單面凍融下不同再生骨料取代率的混凝土性能劣化研究

張興泰，張偉勤

（1.青海大學土木工程學院；2.青海省建筑節能材料與工程安全重點實驗室，西寧 810016）

研究表明，我國建筑垃圾年產生量為15.5億～24億t，占城市垃圾的30%～40%，而我國目前建筑垃圾利用率不足10%，作為一種新型綠色環保材料，再生混凝土被廣泛關注。在我國北方寒冷地區，凍融循環和除冰鹽耦合環境對混凝土路面耐久性產生了很不利的影響。本文研究了不同再生骨料取代率混凝土在單面凍融環境下的相對動彈性模量與抗壓強度的變化規律，基于試驗數據分析了不同再生骨料摻量的混凝土單面凍融損傷劣化規律。

1 試驗

1.1 試驗原材料及配合比

試驗采用祁連山PO42.5普通硅酸鹽水泥，內摻Ⅱ級粉煤灰和S95級礦渣微粉，細骨料采用天然河沙，細度模數為2.75。減水劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率為20%，拌合水為普通自來水。

再生粗骨料為實驗室廢棄混凝土，粒徑為5～20 mm，為連續級配；天然骨料為石灰石，粒徑為5～20 mm，為連續級配；再生骨料與天然骨料的基本性能如表1所示。

表1 骨料的性能指標

本試驗再生骨料體積摻量分別為0%、30%、60%和100%，最終試驗再生混凝土配合比如表2所示。

表2 再生混凝土配合比

1.2 試件的制備與養護

制備尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試件進行單面凍融試驗，拆模養護6 d，然后將其切割成尺寸為150 mm×110 mm×70 mm的試件，最后用環氧樹脂密封試件除測試面以外的5個面，試件共養護28 d。立方體抗壓強度試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

1.3 單面凍融試驗

單面凍融試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）。單面凍融試驗前，再生混凝土試件需要先進行預吸水處理，試件放入清水中預吸水4 d。試驗期間，每8次循環測試質量損失與相對動彈性模量，100 mm×100 mm×100 mm的試件養護28 d后直接進行單面凍融試驗，每16次循環后進行立方體抗壓強度測試。

2 結果與討論

2.1 相對動彈性模量

由圖1可知，在單面凍融循環32次前，4組混凝土的相對動彈性模量數據差異較小，均在94%以上；單面凍融循環40次時，再生骨料取代率為100%（R100）的混凝土相對動彈性模量開始明顯下降，64次單面凍融循環時，R30與R60相對動彈性模量相近，分別為86.9%與85.3%，天然混凝土的相對動彈性模量最高（88.1%），再生骨料取代率為30%與60%的混凝土抗鹽凍破壞性能相似。

圖1 混凝土單面凍融的相對動彈性模量變化曲線

2.2 抗壓強度損失率

從圖2可知，單面凍融16次時，4組混凝土的抗壓強度損失率基本相近；單面凍融循環32次時，各組抗壓強度損失率差異明顯變大；R30與R60的抗壓強度損失率上升趨勢相似。再生骨料取代率為100%的混凝土在64次單面凍融循環后抗壓強度損失率最高，為22.1%；天然骨料抗壓強度損失率最小，為15.2%。這說明再生骨料摻量越小，抗壓強度損失率越低。

圖2 凝土單面凍融的抗壓強度損失率變化曲線

3 單面凍融損傷劣化模型

根據劉崇熙等提出的自然衰變損傷模型，本文使用抗壓強度損失率表征再生混凝土的單面凍融損傷程度。設再生混凝土單面凍融破壞時的損傷值為，F為再生混凝土經歷次單面凍融循環后的損傷值，則再生混凝土的損傷衰變速度為：

式（1）積分后得：

抗壓強度損失率的計算公式為：

將（2）式帶入（3）式得：

式中：為再生混凝土損失指標（抗壓強度損失率）；為衰變系數；為影響系數；為單面凍融循環次數。

本試驗影響因素僅為再生骨料取代率，故取=1。根據以上模型，結合試驗數據擬合，擬合結果如表3所示。

表3 自然衰變損傷模型系數

由表3可知，再生骨料取代率影響衰變系數，不同再生骨料取代率混凝土的衰變系數均不相同。引入再生骨料摻量系數（取代率），使用線性擬合與二次項擬合對損傷方程進行系數修正，得到再生骨料摻量系數與衰變系數的方程，如表4所示。

表4 再生骨料摻量系數與衰變系數的擬合參數

由表4可知，再生骨料摻量系數與衰變系數線性擬合后，相關系數更高，不同再生骨料取代率混凝土的單面凍融損傷演化計算公式為：

式中：為再生混凝土損失指標（抗壓強度損失率）；為單面凍融循環次數；為再生骨料摻量系數。

通過自然衰變損傷模型可以看出，可見自然衰變損傷模型可以很好地表征再生混凝土在單面凍融環境下的損傷劣化程度。而引入再生骨料摻量系數，可以表征不同再生骨料取代率混凝土的單面凍融損傷程度。

4 結論

再生骨料取代率影響混凝土的抗單面凍融性能，從混凝土的抗凍性能指標（相對動彈性模量與抗壓強度損失率）來看，不同再生骨料取代率的損傷程度排序為100%＞60%＞30%＞0%。凍融循環64次時，R30與R60的相對動彈性模量分別為86.9%與85.3%，抗壓強度損失率分別為18.3%與18.8%，說明再生骨料取代率為30%與60%的混凝土抗單面凍融性能相近。擬合結果表明，自然衰變損傷模型擬合精度高，可以很好地表征不同再生骨料取代率混凝土的單面凍融損傷程度。