杜康武，魏 偉，蔡晨暉，孫 鑫，喬宏霞

(1.甘肅建投商品混凝土有限公司，蘭州 730060；2.蘭州理工大學，西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，蘭州 730050)

0 引 言

目前眾多學者對RAC的研究取得了一定的成果，關(guān)于硫酸鹽腐蝕環(huán)境對RAC性能的影響提出不同看法[2-4]。劉大慶等[5]探討了再生粗骨料(recycled coarse aggregate,RCA)取代率、水膠比對RAC力學性能和抗硫酸鹽侵蝕能力的影響，結(jié)果表明，隨水膠比的增大，抗壓及劈裂抗拉強度逐漸減小。當RCA質(zhì)量取代率70%、水膠比0.3時，抗硫酸鹽能力最顯著。耿歐等[6]通過RAC浸泡在NaCl-Na2SO4溶液、NaCl-MgSO4溶液的研究發(fā)現(xiàn)，氯鹽可以提高RAC抵抗硫酸鈉侵蝕能力，其中，NaCl質(zhì)量分數(shù)5%為最優(yōu)參數(shù)，而氯鹽對RAC抵抗硫酸鎂侵蝕能力無顯著影響。付騰歡等[7]采用0%、20%、50%及100%四種RCA取代率(替代天然骨料質(zhì)量)在干濕循環(huán)條件下對抗硫酸鹽腐蝕性能的影響，分析得出：和普通混凝土相比，RCA的摻入會使得混凝土抗硫酸鹽侵蝕能力減弱，且RCA摻量越高，負面效果越顯著。賈文亮等[8]也得到類似的規(guī)律，RAC在硫酸鹽腐蝕的作用下，劣化速率大于普通混凝土，且硫酸鹽干濕循環(huán)試驗后RAC表面砂漿剝落嚴重，部分骨料外露，經(jīng)100次干濕循環(huán)后已不能維持完整的形貌，并且RAC因骨料表面附著舊水泥砂漿，使得混凝土內(nèi)部存在較多的界面過渡區(qū)(interface transition zone,ITZ)，ITZ粘結(jié)較為薄弱，存在微小裂縫[9]，為腐蝕離子進一步浸入混凝土內(nèi)部提供了豐富的路徑，這使得硫酸鹽干濕循環(huán)過程中RAC的破壞過程和規(guī)律較為復(fù)雜，有必要進一步進行分析與研究。

鑒于此，本文通過硫酸鹽干濕循環(huán)試驗，以不同摻量的RCA和再生細骨料(recycled fine aggregate,RFA)來制備RAC，采集不同循環(huán)次數(shù)后的相對動彈性模量、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，并結(jié)合掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)對硫酸鹽侵蝕破壞機理進行研究。利用一元Wiener概率分布對其可靠度進行分析，并建立退化模型，預(yù)測其使用壽命，以期為硫酸鹽干濕循環(huán)作用下RAC的試驗研究提供有效參考。

1 實 驗

1.1 試驗材料

試驗中的原材料如下：水泥采取P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥；天然粗骨料(natural coarse aggregate,NCA)粒徑為5～20 mm，表觀密度2 670 kg/m3；天然細骨料(natural fine aggregate,NFA)選用河砂，細度模數(shù)為3.08；RA采用C60廢棄混凝土經(jīng)機械破碎、篩分后得到，表觀密度2 476 kg/m3，其中粒徑5～20 mm作為RCA，粒徑0～5 mm作為RFA，且均滿足GB/T 25176—2010《混凝土和砂漿用再生細骨料》的使用標準，骨料的各項物理性能見表1；水選用蘭州自來水；減水劑采用JW-IV萘系高效減水劑，減水率25%。

表1 骨料的各項物理性能指標Table 1 Various physical property indexes of aggregate

1.2 試驗方案

新拌混凝土的和易性受水膠比、骨料級配、骨料最大粒徑和骨料吸水率等因素的顯著影響。RCA由于其高吸水性能，比NCA需要更多的水(見表1)。為了達到相同的坍落度，一些研究者在混凝土攪拌前使用預(yù)浸RA[10]。雖然額外加水的量取決于RCA的吸水量，但在飽和表面干燥狀態(tài)下使用RCA對RAC性能會產(chǎn)生一定的負面影響。Matias等[11]在RAC拌制中采用添加減水劑，不需要增加更多的水來實現(xiàn)RAC所需的和易性。因此，在本研究中，通過添加高性能減水劑，以獲得預(yù)期的RAC和易性。為研究不同摻量下RCA和RFA受硫酸鹽干濕循環(huán)侵蝕的影響，設(shè)計每組3個試件，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，具體配合比和坍落度如表2所示。RAC制備24 h后拆模，標準養(yǎng)護28 d后依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行試驗，浸泡溶液濃度為5%(質(zhì)量分數(shù))的Na2SO4，使試件處于全浸泡狀態(tài)，每24 h完成一次循環(huán)。每10次干濕循環(huán)測其質(zhì)量及相對動彈性模量，為減小誤差，最終結(jié)果取3個試件的平均值。

表2 RAC配合比Table 2 Mix proportion of recycled aggregate concrete

1.3 試驗方法

RAC的相對動彈性模量和質(zhì)量損失率按式(1)和(2)計算：

(1)

(2)

式中：Pni為循環(huán)n次后第i個試件的相對動彈性模量；E0i、Eni為循環(huán)0次、n次后第i個試件的動彈性模量；wni為循環(huán)n次后第i個試件的相對質(zhì)量損失率；m0i、mni為循環(huán)0次、n次后第i個試件的質(zhì)量。

在硫酸鹽干濕循環(huán)試驗過程中，用一元Wiener概率分布評價RAC的退化趨勢，以硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)作為劣化因素，Pni和wni作為衡量指標[12]，建立可靠度函數(shù)。為使退化趨勢滿足一元Wiener概率分布，假定失效閾值為Df(Df>0)，其壽命(T)及可靠度函數(shù)F(t)見式(3)和(4)：

T=inf{t|X(t)=Df,t≥0}

(3)

(4)

式中：Df為失效閾值；t為時間;μ為漂移參數(shù)；σ為擴散參數(shù)。

期望和方差如式(5)所示：

(5)

對試件進行性能退化試驗，第i試件在初始時刻t0的退化指標記Xi0=0，則試件i在ti1,…,tim時刻性能退化指標為Xi1,…,Xim，當1

由性能退化指標推導出概率密度似然函數(shù)如式(6)所示：

(6)

式中：ΔXij為第i個試件在Δtij的性能退化量，Δtij=tij-t(i(j-1))。

其中μ和σ2的極大似然估計值如式(7)所示：

(7)

式中：Xim為第i個試件在m時刻的性能退化指標。

在t時刻試件的可靠度估計如式(8)所示：

(8)

2 結(jié)果與討論

2.1 RAC相對動彈性模量分析

圖1 RAC相對動彈性模量與硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.1 Curves of relative dynamic elastic modulus of recycled aggregate concrete and dry-wet cycles of sulfate

2.2 RAC質(zhì)量損失率分析

圖2 RAC質(zhì)量損失率與硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.2 Curves of mass loss rate of recycled aggregate concrete and dry-wet cycles of sulfate

2.3 RAC侵蝕形貌分析

圖3為硫酸鹽干濕循環(huán)后RAC的SEM照片。由圖3(a)可知，局部存在較為密實的石膏結(jié)晶產(chǎn)物；圖3(b)中出現(xiàn)相互搭接、疏松的網(wǎng)狀晶體結(jié)構(gòu)；圖3(c)發(fā)現(xiàn)蝕坑中存在大量的鈣礬石，并呈聚團現(xiàn)象，說明鈣礬石生成后，以局部放射狀聚集生長[13]；圖3(d)中生成大量疏松片層狀碎屑物；圖3(e)中試件在經(jīng)過硫酸鹽干濕循環(huán)后形成網(wǎng)狀片層結(jié)構(gòu)，且有較多的針狀晶體，主要以鈣礬石、C-S-H等晶狀體存在[14]；圖3(f)發(fā)現(xiàn)大量雜亂無序的針狀鈣礬石分布在孔隙和石膏表面。根據(jù)以上分析，試件經(jīng)過硫酸鹽干濕循環(huán)后，主要生成較多的鈣礬石晶體，具備較高的強度并產(chǎn)成膨脹應(yīng)力，以此加速RAC產(chǎn)生裂縫，直至破壞。

圖3 RAC在硫酸鹽干濕循環(huán)后的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of RAC after dry-wet cycles of sulfate

2.4 RAC可靠性分析

RAC硫酸鹽干濕循環(huán)試驗中，相對動彈性模量和質(zhì)量都可描述試件的劣化過程，但相對動彈性模量對環(huán)境變化的敏感度要優(yōu)于質(zhì)量損失[15]，能更好地反映試件損傷情況，因此，本文選取RCA摻量30%，RFA摻量15%的試件進行一元Wiener可靠性分析，其Pni如表3所示。

表3 相對動彈性模量損失Table 3 Loss of relative dynamic modulus of elasticity

表4 等間隔硫酸鹽干濕循環(huán)性能退化量Table 4 Degradation of equal-spaced sulfate dry-wet cycle performance

圖4 RAC可靠度曲線Fig.4 Reliability curve of recycled aggregate concrete

3 結(jié) 論

(1)隨硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同RA摻量下試件的相對動彈性模量先增大后減小，而質(zhì)量損失率則呈現(xiàn)為先下降后上升，其中RCA影響較為顯著。

(2)一元Wiener分布可較好地反映RAC處于硫酸鹽干濕循環(huán)作用下的退化過程，且與試驗結(jié)果相吻合，采用試件相對動彈性模量作為退化量是有效、可靠的，為RAC在硫酸鹽環(huán)境下的實際應(yīng)用提供很好的理論依據(jù)。

(3)通過對硫酸鹽干濕循環(huán)后的RAC進行SEM分析，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部生成較多針狀、絮狀和片狀等結(jié)晶物，這將產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力導致試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松、微裂縫擴張，最終被破壞。