花崗巖廢料再生混凝土路面磚抗凍融性能研究

孔 亮，蒙彥宇，顧媛媛，王偉奇

(1.北華大學(xué)土木與交通學(xué)院,吉林 132013;2.北華大學(xué)林學(xué)院,吉林 132013)

0 引 言

天然花崗巖、大理石開采加工中產(chǎn)生大量廢石料，目前對其處理方式多為就地掩埋或堆放，造成了土地資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，近年來大宗固體廢棄料的回收與利用成為學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。學(xué)者們利用煤矸石、石灰石、花崗巖廢料等固體廢棄料制備再生混凝土[1-4]，試圖緩解資源浪費(fèi)與環(huán)境污染的現(xiàn)象。但隨著固體廢棄料的摻入，混凝土漿體會產(chǎn)生一定的變化，再生混凝土的耐久性也會受到影響。尤其在東北地區(qū)的冬季，大氣溫度呈現(xiàn)周期性變化會對混凝土路基路面穩(wěn)定性造成嚴(yán)重危害，路段常會產(chǎn)生凍裂、凍脹等問題[5-6]，故開展對固體廢棄料再生混凝土路面材料凍融損傷破壞研究顯得尤為重要。

現(xiàn)階段對于花崗巖廢料再生混凝土的研究取得了一定進(jìn)展，主要集中在花崗巖廢料替代率、細(xì)度及摻加方式對再生混凝土力學(xué)性能與耐久性方面。Binici等[7]研究了花崗巖、大理石及高溫爐渣復(fù)摻所制備的再生混凝土物理力學(xué)性能和耐久性，結(jié)果表明花崗巖、大理石和高爐礦渣的摻加為漿體提供了良好的凝結(jié)環(huán)境，提高了再生混凝土的性能。Yao等[8]研究了一定水灰比與溫度時(shí)，不同摻量下花崗巖石粉再生混凝土的力學(xué)性能與干縮性能。結(jié)果表明，摻入花崗巖石粉后的再生混凝土力學(xué)性能與干縮性能均優(yōu)于普通混凝土。蒙彥宇等[9]兩種級配的花崗巖石粉，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%、30%的摻量替代水泥制備再生混凝土，結(jié)果表明，當(dāng)花崗巖石粉級配為0.075～0.150 mm，水泥替代率為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，配制出的C40混凝土具有良好的工作性能和強(qiáng)度。上述研究多限于花崗巖替代率、細(xì)度與摻加方式對再生混凝土宏觀力學(xué)性能與耐久性的影響研究，國內(nèi)僅少數(shù)學(xué)者探索了花崗巖廢料再生混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)。趙井輝等[10]通過壓汞法試驗(yàn)，研究分析花崗巖石粉的細(xì)度及摻量對混凝土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，探究凍融損傷影響因素并指出細(xì)度為0～150 μm花崗巖石粉摻量控制在20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)以內(nèi)時(shí)可保證再生混凝土抗凍等級與普通混凝土抗凍等級相同，當(dāng)花崗巖石粉摻量增大至30%時(shí)，摻合料混凝土抗凍等級有所降低。該研究側(cè)重于探究花崗巖石粉細(xì)度對于混凝土孔隙結(jié)構(gòu)的影響及保證混凝土抗?jié)B及抗凍能力條件下最適宜的花崗巖石粉細(xì)度，對于凍融損傷破壞機(jī)理性闡釋說明較少?？惥甑萚11]研究了以玄武巖、石灰?guī)r、花崗巖三種粗集料配制的不同水灰比混凝土的抗凍融性以及水泥石孔結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)玄武巖集料附近水泥石配制的混凝土抗凍融性最優(yōu)；花崗巖集料附近水泥石雖然最可幾孔徑和大孔含量均最低，但孔隙率最高，故配制的混凝土抗凍融性較差。水灰比較高時(shí)，表現(xiàn)尤為明顯。該研究著重對比不同種類石材集料在不同水灰比下對混凝土抗凍融性的影響，探究發(fā)現(xiàn)水灰比、最可幾孔徑、大孔含量及孔隙率的關(guān)系。但缺乏利用掃描電鏡對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的直觀反映與基于凍融損傷破壞理論的進(jìn)一步探討。

綜上，目前研究多集中在花崗巖廢料再生混凝土最優(yōu)配合比確定及性能影響規(guī)律等方面，而從微觀角度探討其凍融損傷成因的研究較少且缺乏理論性的支撐，對于花崗巖石粉再生混凝土凍融損傷破壞機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。試驗(yàn)采取慢凍法進(jìn)行50次凍融循環(huán)試驗(yàn)，測定花崗巖廢料再生混凝土路面磚和基準(zhǔn)組混凝土路面磚質(zhì)量損失率與抗壓強(qiáng)度，通過對比分析凍融循環(huán)前后再生混凝土路面磚與基準(zhǔn)組混凝土路面磚試件抗壓強(qiáng)度、質(zhì)量、表觀及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化情況，從細(xì)微裂縫積累與膨脹性應(yīng)力作用角度探究花崗巖廢料混凝土路面磚在凍融循環(huán)下的損傷原因，建立凍融循環(huán)過程中漿體孔隙結(jié)構(gòu)變化與漿體濃度差所產(chǎn)生的滲透壓模型，為進(jìn)一步分析再生混凝土路面磚凍融損傷成因提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

(1)水泥：采用吉林亞泰水泥有限責(zé)任公司P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度為44 MPa。

(2)花崗巖微集料：取自吉林天崗石材加工場廢棄石粉沉淀池，經(jīng)沖洗、烘干、研磨、篩分得到細(xì)度75～150 μm花崗巖微集料，其化學(xué)組分及基本性能見表1。

表1 花崗巖微集料化學(xué)組分及基本性能Table 1 Chemical composition and basic properties of granite micro aggregate

(3)花崗巖細(xì)、粗集料：以吉林天崗石材加工場廢棄的花崗巖為集料源，取花崗巖加工過程中產(chǎn)生的機(jī)制砂為細(xì)集料，細(xì)度模數(shù)為2.6；取邊角廢料等花崗巖經(jīng)破碎，取直徑小于等于31.5 mm顆粒作為粗集料。細(xì)、粗集料的物理指標(biāo)見表2。

(4)砂、碎石：天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，5.0～31.5 mm連續(xù)級配碎石。

(5)水、減水劑：水為自來水；減水劑為吉林某公司生產(chǎn)的高效萘系減水劑，減水率為18%。

1.2 路面磚制備

通過先前試驗(yàn)已確定出花崗巖微、細(xì)、粗集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20%、30%、50%為最佳替代率，水膠比為0.4。兩種類型混凝土路面磚配合比設(shè)計(jì)如表3所示,按照配比以及GB 28635—2012《混凝土路面磚》規(guī)范要求，制備花崗巖廢料再生混凝土路面磚與基準(zhǔn)組混凝土路面磚。每種類型各制備10塊，其中5塊進(jìn)行凍融試驗(yàn)，另外5塊作為對比。

表3 兩種類型混凝土路面磚配合比設(shè)計(jì)Table 3 Mix proportion design of two types of concrete pavement brick /(kg·m-3)

1.3 性能測試

(1)試驗(yàn)儀器

SRWK-80全自動(dòng)建材凍融試驗(yàn)機(jī)、電子秤、數(shù)顯式壓力試驗(yàn)機(jī)、JSM-6490LV型掃描電子顯微鏡。

(2)凍融循環(huán)試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 32987—2016《混凝土路面磚性能試驗(yàn)方法》，采用慢凍法對混凝土路面磚的抗凍融性能進(jìn)行研究。將花崗巖廢料再生混凝土路面磚和基準(zhǔn)組混凝土路面磚分別放入凍融試驗(yàn)機(jī)中，進(jìn)行0次、15次、30次、50次凍融循環(huán)。

(3)質(zhì)量測定及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

利用電子秤，進(jìn)行凍融循環(huán)前后試塊質(zhì)量測定，測定結(jié)果精確至0.01，并計(jì)算得出凍融循環(huán)前后質(zhì)量損失率。混凝土路面磚抗壓強(qiáng)度測定依據(jù)GB 28635—2012《混凝土路面磚》的試驗(yàn)方法來進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，確保試塊的兩個(gè)受壓面保持平整，否則需要進(jìn)行找平處理，找平厚度不大于5 mm。試塊準(zhǔn)備完畢后放置于試驗(yàn)機(jī)下壓板的正中心。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以0.5 MPa/s的加荷速度連續(xù)、均勻施加荷載，直至試塊破壞，記錄破壞最大荷載。計(jì)算得出凍融循環(huán)前后抗壓強(qiáng)度值，并進(jìn)一步計(jì)算得出凍融循環(huán)前后抗壓強(qiáng)度損失率。

(4)掃描電鏡試驗(yàn)

對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d后的混凝土路面磚和進(jìn)行50次凍融循環(huán)試驗(yàn)后的混凝土路面磚分別進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)分析。將兩組混凝土路面磚試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，從試塊中心部分取被水泥漿包裹均勻的混凝土碎片作為樣品，樣品的大小控制在1 cm3以內(nèi)，表面水泥石平整。把兩組混凝土路面磚試塊樣品放在無水乙醇中至水化反應(yīng)結(jié)束，取出兩組樣品放入烘干箱中烘干，烘干箱溫度調(diào)至50 ℃，時(shí)間為1 h。烘干后的試塊樣品放入封口袋中，在干燥環(huán)境中貯存。在對試塊樣品進(jìn)行掃描電鏡分析前，對試塊樣品觀察面進(jìn)行噴金操作。

2 結(jié)果與討論

2.1 凍融循環(huán)后混凝土路面磚質(zhì)量損失與抗壓強(qiáng)度測定

將經(jīng)過凍融循環(huán)后的兩種類型路面磚質(zhì)量與抗壓強(qiáng)度測定,計(jì)算得到質(zhì)量損失率與抗壓強(qiáng)度損失率，繪制質(zhì)量損失率與抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線，如圖1和2所示。

由圖1可知，當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到50次時(shí)，花崗巖廢料再生混凝土路面磚的質(zhì)量損失率為1.5%，基準(zhǔn)組混凝土路面磚的質(zhì)量損失率為0.7%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩種混凝土路面磚的質(zhì)量損失率呈增大趨勢，且再生混凝土路面磚的質(zhì)量損失率大于基準(zhǔn)組混凝土路面磚。這是因?yàn)樵偕炷谅访娲u中花崗巖石粉替代了20%的水泥，致使自身體系發(fā)生水化反應(yīng)的活性物質(zhì)減少，所形成的漿體體系與基準(zhǔn)組混凝土路面磚相比膠凝材料較少，導(dǎo)致膠凝材料與粗細(xì)骨料的緊密連接程度下降。在持續(xù)的凍融循環(huán)作用下，路面磚內(nèi)部會產(chǎn)生肉眼難見的微裂縫，多條微裂縫集結(jié)相連形成薄弱層，薄弱層處易發(fā)生錯(cuò)動(dòng)開裂，造成路面磚內(nèi)部孔隙連通逐漸發(fā)展貫通為宏觀裂縫，導(dǎo)致路面磚表面剝落，質(zhì)量大大損失。

圖1 質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.1 Variation curves of mass loss rate with freeze-thaw cycles

由圖2可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土路面磚和基準(zhǔn)組混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度都呈下降趨勢，且再生混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度下降更為明顯。通過計(jì)算，當(dāng)經(jīng)過50次凍融循環(huán)后花崗巖廢料再生混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度損失率為10.0%，基準(zhǔn)組混凝土路面磚的抗壓強(qiáng)度損失率為8.2%。原因在于混凝土路面磚主要依靠材料內(nèi)部骨料與膠凝材料漿體之間的粘結(jié)咬合能力來承受和傳遞荷載，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融作用使骨料與漿體粘結(jié)面處發(fā)生開裂、錯(cuò)動(dòng)，內(nèi)部孔隙相互連通，造成其整體密實(shí)度降低，進(jìn)而宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性能降低。

圖2 抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.2 Variation curves of compressive strengthwith freeze-thaw cycles

2.2 凍融循環(huán)前后混凝土路面磚微觀形貌分析

對比凍融循環(huán)前后兩種混凝土路面磚的外部形貌，如圖3所示?；◢弾r廢料混凝土路面磚凍融損傷破壞后其表面十分粗糙呈現(xiàn)出凹凸不平的不規(guī)則形態(tài)，剝落掉渣明顯。而基準(zhǔn)組混凝土路面磚表面則剝落相對完整、剝落形狀相對均勻規(guī)則。

圖3 50次凍融循環(huán)前后混凝土試件對比圖Fig.3 Comparison of concrete specimens before and after 50 freeze-thaw cycles

利用掃描電鏡對凍融前后兩種類型混凝土路面磚微觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。檢測部位為混凝土路面磚中心部位。所得兩種不同類型混凝土路面磚凍融前后的不同放大倍數(shù)下微觀形貌分別如圖4、圖5所示。

圖4為兩組混凝土路面磚試塊凍融前在掃描電鏡下放大1 000倍、2 000倍的照片?；炷潦且环N多孔且在各尺度上多相的非均勻體系，因此在微觀尺度上看混凝土實(shí)則是各種水化物與未水化顆粒、水、氣等的多相復(fù)合體，各相之間良好的界面區(qū)域結(jié)構(gòu)是混凝土強(qiáng)度得以保證的關(guān)鍵。由圖4(a)的形態(tài)可知，花崗巖集料均勻分散，水化產(chǎn)物附著在集料表面并把集料覆蓋，集料顆粒間間距較大；而圖4(b)所示基準(zhǔn)組混凝土路面磚內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出集料分布均勻、試塊界面中氣泡較少的優(yōu)點(diǎn)。在掃描電鏡放大2 000倍時(shí)，由圖4(c)可知再生混凝土路面磚集料間水化產(chǎn)物包裹不均，有集結(jié)粘聚現(xiàn)象；而由圖4(d)可見，基準(zhǔn)組混凝土路面磚水化產(chǎn)物在集料間均勻分布。

圖4 凍融前低倍放大下混凝土路面磚的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of concrete pavement bricks under low magnification before freeze-thaw cycles

上述結(jié)果說明標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的基準(zhǔn)組混凝土路面磚界面區(qū)已趨于密實(shí)穩(wěn)定，相對于再生混凝土路面磚結(jié)構(gòu)完好，整體性強(qiáng)。從界面區(qū)密實(shí)穩(wěn)定的相互作用主要分為范德華力、化學(xué)作用與機(jī)械作用三種角度而言，基準(zhǔn)組混凝土路面磚中集料為連續(xù)級配的天然碎石，其與水泥石之間的粘結(jié)聯(lián)系靠分子間作用力，即范德華力，該粘結(jié)聯(lián)系作用較摻加花崗巖廢料的再生混凝土路面磚顯現(xiàn)出一定優(yōu)勢。但對于界面區(qū)結(jié)構(gòu)完善密實(shí)最為重要的作用為水泥石與各水化產(chǎn)物間的化學(xué)作用，即通過水泥或其他輔助膠凝材料水化反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物以共價(jià)鍵形式的結(jié)合。這種結(jié)合較范德華力或機(jī)械作用強(qiáng)，可視為一種“強(qiáng)結(jié)合”?；鶞?zhǔn)組混凝土路面磚由于膠凝體系中沒有花崗巖微集料的摻入，水泥用量得到保證，充足的水泥通過水化作用最終硬化形成大量的水化硅酸鈣凝膠。水化硅酸鈣凝膠能夠滲入集料表面孔中，將基準(zhǔn)組中的粗細(xì)集料覆蓋，水泥硬化后緊密嚙合而成一個(gè)整體。機(jī)械作用多存在于水化產(chǎn)物與集料間，混凝土內(nèi)部多孔的特點(diǎn)，且基準(zhǔn)組混凝土較再生混凝土的水化產(chǎn)物多，使得漿體顆粒之間的粘附力大大增加。

圖5為兩種類型混凝土路面磚試塊凍融前分別放大5 000倍和10 000倍的SEM照片。由圖5(a)、(b)可見，再生混凝土路面磚孔隙內(nèi)水化產(chǎn)物填充度相對較少，集料表面有少量鈣礬石晶體(AFt)產(chǎn)生；在掃描電鏡放大5 000倍下的基準(zhǔn)組混凝土路面磚，微觀界面完整，孔隙內(nèi)水化產(chǎn)物填充密實(shí)度高。在掃描電鏡放大10 000倍下，由圖5(c)、(d)可以觀察到再生混凝土路面磚微觀界面集料表面附著的鈣礬石呈細(xì)長針棒狀，集料間的孔隙間距較大，而基準(zhǔn)組混凝土路面磚集料間密實(shí)性較大，間距相對較小。

圖5 凍融前高倍放大下混凝土路面磚的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of concrete pavement bricks under high magnification before freeze-thaw cycles

在混凝土路面磚的制備中，基準(zhǔn)組混凝土路面磚水化膠凝材料含量較多，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，后期對集料包裹均勻，這也是基準(zhǔn)組混凝土路面磚產(chǎn)生較高強(qiáng)度的原因。再生混凝土路面磚的制備過程中由于花崗巖廢料中的活性成分很少，當(dāng)廢料取代混凝土中的水泥、細(xì)集料和粗集料并且均勻攪拌分散于混凝土中時(shí)，會對混凝土拌合物的粘結(jié)性產(chǎn)生一定的影響，造成微觀界面上集料間細(xì)微裂縫和孔隙間距較大，花崗巖廢料摻入后形成的空隙為鈣礬石的形成提供了條件，導(dǎo)致集料界面有鈣礬石產(chǎn)生，再生混凝土路面磚的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的劣化。

將再生混凝土路面磚與基準(zhǔn)組混凝土路面磚經(jīng)過50次凍融循環(huán)后取試件中心部位在掃描電鏡下放大進(jìn)行微觀分析及形貌對比。圖6為凍融循環(huán)50次后再生混凝土路面磚和基準(zhǔn)組混凝土路面磚在掃描電鏡低倍放大1 000倍和2 000倍時(shí)的SEM照片。由圖6(a)可見凍融后再生混凝土界面水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松，有較多的細(xì)微裂縫。由圖6(b)可見，在經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，基準(zhǔn)組混凝土路面磚界面水化產(chǎn)物以C-S-H凝膠為主，界面結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化，由密實(shí)狀態(tài)變?yōu)橄鄬λ缮?，凍融后界面出現(xiàn)細(xì)微裂縫。在掃描電鏡放大2 000倍時(shí)，由圖6(c)可見，在凍融后再生混凝土路面磚界面局部有較多的鈣礬石晶體出現(xiàn)，并有較多的細(xì)小微裂縫。而由圖6(d)可見裂縫處水化產(chǎn)物對集料粘結(jié)性較差，集料有裸露現(xiàn)象。

圖6 凍融后低倍放大下混凝土路面磚的SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM images of concrete pavement bricks under low magnification after freeze-thaw cycles

圖7為凍融后掃描電鏡放大5 000倍和10 000倍后的兩種混凝土路面磚的SEM照片。由圖7(a)可見，再生混凝土路面磚在凍融后可看到縫隙中有數(shù)量較多的鈣礬石晶體纏繞在一起，富集現(xiàn)象明顯。由圖7(b)可見，基準(zhǔn)組混凝土路面磚微觀界面劣化現(xiàn)象嚴(yán)重，有較多裂縫產(chǎn)生，水泥漿與集料的結(jié)合度降低。由圖7(c)可見，再生混凝土路面磚內(nèi)部鈣礬石晶體在集料上富集度高，集料間富集狀態(tài)的鈣礬石造成了試件膨脹疏松的狀態(tài)，使再生混凝土路面磚的抗凍融性能降低。由圖7(d)可見，基準(zhǔn)組混凝土路面磚中的集料表面水化產(chǎn)物覆蓋量少，集料間的間距較大，這也是造成混凝土路面磚表面開裂的原因。

圖7 凍融后高倍放大下混凝土路面磚的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of concrete pavement bricks under high magnification after freeze-thaw cycles

2.3 凍融損傷破壞機(jī)理分析

通過兩種不同類型混凝土路面磚的內(nèi)部組分與結(jié)構(gòu)的分析對比，可知混凝土是一種多相復(fù)合而成的彈塑性材料，其抗凍融損傷能力與其水化產(chǎn)物及界面結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系。而發(fā)生凍裂、凍脹破壞實(shí)質(zhì)上是混凝土漿體內(nèi)部產(chǎn)生破壞性膨脹應(yīng)力使得孔隙結(jié)構(gòu)變化而造成的，這種膨脹應(yīng)力產(chǎn)生的原因有體積膨脹和滲透壓作用兩種。

(1)體積膨脹產(chǎn)生膨脹應(yīng)力

混凝土孔隙的結(jié)構(gòu)一般分為封閉孔和開口孔，圖8為有外界水浸入所導(dǎo)致的凍融損傷破壞結(jié)構(gòu)變化模型，由圖8可知，未經(jīng)凍融循環(huán)作用時(shí)常溫下外界環(huán)境中的水分很難進(jìn)入混凝土內(nèi)部的封閉孔中，外界環(huán)境中的水與混凝土接觸后有一部分會貯存在漿體顆粒之間的開口孔所圍成的相對封閉區(qū)域內(nèi)。隨著外界溫度的降低，由于水受冷結(jié)冰體積膨脹的特性，貯存在開口孔所圍成的相對封閉區(qū)域內(nèi)的水結(jié)冰后，體積迅速膨脹產(chǎn)生自內(nèi)向外的膨脹破壞力，致使混凝土孔隙結(jié)構(gòu)中開口孔的孔徑增大，每凍融循環(huán)一次，開口孔的孔徑增大一點(diǎn)，外界進(jìn)入的水量便增大一點(diǎn)，溫度再次降低后結(jié)冰體積膨脹增大，所產(chǎn)生自內(nèi)而外的膨脹破壞力也隨之增大，直至該破壞力無法被漿體中的水化膠凝物質(zhì)與粗細(xì)集料之間的膠凝握裹力平衡，進(jìn)而產(chǎn)生微裂縫。微裂縫繼續(xù)發(fā)展，使得閉口孔與開口孔相連貫通，混凝土漿體體系不再連接緊密，最終造成宏觀裂縫的出現(xiàn)。

圖8 凍融循環(huán)過程中漿體孔隙結(jié)構(gòu)變化模型Fig.8 Simulation of pore structure change of slurry during freeze-thaw cycles

(2)滲透壓作用產(chǎn)生膨脹應(yīng)力

混凝土孔隙中的水不僅由外界環(huán)境中水分浸入所提供，其水泥漿本身就是一種鹽類稀溶液，當(dāng)毛細(xì)孔中的水部分結(jié)冰時(shí)，水中所含的堿以及其他物質(zhì)等溶質(zhì)的濃度增大，但在凝膠孔內(nèi)的水由于定向排列的緣故在此時(shí)尚未結(jié)冰，溶液濃度不變。因而產(chǎn)生濃度差，促使凝膠孔的水向毛細(xì)孔擴(kuò)散，其結(jié)果是形成滲透壓，造成一定的膨脹應(yīng)力。圖9為再生混凝土與基準(zhǔn)混凝土路面磚內(nèi)部滲透壓模型。由于花崗巖廢料的摻入，花崗巖廢料混凝土路面磚相比于基準(zhǔn)組混凝土路面磚中漿體體系中孔隙多，孔隙率高?？紫堵试礁?，則毛細(xì)孔比例越高，越是相互聯(lián)通，導(dǎo)致毛細(xì)孔中溶液結(jié)冰時(shí)水中所含的堿以及其他物質(zhì)等溶質(zhì)的濃度疊加，產(chǎn)生較基準(zhǔn)組混凝土更大的滲透壓，隨之產(chǎn)生更大的膨脹性應(yīng)力。

凍融循環(huán)次數(shù)為0～15次范圍內(nèi)，由于混凝土經(jīng)過28 d的養(yǎng)護(hù)，其水化產(chǎn)物發(fā)育相對完全，由水結(jié)冰而產(chǎn)生的膨脹破壞力還不足以將水化產(chǎn)物與集料間的粘結(jié)力產(chǎn)生過多破壞。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，到達(dá)20～50次時(shí)，膠結(jié)握裹力逐漸地難以抵抗膨脹破壞力，導(dǎo)致質(zhì)量損失增大。而再生混凝土路面磚的質(zhì)量損失率大于基準(zhǔn)組混凝土路面磚原因也是在于花崗巖微集料替代20%的水泥，花崗巖石粉自身火山灰活性很低，可視為惰性材料，不參與水化反應(yīng)，使得再生混凝土路面磚漿體體系中的膠凝材料含量減少，其內(nèi)部水化膠凝材料與粗細(xì)集料之間的膠凝握裹力小于基準(zhǔn)組混凝土路面磚。因此表現(xiàn)出再生混凝土路面磚的抗凍融損傷能力要低于基準(zhǔn)組混凝土路面磚。為了最大程度綜合利用吉林當(dāng)?shù)鼗◢弾r廢料，通過凍融前后抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量損失的測定結(jié)果可知，花崗巖廢料再生混凝土路面磚其抗凍能力雖不及基準(zhǔn)組，但其抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量損失均符合GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于凍融試件抗壓強(qiáng)度損失率不大于25%且質(zhì)量損失率不大于5%的要求。

圖9 兩種類型混凝土路面磚孔隙中水泥漿體內(nèi)部滲透壓模型Fig.9 Internal osmotic pressure model of cement paste in pores of two types of concrete pavement bricks

3 結(jié) 論

(1)兩種類型混凝土路面磚質(zhì)量損失率與抗壓強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加均逐漸增大，且花崗巖廢料再生混凝土路面磚質(zhì)量損失率與抗壓強(qiáng)度損失率較基準(zhǔn)組混凝土路面磚變化較大。再生混凝土路面磚經(jīng)過50次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率為1.5%，抗壓強(qiáng)度損失率為10.0%，基準(zhǔn)組混凝土路面磚的質(zhì)量損失率為0.7%，抗壓強(qiáng)度損失率為8.2%。再生混凝土路面磚符合GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于凍融試件抗壓強(qiáng)度損失率不大于25%且質(zhì)量損失率不大于5%的要求。

(2)花崗巖廢料再生混凝土路面磚凍融后界面劣化較基準(zhǔn)組混凝土路面磚嚴(yán)重，水化作用產(chǎn)生水化硅酸鈣凝膠含量減少，Al2O3含量的增加促進(jìn)了鈣礬石的形成，再生混凝土路面磚產(chǎn)生較多微裂縫隙，抗凍融損傷性能下降。

(3)混凝土路面磚受凍融損傷破壞的根本原因在于膨脹性破壞應(yīng)力使孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而膨脹性應(yīng)力主要由外界水侵入的體積膨脹及毛細(xì)孔與凝膠孔中水泥漿濃度差所產(chǎn)生的滲透壓所致。