再生粗骨料混凝土抗凍性能研究進展

劉恩銘，林明強，謝 群

(濟南大學土木建筑學院，濟南 250022)

0 引 言

隨著我國城市建設不斷推進，建筑材料的需求量和建筑廢棄物的產生量隨之大幅增加。建材產業的碳排放在我國建筑行業中占據主導地位[1]，在2020年達到16.5億t[2]，數量巨大。我國建筑垃圾產生量早在2013年就已超過10億t[3]，其中只有10%(質量分數)被再次利用，絕大多數仍為填埋處理[4]。2021年，習近平主席提出了我國的“雙碳”目標，如何促進行業產業綠色低碳發展成為社會各界共同關注的問題。李克強總理在2022年政府工作報告中也提出，要推進建材行業節能降碳，加強固體廢棄物治理，推行減量化、資源化，加快形成綠色生產方式?；炷潦钱斍皯米顬閺V泛的建材之一，全球混凝土消費量在2016年達到145億m3，我國占比超過六成[5]。相應地，廢棄混凝土是建筑廢棄物的主要組分，在某些地區占比可達2/3[6]，其中骨料體積占80%左右[7]。如果將建筑廢棄物進行填埋處理，則每萬噸廢棄物就需要占據6 000 m2土地[8]；而如果將其用于生產再生骨料，則每年可節約至少8億t天然砂石，減少開采1/3的天然石材，釋放2.33×108m2的填埋土地[9]?？梢?，將廢棄混凝土進行再生骨料及其下游產業開發是一項極具環境效益、經濟效益和社會效益的綠色生產活動。因而，再生粗骨料混凝土的研究應用受到了廣泛關注[10-14]。但相比于天然骨料，再生粗骨料(recycled coarse aggregate, RCA)具有內部初始缺陷多、裂縫發展快、孔隙率大、吸水率高等特點，進而導致其力學、耐久性能較差[15-16]。因此，亟需進一步研究總結再生粗骨料及其混凝土制品的工作機理和力學性能，使其更好地應用于實際工程中。

抗凍性能是評價混凝土耐久性能的重要指標[17]。寒冷地區混凝土建筑在凍融循環作用下發生的性能劣化和破壞是其使用過程中的主要病害[18]。因此，開展再生粗骨料混凝土抗凍性能的研究對其在寒冷地區的推廣和使用尤為重要。本文結合目前國內外再生粗骨料混凝土抗凍性能研究現狀，總結再生粗骨料混凝土的凍融破壞機理和宏微觀形貌變化，分析其劣化過程，對相關研究中普遍使用的評價再生粗骨料混凝土抗凍性能的指標數據進行總結歸納，結合再生粗骨料摻量和凍融循環次數對其變化趨勢進行分析，并在此基礎上提出相關研究建議，以期為再生粗骨料混凝土抗凍性能的研究和應用推廣提供借鑒。

1 凍融破壞機理

凍融循環作用下的混凝土結構的破壞是一種復雜的疲勞破壞，是在正負溫交替作用下表面顆粒剝落和內部結構損傷不斷積累、共同作用的結果[19]。不同種類的混凝土因其材料性能的差別，在凍融循環作用下的表現也存在差異，但其成分在此過程中不發生改變，因此基本可以認為這種損傷破壞主要是一種物理變化過程[20]。當前為多數學者所采信的混凝土凍融破壞機理的理論主要有靜水壓理論、滲透壓理論和微冰晶模型。Powers[21]于1945年提出靜水壓理論。該理論示意圖如圖1所示，低溫下，混凝土最外層先發生凍結以阻擋其內部水分流失，其后凍結區域向內擴展，液態水受到擠壓后發生遷移進而對孔隙壁形成靜水壓力，在凍融過程中持續使混凝土產生損傷直至破壞。這一假說的成立需要混凝土成冰區域幾近飽和，外層冰體足夠厚以確保形成封閉空間，凍結速度足夠快以促使液態水產生充足的壓力，其條件在實驗室中也較難達成。1953年，Powers等[22]又提出了滲透壓假說，認為孔隙水的凍結順序與孔徑大小有關。滲透壓理論示意圖如圖2所示，大孔隙中的液體先發生凍結，使其離子濃度上升并與小孔隙產生濃度差，從而導致液體發生遷移，大孔隙內液體壓力不斷增加，混凝土產生損傷。Litvan[23]和Fgaerlund[24]進一步發展了上述理論，討論了強度、孔隙結構、飽和度等材料性能以及相對濕度、溫度、冷凍速度等環境條件對凍害的影響。以上兩種理論在一定程度上解釋了混凝土凍融現象，并推動了凍融模型和實驗方法的標準化，但仍不能解釋混凝土受凍收縮和凍融過程中吸水速率提高的現象[25-26]。2001年，Setzer[27]提出了微冰晶模型，該模型示意圖如圖3所示。冷凍時，孔隙水壓力增大，液態水被擠出孔隙并吸附凍結于微冰晶上，混凝土表現出干燥收縮現象；升溫時，孔隙內壓力降低，液態水被重新吸收回砂漿孔隙中，此時外部液態水也會被吸收，表現為吸水速率增大。當混凝土體達到臨界飽和度后，在凍融過程中形成累積損傷并最終發生破壞。

圖1 靜水壓理論示意圖

圖2 滲透壓理論示意圖

圖3 微冰晶模型示意圖

當前，有部分學者[28-31]認為再生粗骨料混凝土的抗凍性能與普通混凝土相似甚至優于普通混凝土，其原因主要有再生混凝土多孔結構引入大量氣體能夠有效緩沖膨脹應力[30-31]以及較高吸水率有助于混凝土內部養護固化[32]等。然而大多數研究[33-37]指出再生粗骨料混凝土的抗凍性能劣于普通混凝土。普遍認為，這種劣化主要是由再生粗骨料因破碎加工導致的較多微裂縫以及再生粗骨料混凝土內部疏松薄弱的多重界面過渡區(interfacial transition zone，ITZ)造成的[38-42]。由于再生粗骨料外層粘附有老舊砂漿，因此，相較于普通混凝土，再生粗骨料混凝土內部的界面構造更加復雜[41]。具體內部界面結構如圖4所示，再生粗骨料混凝土中存在著舊砂漿與新砂漿界面(ITZ1)、舊砂漿與舊骨料界面(ITZ2)以及新砂漿與舊骨料界面(ITZ3)。相較于ITZ3，ITZ1和ITZ2更為薄弱，較多的孔隙和裂隙使其結構疏松脆弱(見圖5)，隨著再生粗骨料取代率的增加，這種脆弱的界面不斷增加，使得再生混凝土的性能不斷退化[43]。已有學者分別采用光學顯微鏡薄切片法[43]、掃描電鏡[44-45]、X射線微斷層掃描技術[46]、納米壓痕法[47-48]以及掃描原子力顯微鏡[49]等方法對再生混凝土內部界面性能進行測試。測試結果表明，ITZ表現出結晶疏松、孔隙率大的特點[44,49]，特別是新舊砂漿之間形成的ITZ1，其壓痕模量比周邊砂漿體低10%～20%且寬度較ITZ2和ITZ3大15 μm左右[47]，再生混凝土在受力時產生的微裂縫首先出現在ITZ范圍內并不斷擴展[45]。

圖4 再生粗骨料混凝土內部界面結構

圖5 再生粗骨料混凝土界面過渡區SEM照片[56]

結合以上對普通混凝土凍融破壞機理和再生混凝土內部結構薄弱環節的分析，推測再生粗骨料混凝土的凍融破壞過程如下：凍融時，再生粗骨料混凝土由于多重ITZ的形成造就了更多的微小孔隙，孔隙尺寸越小則吸水速率越大[50]，同時隨著再生粗骨料摻量的增加其吸水性也在不斷提升[51-52]；再生粗骨料混凝土的臨界飽和度約為81%～83%，低于普通混凝土的臨界飽和度86%～88%，一旦達到臨界飽和度，則損傷開始發生于近三個循環周期[37]。因此，在相同寒冷環境下，再生粗骨料混凝土先于并更易于普通混凝土發生內部結構破壞。接下來，小孔隙之間的間隔在凍融損傷中不斷崩解，總孔隙率以及孔隙聯結形成的裂隙隨凍融循環次數的增加而增加，又為水滲入混凝土內部建立了通道[53-54]；孔隙不斷生成并且尺寸不斷擴大，孔隙尺寸越大則其內部水分越早凍結[55]，進一步產生水壓對再生混凝土產生損傷。最終，在這一系列損傷的循環積累下，再生粗骨料混凝土內部結構不斷疏松化發展，在損傷累積一定程度后，即認為再生混凝土不再具有足夠的承載能力，發生凍融破壞。

2 凍融形貌變化

2.1 宏觀形貌變化

混凝土的宏觀形貌變化是一個漸進的過程，是一個由表層向內部逐漸破壞的過程[57]。Liu等[52]將再生粗骨料混凝土凍融破壞的外觀變化總結為四個階段：凍融初期，表面基本無變化，無可見損傷，沒有粗骨料外露；凍融中期，表面砂漿部分剝落，形成少量孔洞，整體完整；凍融后期，表面砂漿剝落量增加，粗骨料逐漸暴露出來；凍融破壞階段，表面砂漿剝落嚴重，外層粗骨料粘結失效、發生脫落。圖6為普通混凝土(normal concrete, NC)和再生粗骨料摻量為100%的再生混凝土(recycled concrete, RC)凍融循環200次過程中的外觀對比圖片。普通混凝土和再生混凝土在凍融試驗中的表面形態具有相同的變化趨勢，但是由于再生粗骨料與膠凝材料之間的粘結弱于普通混凝土，因此當凍融循環次數相同時，再生粗骨料混凝土的損傷程度比普通混凝土更加嚴重[58]。凍融試驗前，兩類混凝土試塊表面光滑平整、邊緣完整有棱角；凍融循環50次時，試塊表面變得粗糙，少量砂漿脫落，兩類試件外觀差別不大；凍融循環100次時，砂漿脫落增多，棱角有損失，普通混凝土表面部分可見粗骨料，再生混凝土的粗骨料明顯顯露出來且試塊邊角處不再完整；凍融循環150次時，試塊砂漿大量脫落，粗骨料暴露明顯，再生混凝土試塊出現缺邊少角；凍融循環200次時，試塊砂漿成片缺失，邊角表現出明顯弧度，表層粗骨料突出，再生混凝土的表面凹陷相較于普通混凝土更寬，更深，范圍更大。有學者[59-62]對再生粗骨料混凝土進行了300次凍融循環試驗，表面形貌如圖7所示。經過300次凍融循環后的再生粗骨料混凝土試件表面砂漿大面積缺失，殘留砂漿疏松脆弱，沿暴露出的粗骨料邊緣形成凹槽，部分粗骨料甚至發生脫落，凍融損傷極為明顯。

圖6 不同凍融循環次數下的混凝土試件的外觀形貌[63]

圖7 300次凍融循環后再生粗骨料混凝土試件的外觀形貌[59-62]

2.2 微觀形貌變化

再生粗骨料混凝土受凍害時的微觀形貌變化受再生粗骨料的原始缺陷和混凝土內部ITZ的影響較大。ITZ處的砂漿體結構因其孔隙率大、比重小、機械強度低是再生粗骨料混凝土內部最為薄弱的環節[64]。大量微小孔隙的孔隙壁在內部水分凍結融化的過程中不斷承受壓力而發生破裂，導致砂漿體逐漸由密實變得疏松，同時孔隙之間相互連通形成裂縫，進而在宏觀上表現為再生混凝土力學性能的下降[41]。再生混凝土與普通混凝土之間的抗凍性能差異主要是ITZ范圍內的結構損傷導致的，通過微觀結構觀察分析可以更加直觀地揭示再生粗骨料混凝土在凍融循環中的性能退化[65]。圖8為再生粗骨料摻量為100%的再生混凝土以及普通混凝土在200次凍融循環過程中的微觀掃描電鏡照片。凍融試驗前，再生混凝土中新砂漿與老舊砂漿之間已存在細微裂縫，砂漿表面比較平整，存在少量獨立小孔隙；凍融循環50次時，裂縫和孔隙進一步發展，砂漿表面變得粗糙，出現少量絮狀膠凝材料；凍融循環100次時，ITZ處膠凝材料呈絮狀或網狀，并伴有砂漿剝落，裂縫由界面向兩側擴展；凍融循環150次時，再生混凝土中大量孔隙相互聯結，裂縫寬度增大，砂漿出現塊狀分層；凍融循環200次時，ITZ范圍內的裂縫相互貫通，砂漿體開裂，孔隙全面發展，膠凝材料表現出明顯的疏松結構。相較于再生混凝土，普通混凝土在凍融循環150次和200次時僅產生少量微裂縫和小孔洞，裂縫孤立未貫通，砂漿體仍表現得較為密實，保持有一定的粘結力和微觀結構性能。圖9為300次凍融循環后再生混凝土的微觀形貌，可見此時裂縫和孔隙已發展得較為完全，裂縫相互貫通形成網絡，大孔隙較多且分布密集，膠凝材料呈塊狀剝離狀態，ITZ范圍內的砂漿表現為松散顆粒堆積，顯然已不再具有任何粘結作用，可以推斷此時的再生混凝土即將或已達到凍融破壞標準。

圖8 不同凍融循環次數下混凝土試件的微觀形貌[63]

3 凍融性能評價指標

當前，已有大量學者對再生混凝土進行了凍融循環試驗并取得了有益的研究成果，較為普遍采用的性能評價指標有質量損失、相對動彈性模量和抗壓強度。本文選取了僅以再生混凝土粗骨料為替代粗骨料、未進行改性強化的再生混凝土的凍融循環試驗的相關研究成果進行總結歸納，以期為再生粗骨料混凝土的抗凍性能研究和應用提供支持。

3.1 質量損失

在凍融試驗過程中，再生混凝土試件由于砂漿掉渣、骨料剝離等原因造成質量降低，與試件表面剝蝕程度總體上表現出一致性[66-67]，因此測量試件的質量損失可以作為衡量再生混凝土凍融損傷水平的一個較為直觀的方法[68]。王瑞駿[61]將再生混凝土在凍融過程中質量損失率的變化分為三個階段：(1)下降期(0～25次循環)，凍融損傷連通了更多的混凝土內部滲水通道使砂漿體吸水能力得到提升，質量損失率出現負值；(2)緩慢上升期(25～200次循環)，再生混凝土吸水接近飽和，但內部孔隙和微裂縫仍在發展，砂漿剝落不斷增加，質量損失表現出上升態勢；(3)加速上升期(200～300次循環)，再生混凝土內部結構薄弱面不斷增多，表面砂漿大面積剝蝕，個別粗骨料脫落，質量損失速率增大。選取部分文獻[52,68-73]中再生粗骨料混凝土凍融循環試驗質量損失的數據進行歸納分析，如圖10所示。在“再生粗骨料摻量-質量損失率”平面上，有一束折線較為集中地出現在質量損失率0%線以下，這便是再生粗骨料混凝土在凍融初期出現的質量損失負增長的情況。曲線幾乎無斜率，表明再生粗骨料摻量對這一現象的影響較小，同時也說明了在較為有限的凍融循環次數下，難以以質量損失率來衡量不同再生粗骨料摻量的再生混凝土抗凍性能。隨著凍融循環次數的再次增加，再生粗骨料混凝土質量損失率曲線依次排列出現，開始表現出質量損失隨凍融次數增長的規律。劉傳輝等[56]的研究體現了這一規律，摻量50%和100%(質量分數，下同)的再生混凝土經過25次、50次、75次、100次、125次、150次凍融循環后的質量損失率分別為-0.21%、-0.38%、0.19%、0.87%、2.33%、3.86%和-0.36%、-0.58%、0.32%、1.27%、2.82%、4.01%。

圖10 再生粗骨料混凝土凍融循環試驗質量損失率變化曲線

由圖10“凍融循環次數-質量損失率”平面上可以看出，再生粗骨料摻量對再生混凝土在凍融循環中的質量損失率變化的影響也具有一定的規律性。在再生粗骨料摻量影響方面，摻量50%及以下的再生混凝土質量損失率在凍融過程中的數據點較為集中地分布于下側，與普通混凝土試件性能相近，且呈現出較為均勻的增長態勢。再生粗骨料摻量在70%～100%的再生混凝土的質量損失則與前者相差較大，數值較為分散地出現在上側，并且在凍融過程中的變化也更加劇烈，表現出較差且較為離散的抗凍性能。Xiao等[53]經過試驗發現，摻量為0%、33%、66%和100%的再生混凝土在凍融循環75次時的質量損失率分別為2.34%、2.95%、3.89%和5.45%。范玉輝等[66]研究指出，凍融循環100次時，摻量50%和100%的再生混凝土的質量損失率為普通混凝土的120%和239%。劉全升[74]研究發現，摻量25%、50%、75%和100%的再生混凝土的質量損失率在凍融循環120次時分別為3.2%、4.0%、4.7%和5.6%。鄧祥輝等[68]的試驗指出，摻量0%、25%、50%、75%和100%的試件經過200次凍融循環后的質量損失率分別為1.90%、1.82%、1.63%、3.55%和5.47%。鄒超英等[75]研究指出，凍融循環200次時，摻量33%和66%的再生混凝土的質量損失率分別為3.08%和6.35%，此時摻量100%的試件已發破壞。El-Hawary等[76]的試驗指出，經過300次凍融循環試驗后，摻量為100%的再生混凝土的質量損失損失率相較普通混凝土高67%。Liu等[52]研究表明再生粗骨料摻量對再生混凝土抗凍性能起到控制作用，凍融循環300次時，普通混凝土質量損失率為3.71%，摻量20%和40%的再生混凝土的質量損失率已超過5%，而摻量60%的試件在175次時就已達到這一數值。

作為混凝土凍融試驗中最普遍使用、最便捷獲取的數據，也有學者[77-78]認為，質量損失率作為再生混凝土抗凍性能指標也有其局限性。凍融初期，試驗中普遍出現負質量損失率并非試件本身的質量增加，而是前期試件吸水量大于混凝土剝落量，但此時混凝土表面砂漿的剝蝕仍是質量損失的表現[56]。同時這也使得再生混凝土在凍融初期的質量損失并不明顯[63]，甚至會出現高再生骨料摻量試件的質量損失率在整個試驗過程中恒為負值的情況[79]。此外，質量損失率作為衡量指標的變化范圍較小[78]，相較于相對動彈性模量60%的最大變化范圍，質量損失率的差別有時只有4%[60]，區分能力并不明顯。

3.2 相對動彈性模量

混凝土動彈性模量通過彈性波在混凝土內傳播速度的變化來衡量材料內部結構的狀態[68]，可在不破壞試件的情況下確定混凝土的凍害情況[56]。相對于質量損失是反應混凝土表面損傷程度的指標，動彈性模量則通過測試內部密實程度來反映混凝土的凍融損傷水平[61,80]。在凍融循環中，再生粗骨料混凝土的孔隙和微裂縫不斷擴展，結構逐漸疏松，導致動彈性模量下降[53,81]。選取部分文獻[52,61,68,71,82-84]中再生粗骨料混凝土凍融循環試驗相對動彈性模量(relative dynamic elastic modulus，RDEM)的數據進行歸納分析，如圖11所示。再生粗骨料混凝土在凍融循環中的相對動彈性模量損失率受凍融循環次數和再生粗骨料摻量影響的變化趨勢與質量損失率相同，均為凍融循環次數越多、再生粗骨料摻量越大，損失率越高，同時再生混凝土本身材料性能的影響也比較大，不同水灰比[85]、不同設計強度[62]、不同再生粗骨料來源[61,86]的再生混凝土在凍融循環試驗中相對動彈性模量的變化速率均存在較大差異。在“凍融循環次數-相對動彈性模量”平面上，可以看到數據點在上下兩側分別集中為兩束，但其區別并非由再生粗骨料摻量導致的，而是不同研究中的再生混凝土的相對動彈性模量的變化趨勢存在差異。Xiao等[53]研究指出，經過75次凍融循環，普通混凝土的殘余動彈性模量分別為再生粗骨料摻量33%、66%和100%的再生混凝土的1.15倍、1.78倍和5.01倍。而張金喜等[83]研究指出，凍融循環100次時，摻量50%和100%的再生混凝土的相對動彈性模量損失分別是普通混凝土的3.75倍和6.41倍。鄧祥輝等[60]的試驗指出摻量0%、25%、50%、75%、100%的再生混凝土經過150次凍融循環后的相對動彈性模量分別降至58.5%、50.9%、53.85%、45.5%和41.35%。覃源等[80]研究發現，在100次和200次凍融循環時，摻量0%、50%、100%的混凝土試件的殘余相對動彈性模量分別為93.7%、92.7%、90.1%和91.0%、89.0%、77.5%。可見，不同研究中的再生粗骨料混凝土的相對動彈性模量的變化范圍和敏感程度是不同的。

圖11 再生粗骨料混凝土凍融循環試驗相對動彈性模量損失率變化曲線

在“再生粗骨料摻量-相對動彈性模量”平面上也能清晰地看到變化趨勢差異較大的多種折線的存在。曹萬林等[77]試驗指出各再生粗骨料摻量的再生混凝土試件在凍融循環25次、50次、75次、100次時的相對動彈性模量變化均值分別為4.4%、5.5%、7.9%和12.5%。劉傳輝等[56]研究指出再生粗骨料摻量為50%的再生混凝土在凍融循環25次、50次、75次、100次、125次、150次時的相對動彈性模量分別為6.13%、13.95%、21.18%、28.96%、33.85%和38.76%；摻量100%的試件在凍融循環100次時的損失率就已達到34.53%，凍融150次時為42.87%。Liu等[52]研究表明，相較于摻量20%和40%的再生混凝土，摻量60%的試件相對動彈性模量在凍融循環中下降更加迅速；經過300次循環，摻量為0%、20%、40%的混凝土的殘余相對動彈性模量分別降至83.0%、58.1%和57.9%，而摻量100%的試件在175次凍融循環時就降至51.1%。El-Hawary等[76]對再生混凝土進行了300次凍融循環試驗，指出取代率為50%的再生混凝土在210次循環時的彈性模量已降至凍融前的60%以下，而取代率0%的混凝土試件在300次凍融循環后仍大于凍融前數值的60%。Jain等[36]的研究則指出，經過400次凍融循環，再生粗骨料摻量為0%、30%和100%的再生混凝土的相對動彈性模量則分別降至96%、92%和86%，循環次數多但衰減幅度并不大?？梢?，不同工藝下的再生混凝土內部密實程度和薄弱界面數量、強度不同，使取得的相對動彈性模量具有不同的變化趨勢。這使得有的再生混凝土在摻量達到100%時仍具有很高的抗凍性能，而部分再生混凝土在50%摻量時即達到破壞標準。因此，在寒冷環境下應用再生粗骨料混凝土，從原材料、工藝等各個環節上對再生混凝土的品質進行控制顯得尤為重要。

作為通過材料密實程度體現再生混凝土抗凍能力的指標，相對動彈性模量也有其局限性存在。部分再生混凝土凍融循環試驗[56,61,80,82]出現了相對動彈性模量在試驗前半段(100～150次凍融循環)的數據變化和曲線差異不明顯的情況。陳德玉等[82]的研究指出，再生粗骨料混凝土在凍融循環0～150次之間的相對動彈性模量變化量較小，下降幅度在2.95%～3.65%之間，且性能劣化程度基本與再生粗骨料摻量無關。王瑞駿等[61]研究指出:前150次凍融循環試驗中再生混凝土的相對動彈性模量變化緩慢，各組試件變化均值為9.35%；在凍融循環150～300次時變化較為明顯，均值達到18.25%?？梢?，在凍融開始后再生混凝土內部孔隙、裂隙發育不充分的較長一個階段中，相對動彈性模量的反應并不敏感，可能出現不能較好體現再生混凝土抗凍性能受凍融循環和再生粗骨料摻量影響而變化的情況。

3.3 抗壓強度

有研究[58,73,87]認為，相較于質量損失率和相對動彈性模量，采用抗壓強度作為再生混凝土抗凍性能指標更為合理，指出抗壓強度能夠反映凍融過程中再生粗骨料混凝土的綜合性能[58]，能夠體現再生粗骨料作為再生混凝土受力骨架的強度劣化趨勢[73]以及與水泥砂漿之間粘結性能的變化[87]，并能由其建立準確度較高的凍融損傷預測模型[41,56,88]。選取部分文獻[52,56,68,73,87-89]中再生粗骨料混凝土凍融循環試驗抗壓強度的數據進行歸納分析，如圖12所示。在“凍融循環次數-相對動彈性模量”平面上，可以清楚地看到數值點較為集中地分布于斜對角線方向上并且具有統一的變化趨勢?？梢姡谡麄€凍融循環試驗中，各再生粗骨料摻量的再生混凝土抗壓強度損失率呈現出較為穩定的增長，說明抗壓強度這一指標能夠較為完整地反映再生粗骨料混凝土在整個受凍害過程中的凍融損傷程度。Fiol等[90]的試驗指出，經過56次凍融循環，取代率0%的混凝土試件的抗壓強度損失率為8%，而100%取代率的再生混凝土試件的抗壓強度損失率則達到了30%，劣化明顯。曹芙波等[58]研究指出：凍融循環100次以后，再生粗骨料混凝土試件內部有大量冰晶產生，抗壓強度損失率大幅增加；經過150次凍融循環后，再生粗骨料摻量為0%和100%的混凝土的抗壓強度損失率分別為45.5%和53.3%。肖前慧等[91]對再生粗骨料混凝土進行了300次凍融循環試驗，隨著凍融次數繼續增加，凍結區域深入試件內部，ITZ區域的微小損傷及孔隙加速擴展，再生粗骨料與砂漿的聯結被破壞，抗壓強度迅速下降。Santana等[62]配制了強度等級分別為C35和C60的不同再生粗骨料摻量的再生混凝土，在150次和300次凍融循環時，C35組和C60組的再生粗骨料混凝土的抗壓強度損失率分別為7.1%～10.0%、3.4%～6.3% 和15.3%～21.2%、11.9%～15.9%。

圖12 再生粗骨料混凝土凍融循環試驗抗壓強度損失率變化曲線

由圖12“凍融循環次數-再生粗骨料摻量”平面可見，各組不同再生粗骨料摻量的再生混凝土抗壓強度損失率在不同凍融循環周期上也有較為一致的增長趨勢且數據分布較均勻，說明抗壓強度指標對不同再生粗骨料摻量的再生混凝土抗凍性能的差別也有較好的呈現效果。肖建莊等[87]分別選取原石為碎石和礫石的再生粗骨料配制再生混凝土并對其進行100次凍融循環試驗。結果表明，普通混凝土在凍融試驗中的抗壓強度降低緩慢，而再生混凝土抗壓強度下降較為顯著；再生粗骨料摻量為0%和50%的碎石和礫石粗骨料混凝土的抗壓強度損失率分別為19.074%、34.557%和21.017%、36.525%。韓風霞等[73]研究表明，當再生粗骨料大量取代天然粗骨料作為混凝土骨架時，骨架缺陷較多，導致再生混凝土在凍融過程中抗壓強度損失率較高；經過200次凍融循環，摻量0%、25%、50%、75%和100%的再生混凝土的抗壓強度損失率分別為19.4%、21.4%、22.1%、23.9%和24.3%。從抗壓強度劣化水平來看，再生粗骨料摻量應控制在50%以內[64,68,77]。鄧祥輝等[68]研究表明，經過200次凍融循環，各組試件的抗壓強度損失率在24.8%～38.5%之間，摻量100%的試件的抗壓強度損失率始終最大，摻量50%的再生混凝土的抗壓強度最接近普通混凝土。劉全升[74]研究指出，凍融循環240次時，摻量100%的再生混凝土的抗壓強度為普通混凝土的61%，劣化明顯。Liu等[51]對摻量0%、25%、75%、100%的再生混凝土進行了300次凍融循環試驗，抗壓強度損失率分別為18.69%、21.21%、27.35%和33.04%。

4 抗凍性能研究的不足

當前對于再生粗骨料混凝土凍融破壞機理的研究主要集中于ITZ范圍的劣化過程和內部微裂縫、孔隙發育的影響，對其凍融損傷成因和力學基礎的研究較為欠缺。由于再生粗骨料來源的不確定性和再生粗骨料混凝土內部界面的多樣性，再生混凝土的凍融破壞機理也應當是更加復雜的，因此直接套用普通混凝土的凍融破壞機理的假說進行解釋可能還不夠準確。應當對再生粗骨料混凝土的凍融破壞機理進行更加系統深入的研究。

再者，應當在標準化凍融試驗的基礎上進一步結合實際工程環境對再生粗骨料混凝土的抗凍性能進行研究。Fagerlund[24]認為，廣泛使用的混凝土材料冷凍測試主要集中在選擇何種試驗方式以獲得最佳數據相關性，而非針對實際環境進行模擬研究，這就使得實驗室研究數據與實際應用存在著一定出入。李金玉等[20]研究表明，混凝土的凍融破壞不僅與凍融循環次數有關，還與凍結溫度有關。朱平華等[92]指出，實際使用中的大部分混凝土并非長期處于飽水狀態，而是存在著干濕循環變化。劉西拉等[93]也指出實驗室環境所給出的結冰速率和充水程度較實際情況更加嚴苛；同時試驗中所使用的試件是自由變形、標準養護下的完整小試件，而現場環境中的混凝土在澆筑后的收縮變形會受到約束，且抗凍耐久性考察的重點為混凝土構件的保護層部分。因此，還應進一步針對相應工程中特定的凍害環境對再生混凝土的抗凍性能進行具體研究，使得再生粗骨料混凝土能更好地服務于實際工程。

對于再生粗骨料混凝土抗凍性能指標的選取和抗凍性能試驗方法也需要進一步研究和創新。質量損失和相對動彈性模量在凍融循環次數較少時的反應并不敏感，同時質量損失不能體現再生混凝土內部結構的損傷變化[89]，有時甚至還會產生偏差[94]，具有一定的局限性。抗壓強度這一指標對再生粗骨料混凝土承受凍害時的性能劣化體現得較為準確，但獲取過程為破壞性試驗，在變量較多以及凍融循環次數較多、間隔密集時，會存在試件數量較多、試驗周期較長、成本較高的情況，少有大批量進行凍融后抗壓試驗的研究，這也阻礙了再生混凝土抗凍性能研究的進一步發展。因此，還需進一步研究開發新的非破壞性且效果良好的再生混凝土抗凍性能評價指標和測試方法。當前，已有大量學者[95-99]采用聲發射技術對再生粗骨料混凝土的損傷過程進行研究。秦擁軍等[95]研究發現隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的聲發射累計振鈴數呈現出先下降后上升的趨勢。劉茂軍等[96]指出使用經過物理強化的再生粗骨料制備再生混凝土，試件在聲發射試驗中的高頻信號增多，其損傷過程更接近普通混凝土。于江等[97]發現再生混凝土損傷演化過程與聲發射特征聯系密切，聲發射特征變化率可用以描述再生混凝土損傷過程。Kencanawati等[98]指出采用聲發射技術所獲數據的分析結果與其他常用方法的分析結果具有一致性，認為該方法可以用以確定再生混凝土的損傷狀態。Men等[99]的試驗指出聲發射技術能較好地監測再生混凝土中ITZ和砂漿區域裂縫發展情況，并據此提出了對應的再生混凝土材料壓縮性能評價指標。Li等[100]的研究指出聲發射的能量值、計數的變化與再生混凝土裂縫開展速率有關，可將損傷階段分為初始損傷、穩定發展和內部損傷三個階段。王炳雷等[101]的試驗指出再生混凝土聲發射峰值能量比普通混凝土高，隨著再生骨料取代率的增加，峰值能量的大小和數量均有所增加。張仕樺等[102]研究發現，聲發射信號的迅速大量出現可以作為再生混凝土材料即將失穩破壞的標志。圖13為超聲波波速損失率受凍融循環次數和再生粗骨料取代率影響的變化曲線。再生粗骨料混凝土的超聲波波速與其內部結構相關，內部結構越密實，則超聲波波速越快，說明再生混凝土在承受凍害后的損傷越小[68]。同時，超聲波波速測試不會對混凝土體產生破壞，測量時也無需整體激振，適用于實際工程中的混凝土凍害檢測[63]。因此，聲發射技術是反映寒冷環境下再生混凝土結構性能及其材料內部結構特征的一種較為準確方便的測試方式，凍融損傷檢測也需要對諸如此類的指標方法進行更多更深入的探索與推廣。

圖13 再生粗骨料混凝土凍融循環試驗超聲波波速損失率變化曲線

5 結語與展望

近年來，國內外學者針對再生粗骨料混凝土的凍融損傷機理和抗凍性能進行了廣泛研究，研究結果以及存在的問題如下：

(1)ITZ是再生粗骨料混凝土承受凍害時的薄弱環節，凍融過程中微裂縫和孔隙的不斷發育使得再生粗骨料混凝土的抗凍性能不斷劣化。當前對于再生粗骨料混凝土抗凍性能的研究主要集中于對ITZ、微裂縫和孔隙的研究，對損傷成因和力學基礎的研究較為欠缺。

(2)標準化的凍融循環試驗對再生粗骨料混凝土抗凍性能的研究提供了有力支撐。但試驗在凍結溫度、飽水程度、變形約束等方面的環境模擬與具體工程中的再生粗骨料混凝土服役條件還存在一定差異。

(3)再生粗骨料摻量50%以下的再生混凝土的抗凍性能與普通混凝土相似，使用時需控制再生粗骨料的摻量。質量損失以及相對動彈性模量和抗壓強度分別從表觀損傷和內部結構損傷的角度反映了再生粗骨料混凝土在凍融過程中的性能劣化趨勢，但均存在一定的局限性。質量損失和相對動彈性模量在凍融試驗前期反應不敏感，還會存在一定偏差；抗壓強度雖能較好體現再生粗骨料混凝土在試驗全程的綜合抗凍性能，但其破壞性試驗的性質并不利于廣泛、大量地開展檢測。

針對上述當前研究中存在的不足，對未來再生粗骨料混凝土抗凍性能研究提出了如下研究方向展望：

(1)對再生粗骨料混凝土的凍融破壞機理進行針對性研究，從微觀角度具體研究分析再生粗骨料混凝土承受凍害時的基體損傷過程，并進一步對再生粗骨料混凝土凍融損傷成因和力學基礎進行研究驗證。

(2)在標準化凍融試驗的基礎上針對特定工程環境對再生粗骨料混凝土的抗凍性能進行研究，使其抗凍性能研究成果能夠更加直接地應用于實際工程和結構服役中去。

(3)創新再生粗骨料混凝土抗凍性能研究指標和研究方法，研究開發無損且表征良好的抗凍性能測試方法，以利于更廣泛更大量地進行再生粗骨料混凝土抗凍性能檢測。