凍融循環(huán)后普通混凝土與再生混凝土性能研究進展

黃有棟（廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

1 引言

在地產(chǎn)遼闊的中國，因其面積大而在南北方產(chǎn)生較大的氣候差異，而混凝土因氣候變化而產(chǎn)生的耐久性問題也要被重視起來。據(jù)調(diào)查顯示在中國其實有很多的建筑問題都是因為凍融破壞產(chǎn)生的，例如華中華東地區(qū)的水利工程都會因為不同程度的凍融而出現(xiàn)各種問題，遭到嚴重破壞。并且在很多區(qū)域發(fā)生了結(jié)構(gòu)尚未達到設(shè)計年限就發(fā)生凍融破壞的情況，使得許多建筑結(jié)構(gòu)被迫重建，這一現(xiàn)象的出現(xiàn)致使了大量資源的浪費，不僅對環(huán)境造成影響，在人力物力的資源問題上也造成影響，這一問題如果不能得到及時解決，將會給我國帶來巨大的經(jīng)濟損失。

2 凍融循環(huán)機理

目前針對凍融循環(huán)的機理的研究較多，但是大多數(shù)理論的主要立足于提出靜水壓力理論，該理論揭示了混凝土的凍融循環(huán)產(chǎn)生的壓力與靜水壓力之間的關(guān)系，許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進行深入研究后得出了如下所示的有關(guān)混凝土凍融循環(huán)的理論。

2.1 靜水壓理論

1945年，通過各種實驗比對Powers提出了靜水壓理論，該理論向大家證實了在凍融情況下的混凝土，會隨著產(chǎn)生的壓力與靜水達成正比關(guān)系。Fagerlun則通過具體的模型描述了該理論。一般認為混凝土中存在著各種孔隙，并且孔隙之間的大小形狀差異較大，通過引氣劑而產(chǎn)生的氣泡同樣存在于混凝土之中，并且球狀氣泡孔徑不一加上表面張力的存在導(dǎo)致孔內(nèi)的水冰點和蒸氣壓不一，當孔中的水發(fā)生凍脹后使得孔中溶液發(fā)生遷移進而產(chǎn)生壓力。

2.2 滲透壓理論

靜水壓力理論主要解釋了混凝土因水而凍結(jié)破壞的機理并能描述結(jié)冰速度對于混凝土抗凍性能的影響，而混凝土中的水含有堿性離子以及砂漿漿體，并且混凝土并不一定只是發(fā)生水和水溶液的凍脹破壞。由于各種混凝土外加劑的摻入，有機物也存在于混凝土中，這些物質(zhì)在凍脹時并非是漿體的凍脹破壞，基于此，Powers和Helmuth提出了滲透壓假說。滲透壓理論認為，由于漿體中各種離子的存在，部分大孔隙結(jié)冰之后，導(dǎo)致大孔隙局部范圍內(nèi)的周圍的離子濃度增加，并且冰和水的蒸氣壓并不一致，由于離子濃度差和蒸氣壓的作用，導(dǎo)致溶液發(fā)生遷移。

2.3 結(jié)晶壓理論

結(jié)晶壓理論主要基于熱力學(xué)原理并由Scherer提出，孔隙結(jié)冰與否取決于孔隙的半徑，并認為晶體處于平衡狀態(tài)時，由于曲率差的存在而導(dǎo)致的壓力梯度由孔隙壓力提供平衡，這個力被稱為結(jié)晶壓。該理論的精確與否取決于孔隙的形狀和大小，孔隙的大小難以掌握，計算結(jié)果難以確保準確性。

2.4 溫度應(yīng)力假說

該假說通過各種實驗建立了有關(guān)凍融破壞的預(yù)測模型，所依據(jù)的原理是通過不同的材料間的產(chǎn)生的膨脹系數(shù)來決定的。進而導(dǎo)致兩者的溫度變形量變大，協(xié)調(diào)性能減弱從而產(chǎn)生溫度疲勞破壞。根據(jù)這一假說可以分析得出，混凝土抗凍性能的提高取決于水灰比的降低和材料的溫度膨脹系數(shù)，以及是否添加引氣劑。從假說中可以得出，混凝土的內(nèi)外溫差這個因素同樣不能忽略。

除了上述幾種常見的凍融循環(huán)理論外，目前各國學(xué)者還提出了如低溫腐蝕理論、溫濕耦合理論[6]等凍融循環(huán)理論。Mi?chel Pigeon等通過試驗并對試驗現(xiàn)象進行總結(jié)后提出了“慢凍法”推動了混凝土凍融循環(huán)性能的研究；在此基礎(chǔ)上Backstrom、Malhotra利用上述方法得出相應(yīng)的定量關(guān)系曲線；Chatterji等則通過研究混凝土外部環(huán)境中所發(fā)生的結(jié)冰的過程并分析了外部結(jié)冰的情況下對混凝土內(nèi)部凍融循環(huán)的影響。

當前，學(xué)者們針對凍融后普通混凝土的基本性能做過許多研究。Whiteside T M[12]的研究發(fā)現(xiàn)，凍融破壞的臨界飽和度約為 92%。因為再生粗骨料在吸水后是會先于與水泥基體發(fā)生凍融破壞，所以再生粗骨料是再生混凝土的一個薄弱環(huán)節(jié)。

3 凍融循環(huán)后普通混凝土性能研究

冀曉東等人在一次次的實驗中通過不同程度的損傷量，利用各種方法建立凍融后的多軸本構(gòu)方程，并提出了相應(yīng)的數(shù)值計算模型；鄒超英等對混凝土在凍融循環(huán)和壓應(yīng)力共同作用下的力學(xué)性能進行了研究，并建立了凍融后混凝土力學(xué)性能的衰減規(guī)律模型；姜磊利用快凍法和不同濃度硫酸鹽溶液浸泡混凝土的方法，研究了硫酸鹽溶液與凍融循環(huán)復(fù)合作用對混凝土性能的影響，在得到的數(shù)據(jù)中找到規(guī)律，將相對凍彈模損失分成三個階段，且不同種類的硫酸鹽對混凝土抗凍性能的影響不一；龍廣成等研究了自密實混凝土與普通混凝土在混凝土強度等級為C40時，經(jīng)凍融循環(huán)后相應(yīng)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)凍融損傷變量與凍融次數(shù)之間呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

4 凍融循環(huán)后再生混凝土性能研究

崔正龍研究了再生粗細骨料對再生混凝土抗凍性能的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)再生混凝土的耐久性指數(shù)較同水灰比情況下的普通混凝土分別降低了6%和10%；陳愛玖研究了再生粗骨料取代率為40%，強度等級為C30時，減水劑對再生混凝土凍融后性能的影響規(guī)律，并且通過不同類型的混凝土的實驗對比得出引氣減水劑可以有效地抑制東通，最后通過本次實驗建立了模型供參考。吳耀鵬等人通過高溫等條件下將其進行實驗，發(fā)現(xiàn)原來其取代率越大抗凍能力越差，并且在這些作用下，其抗壓強度僅為凍融前的60.7%。

5 結(jié)語

我國新建建筑高峰已經(jīng)過去，老化與淘汰的建筑將會越來越多，為此我國對于建筑垃圾的重復(fù)利用仍有待提高。對于那些老化的建筑來說，再生混凝土就會有著很好的使用價值，其特性符合當今的國情，是一種可持續(xù)發(fā)展的材料，它的未來前景也會是很好的，會有很大的發(fā)展機會，所以通過以上的調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，我國目前已經(jīng)有較為完善普通混凝土凍融循環(huán)破壞機理的研究理論，但對于再生混凝土凍融循環(huán)破壞機理的研究仍然較少。工程上鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得以正常工作的重要保障，目前再生混凝土這方面的研究較少，而針對凍融后重復(fù)荷載作用下鋼筋與再生混凝土間粘結(jié)-滑移性能的研究則更少，因此這可以作為未來珊瑚骨料混凝土的研究熱點方向，這也會使珊瑚骨料混凝土具有廣闊的應(yīng)用前景。