凍融循環(huán)作用下再生混凝土力學性能試驗研究

王 軒 王慶陵

（1.重慶文理學院，重慶 永川 402160； 2.菲律賓克里斯汀大學國際學院)

0 引言

老舊建筑物的維護和拆除會產生大量的廢棄混凝土，采用廢棄混凝土替代天然集料制成再生混凝土是當前節(jié)約自然資源的具體表現(xiàn)，倍受推崇。葉劍標等[1]研究了建筑用再生混凝土制備及其抗凍性能，研究結果表明：抗凍性能的重要影響因素包括再生骨料取代率、水膠比和玻化微珠摻量；郭樟根等[2]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，再生細骨料替代率低于30%時，影響再生混凝土的抗壓強度程度較低，當取代率大于界限時，增加再生粗骨料替代率，混凝土的抗壓強度隨之降低；王宇等[3]研究多塊混凝土試件的基本力學性能退化機理，結果表明再生混凝土的質量損失率、超聲波速損失率與凍融循環(huán)試驗次數(shù)呈正比；彭勇軍等[4]研究表明，再生粗骨料摻和比例、水膠比、再生細骨料摻和比例、粉煤灰摻和比例對再生混凝土強度的影響效果依次降低；鄧祥輝等[5]通過研究再生混凝土的抗凍性能，分析孔隙分布變化，認為內部孔隙分布和占比是影響再生混凝土凍融循環(huán)后的抗折強度的主要因素。目前對于普通混凝土凍融及再生混凝土強度的影響因素的研究比較透徹，但關于再生混凝土凍融后的宏觀的力學性能變化和破壞機理的研究還存在不足。為此，本文主要研究了再生混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)和混凝土種類對混凝土試件抗壓強度、質量和動彈性模量的影響規(guī)律及其破壞機理。

1 試驗內容

1.1 試件設計

根據(jù)試驗的需求，分別制作6組試件，設計立方體試件用于測定不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土立方體的抗壓強度，強度等級C40和C30組對應凍融循環(huán)每次增加25次（最高不超過200），各澆筑3個試件，C20組在凍融循環(huán)每次增加25次（最高不超過150）；設計立方體試件用于測定試驗后混凝土的質量損失率、動彈性模量損失率，其中凍融試驗結束的標準為：相對動彈性模量低于60%或質量損失達到5%。試件每隔50次循環(huán)作一次橫向重量測量和基頻測量。“NSCC”表示普通混凝土，“RSCC”表示再生混凝土，試件主要參數(shù)見表1。

表1 試件主要參數(shù)

1.2 試驗材料及配合比設置

選取P·O42.5水泥；細骨料為中砂，細度模數(shù)2.43，含泥量1.5%；試驗用水取自自來水；再生粗骨料采用廢舊建筑混凝土；天然粗骨料為碎石，粒徑5～31.5 mm 連續(xù)級配，粗骨料性能指標見表2。配合比按照《混凝土技術應用工程》進行設計，最終試驗所用配合比見表3。

表2 粗骨料性能指標

表3 混凝土配合比

1.3 試驗方案

試驗依照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的相關規(guī)定進行，在標準養(yǎng)護室將混凝土試件養(yǎng)護24d，取出后放入水中浸泡4d（溫度在15～20℃），吸水飽和，試件頂面距離試件內水面不少于10mm，混凝土試件中心的最低溫度控制在（-17±2）℃，最高溫度控制在（7±2）℃，完成一次凍融循環(huán)試驗時間應在2～4h內，且單次凍融時試件從7℃降至-17℃或者從-17℃升至7℃所用時間不少于整體時間的1∕4，凍融循環(huán)的轉換時間應低于10min。

2 試驗結果分析

2.1 凍融后立方體抗壓強度損失

對試件進行抗壓強度試驗，繪制抗壓強度損失率平均值變化曲線。抗壓強度損失率按式（1）計算。

式中：

Δfc(n)——試驗n次的抗壓強度損失率，%；

fc,0——試驗前的抗壓強度值，MPa；

fc,n——試驗n次后的抗壓強度值，MPa。

混凝土強度等級相同時，增加凍融循環(huán)次數(shù)，普通組與再生組的抗壓強度損失率均逐漸增大，相同混凝土等級的再生混凝土強度低于普通混凝土強度。當凍融循環(huán)次數(shù)低于50次時，普通組與再生組混凝土損失率差別不大且增長緩慢；在此基礎上增加凍融循環(huán)次數(shù)，強度相對較低的再生組混凝土試件損失率明顯高于普通組，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增加，抗壓強度損失率的差值逐漸增大；凍融循環(huán)次數(shù)超過100時，RSCC20-2和NSCC20-2試件組試件遭到嚴重破壞，其抗壓強度損失率呈指數(shù)型增長，抗壓強度無法測定。由試驗結果可知，C20組試件的抗壓強度損失率最大、C30組次之、C40組最小；且增加凍融循環(huán)次數(shù)，混凝土強度等級與凍融破壞程度成反比。

2.2 凍融后質量損失

質量損失是評價混凝土抗凍耐久性的主要凍融性能參數(shù)。混凝土試件的質量損失率按式（2）計算，稱重前需擦除試件表面水分。

式中：

ΔWn——試驗n次后的質量損失率，%；

G0——試驗前的質量，g；

Gn——試驗n次后的質量，g。

取3組平均值，繪制質量損失率曲線。普通組和再生組混凝土試件經過凍融循環(huán)試驗后，凍融循環(huán)次數(shù)與質量損失率成正比；凍融循環(huán)次數(shù)低于50次時，兩組試件曲線斜率大致相同；在此基礎上增加凍融循環(huán)次數(shù)，再生組的質量損失率明顯遠遠高于普通組，這是因為隨著凍融次數(shù)的增加，凍脹壓力變大使得試件表面裂縫不斷發(fā)展，導致混凝土表面不斷形成裂縫，大量混凝土開始剝落；其中兩組試件質量損失率表現(xiàn)為C20組最大、C30組次之、C40組最小，結果表明，混凝土質量損失率與強度成反比，強度等級越高，抗凍性能越好。

2.3 凍融后彈性模量損失

相對動彈性模量是評價混凝土抗凍耐久性的主要凍融性能參數(shù)。混凝土試件的動彈性模量損失率按照式（3）計算。

式中：

ΔEn——試驗n次后的動彈性模量損失率，%；

E0——試驗前的動彈性模量，MPa；

En——試驗n次后的動彈性模量，MPa。

取3組平均值，繪制動彈性模量損失率曲線。試件的動彈性模量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)成正比。圖中C20組試件的動彈性模量損失率呈指數(shù)型增加，C30和C40組試件動彈性模量損失率增長相對較緩，表明混凝土抗凍性能隨強度等級的降低而變差；凍融循環(huán)次數(shù)50次前，兩組差值不大，凍融循環(huán)50次后，兩組試件的損失率差異明顯，凍 融 循 環(huán)100 次 時，RSCC30-2、RSCC20-2 和NSCC20-2試件均遭到破壞，這三組的動彈性模量損失率已不具備參考價值，6組試件中，僅NSCC40-2組的動彈性模量損失率在凍融循環(huán)50次后趨于穩(wěn)定，剩下兩組的動彈性模量損失率均與次數(shù)成正比。

3 再生混凝土凍融破壞的機理分析

國內外學者早已開始研究混凝土的凍融破壞原理，這些數(shù)理論大多基于靜水壓理論，此后研究者們提出了一列類假說，豐富凍融破壞機理的理論和假說，如滲透壓理論、結晶壓理論、臨界飽和水程度理論、溫度應力假說等[6]。本試驗立足于滲透壓理論，再生混凝土拌合加工時，由廢棄混凝土制成的再生骨料表面附著一層難以去除的雜質（主要是舊砂漿和水泥），減少骨料吸收水泥漿，導致硬化后強度變差。在進行凍融循環(huán)試驗前，試件內孔隙在水中浸泡時吸水飽和，凍結過程中空隙里的水結冰膨脹形成“泵吸效應”[7]，間接導致水分從試件表層沿孔隙向內部運動，溫度逐漸下降使部分水結冰膨脹，先結冰的水濃度變大，而濃度變大的這部分水會使得自身的冰點降低且不會馬上結冰，相比較下，濃度高的這部分水與其周圍未結冰的水就會產生滲透壓[8]，壓力超過應力時就會產生凍脹破壞，導致試件內部出現(xiàn)更多的細紋裂縫。融化過程中溫度上升，內部孔隙水轉化為液態(tài)，新舊裂痕孔隙吸水飽和，加大孔隙率。逐漸增加凍融循環(huán)次數(shù)，冰和水的飽和蒸汽壓差推動孔隙和水泥石凝膠孔中的未凍結水遷移到凍結區(qū)加大滲透壓[9]，進一步加劇內部產生裂縫，孔隙裂縫彼此擴展聯(lián)通，吸水飽和后加劇凍脹破壞作用，試件表面開始變得粗糙且凹凸不平，試件局部受力不均導致混凝土開始剝落。由此可見，混凝土試件的凍融循環(huán)破壞過程可以歸結為疲勞破壞，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)越增加，試件的破損程度越嚴重。

4 結束語

通過試驗研究分析，得出如下結論：

（1）普通混凝土在凍融循環(huán)作用下的抗壓強度、質量損失、相對動彈性模量三方面性能均優(yōu)于再生混凝土，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，兩組差值逐漸增大，再生混凝土的抗凍性能就越差。

（2）相同凍融循環(huán)次數(shù)下，混凝土強度等級越高，各方面力學性能越好，抗凍性能越好。

（3）本試驗凍融破壞機理為再生混凝土表面雜質導致其新吸收水泥漿減少，加之原本混凝土內吸水膨脹，與普通混凝土相比，凍融循環(huán)過程中孔隙及裂紋增多，加劇凍脹破壞，導致表面水泥漿脫落，最后試件破壞。