冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下再生混凝土的微观结构研究

第42卷第4期2023年4月
硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报
BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY
Vol.42㊀No.4
April,2023
冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下再生混凝土的
微观结构研究
齐㊀晓,肖前慧,邱继生,刘书林
(西安科技大学建筑与土木工程学院,西安㊀710054)
摘要:采用快冻法,将再生骨料取代率为30%的混凝土分别置于3%Na2SO4㊁5%Na2SO4㊁10%Na2SO4(均为质量分数)溶液以及水中进行冻融循环试验,测试再生混凝土质量损失率㊁相对动弹性模量变化㊁抗压强度损失率,并利用电子显微镜㊁能谱仪和X射线衍射等方法分析再生混凝土损伤层的微观结构,以超声波平测法确定损伤层厚度,引入侵蚀系数对以损伤层厚度为评价指标的损伤度进行优化㊂结果表明,当冻融循环为0~200次㊁Na2SO4溶液浓度大于5%时,抗压强度侵蚀系数始终小于1,即Na2SO4溶液对再生混凝土宏观力学性能损伤的促进作用明显,而对微观结构损伤的抑制作用明显㊂在再生混凝土冻融循环初期,以冻融侵蚀为主;冻融循环后期,以硫酸盐化学侵蚀为主,再生混凝土经化学侵蚀后生成钙矾石和石膏等膨胀产物,并出现膨胀裂缝,在冻融循环作用下裂缝迅速扩展,损伤层厚度增加㊂以损伤层厚度为评价指标的损伤度经优化后准确性至少提高了26.33%㊂
关键词:再生混凝土;冻融循环;硫酸盐侵蚀;微观结构;损伤度
中图分类号:TU528.1㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)04-1194-11 Microstructure of Recycled Aggregate Concrete under
Combined Action of Freeze-Thaw Cycles and Sulfate Attack
QI Xiao,XIAO Qianhui,QIU Jisheng,LIU Shulin
(School of Architecture and Civil Engineering,Xi an University of Science and Technology,Xi an710054,China) Abstract:The concretes with recycled aggregate mass replacement rate of30%were placed in3%Na2SO4,5%Na2SO4, 10%Na2SO4(3%,5%,10%,mass fraction)solution and water for freeze-thaw cycles test by quick freezing method.The mass loss rate,relative dynamic elastic modulus change and compressive strength loss rate of recycled aggregate concrete were tested.The microstructure of the damaged layer of recycled aggregate concrete was analyzed by electron microscope, energy spectrometer and X-ray diffraction.The thickness of the damaged layer was determined by ultrasonic flat measurement method,and the erosion coefficient was introduced to optimize the damage degree with the thickness of the damaged layer as the evaluation index.The results show that:when freeze-thaw cycles is0~200times and the concentration of Na2SO4solution is greater than5%,the erosion coefficient of compressive strength is always less than1, in other ways,Na2SO4solution has obvious promoting effect on the macroscopic mechanical performance damage of recycled aggregate concrete,but has obvious inhibitory effect on the microstructure damage.In the early stage of freeze-thaw cycles of recycled aggregate concrete,freeze-thaw erosion is the main factor.In the later stage of freeze-thaw cycles,sulfate chemical erosion is the main factor.After chemical erosion,expansion products such as ettringite and gypsum are formed in recycled aggregate concrete,and they lead to expansion cracks.The cracks expand rapidly under the action of freeze-thaw cycles,and the thickness of the damaged layer increases.The accuracy of the damage degree based on the thickness of the damage layer as the evaluation index is improved by at least26.33%after optimization.
Key words:recycled aggregate concrete;freeze-thaw cycle;sulfate attack;microstructure;damage degree
收稿日期:2022-11-19;修订日期:2023-02-20
基金项目:国家自然科学基金面上项目(42071100);陕西省自然科学基础项目研究(2018JQ5215)
作者简介:齐㊀晓(1997 ),男,硕士研究生㊂主要从事再生混凝土方面的研究㊂E-mail:1424606908@
通信作者:肖前慧,博士,副教授㊂E-mail:xiaohui_99@
第4期齐㊀晓等:冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下再生混凝土的微观结构研究1195
㊀0㊀引㊀言
我国地理面积广,在沿海地区和盐湖地区西部的土壤和地下水中可以发现大量的硫酸盐㊂在寒区硫酸盐环境下,混凝土结构不仅要经受冻融循环破坏,还要经受硫酸盐侵蚀,其耦合劣化机理更为复杂㊂因此,开展多因素耦合作用下再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)耐久性研究势在必行㊂
目前,对RAC力学性能方面的研究已经较为成熟[1-4]㊂在RAC的抗冻性研究中,Oliveira等[5]研究了再生骨料在不同含水状态时的抗冻性,表明饱和再生骨料和干燥再生骨料配制的混凝土抗冻性差,而半饱和骨料配制的混凝土抗冻性好,其原因是半饱和骨料配制的混凝土界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)较密实㊂戴俊等[6]研究了冻融循环作用下取代率对RAC力学性能的影响,得出抗拉强度和抗压强度随取代率的增加而先减后增㊂邓祥辉等[7]研究了冻融循环后RAC结构内部孔隙变化,得出抗折强度变化和内部孔隙分布密切相关㊂研究人员对RAC抗硫酸盐侵蚀能力也做了很多研究,江洲[8]通过微观试验,指出再生骨料砂浆附着率对抗硫酸盐侵蚀有显著影响,其原因是老骨料-老砂浆界面抗硫酸盐侵蚀性能较差,再生骨料砂浆附着率越高,RAC抗硫酸盐侵蚀性能越差㊂顾彦等[9]研究了不同浓度硫酸盐对RAC的损伤规律,并建立了损伤演化方程㊂陶喆等[10]研究了再生骨料取代率对RAC抗硫酸盐侵蚀的影响,研究结果表明取代率越大硫酸盐侵蚀越严重㊂李大贺[11]得出了同样的研究结论,当再生粗骨料掺量小于30%(质量分数)时,RAC 抗侵蚀能力与普通混凝土相近,再生粗骨料取代率超过30%后,RAC的抗硫酸盐侵蚀性能骤然降低㊂综上所述,对在冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下RAC损伤方面的研究较少[12-15],而且少有从微观机理分析耦合损伤原因的研究㊂
本文主要研究冻融循环与不同浓度硫酸盐溶液侵蚀的共同作用对RAC力学性能及损伤层微观形貌的影响,并建立以优化后的损伤厚度为评价指标的损伤度㊂
1㊀实㊀验
1.1㊀原材料和配合比
P㊃O42.5R水泥的具体指标见表1㊂再生骨料是由实验室废混凝土试块颚破而成,天然粗骨料(natural coarse aggregate,NCA)由砾石组成,基本参数如表2所示㊂天然细骨料由砂子制成,细度模数为2.68㊂采用GJ-1型高效减水剂和SJ-3型高效引气剂配制混凝土㊂自来水用于搅拌混凝土,而硫酸盐溶液用蒸馏水制备㊂考虑到经济性和实用性,本文将再生骨料取代率确定为30%(质量分数),混凝土配合比如表3所示㊂用于抗压强度试验的试样尺寸为100mmˑ100mmˑ100mm,每组3个试件,共7组㊂用于相对动弹性模量(relative dynamic elastic modulus,RDEM)试验的试样尺寸为100mmˑ100mmˑ400mm,每组3个试件,共4组㊂试件自然养护24h后拆模,测试样品被放置到温度为(20ʃ2)ħ㊁相对湿度为95%的养护室中养护28d㊂
表1㊀水泥质量指标
Table1㊀Cement quality index
Cement Fineness
modulus Standard consistency
water consumption/%
Setting time Flexural strength/MPa Compressive strength/MPa
Initial
setting/min
Final
setting/h3d28d3d28d
P㊃O42.5R 3.426.74655 6.218.2029.856.0
表2㊀再生粗骨料基本性能参数
Table2㊀Basic performance parameters of recycled coarse aggregate
Aggregate Particle
size/mm Apparent density/
(kg㊃m-3)
Bulk density/
(kg㊃m-3)
Water
absorption/%
Fineness
modulus
Mud content
(mass fraction)/%
Crushing
index/%
Shape
index/%
Recycled aggregate4.7~31.526301302 3.1 3.30.31113.9 Gravel 4.7~31.528201435 1.3 2.7 6
1196㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀
第42卷
表3㊀再生混凝土配合比与性能
Table 3㊀Mix proportion and performance of recycled aggregate concrete Water-cement ratio Mix proportion /(kg㊃m -3)Cement Sand Gravel Recycle aggregate Water Slump /mm Gas content (volume fraction)/%28d compressive strength /MPa 0.45355585910390160100443.4
1.2㊀试验方案
试验中分别采用质量分数为3%㊁5%㊁10%的硫酸钠溶液和H 2O㊂试样在测试箱的原溶液中浸泡4d,温度为15~20ħ㊂根据规范[16]采用快冻法,将试样放入KDR-V9冻融箱进行试验,并将温度传感器放置在中心温度采集试样中,使试样保持在(-17ʃ2)~(8ʃ2)ħ㊂每次冻融循环应控制在2~4h 内完成㊂每冻融循环50次时,测量试样的质量㊁相对动态弹性模量及抗压强度,损伤层厚度利用超声波平测法测量,测试方法见规范[17],由于前期损伤层不明显,冻融循环100次后开始测量㊂每冻融循环100次,对再生混凝土切割后,选取具有代表性的样品放入真空干燥仪中,干燥后制成粉状试样,用D8-ADVANCE X 射线衍射仪分析样品的物相㊂将小块的样品粘在试验片上,利用离子溅射镀膜仪器对试件抽真空,并进行导电镀膜,用
S-4800冷场发射扫描电子显微镜观察样品的微观形貌㊂1.3㊀侵蚀系数
为了更方便观察硫酸盐对再生混凝土宏观力学性能的影响,本文引入抗压强度侵蚀系数β,计算公式如式(1)所示㊂
β=f x f w x ˑ100%(1)式中:f x 为试块经历x 次硫酸盐与冻融循环后的抗压强度,MPa;f w x 为试块经历x 次纯冻融循环后的抗压强
度,MPa㊂
为了更深入研究冻融循环后再生混凝土试块的微观结构,本文引入相对动弹性模量侵蚀系数γ,计算公式如式(2)所示㊂
γ=E x E w x ˑ100%(2)式中:E x 为试块经历x 次硫酸盐与冻融循环后的相对动弹性模量,无量纲;E w x 为试块经历x 次纯冻融循环后
的相对动弹性模量,无量纲㊂
2㊀结果与讨论2.1㊀
试验结果分析
图1㊀不同浓度的硫酸盐溶液中再生混凝土经历不同冻融循环次数后的抗压强度损失率Fig.1㊀Compressive strength loss rate of recycled aggregate concrete after different freeze-thaw cycles under different sulfate solutions 不同浓度的硫酸盐溶液中RAC 冻融循环后的抗
压强度损失率㊁质量损失率和相对动弹性模量变化分
别见图1㊁图2和图3㊂由图1和图2可知,硫酸盐溶
液浓度对抗压强度的影响与质量损失率基本一致㊂随
着冻融循环次数的增加,RAC 的质量损失率和抗压强
度损失率都迅速增加,其中,10%Na 2SO 4溶液中的
RAC 抗压强度损失和质量损失最为明显,冻融循环
300次后,RAC 的抗压强度损失率为31.10%,质量损失率为2.20%㊂3%Na 2SO 4溶液中的RAC 抗压强度
损失率和质量损失率最小,冻融循环300次后,抗压强
度损失率和质量损失率分别为13.36%和0.97%㊂由
图3可知,5%Na 2SO 4溶液中的RAC 相对动弹性模量
下降最为显著,冻融循环300次后,相对动弹性模量为0.594,这是由于冻融循环后期,10%Na 2SO 4溶液中的
第4期齐㊀晓等:冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下再生混凝土的微观结构研究1197㊀RAC 孔隙溶液浓度大,受化学侵蚀严重,侵蚀产物及大量盐结晶累积填充孔隙裂缝,使得孔隙相对密实㊂抗冻试验表明,硫酸盐溶液的浓度越高,RAC 的抗冻性越差
㊂
图2㊀不同浓度的硫酸盐溶液中再生混凝土
经历不同冻融循环次数后的质量损失率Fig.2㊀Mass loss rate of recycled aggregate concrete after different freeze-thaw cycles under different sulfate
solutions
图3㊀不同浓度的硫酸盐溶液中再生混凝土经历不同冻融循环次数后的相对动弹性模量变化Fig.3㊀Changes of relative dynamic elastic modulus of recycled aggregate concrete after different freeze-thaw cycles under different sulfate solutions 2.2㊀侵蚀系数
不同浓度的硫酸盐溶液中再生混凝土经冻融循环后的抗压强度侵蚀系数和相对动弹性模量侵蚀系数变化见图4㊁图5㊂当β㊁γ>1时,硫酸盐溶液在冻融循环作用中起到抑制作用,当β㊁γ<1时,硫酸盐溶液在冻融循环作用中起到促进作用㊂由图4可知,在冻融循环过程中,3%Na 2SO 4溶液对于再生混凝土宏观力学性能损伤起到抑制作用,而5%㊁10%Na 2SO 4溶液则起到促进作用㊂由图5可知,在冻融循环前中期,5%㊁
10%Na 2SO 4溶液对于再生混凝土相对动弹性模量损失起到抑制作用㊂理论上来说,结晶压力(冻胀力和盐胀力)大小为:10%Na 2SO 4<5%Na 2SO 4<3%Na 2SO 4<水[18]㊂当溶液浓度较低时,结晶压力较小且化学反应不显著,因此3%Na 2SO 4溶液中混凝土抗压强度劣化明显小于纯冻融循环时的劣化㊂随着浓度的增加,结晶压力减小,但再生混凝土存在薄弱的新-旧砂浆界面过渡区[7],侵蚀离子在此聚集,化学侵蚀反应迅速,试样的抗压强度显著降低,侵蚀产物填充孔隙,使得再生混凝土内部孔隙相对密实
㊂图4㊀不同浓度的硫酸盐溶液中再生混凝土经历不同
冻融循环次数后的抗压强度侵蚀系数变化Fig.4㊀Changes of compressive strength erosion coefficient of recycled aggregate concrete after different freeze-thaw cycles under different sulfate
solutions 图5㊀不同浓度的硫酸盐溶液中再生混凝土经历不同冻融循环次数后的相对动弹性模量侵蚀系数变化
Fig.5㊀Changes of relative dynamic elastic modulus erosion coefficient of recycled aggregate concrete after different freeze-thaw cycles under different sulfate solutions 2.3㊀表观形貌
冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下,不同浓度硫酸盐溶液对RAC 的表面损伤严重且有明显差别㊂图6为
1198㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷不同浓度Na 2SO 4溶液中RAC 冻融循环100次后的表观形貌㊂由图6可知,冻融循环100次后,在3%㊁5%Na 2SO 4溶液中RAC 的损伤并不明显,10%Na 2SO 4溶液中RAC 表面出现小麻点,有少量骨料露出㊂图7为不同浓度Na 2SO 4溶液中RAC 冻融循环200次后的表观形貌㊂由图7可知,冻融循环200次后,在3%Na 2SO 4溶液中RAC 表面平整,有少量骨料外露,砂浆剥落并出现麻坑,在5%㊁10%Na 2SO 4溶液中RAC 表面凹凸不平,
大量骨料外露,在10%Na 2SO 4溶液中RAC 表面出现明显裂缝,冻融损伤严重㊂图8为不同浓度Na 2SO 4溶液中RAC 冻融循环300次后的表观形貌㊂由图8可知,在3%Na 2SO 4溶液中RAC 表面有大量骨料外露,在5%㊁10%Na 2SO 4溶液中RAC 表面砂浆大面积脱落,骨料全部露出,表面裂缝贯通,并伴随大面积坑洞
㊂图6㊀不同浓度Na 2SO 4溶液中再生混凝土冻融循环100次后的表观形貌
Fig.6㊀Apparent morphologies of recycled aggregate concrete after 100times freeze-thaw cycles in different concentrations of Na 2SO 4
solution 图7㊀不同浓度Na 2SO 4溶液中再生混凝土冻融循环200次后的表观形貌
Fig.7㊀Apparent morphologies of recycled aggregate concrete after 200times freeze-thaw cycles in different concentrations of Na 2SO 4
solution 图8㊀不同浓度Na 2SO 4溶液中再生混凝土冻融循环300次后的表观形貌
Fig.8㊀Apparent morphologies of recycled aggregate concrete after 300times freeze-thaw cycles in different concentrations of Na 2SO 4solution 由以上分析可知,在相同冻融循环次数时,不同浓度硫酸盐溶液中RAC 表观形貌差别较大,且随着硫酸
第4期齐㊀晓等:冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下再生混凝土的微观结构研究1199㊀盐浓度的增加,RAC 表面损伤逐渐加大,抗冻能力迅速减小㊂在硫酸盐侵蚀和冻融循环共同作用下,RAC 冻融循环前期,冻融侵蚀为主要因素,因为硫酸盐溶液会影响水的冰点以及渗透性,导致高浓度的硫酸盐溶液抑制表面侵蚀,但会加剧内部冻融损伤;在冻融循环后期,内部结构损伤累积,贯通裂缝导致试样内部硫酸盐浓度过高,硫酸盐侵蚀促进作用明显,致使RAC 大面积砂浆脱落㊂因此不同浓度的硫酸盐溶液都会加剧冻
融侵蚀,且浓度越大的硫酸盐溶液侵蚀越严重㊂
2.4㊀再生混凝土损伤层微观形貌对不同浓度硫酸盐下的冻融侵蚀进行微观分析,通过扫描电子显微镜分析再生混凝土的劣化机理㊂图9为初始状态下再生混凝土的微观形貌,由图9(a)㊁(b)可以看出:冻融循环前,再生混凝土的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶完整㊁密实,界面过渡区致密,结合良好㊂图10(a)㊁(b)㊁(c)㊁(d)分别是RAC 在水㊁
3%Na 2SO 4㊁5%Na 2SO 4和10%Na 2SO 4溶液中经历100次冻融循环后的表面损伤微观形貌㊂从图10(a)可以看到,再生混凝土表面有C-S-H 剥落和微小孔洞;从图10(b)㊁(c)中可以看到,再生混凝土表面有裂缝出现;从图10(d)中可以看到,再生混凝土表面不仅有砂浆剥落,也出现了裂缝和较大的孔洞㊂用X 射线衍射分析再生混凝土冻融循环100次后表面的化学组成,其XRD 谱如图11所示(AFm 为单硫型水化硫铝酸钙)㊂由图11可知,冻融循环前期化学侵蚀反应并不显著,再生混凝土中石膏和钙矾石的衍射峰几乎没有出现,氢氧化钙作为化学侵蚀的反应物,依然有较高强度的衍射峰
㊂图9㊀冻融循环前再生混凝土的SEM 照片
Fig.9㊀SEM images of recycled aggregate concrete before
freeze-thaw 图10㊀不同浓度Na 2SO 4溶液中再生混凝土冻融循环100次后的SEM 照片
Fig.10㊀SEM images of recycled aggregate concrete after 100times freeze-thaw cycles in different concentrations of Na 2SO 4solution
1200㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42
卷
图11㊀再生混凝土冻融循环100次后的XRD 谱
Fig.11㊀XRD patterns of recycled aggregate concrete after 100times freeze-thaw cycles 由上述分析可知:再生混凝土经历100次冻融循
环后,不同浓度硫酸盐溶液中试件表面出现不同程度
的损伤,再生混凝土在3%㊁5%Na 2SO 4溶液中冻融损
伤较小,仅出现内部裂缝,而再生混凝土在H 2O 和在
10%Na 2SO 4溶液中损伤较大,既出现了表面剥落,微
小孔洞,还有较为粗大的裂缝,冻融损伤较为严重㊂
图12(a)㊁(b)㊁(c)㊁(d)分别是再生混凝土在水㊁3%Na 2SO 4㊁5%Na 2SO 4㊁10%Na 2SO 4溶液中经历200次冻融循环后的表面损伤SEM 照片和EDS 谱㊂由
图12(a)可知,由于较大的冻胀力,再生混凝土出现明
显裂缝,但水化硅酸钙凝胶相对完整;由图12(b)可
知,再生混凝土的界面过渡区产生裂缝,水化硅酸钙凝胶已被侵蚀,出现明显的剥落;由图12(c)可知,再生混凝土的界面过渡区中水泥水化物与骨料已经脱离,并伴随有较多的针状侵蚀产物,经过能谱分析可知其组成元素为Al㊁Si㊁S㊁Ca 和O,说明这种针状晶体为钙矾石;由图12(d)可知,再生混凝土损伤严重,产生龟裂裂缝,裂缝贯通,由界面过渡区发展至周边,水泥浆体剥落严重㊂通过X 射线衍射分析再生混凝土冻融循环200次后的内部剥落产物的化学组成,其XRD 谱如图13所示㊂由图13可知,硫酸盐溶液中,再生混凝土内部剥落产物出现了钙矾石和石膏的衍射峰,而氢氧化钙的衍射峰强度比100次冻融循环时氢氧化钙的衍射峰强度变弱,这是因为硫酸盐侵入再生混凝土内部后与氢氧化钙反应生成石膏,使氢氧化钙含量减小,石膏含量增加[19]
㊂
图12㊀不同浓度Na 2SO 4溶液中再生混凝土冻融循环200次后的SEM 照片和EDS 谱
Fig.12㊀SEM images and EDS spectrum of recycled aggregate concrete after 200times freeze-thaw cycles in different concentrations of Na 2SO 4solution 从图12中可以看到,再生混凝土经历200次冻融循环后内部损伤累积㊂再生骨料的吸水率较大,界面
过渡区结构疏松薄弱,导致再生混凝土易受冻融侵蚀[19],所以此时再生混凝土主要以冻融侵蚀为主,内部浆
第4期齐㊀晓等:冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下再生混凝土的微观结构研究1201
㊀图13㊀再生混凝土冻融循环200次后的XRD 谱Fig.13㊀XRD patterns of recycled aggregate concrete after 200times freeze-thaw cycles 体被侵蚀,界面过渡区裂缝扩展,同时有较多的硫酸盐
侵蚀产物生成㊂
图14(a)㊁(b)㊁(c)㊁(d)分别是再生混凝土在水㊁
3%Na 2SO 4㊁5%Na 2SO 4㊁10%Na 2SO 4溶液中经历300次
冻融循环后的表面损伤SEM 照片和EDS 谱㊂在
图14(a)中可以看到,再生骨料的老砂浆存在由内部
向外贯通的孔洞,孔洞较密且多,存在少量的针状钙矾
石(AFt)侵蚀产物㊂在图14(b)中可以看到片状AFm,
这是因为在水化后期,石膏耗尽时,钙矾石经过脱硫作
用形成AFm,较易受到硫酸盐侵蚀[20],图中还可以看到粗大的裂缝㊂从图14(c)中可以看出,再生混凝土
剥落处生长了较多的针状钙矾石和块状晶体,使用能谱分析块状晶体,其组成元素主要有Ca㊁S 和O,说明这种块状晶体为石膏㊂在图14(d)中可以看到较多的晶体,经过EDS 谱分析发现组成元素有O㊁S 和Na,说明这种晶体为硫酸钠㊂利用X
衍射分析再生混
图14㊀不同浓度Na 2SO 4溶液中再生混凝土冻融300次后的SEM 照片及EDS 谱
Fig.14㊀SEM images and EDS spectra of recycled aggregate concrete after 300times freeze-thaw cycles in different concentrations of Na 2SO 4solution
1202㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42
卷图15㊀再生混凝土冻融循环300次后的XRD 谱Fig.15㊀XRD patterns of recycled aggregate concrete after 300times freeze-thaw cycles 凝土300次冻融循环后内部浆体的化学组成,其XRD
谱如图15所示㊂由图15可知,在5%和10%Na 2SO 4
溶液中出现较高强度的钙矾石和石膏衍射峰,而氢氧
化钙的衍射峰强度较弱㊂
由以上分析可知,当冻融循环至300次时,在冻胀
力作用下,再生混凝土的裂缝贯通,孔洞增多,硫酸根
离子更容易进入再生混凝土内部造成化学侵蚀和物理
侵蚀,同时由于再生混凝土内部有较多的初始孔隙,化
学侵蚀生成的钙矾石和石膏等侵蚀产物逐渐在孔隙内
聚集,生成膨胀性产物,使孔隙内部应力增大,当超过
孔隙允许的应力时,混凝土产生裂缝㊂冻融循环后期
硫酸盐溶液浓度增大,生成较多的硫酸盐化学侵蚀产物,氢氧化钙进一步消耗,同时硫酸盐晶体的产生进一步造成再生混凝土的损伤㊂
3㊀损伤度如上所述,再生混凝土性能的劣化主要源于损伤层,损伤层劣化程度决定了混凝土的耐久性㊂在损伤力学中,冻融损伤度通常需要引入损伤变量进行描述,本文将再生混凝土抗压强度及损伤层作为损伤变量评价损伤度,如式(3)㊁(4)所示㊂
D f =1-
f x f 0(3)
D d =A x A 0(4)
式中:D f ㊁D d 分别为以抗压强度㊁损伤层为损伤变量评价的损伤度;f x ㊁f 0分别为经历x 次硫酸盐与冻融循环后的抗压强度及冻融前初始抗压强度;A x ㊁A 0分别为冻融x 次后损伤层截面面积及冻融前初始截面面积㊂将试验数据代入式(3)㊁(4)中,不同评价指标的损伤度与冻融循环次数的关系如图16所示㊂由图16可知,D f 远小于D d ,这是因为超声波平测法认为再生混凝土是均匀的,超声波波速在不同介质中传播速度不同,损伤层和未损伤层有明显的界线,导致超声波波速发生变化,从而测量出损伤层厚度,但在损伤层范围内并没有完全损伤,化学侵蚀产物及盐结晶填充孔隙,使得试样细观结构暂时密实,并抑制抗压强度的衰减,因此损伤层厚度范围内还有残余强度(损伤由表及里匀速发展)㊂基于此,本文对损伤层区域进行折减,以优化损伤度㊂
宏观力学上,混凝土试样劣化伴随着强度的衰减,在细观结构上,材料的缺陷(孔隙㊁裂缝等)被称为损伤,试验后期硫酸盐侵蚀是损伤层劣化的重要原因㊂基于此,本文引入折减系数δ,令
δ=1-γf x f 0(5)
将式(5)代入式(4)中对损伤层厚度进行折减,则优化后的损伤度D md 见式(6)㊂
D md =A x A 0=2h ㊃h x ㊃δ+2ˑ(b -2h x ㊃δ)ˑh x ㊃δb ˑh
(6)式中:h ㊁b 分别为冻融循环前再生混凝土截面的高度和宽度;h x 为冻融循环x 次后再生混凝土损伤层厚度㊂将试验数据代入式(6)中,优化前后的损伤度与冻融循环次数的关系如图17所示㊂由图17可知,
10%Na 2SO 4溶液中的再生混凝土试件损伤度最大㊂优化后的损伤度远小于优化前的损伤度,与以抗压强度为指标的损伤度接近,且本文考虑了硫酸盐侵蚀对损伤度的抑制作用,在冻融循环前中期,当γ>1时,硫酸盐抑制作用明显,侵蚀产物填充孔隙,使试样力学性能得到短暂提升,因此损伤度曲线表现为两个阶段:缓慢增加和快速增加㊂在200次冻融循环之前缓慢增加,冻融循环前期化学侵蚀产物不仅能填充孔隙,优化试样细观结构,阻碍硫酸盐侵蚀离子深入试样,使损伤度增加缓慢㊂在200次冻融循环后试样裂缝贯通,硫酸盐
第4期齐㊀晓等:冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下再生混凝土的微观结构研究1203
㊀
溶液深入试样内部,损伤层厚度快速增加,因此优化后的损伤度更加精确,经过计算,优化后的损伤度至少提
高了26.33%㊂对于折减系数δ而言,当试件完全损伤时f x为零,即损伤层厚度不折减
㊂
图16㊀不同评价指标的损伤度与冻融循环次数的关系Fig.16㊀Relationship between damage degree of different evaluation indicators and freeze-thaw cycles
times
图17㊀优化前后的损伤度与冻融循环次数的关系Fig.17㊀Relationship between damage degree before and after optimization and freeze-thaw cycles times
4㊀结㊀论
1)硫酸盐溶液的浓度越高,冻融循环后再生混凝土的质量和抗压强度下降越快,抗冻性越差㊂冻融循环300次后,再生混凝土在3%Na2SO4溶液中抗压强度损失率为13.36%,在10%Na2SO4溶液中的抗压强度损失率为31.1%㊂
2)硫酸盐溶液对再生混凝土的微观损伤有明显影响㊂SEM照片显示再生混凝土遭受冻融循环后,硫酸盐溶液侵蚀生成的钙矾石和石膏等膨胀产物逐渐在孔隙内聚集,导致孔隙内部应力增大㊂在高浓度的硫酸盐溶液中,还会有较多的硫酸盐结晶,进一步造成再生混凝土损伤㊂
3)硫酸盐会影响水的冰点以及渗透性等物理性能,对再生混凝土的冻融损伤产生抑制和促进的双重影响,当硫酸钠溶液浓度小于5%时,冻融过程中再生混凝土主要以冻融损伤为主,硫酸盐对力学性能抑制作用明显㊂当硫酸钠溶液浓度大于5%时,冻融过程中再生混凝土在硫酸盐侵蚀和冻融损伤共同作用下,加速了其力学性能的劣化㊂
4)建立了基于损伤层厚度为评价指标的损伤度,引入侵蚀系数优化损伤度,并与抗压强度为指标的损伤度进行对比,结果表明,优化后损伤度的精确度至少提高了26.33%,且优化后的损伤度曲线可分为两个阶段:缓慢增加和快速增加,可以更准确地描述在硫酸盐和冻融循环共同作用下的损伤情况㊂
参考文献
[1]㊀GUPTA C K.Strength characteristics of concrete made with demolition waste as coarse aggregate[J].Proceedings of the International Conference
on Recent Development in Structural Engineering,2011:364-378.
[2]㊀SHI D D,SHI Q X.Study on mechanical properties and mesoscopic numerical simulation of recycled concrete[J].Sustainability,2022,14
(19):12125.
[3]㊀陈守开,白卫峰,郑永杰,等.再生骨料替代率对混凝土单轴压缩力学性能的影响[J].应用基础与工程科学学报,2022,30(3):764-
775.
CHEN S K,BAI W F,ZHENG Y J,et al.Effect of replacement rate of recycled aggregate on mechanical properties of concrete under uniaxial compression[J].Journal of Basic Science and Engineering,2022,30(3):764-775(in Chinese).
[4]㊀BIAN J W,ZHANG W B,SHEN Z Z,et al.Analysis and optimization of mechanical properties of recycled concrete based on aggregate
characteristics[J].Science and Engineering of Composite Materials,2021,28(1):516-527.
[5]㊀DE OLIVEIRA M B,VAZQUEZ E.The influence of retained moisture in aggregates from recycling on the properties of new hardened concrete[J].
Waste Management,1996,16(1/2/3):113-117.
[6]㊀戴㊀俊,翟惠慧,黄斌斌,等.冻融循环下再生混凝土力学性能研究[J].混凝土,2022(5):61-64+68.
DAI J,ZHAI H H,HUANG B B,et al.Study on mechanical properties of recycled concrete after freeze-thaw cycles[J].Concrete,2022(5):。