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再生混凝土的耐久性及控制措施研究.pdf
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1、2 0 1 0 年 第1期 (总 第2 4 3 期 ) Nu mb e r l i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI AND ADM I NI CLE d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 。 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 O 1 0 2 7 再生混凝土的耐久性及控制措施研究 魏应乐 ( 安徽水利水电职业技术学院,安徽 合肥 2 3 1 6 0 3 ) 摘要: 对再生骨料进行加强处理对提高再生混凝 土的各种性能具有现实意义。现有 的再生骨料强化处理
2、措施在耐久性上具 有一 定的 局限性 。 对再生混凝土 的抗渗性 、 抗冻融性 、 抗碳化 、 氯离子渗透性 、 硫酸盐侵蚀 、 耐磨性进行了分析 , 并提 出了减小水灰 比、 掺加粉煤灰 、 采 用二次搅拌工艺 、 减小再生骨料最大粒径 、 采用半饱 和面干状态等改善再生 昆 凝 土耐久性 的措施 。 关键词 : 再生混凝土 ;耐久性 ;措施 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 叭一 0 0 8 1 0 5 S t u d y o n d u r a b i l i t y a n d q u
3、a l i ty c on t r o l f o r r e c y c l e d c o n c r e t e W fYin g- l e ( A n h u i T e c h n i c a l C o l l e g e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n dH y d r o e l e c t r i c P o we r , He f e i 2 3 1 6 0 3 , C h i n a ) Abs t r a c t :To e n h a nc e t h e p r o c e s s i n g i n r e c y c l e
4、 d c o n c r e t e a g g r e g a t e s ha s p r a c t i c a l s i g n i fic a n c e f o r i mp r o v i ng a l l t h e p r o pe i e s o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e C u r r e n t ly t h e e nh a n c e d t r e a t me n t m e a s u r e s for r e c y c l e d c o n c r e t e a s a
5、g g r e g a t e h a v e c e r t a i n l i mi t a t i o n s o n the d u r a b i l i t y o f r e c y - c l e d c o n c r e ,Th i s p a p e r a n a l y s e s t h e p r o p e r t i e s o fr e c y c l e d a g gre g a te c o n c r e t e , s u c h a s t h e i mp e r me a b i l i ty, fros t r e s i s t an c
6、 e me l t i n g, a n t i c a r b o n a - t i o n, c h l o r i d e i o n pe n e t r a t i o n, s u l f a t e a t t a c k, a b r a s i o n r e s i s t a n c e T h i s a r t i c l e d e a l s wi t h the c o r r e s p o n d i n g me a s ure s t o i mp r o v e the d u r a b i l i ty o f r e c y c l e d c
7、 o n c r e t e b y r e d u c i n g t he wa t e r - c e me n t r a t i o, a d d i n g fly a s h, u s i n g the s e c o nd mi x i ng p r o c e s s , r e d u c i n g the ma xi mu m p a r t i c l e r e c y c l e d a g - g r e g a t e d i a me t e r , us i n g ha l f - s a t u r a t e d s ur f a c e d r
8、y s t a t e Ke y wor ds : r e c y c l e d c o n c r e t e; d ura b i l i ty; me a s u r e s 0 引言 再生骨料混凝i ( R e c y c l e d Ag g r e g a t e C o n c r e t e , R AC) 简称 再生混凝土( R e c y c l e d C o n c r e t e ) , 它是指将废弃混凝土块经过 破碎 、 清洗 、 分级后 , 按一定 比例与级配混合, 部分或全部代替 砂石等天然骨料( 主要是粗骨料) 配制而成的新的混凝土。相对 于再生混凝土而言,
9、 把用来生产再生骨料的原始混凝土称为基 体混凝土( O r i g i n a l C o n c r e t e ) 。 大量旧建筑物达到使用年限, 或由于其他因素需要拆除, 伴 随拆除而来 的是产生了大量 的建筑垃圾废弃混凝土 。 对解 体混凝土的处理方法之一是将解体混凝土破碎并筛分成粗细 骨料, 用以代替部分天然骨料来配制成混凝土即再生骨料混凝土, 形成新的建材产品, 从而既能使有限资源得以利用 , 又解决了 部分环保问题。可节省天然的矿物资源, 同时减轻固体废弃物 对环境的污染。 二次 世界大战之后 , 苏联 、 日本 、 德 国等国家重建 家园 , 就 注意到了废弃混凝土的问题并开始
10、了再生混凝土的研究开发 与利用。美国不但鼓励再生混凝土的利用 , 而且还对再生混凝 土的性能做了系统性的研究和试验。丹麦 、 荷兰等一些石料紧 缺 、 依赖进 口天然骨料的国家, 十分重视建筑废料的再生利用。 虽然我国对再生混凝土的研究起步比较晚,还处在实验室阶 段, 但也取得了相应的成果。现阶段废弃的混凝土均为基体混 凝土强度较低的混凝土, 因此 , 对再生骨料进行加工处理对提 收稿 日期 :2 0 0 9 0 9 1 2 高再生混凝土的各种性能具有现实意义 , 现有的再生骨料强化 处理措施在耐久性上具有一定的局限性, 因此对再生骨料的性 能的改善还有待进 一步 的研究探讨。 1 再 生混凝
11、 土的耐久性分析 1 1再生 混凝 土的抗 渗性 B C S _J 通过试验研究了水灰比为 0 5 - - 0 7 , 坍落度为 2 1 0 r n I T l 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。 R a S h e e d u z z a f a r 和 K h a n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 性约为普通混凝土的 3 倍。 M
12、a n d a l 等人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 3 6 0 k g m , 试验结果发现普通混凝土 的渗透深度和吸水率分别为 1 8 lT l l n和4 1 , 而再生混凝土的指 标为 2 5 n -L r n和 5 9 , 分别较普通混凝土增加了 3 8 和 4 4 , 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。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
13、, 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 8 1 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 。 1 2 再 生混凝 土的抗 冻融性 在寒冷的气候条件下, 冰冻作用( 冻融循环) 会造成混凝土 路面、 挡土墙、 桥面和栏杆等的损伤, 这也是修复和重建费用巨 大的主要原因。混凝土的冰冻损伤有几种形式。最常见的是混 凝土的开裂和散裂, 这是因为水泥浆基体受到反复的冻融循环 作用逐渐膨胀引起的。在潮湿和除冰盐渍的条件下, 暴露于冻 融循环环境 中的混凝土板容易发生剥落现象。混凝土板的某些 粗骨料也可能引起 开裂 , 通 常与节点和边缘
14、平行 , 最终形 成一 个大写字母 D形的图形( 裂缝围绕板的两个或四个角弯曲) 。 这 种开裂以术语 D 一 开裂表示。 1 2 1 冻融作用对硬化水泥浆的影响 已经证 明引气是减少冰冻作用对混凝土损伤的有效方法。 P o w e r s 认为: 当水将要在毛细管孔隙中结冰时, 体积就会随着 水的结冰而增大, 这就需要孔隙扩大为结冰水体积的9 , 或者 是需要把多余的水从试件中排出, 有时二者同时发生。 液态水转化成冰将产生 9 的体积膨胀。如图 1 所示 , 如果 这种转化发生在体积较小的毛细管孔隙中, 冰晶体可通过挤压 毛细管壁或产生液压对水泥浆产生损伤。气孔可提供有效的溢 出边界来减轻
15、液压。当冰形成于空气孑 L 中时图 1 ( b ) 、 ( C ) 。结晶 体并木对孑 L 壁产生压力。气孔中冰晶体生长会从毛细管孑 L 隙吸 取水分, 因此可减轻液压并导致水泥浆收缩 : 在图 1 ( c ) 中, 可以 看到冰晶体的形成, 并有足够开阔的空间可供晶体生长。如果 晶体已在水泥浆中形成, 基体就会发生膨胀, 并导致开裂和刚 度损失 。 P o we r s 还指出, 除了大孔中水结冰所产生的液压外, 毛细 管孔隙中溶液部分结冰引起的渗透压也是引起水泥浆有害 膨胀的原因。毛细管孔隙中的水并非纯净水 , 它含有几种可 溶物质例 如碱性物 质 、 氯化 物和氢 氧化钙 等 。溶液 的
16、结 冰温 度要低于纯净水; 一般来说, 溶液的盐浓度越高, 凝固点就越 低。 毛细管孔隙之间局部盐浓度梯度的存在被认为是渗透压 产生 的原因。 液压( 大孑 L 中水结冰时体积增大而引起 ) 和渗透压 ( 孑 L 隙溶 液中盐浓度梯度而引起) 似乎并不是冰冻作用条件下引起水泥 浆膨胀的仅有的原因。当以苯代替水作为孑 L 中液体时, 虽然苯 凝 固时会收缩 , 但也观察到水 泥浆试件 的膨胀 。和土壤 中冰透 镜体的形成相似, 毛细管效应, 包括从小孔到大孔的大规模的 水迁移 , 被认为在多孔材料中引起膨胀 的主要原 因。水泥浆中 C S H所含水( 包括层间水和凝胶孑 L 的吸附水) 在正常的
17、冰点 不能重组其结构而形成冰, 因为水以有序状态存在, 其流动非 常有限。通常来说, 水的刚度越高, 其冰点越低; 刚度由小到大 排列依次为细孔( 1 0 n m到 5 0 n m) 中的毛细管水 、 凝胶孔的吸 附水和 C S H结构的层间水。胶凝孔中的水在一 7 8 C 仍然不会 结冰。因此, 当饱和的水泥浆处于冰冻条件下, 尽管大孔中的水 会结冰, 胶凝孑 L 中的水却仍以过冷水的形式保持液体状态。这 就使毛细管中结冰水和胶凝孑 L 中过冷水之间产生热动力不平 衡, 前者处于低能状态, 后者处于高能状态: 冰和过冷水之间熵 差迫使后者移动到低能量的位置( 大孑 L ) , 然后结冰。得到
18、胶凝 孔的新鲜供水, 毛细管孔隙中冰的体积稳定增加, 这种增加一 直持续到不再有容纳空间才停止。如果过冷水仍然继续流向结 冰区, 就会引起系统内部产生压力并发生膨胀。 8 2 ( a ) 毛细管孔 中结冰 的示 意图 ( b ) 气 L 中冰 的形成 ( c ) 气 孔 中冰 晶体 图 1 液态水在毛细管 中结冰、 形成和成长示意图 1 2 -2 冰冻作用对骨料 的影响 引气混凝土仍然可能受到损伤, 这取决于骨料对冰冻作用 的反应。饱和水泥浆结冰产生的内部压力的机理同样适用于其 他多孔材料, 包括多孔岩石生产的骨料 , 暴露于冻融循环条件 下 的骨料颗 粒的性能 主要取决 于孔 隙的大小 、
19、数 量和连通 性 ( 即孔径分布 ) 和渗透性 。 为了解释由骨料引起的混凝土冰冻损伤, Ve r b e c k和L a n d g r e n 网把骨料分成 了三类 : 第一类为低渗透性和高强骨料 , 孔中的水结冰时, 颗粒会 发生弹性 应变 , 但不会引起破裂。 第二类为中等渗透性的骨料, 这种骨料的孔径大多数都不 超过 5 0 0 n m。 这种小孔的毛细管压力使骨料更容易饱和并保持 水分。用不同粒径石英和燧石骨料按 5 0 : 5 0比例配制的混凝土 试件 1 4 d后受到冻融循环时, 含有粒径为 l 2 2 5 mlT l 石英的混 凝土试件弹性模量减小 5 0 需要 1 8 3个
20、循环, 而含有粒径为 5 1 2 n l Y fl 燧石, 相同条件养护的混凝土试件则需 4 4 8 个循环。一 般来说 , 当混凝土中骨料粒径大于临界尺寸时, 冰冻时会伴有 突然爆炸, 即骨料被破坏, 其中部分骨料仍然保留于混凝土中, 而其余部分则随着砂浆小片一起剥落。 第三类骨料为高渗透性骨料, 这种骨料通常存在很多大孔。 尽管高渗透性骨料使水的进出比较容易 , 但也能够引起耐久性 问题 。这是因为当受到压 力作用 的水被排 出骨料颗粒 时 , 骨料 表面和水泥浆基体之间的界面过渡区可能会受到损伤。在这种 情况下, 骨料颗粒并没有受到冰冻作用的损伤。另外 , 这也说明 了仅仅用骨料的冻融和
21、安定性试验结果来预测它在混凝土中 的行为并非确切可靠。 冰冻作用下的混凝土路面, 一些砂岩或石灰石骨料可以引 发 D 一 型开裂现象。这些容易引起 D 一 型开裂的骨料似乎都具有 特殊的孔径分布, 其特点是 1 m的细小孔隙体积比例很大。 1 2 3 控制混凝土抗冻耐久性的因素 混凝土抵抗 冰冻作用损伤 的能力取决 于水 泥浆和 骨料 的 特点。但是 , 在任何情况下 , 混凝 土的抗冻性实际上都是几个 因 素共同作用的结果 , 例如溢出边界的位置( 水为压力松弛所需 流经的距离) 、 系统的孔结构( 孔隙的大小、 数量和连通性 ) 、 饱 和度( 可结冰的水 的含 量 ) 、 冷却的速度 和
22、材料 的抗拉 强度 ( 必 须超过此值才能导致破裂) 。如后所讨论, 保证水泥浆基体的溢 出边界及其孔结构的改善是比较容易控制的两个参数, 前者可 以通过在混凝土 中引气控制 , 后者通过适 当的配合 比和养 护来 实现 。 ( 1 ) 引气 保护混凝土免受冰冻损伤所必需的不是混凝土的总含气 量, 而是硬化水泥浆中所有各点间距为 0 1 - O 2 r n l T l 数量级的孔。 在水泥浆中加入少量的引气剂( 例如水泥质量的0 0 5 ) , 这样 就可能引人 间距 0 0 5 1 r n n l 之间的气泡 。富混凝土要想有同样 的抗冻性就需要掺入更多的引气剂 。 ( 2 ) 水灰比和养护
23、 硬化水泥浆的孔结构由水灰比和水化程度所决定。水化程 度一定时, 水灰比越高 , 或者水灰 比一定时 , 水化程度越低 , 硬 化水泥浆的大孔体积越大。可冰冻水存在于大孔中, 因此, 可以 假设冰冻温度一定时, 养护早期水灰比高的水泥浆中可冰冻水 较多。Ve r b e c k和 K l i e g e r 的试验资料证实了这一假设图 2 ( a ) 。 水灰 比对混凝土抗冻性的影响如图 2 ( b ) 所示 。 许多建筑法规也考虑到了水灰比对混凝土抗冻性的重要 影响。例如, A C I 3 1 8 8 3 美国房屋建筑混凝土结构规范 规定 在潮湿条件下, 受冻融的普通混凝土, 如用于路侧石、
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