自密实再生混凝土氯离子渗透性能时变规律<sup>*</sup>

随着我国城市化进程的推进，建筑行业蓬勃发展，从而产生了大量的以废弃混凝土为主的建筑垃圾，不仅占用空间资源而且污染环境.将再生粗骨料应用于自密实混凝土中而形成的自密实再生混凝土，不仅可以将废弃的混凝土垃圾循环利用，还能解决实际工程中一些复杂混凝土结构存在浇筑振捣困难的问题，达到节约自然资源，保护生态环境的目的[1-2].

目前，国内外学者关于自密实再生混凝土的基本力学性能进行了研究并取得了一定的成果[3-8].自密实再生混凝土的立方体抗压强度、抗折强度以及弹性模量要较普通混凝土低，但棱柱体抗压强度要略高于普通混凝土.另外，自密实再生混凝土的脆性要较普通混凝土大，这也意味着在相同条件下，自密实再生混凝土梁更容易开裂.然而，钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最主要因素，尤其在除冰盐环境和沿海高盐含量等环境中，使得氯离子更容易渗透进入混凝土到达钢筋表面致使钢筋锈蚀，降低混凝土结构使用寿命.现有研究表明，再生混凝土由于再生骨料自身的缺陷，其力学性能、耐久性能和变形性能都低于普通混凝土，而自密实混凝土由于粉煤灰的加入以及产生的二次水化效应，可以提高混凝土的密实度并优化混凝土的孔结构，从而提高自密实混凝土的抗氯离子侵蚀性能.但通过查阅大量文献发现，目前关于自密实再生混凝土的抗氯离子渗透问题的研究还鲜有报道，因此，对自密实再生混凝土抗氯离子渗透性能的研究对于完善自密实再生混凝土的研究有着重要的科学意义.

本文采用自然浸泡法以暴露时间为影响因素，研究其对强度等级为C30～C50的自密实再生骨料混凝土(RA-SCC)的抗渗透性能影响，并与天然骨料混凝土(NA-C)和自密实天然骨料混凝土(NA-SCC)的抗渗透性能进行比较，具有重要的现实意义和应用价值.

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比设计

试验采用辽宁本溪生产的山水工源牌水泥，共分两种，其中PS32.5级用于配制C30和C40混凝土，PO42.5级用于配制C50混凝土；粉煤灰为沈西热电厂生产的I级粉煤灰；细骨料为天然水洗中砂，含泥量小于1%；粗骨料分为天然碎石和再生骨料，粒径范围均为5.00～20.00 mm，天然碎石产自辽宁抚顺，其表观密度为2 830 kg/m3，压碎指标和吸水率分别为8.71和0.91，再生骨料由抗压强度等级为C50的实验室废弃混凝土试块经破碎、打磨、筛选而成，其表观密度为2 730 kg/m3，压碎指标和吸水率分别为14.7和5.10；减水剂为辽宁建科院生产的LJ612型高效减水剂.自密实再生混凝土(RA-SCC)与普通混凝土(NA-C)的配合比如表1所示.

1.2 试验方法

试件采用100 mm×100 mm×100 mm立方体试块，在标准养护28 d后，用环氧树脂将试块的5个面密封，然后置于5%的氯盐溶液中，分别浸泡30、60、90和120 d.浸泡到期后，采用分层钻孔法钻取并收集距浸泡面表面渗透深度分别为0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm、15～20 mm的每层粉末，然后采用化学滴定法测定各层氯离子的浓度.

2 试验结果分析

2.1 自由氯离子含量与渗透深度的关系

图1为不同强度等级的RA-SCC、NA-C和NA-SCC在氯盐中自然浸泡30、60、90和120 d的自由氯离子含量随深度变化的关系，其中，R3-30 d表示强度等级为C30、浸泡时间为30 d的RA-SCC，以此类推，S代表NA-SCC，N代表NA-C.由图1可以看出，RA-SCC、NA-C和NA-SCC的自由氯离子含量随渗透深度的增大均显著降低，其衰减速率由快而慢，最终趋于稳定.比较图1a、b、c可以发现，同一渗透深度下，RA-SCC的自由氯离子含量随混凝土强度等级的提高而显著减小，例如，R3-30 d、R4-30 d和R5-30 d在距离表面深度为0～5 mm处的自由氯离子浓度分别为0.427%、0.326%和0.263%.

2.2 扩散行为模型

一般认为，单面自然浸泡试验中混凝土氯离子含量的分布遵循Fick第二定律[9].根据Fick第二定律可计算出混凝土的氯离子扩散系数和表面氯离子浓度，其表达式为

式中：Cx，t为混凝土在t时刻距离混凝土表面x处的氯离子浓度；C0为混凝土初始时刻氯离子浓度；CS为混凝土表面氯离子浓度；Df为氯离子在混凝土中的扩散系数，是一个描述混凝土内部氯离子迁移的物理量；t为浸泡时间；erf(z)为误差函数，其表达式为

2.3 氯离子扩散系数与暴露时间的关系

表2为混凝土氯离子扩散系数与表面氯离子浓度.由表2可以看出，RA-SCC、NA-SCC、NA-C的氯离子扩散系数均随暴露时间的延长而显著减小.Thomas等[10-11]人指出混凝土试件的表面氯离子扩散系数随暴露时间的衰减遵循幂函数变化规律，其表达式为

式中：A为回归系数；m为时间依赖指数.

根据式(2)对表面氯离子扩散系数与暴露时间进行回归分析，结果如表3所示.可以看出，混凝土强度等级越高，RA-SCC和NA-SCC的表面氯离子扩散系数的时间依赖指数m越大，RA-SCC和NA-SCC的表面氯离子扩散系数Df随暴露时间增加的下降速度越快；同等强度下，NA-SCC的m值较RA-SCC要小，这说明相同强度等级下，RA-SCC的表面氯离子扩散系数Df的降低速度较NA-SCC小；与RA-SCC、NA-SCC不同的是，NA-C的表面氯离子扩散系数时间依赖指数m随混凝土强度等级的提高而减小，这说明NA-C的表面氯离子扩散系数Df随暴露时间增加的下降趋势变缓.这意味着，相对于NA-C，提高混凝土强度对改善RA-SCC和NA-SCC的抗氯离子渗透性能更为有效.

2.4 混凝土表面氯离子浓度与暴露时间的关系

图2为强度等级为C30～C50的RA-SCC、NA-SCC和NA-C的表面氯离子浓度随暴露时间的变化关系.由图2可知，当暴露时间小于60 d时，混凝土的表面氯离子浓度增长显著，但当暴露时间超过60 d后，混凝土的表面氯离子浓度增长缓慢得多.例如，暴露时间为60 d的RA-SCC-30的表面氯离子浓度较暴露时间为30 d时增长了27.8%，而暴露时间为90 d的RA-SCC-30的表面氯离子浓度较暴露时间为60 d时仅增长了15.2%，NA-C、NA-SCC同样也具有此规律.然而，相较于NA-C和NA-SCC，RA-SCC的表面氯离子浓度在暴露时间小于60 d时，具有更快的增长速率，而在暴露时间大于60 d时，其表面氯离子浓度增长更为平缓，这可能与RA-SCC中再生骨料的性质有关.

一般认为，混凝土表面氯离子浓度随时间的变化关系表达式为

式中：C′S(t′)为t′时刻的混凝土表面氯离子浓度；C′0为混凝土表面氯离子浓度最大值；t′为暴露时间；r为形状参数.

根据试验数据，按照式(3)可回归得到混凝土表面氯离子浓度与暴露时间函数模型的参数，如表4所示.

由表4可知，三种混凝土表面氯离子浓度的最大值大小顺序为C30>C40>C50，其基本规律为混凝土表面氯离子浓度的最大值随着混凝土强度的提高而降低，这表明高强度的混凝土更有利于抵抗氯离子腐蚀.

3 结论

本文通过分析得出以下结论：

1) RA-SCC的自由氯离子含量随渗透深度的增大而显著降低，其衰减速率由快而慢，最终趋于稳定.同一渗透深度下，RA-SCC的自由氯离子含量随混凝土强度等级的提高而显著减小.

2) RA-SCC、NA-SCC和NA-C的氯离子扩散系数随暴露时间的衰减规律均遵循幂函数变化规律.其中，RA-SCC和NA-SCC的表面氯离子扩散系数的时间依赖指数m随混凝土强度等级的提高而增大，而NA-C的m值随混凝土强度等级的提高而减小.同等强度下，NA-SCC的m值较RA-SCC要小.

3) RA-SCC的表面氯离子浓度随暴露时间的增长规律同样遵循幂函数变化规律.当暴露时间小于60 d时，混凝土的表面氯离子浓度增长显著，但当暴露时间超过60 d后，混凝土的表面氯离子浓度增长缓慢得多.相较于NA-C和NA-SCC，RA-SCC的表面氯离子浓度在暴露时间小于60 d时，具有更快的增长速率，而在暴露时间大于60 d时，其表面氯离子浓度增长更为平缓.

[1]向星赟，赵人达，李福海，等.自密实再生混凝土的基本力学性能试验研究 [J].西南交通大学学报，2019，54(2)：359-365.

(XIANG Xing-yun，ZHAO Ren-da，LI Fu-hai，et al.Experimental investigation of basic mechanical properties of self-compacting recycled aggregate concrete [J].Journal of Southwest Jiaotong University，2019，54(2)：359-365.)

[2]Guerra M，Ceia F，Brito J D，et al.Anchorage of steel rebars to recycled aggregates concrete [J].Construction & Building Materials，2014，72：113-123.

[3]Mohammed A，Rita N，Bassam A T.Properties of self-compacting high-strength concrete containing multiple use of recycled aggregate [J].Journal of King Saud University：Engineering Sciences，2018，12：1-8.

[4]Kanish K，Singh S P，Bhupinder S.Permeability of self-compacting concrete made with recycled concrete aggregates and metakaolin [J].Journal of Sustainable Cement-Based Materials，2017，6(5)：293-313.

[5]Bensalem S，Chahinez A，Hacène H，et al.Influence of recycled fines on the flexural creep of self-compacting concrete beams under four-point bending load [J].Journal of Adhesion Science and Technology，2017，31(14)：1515-1523.

[6]邹毅松，徐亦冬，王银辉.高性能再生骨料混凝土的物理力学性能及耐久性 [J].沈阳工业大学学报，2014，36(4)：459-463.

(ZOU Yi-song，XU Yi-dong，WANG Yin-hui.Physical property，mechanical performance and durability of high-performance recycled aggregate concrete [J].Journal of Shenyang University of Technology，2014，36(4)：459-463.)

[7]Carro-López D，Gonzélez-Fonteboa B，de Brito J，et al.Study of the rheology of self-compacting concrete with fine recycled concrete aggregates [J].Construction and Building Materials，2015，96：491-501.

[8]余芳，姚大立，胡绍金.自密实再生骨料混凝土的基本力学性能 [J].沈阳工业大学学报，2019，41(3)：356-360.

(YU Fang，YAO Da-li，HU Shao-jin.Mechanical properties of recycled aggregate self-compacting concrete [J].Journal of Shenyang University of Techno-logy，2019，41(3)：356-360.)

[9]侯永利，郑刚.再生骨料混凝土不同龄期的力学性能 [J].建筑材料学报，2013，16(4)：683-687.

(HOU Yong-li，ZHENG Gang.Mechanical properties of recycled aggregate concrete in different age [J].Journal of Building Materials，2013，16(4)：683-687.)

[10]Thomas M D A.Modelling chloride diffusion in concrete [J].Cement & Concrete Research，1999，29(4)：487-495.

[11]刘俊龙，麻海燕，胡蝶，等.矿物掺合料对混凝土氯离子扩散行为的时间依赖性的影响 [J].南京航空航天大学学报，2011，43(2)：279-282.

(LIU Jun-long，MA Hai-yan，HU Die，et al.Effect of mineral admixtures on time-dependence of concrete exposed to chloride diffusion [J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，2011，43(2)：279-282.)

自密实再生混凝土氯离子渗透性能时变规律*

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比设计

1.2 试验方法

2 试验结果分析

2.1 自由氯离子含量与渗透深度的关系

2.2 扩散行为模型

2.3 氯离子扩散系数与暴露时间的关系

2.4 混凝土表面氯离子浓度与暴露时间的关系

3 结论

Time-dependent law of chlorine ion penetration performance for recycled aggregate self-compacting concrete

自密实再生混凝土氯离子渗透性能时变规律*

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比设计

1.2 试验方法

2 试验结果分析

2.1 自由氯离子含量与渗透深度的关系

2.2 扩散行为模型

2.3 氯离子扩散系数与暴露时间的关系

2.4 混凝土表面氯离子浓度与暴露时间的关系

3 结 论

Time-dependent law of chlorine ion penetration performance for recycled aggregate self-compacting concrete

3 结论