再生混凝土的耐久性及其改善措施

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[摘　要] 在大量文献研究的基础上，本文较为全面地综述和分析了再生混凝土的耐久特征及其改善措施，主要包括再生混凝土的抗渗性、抗冻融性、抗硫酸盐侵蚀性、碳化以及氯离子渗透性和耐磨性。研究表明，总体来讲，再生混凝土的耐久性较普通混凝土差。但是，通过减小水灰比、掺加粉煤灰、采用二次搅拌工艺、减小再生骨料最大粒径和采用半饱和状态的再生骨料等措施可以改善再生混凝土的耐久性。最后，提出了关于再生混凝土耐久性需要进一步研究的问题。

[关键词] 　再生骨料；再生混凝土；耐久性；改善措施

1 　前言

利用废弃混凝土破碎加工而成的再生骨料(主要是再生粗骨料) 部分或全部代替天然骨料配制而成的新混凝土称为再生骨料混凝土，简称再生混凝土。再生混凝土技术可实现对废弃混凝土的循环利用，部分或全部恢复其原有性能，形成新的建材产品，不但解决了部分环保问题，而且最大限度的利用了资源，符合建筑业可持续发展战略，是发展绿色生态混凝土的重要措施之一。国外关于再生混凝土的研究始自二次世界大战以后，一些发达国家如前苏联、德国、日本、瑞典、美国等都进行了积极的研究与开发应用，取得了许多重要成果[ 1～2 ] 。近年来，国内的一些专家学者也开始关注这一领域的研究工作[ 3～6 ] ，在再生骨料的基本性能及强化、再生混凝土的配合比设计以及物理力学性能等方面进行了一些研究，但是关于再生混凝土耐久性研究方面仍属空白。

本文在大量文献分析研究的基础上，全面介绍了国外关于再生混凝土耐久性的最新研究成果，主要包括再生混凝土的抗渗性、抗冻融性、抗硫酸盐侵蚀性、碳化、氯离子渗透性以及耐磨性及其改善措施。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。

2 　再生混凝土的耐久性

2.1 　再生混凝土的抗渗性

影响混凝土耐久性的各种破坏过程几乎均与水有密切的关系，因此混凝土的抗渗性被认为是评价混凝土耐久性的重要指标。一般来讲，混凝土的抗渗性取决于孔隙的孔径大小、分布、形状、弯曲程度以及连贯性。B1C1S1J [7 ]通过试验研究了水灰比为015～017 ，坍落度为21cm的再生混凝土的渗透性，结果表明，再生混凝土的渗透性为普通混凝土的2 —5 倍而且试验结果较为离散。 Rasheeduzzafar 和Khan[8 ]比较了水灰比相同的再生混凝土与普通混凝土的渗透性，试验结果表明，再生混凝土的渗透性随水灰比的增大而增加。当水灰比较高时，再生混凝土的渗透性与普通混凝土差别不大；当水灰比较小时，再生混凝土的渗透性则约为普通混凝土的3 倍。Mandal 等人[9 ]的试验研究了相同配合比的再生混凝土与普通混凝土的渗透深度和吸水率，混凝土的水灰比为0.4 ， 水泥用量为360kg/ m3 。试验结果发现普通混凝土的渗透深度和吸水率分别为18mm 和4.1 %，而再生混凝土的相应指标为25mm和5.9 %，分别较普通混凝土增加了38 %和44 %，表明再生混凝土的抗渗性能较相同配合比的普通混凝土差。综合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孔隙率较高，吸水率较大。

2.2 　再生混凝土的抗冻融性

在寒冷地区，混凝土受冻融循环作用往往是导致混凝土劣化的主要因素。冻融循环还常和除冰盐共同作用，加剧混凝土劣化。混凝土的抗冻融性间接反映了混凝土抵抗环境水侵入和抵抗冰晶压力的能力，因此常作为混凝土耐久性的另一评价指标。混凝土的抗冻融性可以通过测量试件的抗冻耐久性指数DF(动弹性模量的变化) 、重量损失率等加以反映。

Malhotrah[ 10 ]和Buck[ 11 ]先后进行了不同水灰比再生混凝土的抗冻融性试验，研究结果表明再生混凝土的抗冻融性并不低于普通混凝土，有些情况下甚至优于普通混凝土。Coquillat[ 12 ] 、Rottler[ 13 ] 、Karaa[ 14 ]等人的试验也得出了类似的结论。但是，Nishibayashi 和Yamura[ 15 ]的试验则发现再生混凝土的动弹性模量和重量损失率均较普通混凝土降低很多，表明其抗冻融性较普通混凝土差。他们认为其原因是由于再生骨料吸水率较高。近年来，Salem 等人[ 16 ] 、Oliveira 和Vazquez[ 17 ]的试验也发现再生混凝土的抗冻融性较普通混凝土差。造成上述研究结果差别较大的原因可能来自于再生骨料性能的差异。

2.3 　再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性

水化作用产物，如C3AH ，Ca (OH) 2 和C - S - H 凝胶与硫酸盐反应后，将生成膨胀性盐，从而引起膨胀并导致表层开裂或软化。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，而且也影响到水泥水化物的粘结性能，最终影响到强度。

关于再生混凝土抗硫酸盐侵蚀性的研究较少。早期， Nishibayashi 和Yamura[ 15 ]在这方面进行了一些初步探索，试验采用100mm ×100mm ×400mm 的棱柱体试块，硫酸盐溶液为浓度为20 %的Na2SO4 和MgSO4 ，共进行了60 次循环。试验结果表明再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性较相同配合比的普通混凝土略差。近年来，Mandal 等人[ 9 ]又进行了这方面的研究， 试验采用试块为100mm ×100mm ×500mm 的棱柱体。溶液包括两种，一为Na2SO4 和MgSO4 溶液，其浓度为715 %；另一为pH= 2 的H2SO4 溶液。试验结果表明，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。Dhir 等[18 ]研究了再生粗骨料取代率分别为0 %、20 %、30 %、50 %和100 %的再生混凝土的抗冻融性。试验结果发现，当再生骨料取代率小于30 %时，再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性与普通混凝土基本相同：随着再生骨料取代率增加，再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性降低，但差别不大。

2.4 　再生混凝土的碳化

空气中的CO2 不断向混凝土内部扩散，导致混凝土孔溶液的pH 值降低，这种现象称为碳化。当混凝土的pH < 10 时， 钢筋的钝化膜被破坏，钢筋发生锈蚀，体积膨胀2.5 倍，混凝土开裂，与钢筋的黏结力降低，混凝土保护层剥落，钢筋面积缺损，严重影响耐久性。

B1C1S1J [ 7 ]研究了再生混凝土的碳化速度，并与相同配合比的普通混凝土进行了对比。试验条件为温度20 ℃，相对湿度60 % ，二氧化碳的浓度为20 % ，再生骨料由已碳化混凝土加工而成。试验结果表明，再生混凝土的碳化速度较普通混凝土高65 %。Dhir 等人[ 18 ]研究了强度等级分别为C30 和C35 ，再生骨料取代率不同的混凝土的抗碳化性能。试验结果表明当取代率低于50 %时，再生混凝土的碳化速度与普通混凝土相差不大；随着再生骨料的进一步增加，再生混凝土的碳化速度略有增加。Otsuki 等人[ 19 ]的试验也发现再生混凝土的碳化深度较普通混凝土略大，同时随着水灰比增加，再生混凝土的碳化深度增加。综合以上研究成果，可以得出结论，再生混凝土的抗碳化性能略差于普通混凝土，原因是再生混凝土的孔隙率高，抗渗性差。

2.5 　再生混凝土的氯离子渗透性

当混凝土中孔溶液的pH > 10 时，如果钢筋表面的孔溶液中氯离子浓度超过某一定值时，也能破坏钢筋表面的钝化膜， 使钢筋局部酸化，加快其锈蚀率。因此，氯离子渗透性对于混凝土的耐久性至关重要。

Otsuki 等人[ 19 ]研究了相同水灰比的再生混凝土与普通混凝土的氯离子渗透性，试验发现再生混凝土的氯离子渗透深度较普通混凝土略大，表明再生混凝土的抗氯离子渗透性差，其主要原因是由于再生骨料孔隙率高。

2.6 　再生混凝土的耐磨性

混凝土的耐磨性取决于其强度和硬度，尤其是面层混凝土的强度和硬度。Dhir 等人[ 18 ]研究了水灰比相同而再生骨料取代率不同的混凝土的耐磨性。试验结果发现，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；再生骨料取代率超过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 %。关于再生混凝土的碱2骨料反应、耐火性等未见研究报道， 为了进一步推动再生混凝土的工程应用，关于这方面的研究亟待展开。

3 　改善再生混凝土耐久性的措施

3.1 　减小水灰比

Rasheeduzzafar 和Khan[ 8 ]的研究表明，通过降低再生混凝土的水灰比可以提高再生混凝土的抗渗性能。他们的试验发现，当再生混凝土的水灰比降低至低于普通混凝土的0.05 - 0.10 时，两者的吸水率相差不大。Dhir 等人[ 18 ]的试验也证实了这一点，同时还发现减小再生混凝土的水灰比可以提高其抗碳化性能。Otsuki 等人[ 19 ] 的试验也有类似的结论，其试验结果见表1 。

Salem 等[ 10 ]的试验则发现减小再生混凝土的水灰比能够改善其抗冻融性。Dhir 等人[ 18 ]的试验表明减小再生混凝土的水灰比还可提高再生混凝土的耐磨性。

3.2 　掺加粉煤灰

Mandal 等[ 9 ]的试验表明粉煤灰可以改善再生混凝土的抗渗性和抗硫酸盐侵蚀性。在他们的试验中，粉煤灰的掺入量为10 % ，试验结果表明，与未掺加粉煤灰的混凝土相比，掺加粉煤灰的再生混凝土的渗透深度、吸水率和重量损失率分别降低了11 %、30 %和40 %。Ryu[ 20 ] 的研究表明掺加粉煤灰还可以提高再生混凝土的抗氯离子渗透性，其试验表明掺加30 %的粉煤灰后，再生混凝土的氯离子渗透深度降低了21 %。

3.3 　采用二次搅拌工艺

Ryu[ 20 ]的研究表明采用图1 所示的二次搅拌工艺可以提高再生混凝土的抗氯离子渗透性。根据其试验结果，采用二次搅拌工艺的再生混凝土的氯离子渗透深度减小了26 %。

3.4 　减小再生骨料最大粒径

Rottler[ 13 ]的试验发现，通过减小再生骨料的最大粒径可以提高再生混凝土的抗冻融性。基于这一原因，他建议再生骨料的最大粒径宜为16mm～20mm。

3.5 　采用半饱和面干状态的再生骨料

Oliveira 等[ 17 ]研究了再生骨料的含水状态对再生混凝土性能的影响，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(饱和度分别为89.5 %和88.1 %) 。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。

4 　结论与建议

(1) 总体来讲，再生混凝土的抗渗性、抗冻融性、抗硫酸盐侵蚀性、抗碳化能力、抗氯离子渗透性和耐磨性均较普通混凝土弱，主要是由于再生骨料的孔隙率和吸水率较高的缘故；

(2) 再生混凝土的抗渗性可以通过减小水灰比或掺加粉煤灰加以改善；通过降低水灰比、减小再生骨料的最大粒径、二次搅拌或采用半饱和面干的再生骨料可提高再生混凝土的抗冻融性；掺加粉煤灰能提高再生混凝土的抗硫酸盐侵蚀性：再生混凝土的抗碳化性能和耐磨性可以通过减小水灰比得以改善； 掺加粉煤灰、采用二次搅拌工艺能有效增加再生混凝土的抗氯离子渗透性。

(3) 关于再生混凝土的碱骨料反应以及耐火性能未见研究报道，为了进一步论证再生混凝土应用实际工程的可能性，关于这方面的研究急需展开。

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[作者简介] 　朱映波(1971 - ) ，男，建材专业，工程师。

[单位地址] 　安徽省巢湖市居巢区建设工程质量监督站(238000)

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