不同取代率下再生混凝土的抗凍融性能試驗

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(1.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000； 2.平頂山市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，河南 平頂山 467000)

1 前 言

建筑廢棄物經(jīng)破碎、清洗、分級并按一定比例混合后得到的骨料稱為再生骨料。以部分或全部再生骨料替代天然骨料拌和而成的混凝土稱為再生骨料混凝土，簡稱再生混凝土。再生混凝土在實際工程中的應(yīng)用與推廣是處理數(shù)量巨大的建筑垃圾的有效手段，而且再生骨料的應(yīng)用對節(jié)約資源、保護環(huán)境起到了舉足輕重的作用。由于再生骨料表面包裹一定數(shù)量的砂漿，而且機械破型作用在骨料表面及內(nèi)部產(chǎn)生大量微裂紋，導(dǎo)致再生混凝土的力學(xué)性能與普通混凝土相比有所降低。Olorunsogo[1]，Nangataki[2]，Oikonomou[3]和Khatib[4]等發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強度、抗剪強度和抗拉強度均比天然骨料混凝土略低。已有研究主要集中于再生混凝土短期受力性能，而耐久性亦是混凝土材料性能的重要評判指標(biāo)。抗凍性對嚴(yán)寒地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響甚大，因此對再生混凝土進行抗凍性研究尤為重要[5-7]。Omary等[8]研究表明，與普通混凝土相比，再生粗骨料混凝土抗凍融性能有所下降，但降低幅度不大。Salem等[9]，Richardson等[10]通過試驗發(fā)現(xiàn)，加入引氣劑、聚丙烯纖維和粉煤灰可降低再生粗骨料對混凝土抗凍融性能的不利影響。Salem等[11]，Zaharieva等[12]研究結(jié)果表明，再生骨料的含水狀態(tài)是影響再生混凝土抗凍性的重要因素。Yildirim等[13]發(fā)現(xiàn)50%取代率和50%含水狀態(tài)的再生細骨料混凝土抗凍性能最優(yōu)，與普通混凝土最為接近。Bogas等[14]試驗后發(fā)現(xiàn)，水灰比對混凝土抗凍性的影響高于再生骨料類型及其取代率的影響。

對于凍融作用下再生混凝土力學(xué)性能的研究已有不少成果，但針對再生骨料類型及其取代率對再生混凝土抗凍性的系統(tǒng)研究未見大量報道。另外，現(xiàn)有研究成果均是基于素混凝土，而配筋混凝土的耐久性研究尚少見。本文以再生骨料類型和取代率為參數(shù)，通過54個立方體試塊和36個配筋棱柱體試塊對混凝土凍融后抗壓強度、質(zhì)量損失、相對動彈性模量和凍融后承載力進行了系統(tǒng)研究，從材料層面和構(gòu)件層面研究了再生骨料對混凝土凍融性能的影響規(guī)律，為再生混凝土在寒冷地區(qū)的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

試驗采用原材料如下：42.5R普通硅酸鹽水泥，F(xiàn)類Ⅰ級粉煤灰，S95級?；郀t礦渣粉， 2000HCJS-A型聚羧酸高性能減水劑，減水率25%。天然粗骨料(NCA)為山碎石，連續(xù)級配；天然砂(NFA)采用細度模數(shù)2.6的中砂。再生粗骨料(RCA)和再生細骨料(RFA)來自于某廢棄拆除的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。天然骨料與再生骨料粒徑范圍相同，骨料基本物理性能指標(biāo)見表1。

表1 骨料物理性能Table 1 Aggregates′ properties

2.2 配合比設(shè)計

本試驗共設(shè)計了9種再生混凝土，配合比見表2。表中，混凝土類型符號“RC”表示再生混凝土，其后緊隨的兩個數(shù)據(jù)(0，0.5，1)分別表示再生粗骨料和再生細骨料的取代率。例如，“RC-0.5-1”表示再生粗骨料取代率為50%，再生細骨料取代率為100%的再生混凝土。

每種材性混凝土采用一次攪拌，同時澆筑成型的方法以確保相同再生骨料取代率下再生混凝土的一致性。澆筑混凝土?xí)r發(fā)現(xiàn)，隨著再生骨料取代率的增加，混凝土流動性變差，但仍可滿足較好的均勻性和密實度。立方體試塊尺寸為100×100×100mm3，棱柱體試塊尺寸為100×100×400mm3，內(nèi)部配筋見圖1。實測φ8鋼筋屈服強度、抗拉強度和彈性模量分別為327MPa，438MPa和2.04× 105MPa。

表2 再生混凝土配合比Table 2 Mix proportions of recycled concrete/kg·m-3

圖1 棱柱體試件配筋圖Fig.1 Steel bar details of prisms

2.3 試驗方法

混凝土抗壓強度依據(jù)GB/T 50081-2002[15]測定，抗壓強度取3個試塊實測值的平均值。凍融試驗采用GB/T 50082-2009[16]中的快凍法：將試件置于115×115×500mm3的橡膠盒中，注入清水直至水面高于試件頂面5mm，隨后放入凍融試驗機內(nèi)進行快速冷凍和融化，一次循環(huán)在3h內(nèi)完成，試驗儀器見圖2。每25次凍融循環(huán)結(jié)束，分別測定棱柱體試件的質(zhì)量和動彈性模量。100次凍融循環(huán)結(jié)束后，通過壓力機分別測定立方體抗壓強度和配筋棱柱體試件的承載力，并同時測量未凍融對比試件的強度和承載力。

圖2 凍融試驗機Fig.2 Freeze-thaw testing machine

3.1 凍融后抗壓強度

100次凍融循環(huán)前后立方體試塊抗壓強度及二者的變化率見表3。由表可知：凍融試驗前，不同取代率下再生混凝土抗壓強度整體上比普通混凝土略低，但相差不大。與未經(jīng)受凍融作用的試塊相比，經(jīng)受100次凍融循環(huán)后抗壓強度有所降低。其主要原因是，在整個凍融循環(huán)過程中，冰壓力導(dǎo)致試塊內(nèi)部初始微裂紋不斷累積發(fā)展，隨后，在豎向荷載作用下，微裂紋迅速開展，受壓性能有所降低，且降低幅度與再生骨料類型及其取代率有關(guān)。當(dāng)骨料均為再生骨料且100%取代天然骨料時，抗壓強度降低幅度最大。相同取代率條件下，試件RC-0.5-0與RC-0-0.5抗壓強度降低幅度分別為14.6%和18.7%，RC-1-0與RC-0-1抗壓強度降低幅度分別為21.1%和27.9%，由此可見，再生細骨料混凝土抗壓強度降低幅度較大，說明再生細骨料比再生粗骨料對抗壓強度影響更大，這主要是由骨料吸水率造成的。本試驗采用的再生粗骨料、再生細骨料的吸水率分別為3.23%、15.47%，而相應(yīng)天然骨料吸水率分別為1.00%、0.96%。因此，隨著再生骨料取代率的增加，再生混凝土含水率增大，導(dǎo)致凍融過程中受冰壓力作用影響大，因此抗壓性能有所降低，且再生細骨料影響更大。

表3 100次凍融循環(huán)后抗壓強度變化率Table 3 Variation of compressive strength after 100 freeze-thaw cycles

Note：fc0andfc100is the cubic compressive strength before freeze-thaw testing and after 100 freeze-thaw cycles respectively; Δfcis the variation of compression strength.

3.2 質(zhì)量損失

混凝土在飽水狀態(tài)下因凍融循環(huán)產(chǎn)生的破壞，其最顯著的特征是表面剝蝕。結(jié)果表明，不同再生骨料類型及取代率的再生混凝土試件與普通混凝土試件凍融破壞過程相似，主要表現(xiàn)為水泥漿的剝離和骨料的脫落，但程度不同。凍融循環(huán)開始后，再生混凝土試件與普通混凝土試件相似，僅有少量水泥漿顆粒脫落。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥漿剝落程度不斷加劇。凍融循環(huán)次數(shù)達到100次時，再生混凝土試件的端部有粗骨料剝落現(xiàn)象發(fā)生，見圖3(a)，但不同取代率的再生混凝土剝落程度略有不同，而普通混凝土試件未發(fā)生粗骨料剝落現(xiàn)象。粗細骨料均為再生骨料且完全取代天然骨料的全再生混凝土試件凍融破壞最為嚴(yán)重，部分再生骨料酥化，如圖3(b)所示。

圖3 混凝土凍融破壞特征 (a) 粗骨料剝落；(b) 骨料酥化Fig.3 Failure modes of freeze-thaw testing. (a) Spalling of coarse aggregate; (b) Crispness of aggregate

再生混凝土棱柱體試件每隔25次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率按式(1)計算：

(1)

式中，ΔMn是n次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量損失率，M0是凍融試驗前試件質(zhì)量，Mn是n次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量。

實測9種再生混凝土質(zhì)量損失率與凍融性循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失率Fig.4 Mass loss rate with the increasing freeze-thaw cycles

由圖4可見：100次凍融循環(huán)后，普通混凝土試件(RC-0-0)質(zhì)量損失率最小，試件RC-0.5-0的質(zhì)量損失與試件RC-0-0最為接近，但仍比后者高19.81%。不同取代率的再生混凝土試件質(zhì)量損失率由小到大排序為：RC-0-0，RC-0.5-0，RC-0-0.5，RC-1-0，RC-0.5-0.5，RC-0-1，RC-1-0.5，RC-0.5-1，RC-1-1，該順序與前述凍融試驗結(jié)束時試件表面剝蝕嚴(yán)重程度一致。25次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率為負(fù)值，即試件質(zhì)量有所增加。其主要原因是：試驗前需將試件完全浸入水中96h，在此過程中，外部水通過微裂紋等初始缺陷形成的毛細通道進入混凝土內(nèi)部直至飽和。隨后，凍融試驗開始，試件在飽水狀態(tài)下隨著溫度的變化處于水凍與水溶循環(huán)過程中，其質(zhì)量改變主要有兩個原因，一是表面顆粒的剝蝕，二是不斷侵入的水分。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土內(nèi)部空隙中存留的游離水在低溫下結(jié)冰，毛細孔壁受到凍脹壓力和滲透壓力等多重疊加作用，造成微細裂紋不斷累積擴展，從而外部水分不斷侵入試塊內(nèi)部，與此同時，試件表面有少量微小水泥漿顆粒脫落，并出現(xiàn)少量微小孔洞。達到25次循環(huán)時，由于循環(huán)次數(shù)較少，表面脫落顆粒量少質(zhì)輕，小于侵入試件內(nèi)部水分的質(zhì)量，故質(zhì)量損失率出現(xiàn)負(fù)值。此后，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件表面剝蝕程度加劇，脫落顆粒的重量逐漸大于侵入水分的重量。從圖4可以看出，凍融循環(huán)約35次時達到一種平衡，即脫落顆粒的重量等于侵入水分的重量。此后，隨著小粒徑骨料的脫落，質(zhì)量損失率迅速增加，且隨著再生骨料取代率的增加而增加。100次循環(huán)后，全再生混凝土(RC-1-1)質(zhì)量損失率最大，約為普通混凝土的2.39倍。

3.3 相對動彈性模量

相對動彈性模量由橫向基頻的變化決定，反映了凍融循環(huán)后混凝土損傷的程度，可采用以下公式[16]計算：

Pn=(fn2/f02)×100%

(2)

式中，Pn是n次凍融循環(huán)后混凝土相對動彈性模量(%)，f0是試驗開始前混凝土橫向基頻(Hz)，fn是n次凍融循環(huán)后混凝土橫向基頻(Hz)。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的相對動彈性模量Fig.5 Relative dynamic modulus of elasticity with the increase of freeze-thaw cycles

不同取代率下再生混凝土棱柱體相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線見圖5。由圖5可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，相對動彈性模量迅速降低。從試驗開始到25次凍融循環(huán)，普通混凝土與再生混凝土相對動彈性模量損失率均較小，且差異不大。此后，隨著凍融次數(shù)的增加，不同取代率再生混凝土相對動彈性模量衰減幅度逐漸加劇。再生粗骨料取代率50%的試件(RC-0.5-0)相對動彈性模量衰減規(guī)律與普通混凝土最為接近。全再生混凝土(RC-1-1)經(jīng)歷100次循環(huán)后相對動彈性模量衰減幅度最大，僅為初始值的63.5%，已接近規(guī)范[16]中規(guī)定的凍融破壞標(biāo)準(zhǔn)(相對動彈性模量下降至60%)。

3.4 凍融后承載力

100次凍融循環(huán)后，再生混凝土由于凍融脹裂及表面剝蝕導(dǎo)致抗壓強度降低，通過壓力機測定混凝土棱柱體殘余承載力，并與未凍融試件進行對比。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，普通混凝土試件與再生混凝土試件裂縫開展直至破壞的過程相似，是否經(jīng)受凍融作用對試件破壞形態(tài)無明顯影響。

混凝土受壓構(gòu)件極限承載力可按公式(3)[17]計算，9種不同再生混凝土棱柱體試件承載力計算值(Nuc)與實測值(Nue)見表4。表中數(shù)值為每種混凝土取2個試件實測承載力的平均值。試驗中，試件RC-0-1-2加載至破壞時，鋼筋應(yīng)變未達到屈服應(yīng)變，由于柱端混凝土被壓酥造成承載力喪失，其極限承載力并未列于表中。從表4可知，按照規(guī)范計算的再生混凝土抗壓承載力與實測值比較接近，誤差均在10%以內(nèi)。

(3)

不同取代率下再生混凝土棱柱體試件經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后殘余承載力見表5。表中，N0和N100分別為凍融循環(huán)前及100次凍融循環(huán)后試件承載力，ΔN為凍融后承載力損失率。

表4 承載力實測值與計算值的對比Table 4 Comparison of the experiment results and predicted results

表5 100次凍融循環(huán)后承載力對比Table 5 Comparison of the bearing capacity after 100 freeze-thaw cycles

由表5可見： 100次凍融循環(huán)后，再生混凝土棱柱體試件抗壓承載力均有不同程度的下降。再生骨料類型及其取代率對100次凍融循環(huán)后試件殘余承載力影響較大，隨著取代率的增加，凍融前后承載力損失程度加劇。僅取代粗骨料且取代率分別為50%和100%時，承載力損失率分別為15.26%和20.14%；僅取代細骨料時，相同取代率下承載力損失率分別為18.47%和21.61%，由此可見，相同取代率下再生細骨料對混凝土凍融后殘余承載力的影響大于再生粗骨料。與普通混凝土試件(RC-0-0)相比，再生粗骨料取代率50%(RC-0.5-0)時，二者凍融前后承載力損失率最為接近；而全再生混凝土(RC-1-1)凍融后承載力降幅最大。由此可見，從承載力角度考慮，在寒冷地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先使用再生粗骨料混凝土，且取代率宜控制在50%以內(nèi)。

4 結(jié) 論

1.100次凍融循環(huán)后，不同取代率的再生混凝土立方體抗壓強度有所降低，且降低幅度隨再生骨料取代率的增加而加劇。

2.再生混凝土棱柱體的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量衰減幅度隨凍融循環(huán)次數(shù)和再生骨料取代率的增加而增大。

3.再生骨料類型及其取代率對100次凍融循環(huán)后棱柱體抗壓承載力影響較大，隨著取代率的增加，凍融前后承載力損失程度加劇。相同取代率下，再生細骨料對凍融后殘余承載力的損失影響更大。

4.再生粗骨料取代率為50%，細骨料為天然骨料的再生混凝土，其質(zhì)量損失率、相對動彈性模量衰減規(guī)律和抗壓承載力損失均與普通混凝土接近，建議寒冷地區(qū)可采用不高于50%摻量的再生粗骨料混凝土。