基于聲發射技術的再生混凝土凍融損傷特性研究

張愷 尹志剛 陳晨 董思健 周晶

摘要：

為研究不同凍融介質（清水、3.5%NaCl溶液）對再生混凝土凍融損傷和聲發射特性的影響，對再生粗骨料替代率為50%的混凝土開展快速凍融試驗。利用聲發射技術對凍融后的再生混凝土受壓全過程進行監測，以聲發射特性參數作為損傷變量，分析不同凍融介質下再生混凝土的凍融損傷劣化特征。結果表明：在3.5%（質量比）NaCl溶液中的再生骨料混凝土的凍融破壞程度要遠大于清水組中混凝土的凍融破壞程度，且兩者之間的差異隨凍融次數的增加而增大；聲發射能量釋放率的峰值隨凍融次數呈逐漸降低的趨勢，不同凍融次數后聲發射相對累積能量隨相對應力水平的增加而逐漸增大，曲線的拐點逐漸右移。建立的聲發射相對累積能量-應力曲線能夠較好地反映再生骨料混凝土凍融后受壓破壞的全過程。研究成果可為研究再生混凝土凍融損傷演化規律提供參考。

關 鍵 詞：

再生混凝土； 凍融介質； 聲發射技術； 損傷

中圖法分類號： TU528.0

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.031

0 引 言

將拆除廢棄建筑物的混凝土機械破碎、篩分后制成再生骨料替代部分天然骨料制備再生混凝土，不僅能在一定程度上緩解自然資源緊缺的局面，還可以解決建筑垃圾粗放性回填或露天堆放引起的環境污染問題，對降低碳排放、實現“碳達峰、碳中和”、促進經濟社會協調發展具有重要意義［1-3］。

近年來，國內外學者對再生骨料混凝土開展了大量研究。王晨霞等［4］研究了不同強度等級再生混凝土和普通混凝土凍融后力學性能、動彈性模量和超聲波損失率的變化規律。牛海成等［5］認為再生混凝土的抗凍性能隨再生骨料替代率的增加而降低。Roumiana等［6］認為再生骨料表面附著老砂漿，自身多孔且吸水率高是導致其抗凍性能明顯低于普通混凝土的主要原因。Júnior等［7］研究了不同再生骨料替代率（15%，25%，50%）下的混凝土表觀密度、孔隙率、毛細吸水率、抗壓強度和相對動彈性模量隨凍融次數的變化規律。楊陽等［8］研究了不同粗骨料替代率和微珠摻量對再生混凝土力學性能、自收縮性能以及抗氯離子滲透性能的影響。可見，目前關于再生骨料混凝土的研究主要集中在配合比設計、力學性能和耐久性等方面，但是有關再生骨料混凝土在不同凍融介質中的力學性能及其凍融損傷規律方面的研究還比較少見。

聲發射（Acoustic Emission，AE）技術是一種新型動態無損檢測技術，可實時捕捉混凝土在加載作用下砂漿開裂、骨料位錯的位置，并可對內部微裂紋的擴展進行動態追蹤［9-10］。聶瑞［11］詳細探討了AE檢測技術的相關特性參數在再生混凝土受壓全過程中的合理取值范圍。Men等［12］利用AE對受壓條件下再生骨料混凝土失效過程和損傷進行評估。彭竹君等［13］基于AE研究了不同加載速率和凍融循環對混凝土凍融損傷破壞過程。

本文對再生粗骨料替代率為50%的混凝土開展快速凍融循環試驗，分析比較不同凍融介質（清水、3.5%NaCl溶液）條件下再生混凝土質量損失率、相對動彈性模量、抗壓強度隨凍融次數的變化規律，并結合聲發射參數建立了不同凍融介質中再生混凝土的凍融損傷演化模型，能夠較好地反映凍融后再生骨料混凝土受壓破壞的過程。試驗結果可為研究再生混凝土凍融損傷演化規律提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比設計

試驗選用鼎鹿牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥；天然粗骨料選用4.75～31.50 mm的連續級配碎石；再生粗骨料來源于實驗室自制C30鋼筋混凝土梁，經機械破碎后，再人工敲除骨料表面的舊砂漿，篩分后獲得4.75～35.00 mm的再生粗骨料。表1列出了天然粗骨料與再生粗骨料的基本物理性能。細骨料選用細度模數為2.85的天然河砂；減水劑選用遼寧某化工公司生產的（萘系）FDN型高效減水劑。試驗用水為普通自來水。根據相關規范［14］要求，再生粗骨料的摻量為50%，試驗具體配合比設計如表2所列。

1.2 試驗方法與主要試驗設備

采用二次投料法的順序，分別在實驗室內澆筑100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。澆筑完成后在室溫下靜置24 h拆模，然后在標準條件下養護至24 d，隨后將試塊分別放入（20±2）℃的清水和3.5%NaCl溶液中浸泡4 d。抗凍試驗參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》［15］進行。

試驗設備：采用SKDR-28S型凍融試驗機進行快速凍融循環試驗；采用DT-18型動彈儀測定凍融后混凝土棱柱體試塊的相對動彈性模量；采用WAW-2000 kN電液伺服微機控制萬能試驗機進行單軸抗壓強度測試，以負荷形式控制加載，加載速度為3.0～5.0 kN/s；采用北京某公司生產的DS2-16B型聲發射裝置測定混凝土經受不同凍融循環次數后的聲發射特性。試驗過程中相關參數設置如下：采樣速率為1 MHz，門檻值設置為10 mV（40 db），峰值鑒別時間（PDT）、撞擊鑒別時間（HDT）和撞擊閉鎖時間（HLT）分別設置為150，350，1000 μs，硬件濾波器設置為20～100 kHz，采用凡士林作為耦合劑。聲發射試驗加載裝置示意如圖1所示。

2 試驗結果與分析

2.1 質量損失率與相對動彈性模量

圖2（a）為再生骨料混凝土分別在清水、3.5%NaCl溶液下質量損失率隨凍融次數的變化曲線。可以看出，隨著凍融次數的增加，兩種不同凍融介質下的混凝土試塊的質量損失率呈現出先降低后逐漸增大的趨勢。在凍融循環初期（0～25次）質量損失率呈負增長，這是由于再生骨料自身含有的微裂隙數量較多，在周期性的凍脹壓力和滲透壓力作用下，內部微裂隙會逐漸累積擴展，使得試塊吸收的水量大于試塊表面水泥漿皮剝落的程度，故質量損失率出現負增長。在3.5%NaCl溶液中的棱柱體試塊，50次凍融循環后，質量損失率急劇增大，經歷75次凍融循環后，質量損失率已超過5%，按照規范要求已達到破壞狀態；而在對照組清水中的棱柱體試塊質量損失程度變化速率明顯低于在3.5%NaCl凍融介質中的質量損失速率。隨著凍融次數增加，試塊的表面水泥砂漿剝離基體，質量損失程度也在不斷增加，在經過100次凍融循環后，質量損失率也接近5%。值得注意的是，再生骨料混凝土質量損失率增長很快，可能是由于再生粗骨料經機械破碎后，又人工用鐵錘再次敲擊骨料表面附著砂漿，致使再生骨料品質降低。

圖2（b）為再生骨料混凝土在清水、3.5%NaCl溶液兩種凍融介質中相對動彈性模量與凍融循環次數關系。由圖可知，不同凍融介質下再生骨料混凝土相對動彈性模量均隨著凍融循環次數的增加而逐漸降低。50次凍融循環以前，兩種凍融介質中相對動彈性模量的差異并不明顯；但75次凍融循環后，在3.5%NaCl溶液中的混凝土相對動彈性模量降低到70.1%，100次凍融循環后，相對動彈性模量已降低至41.86%。而在清水中試件的相對動彈性模量大致呈拋物線下降的趨勢，在經歷100次凍融循環后降至63.1%。分析兩者的關系及斜線下降的速率可知，再生骨料混凝土試件在3.5%NaCl溶液中的損傷劣化程度要明顯大于清水。

3 結 論

（1） 不同凍融次數后，聲發射相對累積能量與單軸加載下的累積損傷程度密切相關；聲發射相對累積能量與應力曲線能夠較好地反映不同介質作用下再生骨料混凝土凍融后受壓破壞的全過程。在相同凍融次數下，氯鹽環境會顯著改變再生混凝土凍融損傷破壞的演化路徑。

（2） 隨著凍融循環次數的增多，再生混凝土的損傷程度逐漸變大。在清水、3.5%NaCl溶液中再生骨料混凝土試塊的峰值抗壓強度均隨著凍融循環次數的增加而逐漸降低，峰值點明顯下降并右移，受壓破壞的脆性特征愈發明顯，且曲線上升段逐漸變得越來越凹；在3.5%NaCl溶液中的立方體試塊峰值抗壓強度損失率普遍大于清水中的立方體試塊峰值抗壓強度損失率，且兩者之間的差異隨凍融循環次數的增加而越來越明顯。

（3） 聲發射能量釋放率的峰值隨凍融次數的增加呈逐漸降低的趨勢；基于聲發射累計事件數所建立的損傷變量與相對應力水平之間的關系，可以用來定量描述再生骨料混凝土凍融后的損傷特性。

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：

In order to study the effect of different freeze-thaw media （water，35wt%NaCl solution） on the freeze-thaw damage and acoustic emission （AE） characteristics of recycled aggregate concrete （RAC），a series of experiments have been carried out by using concrete with 50% recycled coarse aggregate.AE technology was utilized to monitor the whole process of compression of RAC after freeze-thaw cycles，and the frost damage characteristics of RAC under different mediawas represented by AE parameter.The results indicated that the freeze-thaw deterioration of RAC in 35wt%NaCl solution was much worse than that in water，and the deterioration difference in the two media increased with the increasing of freeze-thaw cycles.Besides，the peak value of AE energy release rate gradually decreased with the increasing of freeze-thaw cycles.The relative cumulative energy of AE increased with the increasing of relative stress level，and inflection point of the curve moved to the right gradually.The curve of AE relative cumulative energy and stress obtained by experiments can reflect the whole process of compressive failure of RAC after frost damage effectively.This work can provide a reference for the study of freeze-thaw damage evolution of RAC.

Key words：

recycled aggregate concrete；freeze-thaw media；acoustic emission technology；damage