凍融循環下透水再生混凝土力學性能損傷分析

張衛東， 董 云， 彭寧波， 高延安

(淮陰工學院 建筑工程學院， 江蘇 淮安 223001)

寒冷地區混凝土發生凍融損傷破壞較為常見．為了進一步響應國家節能減排和建設海綿城市的號召，透水混凝土已被廣泛應用于輕交通路面．透水混凝土內部存在大量孔隙，其中起透水作用的孔隙為連續性孔隙，其余孔隙稱為無效孔隙[1-3].由于其內部孔隙較多且強度較低，寒冷水環境下水凍漲力會在透水混凝土內部不斷形成損傷，進而影響其耐久性，故透水混凝土抗凍融性能已經受到國內外學者的重視，并開展了一系列研究．如Anderson等[4]研究了粉煤灰和NaCl溶液濃度對不同野外環境下透水混凝土孔隙率、抗壓強度、透水性能和凍融耐久性的影響；Wu等[5]研究了引氣劑、EVA乳膠和聚丙烯纖維對室內外不同凍融環境下透水混凝土強度和孔隙率的影響；Lund等[6]運用模態分析方法對透水混凝土的凍融耐久性進行了評價分析；張炯等[7]研究了粉煤灰、EVA乳膠和聚丙烯纖維對透水混凝土滲透性、抗壓強度和抗凍融性能的影響．

由于透水混凝土受荷破壞主要沿著骨料黏結區域發生，且目前再生骨料已部分或完全取代天然砂石并逐漸運用在實際工程中，故一些學者提出用再生混凝土粗骨料替代天然骨料來制作透水混凝土，即透水再生混凝土．由于骨料間黏結強度也是影響透水混凝土力學性能和抗凍融性能的重要因素，且再生混凝土骨料周圍附帶水泥砂漿等會降低骨料之間的黏結性能，因此有必要開展此方面的研究工作.如Zaetang等[8]開展了再生骨料類型、粒徑和取代率對透水混凝土孔隙率、抗壓強度、耐磨性能和透水性能影響的試驗研究；Barnhouse等[9]研究了TiO2、細砂摻量和再生粗骨料取代率對透水混凝土物理力學性能的影響；王金龍[10]開展了凍融循環作用下再生磚骨料透水混凝土的相關性能研究，探討了再生磚骨料透水混凝土在凍融循環作用下的力學性能．但目前關于透水再生混凝土的抗凍融耐久性方面的研究還不系統，因此本文以凍融循環次數和再生粗骨料取代率為研究變量，從損傷角度開展了不同取代率下凍融循環作用對透水再生混凝土(PRC)力學性能影響規律的試驗研究，并建立了損傷度與透水再生混凝土強度衰減之間的關系式．

1 原材料、配合比及試驗方法

1.1 原材料

水泥(C)為華沃(淮安)水泥有限公司生產的P·Ⅱ 42.5硅酸鹽水泥，化學組成(質量分數，本文涉及的組成、壓碎指標和水灰比等均為質量分數或質量比)如表1所示；天然骨料(NCA)為天然石灰巖碎石，堆積密度為1498kg/m3，粒徑尺寸為4.75～9.5mm，壓碎指標為3.97%；再生骨料(RCA)由廢棄混凝土(設計強度為C30)粉碎后獲得，質量符合混凝土骨料要求，堆積密度為1236kg/m3，壓碎指標為14.86%，粒徑尺寸與天然骨料相同；水(W)為當地自來水；減水劑(SP)為江蘇蘇博特新材料有限公司生產的PCA?-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑，減水率在30%以上；增強劑(RA)為南京佳境透水混凝土增強劑，其中的CaO、SiO2含量分別為0.63%和72.47%．

表1 水泥的化學組成

1.2 配合比

影響凍融循環作用下透水混凝土力學性能的因素較多，如骨料、水灰比、集灰比、含氣量、孔隙率和水泥品種等．為了深入研究再生混凝土粗骨料對透水混凝土凍融耐久性的影響，本次試驗中僅考慮再生粗骨料取代率(η)和凍融循環次數(n)2個影響因素，4種取代率分別為10%、20%、30%和40%；6種凍融循環次數分別為0、25、50、75、100、125次．透水再生混凝土配合比如表2所示，其中水灰比mW/mC均為0.25，同時用PRC-η來表示透水再生混凝土-再生粗骨料取代率．為了降低天然骨料與再生骨料吸水率不同對試件凍融耐久性的影響，采取了將骨料浸泡在水中24h再自然晾干的方法．

透水再生混凝土是大孔隙率混凝土，采取機械振搗易造成水泥漿下沉且導致試件上部分骨料間膠凝材料減少，骨料間黏結性能降低；同時膠凝材料下沉還會堵塞試件內部孔隙，造成試件透水性能下降．鑒于此，本次試驗采取沿試件高度分段人工振搗的方法．

表2 透水再生混凝土配合比

1.3 試驗方法

透水再生混凝土凍融試驗方法參照ASTM C666/C666M-03《Standard test method for resistance of concrete to rapid freezing and thawing》中的快凍法執行，液體介質為水．試件尺寸為100mm×100mm×400mm，凍融機選用北京數智意隆儀器有限公司生產的KDR-V9型快速凍融試驗機．

每經過25次凍融循環測1次試件的動彈性模量，最高凍融循環次數為125次．動彈性模量測定采用英貝兒(天津)測控設備有限責任公司生產的IMDT-16動彈性模量測定儀．

測試不同凍融循環次數下透水再生混凝土抗壓強度和抗折強度的試件為對應階段的凍融試件．將凍融試件擦干后首先進行動彈性模量測試，晾干后進行抗折強度測試，再將抗折斷裂試件切割成 100mm 的立方體試件并進行立方體抗壓強度測試．所有強度測試和試驗數據處理均依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行．

2 凍融循環作用對透水再生混凝土力學性能的影響

將經過n次凍融循環后的透水再生混凝土動彈性模量、抗折強度和立方體抗壓強度與凍融循環前的相應值比較，可得到其相對動彈性模量(En/E0)、相對抗折強度(fr,n/fr)和相對立方體抗壓強度(fcu,n/fcu)，如圖1所示．

由圖1可見：

(1)不同再生粗骨料取代率下，透水再生混凝土的相對動彈性模量、相對抗折強度和相對立方體抗壓強度均隨凍融循環次數的增加而下降，衰減嚴重；當凍融循環次數較小時，下降幅度較為平緩．該衰減趨勢與文獻[5]中透水混凝土強度和彈性模量隨凍融循環次數增加而衰減的趨勢較為相似．

(2)相同凍融循環次數下，再生粗骨料取代率越大，透水再生混凝土的相對動彈性模量、相對抗折強度和相對立方體抗壓強度衰減得越嚴重．原因主要是再生粗骨料的力學性能等均低于天然骨料，其周圍包裹的廢舊水泥砂漿影響了骨料與水泥漿體的黏結性能，故再生粗骨料取代率越大，不利作用越顯著．

(3)在再生粗骨料取代率、凍融循環次數相同的條件下，透水再生混凝土的相對動彈性模量、相對抗折強度和相對立方體抗壓強度的衰減速率從大到小依次為：相對抗折強度>相對立方體抗壓強度>相對動彈性模量．

圖1 透水再生混凝土力學性能與凍融循環次數關系曲線Fig.1 Relationship between mechanical properties and the number of freeze-thaw cycles of PRC

3 力學性能衰減研究

3.1 抗折強度衰減規律

混凝土的凍融損傷一般用相對動彈性模量或質量損失進行評價分析[11-12]．本文采用相對動彈性模量來定義透水再生混凝土的損傷度D，見式(1)：

(1)

透水再生混凝土相對抗折強度fr,n/fr與損傷度D的關系曲線如圖2所示．

由圖2可見，不同再生粗骨料取代率的透水再生混凝土相對抗折強度與損傷度之間均有著較好的相關性，可用指數函數y=e-x/t表示，即fr,n/fr=e-D/t．其中t為回歸參數，與再生粗骨料取代率有關，具體數值見圖2．由圖2可知，隨著再生粗骨料取代率從10%逐漸增大到40%，t從0.4824逐漸增至0.6939，這說明透水再生混凝土抗折強度衰減與再生粗骨料取代率之間存在著一定的關系，即在損傷度相同的情況下，再生粗骨料取代率越大，其抗折強度損失也就越大．

圖2 透水再生混凝土fr,n/fr與D的關系曲線Fig.2 Relationship between fr,n/fr and D of PRC

3.2 立方體抗壓強度衰減規律

圖3為透水再生混凝土相對立方體抗壓強度fcu,n/fcu與損傷度D的關系曲線．

由圖3可知，隨著透水再生混凝土損傷度的增加，其相對立方體抗壓強度均呈現出凸形下降的趨勢，兩者雖然也符合指數關系，但函數表達式與圖2的凹形下降曲線表達式并不相同．具體擬合的相對立方體抗壓強度與損傷度關系式為fcu,n/fcu=e-(aD+bD2)，其中的a和b均為回歸參數，具體數值見圖3．

相對抗折強度與損傷度擬合方程不同于相對立方體抗壓強度與損傷度擬合方程的主要原因是：動彈性模量和抗折強度反映的是透水再生混凝土的彈性性質，而抗壓強度除了體現透水再生混凝土的線彈性性質之外，還反映其塑性性質．

4 結論

(1)透水再生混凝土相對動彈性模量、相對抗折強度和相對立方體抗壓強度隨著凍融循環次數的增加呈現出下降趨勢；相同凍融循環次數下，再生粗骨料取代率越大，透水再生混凝土的相對動彈性模量和強度衰減越嚴重．

(2)在再生粗骨料取代率和凍融循環次數相同的條件下，透水再生混凝土的強度衰減速率依次為：相對抗折強度>相對立方體抗壓強度>相對動彈性模量．

(3)透水再生混凝土相對抗折強度與損傷度的關系可用指數函數fr,n/fr=e-D/t表示；相對立方體抗壓強度與損傷度的關系可用fcu,n/fcu=e-(aD+bD2)表示，且相關性均較好．

圖3 透水再生混凝土fcu,n/fcu與D的關系曲線Fig.3 Relationship between fcu,n/fcu and D of PRC