基于凍融循環(huán)的再生粗骨料混凝土力學(xué)性能分析

石晶， 康永生， 李超， 李振海

（黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院，哈爾濱 150080）

0 引言

為推動(dòng)固體廢棄物產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，貫徹制造強(qiáng)國(guó)實(shí)施，2017年12月中國(guó)工程院正式啟動(dòng)“新材料強(qiáng)國(guó)2035戰(zhàn)略研究”重大項(xiàng)目［1，2］。達(dá)到或超過(guò)服役壽命的舊建筑、災(zāi)后建筑及不達(dá)標(biāo)的混凝土試件經(jīng)拆除后會(huì)產(chǎn)生大量的建筑固體廢棄物，將建筑固體廢棄物廢為寶不僅可以有效解決建筑垃圾任意堆放和填埋造成的海洋、土地及空氣污染，還可以緩解建筑砂石供不應(yīng)求的問(wèn)題并推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略［3，4］，從而對(duì)智慧城市的建設(shè)起到一定的推動(dòng)作用。因此如何將廢棄混凝土循環(huán)利用并取代代替天然骨料研究其抗凍性能已經(jīng)成為建筑工程領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題［5，6］。

目前，國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者和研究人員經(jīng)過(guò)不懈探索針對(duì)再生混凝土的抗凍融性能取得了大量的研究成果。L Ying等［7］研究了不同品質(zhì)的再生粗骨料和凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)混凝土抗凍性能的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，凍融循環(huán)次數(shù)和再生粗骨料取代率的增加對(duì)5種混凝土材料的抗凍融性能起到負(fù)面作用，表現(xiàn)為質(zhì)量損失率、彈性模量損失率和抗壓強(qiáng)度損失率的上升。Z Wang等［8］研究了再生骨料和釉面空心珠提高混凝土的抗凍性及探究了再生骨料保溫混凝土的抗凍劣化機(jī)制，研究結(jié)果表明，在RAC中添加釉面空心珠可以適當(dāng)改善混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，有助于提高其抗凍性，釉面空心珠的最佳含量為90kg/m3。曹新鋮等［9］分析了凍融循環(huán)條件下再生粗骨料包漿的厚度和有效成分對(duì)試件的抗凍融性能的影響規(guī)律進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，與未作預(yù)處理的混凝土相比，骨料經(jīng)過(guò)包漿處理后150次凍融循環(huán)時(shí)其相對(duì)動(dòng)彈性模量提高了18.6%，建立凍融損傷模型擬合精度較高，能準(zhǔn)確地反映自密實(shí)包漿再生骨料混凝土的凍融損傷破壞規(guī)律。曹萬(wàn)林等［10］對(duì)再生混凝土的抗凍性、抗碳化性、抗氯離子滲透性、徐變性能及再生混凝土構(gòu)件的耐久性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，再生混凝土的工作性能和耐久性能均不同程度的劣于普通混凝土，但通過(guò)調(diào)整顆粒級(jí)配、適量外加劑和摻合料或者優(yōu)化生產(chǎn)工藝等可以實(shí)現(xiàn)其性能與普通混凝土相近，再生混凝土耐久性能研究大多采用單因素分析方法，而實(shí)際工程常出現(xiàn)多因素交互影響。王永貴等［11］分析了BF及NS摻量分別對(duì)再生混凝土7d、28d及90d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，研究結(jié)果表明，在3種齡期下再生混凝土的抗壓強(qiáng)度均隨再生粗骨料取代率的增大而下降，添加適宜摻量的纖維對(duì)再生混凝土早中期抗壓強(qiáng)度的提高起到促進(jìn)作用，但對(duì)后期強(qiáng)度貢獻(xiàn)不顯著。

盡管一些專家和學(xué)者對(duì)不同品質(zhì)再生骨料、再生骨料取代率、凍融循環(huán)次數(shù)、舊骨料包漿厚度的再生混凝土抗凍融性能進(jìn)行了大量研究，但對(duì)凍融循環(huán)條件下再生混凝土的力學(xué)性能研究相對(duì)較少。文中通過(guò)開(kāi)展再生粗骨料混凝土（RC）的抗凍融試驗(yàn)研究，與素混凝土（NC）進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以凍融循環(huán)次數(shù)（N），（即0、50、100和150）和混凝土類型（NC和RC）為研究變量，分析了在凍融循環(huán)作用下NC和RC對(duì)抗壓強(qiáng)度和裂抗拉強(qiáng)度的衰減規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

再生粗骨料混凝土抗凍融性能采用規(guī)格100mm×100mm×100mm的立方體試件和100mm×100mm×400mm的棱柱體試件，制備試件所需原材料包括水泥、再生粗骨料、天然粗骨料、天然細(xì)骨料、外加劑及實(shí)驗(yàn)室用拌合水。其中水泥采用P.O42.5，再生粗骨料產(chǎn)自包頭東方希望鋁廠，采用粒徑為5～31.5mm的碎石，其性能指標(biāo)滿足GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》的要求。天然粗骨料同粒級(jí)的天然碎石，其性能指標(biāo)滿足GB/T 14685-2011《建設(shè)用碎石、卵石》的要求。粗骨料主要材性指標(biāo)見(jiàn)表1。細(xì)骨料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.45，中砂含泥量為2.8%，ρ表=2648kg/m3。外加劑采用引氣型減水劑，減水劑的體積摻量為2.6%。

表1 粗骨料性能指標(biāo)

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)對(duì)施工生產(chǎn)的質(zhì)量保證和工程技術(shù)的性能指標(biāo)至關(guān)重要。以再生混凝土為實(shí)驗(yàn)組，普通混凝土為對(duì)照組，參照J(rèn)GJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行NC和RC的試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，坍落度控制在80～100mm，水灰比為0.5，砂率為42.5%，混凝土含氣量為5.5%。預(yù)配置C30強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土，其抗壓強(qiáng)度超過(guò)35MPa見(jiàn)表2。

表2 混凝土配合比

1.3 再生混凝土試件制備及養(yǎng)護(hù)

相比于天然粗骨料，再生粗骨料內(nèi)部含有一定原始缺陷，導(dǎo)致其孔隙率大、吸水率高、形成多重界面過(guò)渡區(qū)及強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)。為了解決再生粗骨料吸水率高的問(wèn)題，試驗(yàn)前對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)潤(rùn)濕，使骨料內(nèi)部水接近飽和。再生粗骨料的制備流程如圖1所示。

圖1 再生粗骨料制備工藝流程

試件種類、規(guī)格和數(shù)量見(jiàn)表3。

表3 試件參數(shù)

試件攪拌設(shè)備采用強(qiáng)制式單軸臥式攪拌機(jī)，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)，凍融循環(huán)試驗(yàn)采用快速凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)。凍融試驗(yàn)試件材料制備全過(guò)程在青島理工大學(xué)土木工程材料實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，制備時(shí)室內(nèi)溫度控制在（23±5）℃，濕度控制在55%～60%。試件成型并覆蓋保鮮膜后在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中靜置24～48h，隨后對(duì)6組試件依次進(jìn)行編號(hào)、記錄后拆模，之后迅速放入室溫為（20±2）℃，相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)24d，隨后移至（20±2）℃水中養(yǎng)護(hù)，浸泡時(shí)間為4d，試件在28d齡期下進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

依據(jù)JG/T 243《混凝土抗凍試驗(yàn)設(shè)備》、GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求，凍融循環(huán)試驗(yàn)中凍融機(jī)制采用快凍法，采用質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率來(lái)衡量抗凍融性能的優(yōu)劣。設(shè)定尺寸為100mm×100mm×400mm。凍融循環(huán)條件下的力學(xué)性能試驗(yàn)設(shè)定試件規(guī)格為100×100×100（mm×mm×mm）。在凍融試驗(yàn)過(guò)程中，水面高于試件上表面5mm以上，試件中心溫度的上限7℃，下限控制在-20℃，冷凍和融化之間的切換時(shí)間不宜超過(guò)600s。當(dāng)凍融循環(huán)試驗(yàn)滿足以下3個(gè)條件之一時(shí)應(yīng)中止試驗(yàn)：①凍融循環(huán)次數(shù)N達(dá)到300次；②相對(duì)動(dòng)彈性模量Pi下降至60%或相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率ΔPi達(dá)到40%；③質(zhì)量損失率ΔWni達(dá)到5%。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論分析

2.1 再生混凝土的抗凍融性能試驗(yàn)

混凝土的抗凍性能是耐久性能的主要指標(biāo)之一。對(duì)于北方寒冷及溫差較大地區(qū)，再生混凝土的抵抗凍融性能是極大的挑戰(zhàn)［12］，因此，凍融循環(huán)疲勞荷載作用下再生混凝土的力學(xué)性能的研究具有重要意義。文中采用快凍法分別對(duì)普通混凝土和再生混凝土的ΔWni和ΔPi進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果能分別繪制出凍融循環(huán)次數(shù)和混凝土種類對(duì)混凝土抗凍融性能的影響規(guī)律曲線圖，如圖4所示。

表4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土抗凍融性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

混凝土經(jīng)歷150次凍融循環(huán)過(guò)程中，試塊內(nèi)部較大孔隙中含有自由水，這些自由水最先凍結(jié)，產(chǎn)生的冰晶致使孔隙體積發(fā)生膨脹。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，達(dá)到冰點(diǎn)的較小孔隙中自由水也逐漸產(chǎn)生冰晶，試件內(nèi)部受到了大量冰晶的膨脹作用，當(dāng)這種作用大于混凝土的抗壓承載能力時(shí)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生破壞。部分破碎的骨料碎渣和細(xì)小砂漿顆粒隨著自由水的遷移而流失；另一方面，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加骨料與漿體之間的粘結(jié)力和握裹力效果降低，骨料剝落率增加，兩種作用的綜合結(jié)果是混凝土的質(zhì)量降低，表現(xiàn)為質(zhì)量損失率。相對(duì)動(dòng)彈性模量可以反映混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布特征和內(nèi)部裂紋等損傷情況，因此試件的孔隙率越小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密，其相對(duì)動(dòng)彈性模量也會(huì)越大。凍融循環(huán)次數(shù)的增加，會(huì)造成混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很多缺陷，抗壓強(qiáng)度降低，相對(duì)動(dòng)彈性模量減小，造成相對(duì)動(dòng)彈性模量損失，表現(xiàn)為相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率［14］。

由圖4（a）看出，當(dāng)其他條件不變時(shí)，兩種混凝土材料的ΔWni隨著N的增加而呈現(xiàn)下降后上升的趨勢(shì)當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)不超過(guò)50次時(shí)，N與ΔWni成反比關(guān)系；當(dāng)50≤N≤150次時(shí)，二者成正比關(guān)系。由圖4（b）表明，兩種混凝土材料的ΔPi均隨著N的增加而增長(zhǎng)，這與劉路等［14］的研究結(jié)果較為相似。圖4還表明，采用內(nèi)插法可推算出當(dāng)N=63時(shí)，NC和RC的質(zhì)量損失率相等，當(dāng)N＜63次時(shí)，NC的ΔWni大于RC；當(dāng)N＞63次時(shí)，RC的ΔWni大于NC。當(dāng)N=150，NC和RC的ΔWni分別為3.5%和4.1%。此外，RC的ΔPi均高于NC，差值平均為10.4%。尤其是N=100次時(shí)，二者的ΔPi的差值高達(dá)17%。二者的ΔWni和ΔPi滿足GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中ΔWni不大于5%的要求，ΔPi不超過(guò)40%的要求。內(nèi)蒙古大學(xué)的張立也得出相似的研究結(jié)果［15］。

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)和混凝土種類對(duì)其抗凍性能的影響

當(dāng)N=50時(shí)，試件中水泥進(jìn)行二次水化反應(yīng)，使得混凝土吸水率增大，并且這種作用大于骨料表面水泥砂漿剝落的質(zhì)量，試件質(zhì)量略有增加；當(dāng)N＞50時(shí)，混凝土骨料剝落量逐漸大于水泥水化吸水量，并且伴隨著冰晶膨脹作用產(chǎn)生的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，ΔWni出現(xiàn)大幅度提高，并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加，質(zhì)量損失率增長(zhǎng)變快；當(dāng)N＞100次時(shí)，ΔWni增速顯著加快；當(dāng)N=150時(shí)，兩種混凝土的ΔWni達(dá)到最大值。

當(dāng)N＜100次時(shí)，ΔPi增長(zhǎng)速率較快。主要因?yàn)樵偕橇媳旧砗泻芏辔⒘芽p和原始缺陷導(dǎo)致吸水率增大，混凝土內(nèi)部冰晶膨脹產(chǎn)生的凍脹壓力和水分遷移的滲透壓力使內(nèi)部的微裂縫不斷地延伸和擴(kuò)展，導(dǎo)致混凝土基體材料性能逐漸劣化。N≥100，其ΔPi的增加更加緩慢，僅提高了8.3%，主要原因是混凝土中加入了引氣減水劑，含氣量可以在混凝土內(nèi)部形成膨脹壓力緩沖區(qū)，有效阻礙了裂縫的開(kāi)展及延伸，Pi降低速度減緩，有效提高RC的抗凍性能。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸可以得到再生混凝土的ΔWni和N的關(guān)系見(jiàn)式（1）。

式中，ΔWn為質(zhì)量損失率，%；N為凍融循環(huán)次數(shù)，次；R2為調(diào)整后的擬合度。

式（1）表明，RC的ΔWni與N呈一元二次方程曲線關(guān)系，當(dāng)N=38次時(shí)，ΔWni達(dá)到最小值，即-0.5%；當(dāng)N＞38次時(shí)，其ΔWni增長(zhǎng)幅度加快。ΔWni與N的回歸曲線與試驗(yàn)值擬合度較為精準(zhǔn)，R2=0.9902。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸可以得到RC的ΔPi和N的關(guān)系見(jiàn)式（2）。

式中，ΔEn為混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率，%；R2為調(diào)整后的擬合度。

式（2）表明，RC的ΔWni與N呈一元二次方程曲線關(guān)系，且調(diào)整后的擬合度較高，可達(dá)0.9909。凍融循環(huán)每增加25次，其ΔPi平均增加8.9%，ΔPi與N的回歸曲線與試驗(yàn)值擬合度較為精準(zhǔn)，R2=0.9909。

2.2 凍融循環(huán)條件下再生混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)

基于3.1RC的抗凍融性能試驗(yàn)，探究?jī)鋈谘h(huán)作用下RC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的衰減規(guī)律，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可繪制出凍融循環(huán)次數(shù)和混凝土類型對(duì)其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響關(guān)系曲線，如圖5所示。

表5 凍融后混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)

圖5 凍融循環(huán)作用下N和混凝土類型對(duì)力學(xué)性能的影響

圖5結(jié)果表明，無(wú)論是抗壓強(qiáng)度還是劈裂抗拉強(qiáng)度，均隨著N的增加而降低并且呈接近線性下降趨勢(shì)。其中150次凍融循環(huán)過(guò)程中的抗壓強(qiáng)度下降了17.2MPa，約53.2%，劈裂抗拉強(qiáng)度同比降低47.4%；凍融循環(huán)每增加25次，RC的抗壓強(qiáng)度平均下降2.85MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度平均降低0.3MPa。當(dāng)NC的N=150次時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度下降幅度分別為45.5%和37.5%。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，RC的抗壓強(qiáng)度低于NC，約3～5MPa，兩者的劈裂抗拉強(qiáng)度平均相差0.38MPa。

混凝土內(nèi)部受到冰晶的膨脹作用，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成滲透壓力和膨脹應(yīng)力，當(dāng)這種作用超過(guò)混凝土能承受的最大應(yīng)力，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)由致密變得疏松多孔，孔隙率增加，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加這種影響也會(huì)越來(lái)越大。在正負(fù)溫交替循環(huán)作用下，再生混凝土中的細(xì)微裂縫不斷增多、擴(kuò)展、延伸，最終形成貫通縫，宏觀的表現(xiàn)是抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的降低。此外，再生混凝土內(nèi)部原始缺陷較多，結(jié)構(gòu)更容易被破壞，同時(shí)引氣減水劑的添加引入了大量的、密閉的、微小的氣泡，使得再生混凝土的致密性降低，表觀密度下降，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨之降低，因此，RC的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度相比NC較差。

通過(guò)對(duì)RC的凍融循環(huán)次數(shù)-抗壓強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)-劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行指數(shù)回歸可得關(guān)系如式（3）和式（4）。

式中，fc（n）為混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa。

式中，ft（n）為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa。

式（3）和式（4）結(jié)果表明，RC的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度與凍融次數(shù)均呈指數(shù)關(guān)系，且兩個(gè)關(guān)系式均表現(xiàn)良好的相關(guān)性，即相關(guān)性高達(dá)0.95以上。其中凍融循環(huán)次數(shù)和劈裂抗拉強(qiáng)度關(guān)系式的相關(guān)性最為精確，高達(dá)0.9996。

3 結(jié)語(yǔ)

文中通過(guò)開(kāi)展了再生混凝土的抗凍融試驗(yàn)和凍融循環(huán)條件下再生混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了凍融循環(huán)次數(shù)和混凝土類型對(duì)其抗凍融性能的影響規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

（1） RC和NC的抗凍融試驗(yàn)表明，當(dāng)其他條件一定時(shí)，二者ΔWni隨著N的增加而呈先下降后上升的趨勢(shì)。當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到38次時(shí)，ΔWni達(dá)到最小值-0.5%。當(dāng)其他因素不變時(shí)，ΔPi隨著N的增加而增長(zhǎng)。當(dāng)N=150時(shí)，RC和NC的ΔPi分別為33.5%和42.8%。

（2） 通過(guò)對(duì)比NC和RC的抗凍融能力表明，當(dāng)N≤63次時(shí)，NC的ΔWni略高于RC；當(dāng)N＞63次時(shí)，RC的ΔWni逐漸超過(guò)NC。當(dāng)其他因素一定時(shí)，RC的ΔPi一直高于NC；尤其是當(dāng)N＞100次時(shí)，二者的ΔPi差值高達(dá)17%。

（3） 在凍融循環(huán)條件下再生混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)表明，當(dāng)其他條件一定時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著N的增加而降低且呈線性變化，當(dāng)N=150時(shí)，RC的抗壓強(qiáng)度比未凍融時(shí)降低了17.2MPa，約53.2%，劈裂抗拉強(qiáng)度同比降低了1.8MPa，下降幅度為47.4%。RC的抗壓強(qiáng)度相比于NC低3～5MPa，其劈裂抗拉強(qiáng)度比NC平均低0.38MPa。因此，RC的力學(xué)性能和抗凍融性能均劣于NC。

（4） 分別對(duì)RC的凍融循環(huán)次數(shù)-抗壓強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)-劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行指數(shù)回歸可得，二者的線性回歸關(guān)系式的相關(guān)性均達(dá)0.95以上。