时，再生混凝土的6 h通电量由2 596 C分别降至1 313，1 119，1 007和971 C，抗氯离子渗透等级由适中到低、很低，但当其掺量超过20%后变化趋势比较平缓。当分别掺入5%，10%和15%硅灰时，再生混凝土的6 h通电量由2 596 C分别降至366，266和199 C，抗氯离子渗透等级由适中到很低。这说明粉煤灰、硅灰再生黏土砖骨料混凝土具备极其良好的抗氯离子渗透性能；主要原因在于再生黏土砖骨料混凝土是一个极其复杂的多相体系，各组成材料之间有一定的空隙和不均匀性，粉煤灰、硅灰等活性混合料颗粒较细，能够填充空隙，一定程度上改善了各组成材料的颗粒级配[8]，进而促进水泥石更加密实。除此之外，混凝土抗氯离子渗透性好坏还与水泥的水化产物密切相关， C-S-H凝胶(硅酸凝胶)和Ca(OH)2晶体是最重要的两种晶体，C-S-H凝胶料细小，具有较大的比表面积，能与混凝土中天然粗细骨料以及再生骨料和没有发生水化水泥颗粒黏结好，Ca(OH)2晶体与其相比而言晶体比表面积小更加容易在粗骨料表面覆盖，而粉煤灰、硅灰中的活性成分SiO2,Al2O3能够与水泥熟料水化产物中的Ca(OH)2以及其他高碱性水化产物发生二次水化反应生成C-S-H凝胶(硅酸凝胶)，减少Ca(OH)2，这势必降低了混凝土界面过渡区的Ca(OH)2晶体含量，进一步增加结构致密性，使毛细孔通道得以有效延长，综上活性混合料能够有效增强黏土砖再生粗骨料混凝土的抗氯离子渗透性。

至于硅灰比粉煤灰效果更好，则是由于粉煤灰比表面积315 m2/kg，硅灰比表面积21 520 m2/kg，是粉煤灰的60多倍，硅灰中非晶态活性SiO2含量更是超过90%，这都导致硅灰颗粒填充效果和活性远远超过粉煤灰，故硅灰再生黏土砖粗骨料混凝土抗氯离子渗透性更加优于粉煤灰再生黏土砖粗骨料混凝土。

图3　粉煤灰、硅灰复掺6 h通电量影响 Fig.3 Influences of fly ash, silica fume admixture on 6 h electric charge

3.5粉煤灰、硅灰混合料复掺

硅灰效果虽然远远优于粉煤灰，但由于硅灰价格远高于粉煤灰，故实际工程中为了既保证优越的性能又能节省一定经费，经常考虑硅灰与粉煤灰、矿渣等复掺[9-10]。试验研究了5%和10%硅灰分别与10%，20%，30%粉煤灰复掺(图3)，粉煤灰与硅灰复掺6 h通电量有小到大排序为：10%粉煤灰5%硅灰、20%粉煤灰5%硅灰，30%粉煤灰5%硅灰，10%粉煤灰10%硅灰、20%粉煤灰10%硅灰、30%粉煤灰10%硅灰。由图3可知，综合考虑经济及其他因素可将20%粉煤灰10%硅灰作为最佳掺量，此时6 h通电量为171 C，与基准组B-1相比下降比例为93%，与单掺20%粉煤灰和10%硅灰相比下降比例分别为75%和32%。二元复掺良好效果来源于复合叠加活性效应以及二者颗粒级配的互补。虽然单掺10%硅灰已经可以取得比较良好效果，但掺入粉煤灰可进一步降低水泥水化热，早期收缩裂缝[11-12]，经济效益明显。

4结语

(1)黏土砖再生粗骨料混凝土抗氯离子渗透性能低于普通混凝土，随着再生骨料替代率的增加，其抗氯离子渗透性能下降。

(2)骨料强化处理和改善搅拌工艺能提高再生混凝土抗氯离子渗透性能，采用二次包裹强化处理或改善搅拌工艺时在30%再生骨料替代率情况下，再生混凝土与普通混凝土抗氯离子渗透性差别不大。

(3)单掺和复掺粉煤灰和硅粉时，随着矿物混合料的增加，再生混凝土抗氯离子渗透能力增强。从复掺效果看，5%硅灰与粉煤灰复掺时，效果与单掺硅粉时基本相当，掺20%粉煤灰和10%硅灰为最佳掺量，6 h通电量为171 C，可用来配置较高抗氯离子性能的再生混凝土。

参考文献：

[1]刘玉莲，曹明莉，张会霞. 再生混凝土耐久性研究进展[J]. 混凝土, 2013(4): 94- 97.(LIU Yu-lian, CAO Ming-li, ZHANG Hui-xia. A study of the durability of recycled concrete[J]. Concrete, 2013(4)：94- 97. (in Chinese))

[2]朱红兵，赵耀，雷学文，等. 再生混凝土研究现状及研究建议[J]. 公路工程，2013, 38(1)：98- 101.(ZHU Hong-bing, ZHAO Yao, LEI Xue-wen, et al. Current situation and suggestion on recycled concrete research[J]. Highway Engineering, 2013, 38(1): 98- 101. (in Chinese))

[3]王社良，景龙平. 砖含量对再生骨料性能影响的试验研究[J]. 混凝土，2011(2)：83- 88.(WANG She-liang, JING Long-ping. Experimental analysis of properties of recycled aggregates with different brick contents[J]. Concrete, 2011(2): 83- 88. (in Chinese))

[4]魏鹏，游劲秋，陈佳琨. 再生混凝土的研究现状与应用前景[J].浙江建筑，2008(11): 58- 56.(WEI Peng ,YOU Jing-qiu, CHEN Jia-kun. The research progress and application prospects of regenerated concrete[J]. Zhejiang Construction, 2008(11): 58- 61. (in Chinese))

[5] 严捍东, 陈秀峰. 废弃粘土砖再生骨料对混凝土性能的影响研究[J]. 四川建筑科学研究，2009, 35 (5) : 179- 182.(YAN Han-dong, CHEN Xiu-feng. Study on the effects of waste clay brick recycled aggregate concrete properties[J]. Sichuan Building Science, 2009, 35(5): 179- 182. (in Chinese))

[6]胡波，柳炳康，张李黎.再生混凝土氯离子渗透性能测试与分析[J]. 合肥工业大学学报: 自然科学版, 2009, 32(8): 1240- 1244.(HU Bo, LIU Bing-kang, ZHANG Li-li. Chloride ion permeability test and analysis for recycled concrete[J]. Journal of Hefei University of Technology, 2009, 32(8): 1240- 1244. (in Chinese))

[7]贾淑明，王建军,山水龙, 等. 再生骨料对混凝土性能影响研究[J]. 低温建筑技术，2014(8): 7- 17. (JIA Shu-ming, WANG Jian-jun, SHAN Shui-long, et al. Study on impact of recycled aggregate on the properties of concrete[J]. Construction Technology of Low Temperature，2014(8): 7- 17. (in Chinese))

[8]何智海,刘宝举.粉煤灰混凝土抗氯离子渗透性能的试验研究[J].粉煤灰综合利用,2007(4): 24- 27.(HE Zhi-hai, LIU Bao-ju. Experimental study on chloride ions penetration resistance of fly ash concrete[J]. Fly Ash Comprehensive Utilization, 2007(4): 24- 27. (in Chinese))

[9]李梅，温勇，张广泰，等. 矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述[J]. 材料导报，2013, 27(6): 101- 110.(LI Mei，WEN Yong，ZHANG Guang-tai，et al. An overview on influence penetration of mineral admixture on chloride ion resistance of concrete[J]. Journal of Materials, 2013, 27(6): 101- 110. (in Chinese))

[10]杨绿峰, 周明. 氯盐环境下混凝土耐久性多因素模型的试验研究及统计分析[J].水运工程, 2013(5)：55- 61.(YANG Lv-feng, ZHOU Ming. Multi-factors for durability of concrete under chloride environment based on experimental and statistical analysis[J]. Port and Waterway Engineering, 2013(5): 55- 61. (in Chinese))

[11]余自若，高康，安明结，等. 活性粉末混凝土微观结构及其对强度与抗氯离子渗透性能的影响研究[J]. 西安建筑科技大学学报, 2013，45(1)：31- 36.(YU Zi-ruo，GAO Kang，AN Ming-jie. Influence of micro-structure on the strength and resistance to chloride ion permeability of reactive powder concrete[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology of Construction，2013，45(1)：31- 36. (in Chinese))

[12]刘斌云，李凯，赵尚传. 复掺粉煤灰和硅灰对混凝土抗氯离子渗透性和抗冻性的影响研究[J]. 混凝土，2011(11)：83- 85.(LIU Bin-yun，LI Kai, ZHAO Shang-chuan. Study of effects on chloride resistance to ion penetration and frost of concrete mixed with fly ash and silica fume[J]. Concrete, 2011(11)：83- 85. (in Chinese))

Experimental studies on resistance to chloride ion permeability into recycled coarse aggregate concrete

ZHAO Shu-feng

(SchoolofCivilEngineering,KaifengUniversity,Kaifeng475004,China)

Key words： recycled concrete; coarse aggregate strengthening treatment; fly ash; silica fume; chloride ion permeability