C30再生粗骨料混凝土的抗凍耐久性試驗研究*

程 亮，鄧祥輝，薛麗媛，王靖媛

(1.陜西省現(xiàn)代建筑設計研究院，西安 710048；2.西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021)

隨著我國建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，混凝土用量每年以10%左右的速度在逐漸增加，但建設的同時產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，對環(huán)境造成較大的污染。因此，對廢棄的混凝土破碎后制成再生骨料進行循環(huán)再利用，能夠節(jié)約資源，保護環(huán)境，降低成本，也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[1-2]。然而為了提高再生混凝土的耐久性須考慮抗凍性對混凝土結(jié)構(gòu)的影響，混凝土結(jié)構(gòu)很容易在凍融循環(huán)作用下形成損傷，既增加了修復和重建費用，又對建筑物的安全造成了威脅。實際上，在過去的幾十年中開展了廣泛的科學研究工作。

國內(nèi)外學者[3-6]在再生混凝土的抗凍性方面做了很多研究，特別是在再生混凝土粗骨料摻量方面進行了很多研究，并取得了一些成果。文獻[7]通過試驗得出，再生骨料取代率為30%～50%時，能夠得到最佳的抗凍性和最好的強度，超過50%的替代率，各種性能開始下降，并且指出破壞界面發(fā)生的位置，再生粗骨料取代率對凍融循環(huán)的影響。文獻[8]對再生粗骨料的摻量為50%的再生混凝土和普通混凝土進行凍融試驗，試驗過程中通過對比再生混凝土和普通混凝土的質(zhì)量損失和動彈性模量變化，結(jié)果表明，摻加防凍劑的再生混凝土提高了抗凍耐久性，并且比普通混凝土的抗凍耐久性要好。文獻[9-10]通過試驗得出，再生混凝土的抗凍耐久性能的改善可以通過摻加防凍劑或降低水灰比來實現(xiàn)。文獻[11]通過對比研究再生粗骨料取代率為0，30%，50%，70%和100%時不同再生混凝土的抗凍性。經(jīng)過150次凍融后，與普通混凝土的抗凍性能相比，再生粗骨料的取代率越高，再生混凝土的抗凍性越低。在再生粗骨料取代率超過50%時，再生混凝土的抗凍性能明顯的下降。文獻[12]對再生粗骨料的摻量為50%的再生混凝土和普通混凝土進行凍融試驗，試驗過程中通過對比再生混凝土和普通混凝土的質(zhì)量損失和動彈性模量變化，結(jié)果表明，摻加防凍劑的再生混凝土提高了抗凍耐久性，并且比普通混凝土的抗凍耐久性要好。文獻[13]建議在評價再生混凝土抗凍性能時，摒棄質(zhì)量損失率和強度損失值這兩個指標，而采用長度變化、相對動彈性模量和耐久性指數(shù)這三個指標值。文獻[14]通過對比試驗得出再生集料中顆粒粒度降低，使集料的吸水率顯著提高，其密度也隨之減小，再生集料較大的孔隙率也可起到微養(yǎng)護的作用。從上述研究可見，不少研究學者通過試驗得出再生混凝土具有良好的抗凍性能，甚至優(yōu)于同水灰比的普通混凝土，但未能兼顧不同摻量對性能的影響和實現(xiàn)多種抗凍耐久性指標的綜合考量，無法較為全面的對C30再生粗骨料混凝土的抗凍耐久性進行合理的評估?；诖?，本文將選用在中國土木工程中得到廣泛應用的C30混凝土作為研究材料，制定試驗方案，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，測試不同摻量再生粗骨料混凝土試件的質(zhì)量損失、動態(tài)彈性模量、超聲波波速和立方抗壓強度，并進行單軸壓縮試驗。最后將結(jié)果用于評估C30再生粗骨料混凝土的抗凍耐久性。

1 試驗材料及步驟

1.1 試驗材料的選取

1.1.1 粗骨料

本試驗用的粗骨料包括天然粗骨料和再生粗骨料。再生粗骨料則由標號是C30廢棄混凝土經(jīng)破碎加工而成，其中天然粗骨料所選用的粒徑范圍為5～40 mm，連續(xù)級配，表1列出了試驗過程所測試粗骨料的基本性能指標。

表1 粗骨料的基本性能Tab.1 Basic properties of coarse aggregates

1.1.2 細骨料及水泥

細骨料符合《水泥強度試驗用標準砂》(GB 178-1997)[15]所列的所有規(guī)定，試驗選用天然河砂，篩取4.75 mm以下的砂子，細度模數(shù)為2.75，表觀密度為2 594 kg·m-3，含水率為1.38%，級配曲線處于Ⅱ區(qū)，屬于中砂。

本試驗選用的水泥是復合硅酸鹽水泥，強度等級為32.5，各項物理力學指標滿足標準《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)[16]。

1.1.3 配合比

按照體積法設計普通混凝土的配合比，水灰比為0.46，砂率取45%，配合比mco∶mgo∶mso∶mwo=1∶1.56∶3.47∶0.46，其中mco為單位體積混凝土的水泥用量，mgo為單位體積混凝土的粗骨料用量，mso為單位體積混凝土的用砂量，mwo為單位體積混凝土的用水量。再生粗骨料以0,25%,50%,75%和100%替換配合比中粗骨料，配制5種再生混凝土，為避免再生骨料高吸水率對配合比產(chǎn)生過大的影響，再生粗骨料經(jīng)10 min浸水、瀝干，再進行拌和。

1.1.4 試驗設計

本試驗過程中，嚴格按照配合比進行稱重，然后進行攪拌并制作試塊。試驗設計參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)[17]和《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[18]，規(guī)范認為混凝土達到300次凍融循環(huán)具有較好的抗凍性，考慮到本試驗所采用的粗骨料有部分是再生粗骨料，因此本文選擇的再生混凝土凍融循環(huán)次數(shù)為200次。凍融試驗用快速凍融法，采用NJW-HDK-9型凍融試驗機。

1.2 試驗編號與試驗步驟

1.2.1 試驗編號

對于所制立方體再生混凝土試件的編號，用L表示立方體，用C表示長方體，RAC表示再生混凝土，立方體再生混凝土用LRAC表示，其試件采用LRAC-摻量-試件序號-凍融循環(huán)次數(shù)的編號方法；長方體再生混凝土用CRAC表示，其試件采用CRAC-摻量-試件序列號-凍融循環(huán)次數(shù)的編號方法。比如CRAC50-3-100表示長方體再生混凝土試件中的再生粗骨料摻量為50%的3號試件的凍融循環(huán)次數(shù)為100次，LRAC25-1-50表示立方體再生混凝土試件中的再生粗骨料摻量為25%的1號試件的凍融循環(huán)次數(shù)為50次。

本試驗凍融過程中需要測試質(zhì)量、動彈性模量、超聲波速和立方體抗壓強度項目，其中試件質(zhì)量、動彈性模量和超聲波速為非破壞性試驗，但考慮到需要測試不同凍融循環(huán)次數(shù)下的各種項目，以及立方體抗壓強度不能進行重復性試驗，試件詳細分組見表2。

表2再生混凝土試件分組表
Tab.2 Groupings of recycled concrete specimen

試件編號測試項目組數(shù)塊數(shù)試件尺寸/mm備注CRAC0質(zhì)量、動彈性模量、超聲波13100×100×400LRAC0立方體抗壓強度927150×150×150普通混凝土CRAC25質(zhì)量、動彈性模量、超聲波13100×100×400LRAC25立方體抗壓強度927150×150×150再生粗骨料摻量為25%的普通再生混凝土

注：其中再生混凝土只列舉了摻量為25%的分組情況，其他摻量的再生混凝土的分組情況一樣。

1.2.2 試驗步驟

將再生混凝土試件分為兩類進行了快速凍融試驗，第一類為長方體(100 mm×100 mm×400 mm)，共計1組，每組3塊長方體再生混凝土試件，測試從0次到200次凍融循環(huán)時每隔25次凍融循環(huán)后長方體再生混凝土試件的質(zhì)量、動彈性模量和超聲波波速，得到各種測量值隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關系曲線圖，從而分析其抗凍耐久性。第二類試件為立方體試塊，共計9組，每組3塊立方體再生混凝土試件(150 mm×150 mm×150 mm)，經(jīng)歷同樣凍融循環(huán)后的立方體再生混凝土試件進行壓縮試驗，主要測試立方體的抗壓強度、應力-應變曲線，分析再生混凝土經(jīng)過不同的凍融循環(huán)次數(shù)后強度和變形的變化規(guī)律。

2 再生混凝土抗凍耐久性試驗結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失試驗

在不同的凍融之后，再生混凝土試件會由于起皮、掉渣等現(xiàn)象而表現(xiàn)出質(zhì)量的降低，因此評價再生混凝土抗凍性能的好壞，質(zhì)量損失可以作為是一個比較直觀的方法。再生混凝土試件質(zhì)量損失率測試結(jié)果隨凍融循環(huán)的變化見表3。

從表3可見，凍融循環(huán)在0～50次時，再生混凝土試件的質(zhì)量輕微減少，甚至呈現(xiàn)增加的趨勢。出現(xiàn)質(zhì)量增長現(xiàn)象主要原因是凍融循環(huán)開始后，再生混凝土試件遭到的破壞并不十分的明顯，但此時內(nèi)部吸收的水分要比質(zhì)量損失值大，導致再生混凝土試件質(zhì)量增加。在25次以后，再生混凝土的質(zhì)量隨凍融循環(huán)逐漸降低。當凍融循環(huán)的次數(shù)進行到75次時，質(zhì)量損失的速度明顯加快。同時，試件質(zhì)量損失率隨著摻量增加而加大。到200次凍融循環(huán)時，RAC0，RAC25，RAC50，RAC75和RAC100的質(zhì)量損失率最大值分別為1.90%，1.82%，1.63%，3.55%和5.47%。從測試結(jié)果看，RAC50比RAC0及其他摻量的RAC混凝土具有更好的抗凍耐久性。

表3 再生混凝土質(zhì)量損失率統(tǒng)計表(%)Tab.3 Statistical table of quality loss rates of recycled concrete (%)

2.2 動彈性模量試驗

動彈性模量是由動力法測得，也就是動彈性模量根據(jù)彈性波在再生混凝土中傳播速度得到。再生混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨著凍融循環(huán)的進行而逐漸的遭到破壞，此時測得的動彈性模量也會發(fā)生變化，因此，動彈性模量可以用來評價再生混凝土抗凍性。不同凍融次數(shù)后，再生混凝土試件的相對動彈性模量見表4。

表4 相對動彈性模量統(tǒng)計表(%)Tab.4 Statistical table of relative dynamic elastic modulus (%)

從表4可知，在整個凍融循環(huán)過程中，相對動彈性模量隨著凍融循環(huán)的進行逐漸降低。當凍融循環(huán)進行到75次時，相對動彈性模量的下降速度明顯加快，且摻量大于50%的再生混凝土試件的相對動彈性模量下降相對更快。在經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，RAC0混凝土試件的相對動彈性模量相對于原值平均降低了29.3%；RAC25，RAC50，RAC75和RAC100再生混凝土試件的相對動彈性模量平均分別降低了35.9%，31.4%，35.7%和38.1%。因此，從動彈性模量下降幅度看，RAC50的抗凍耐久性效果最接近普通混凝土，優(yōu)于其他再生混凝土。

2.3 超聲波波速試驗

再生混凝土的超聲波波速與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關，超聲波波速是再生混凝土超聲檢測中的一個重要參數(shù)。再生混凝土超聲波波速越高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性也就越好，也就表明再生混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后其內(nèi)部受到的損害越小。因此可以通過超聲波波速值的大小來判斷再生混凝土的經(jīng)歷凍融循環(huán)后的情況，從而判定再生混凝土的抗凍耐久性。

在凍融循環(huán)過程中，超聲波波速和相對超聲波波速隨凍融循環(huán)的變化曲線如圖1所示。

圖1 超聲波波速測試結(jié)果Fig.1 Ultrasonic velocity test results

從圖1可以看出，隨著凍融循環(huán)的進行，再生混凝土的超聲波波速呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。當凍融循環(huán)進行到75次時，超聲波波速的下降速度明顯加快，且摻量大于50%的再生混凝土試件的超聲波波速下降相對更快；在經(jīng)過200次凍融循環(huán)后，5種摻量的混凝土試件相對超聲波波速最小值仍不低于70%，但呈現(xiàn)出再生粗骨料摻量越大超聲波波速降幅越大的規(guī)律。

2.4 立方體抗壓強度分析

抗壓強度對工程結(jié)構(gòu)至關重要，是混凝土力學性能的考核指標和工程驗收的標準之一，也是再生混凝土力學性能的直觀表達。再生混凝土試件在標準條件下養(yǎng)護28 d后進行立方體抗壓強度試驗，試驗破壞過程如圖2所示。

取三個再生混凝土試件立方體抗壓強度的平均值隨凍融循環(huán)的變化曲線如圖3(a)所示，立方體抗壓強度損失率如圖3(b)所示。

由圖3可知，在凍融循環(huán)為0次時，再生混凝土的立方體抗壓強度的初始值都在37 MPa以上，差別不大，說明自然狀態(tài)下，再生粗骨料摻量對再生混凝土的立方體抗壓強度影響很小。隨著凍融循環(huán)的進行，再生混凝土的抗壓強度不斷的減小，抗壓強度損失率不斷地增大，經(jīng)過200次凍融循環(huán)后抗壓強度損失率在24.8%～38.5%之間。RAC25,RAC75和RAC100混凝土試件平均抗壓強度損失率隨凍融循環(huán)的進行變化趨勢大體一致，變化較為平緩；RAC0和RAC50混凝土試件平均抗壓強度損失率隨凍融循環(huán)的進行有明顯的波動，變化較大，且兩者變化曲線較為接近。隨凍融循環(huán)的進行，RAC100混凝土試件的立方體抗壓強度損失率始終最大；當循環(huán)次數(shù)達到200次時，RAC50混凝土試件的立方體抗壓強度損失率最小。從立方體抗壓強度測試過程和結(jié)果看，在200次凍融循環(huán)中，RAC50混凝土試件的立方體抗壓強度接近普通混凝土試件強度。

圖2 再生混凝土抗壓強度受壓過程Fig.2 The compressive strength process of recycled concrete

圖3 立方體抗壓強度試驗結(jié)果Fig.3 Cube compressive strength test results

2.5 應力-應變曲線分析

在室溫條件下，對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的再生混凝土試件進行單軸壓縮試驗，試驗使用YA-2000型壓力試驗機，通過控制送油的快慢來對試塊進行加載的操作；在強度試驗中，結(jié)構(gòu)及材料的變形測試由數(shù)字靜態(tài)應變儀來進行。試件從凍融機中取出后便立即進行試驗，在抗壓強度測試的過程中，通過對單軸壓縮試驗測得的荷載位移數(shù)據(jù)整理分析，便可以得到再生混凝土試件試驗值的應力-應變(σ-ε)曲線。在經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)時，再生混凝土立方體試件的應力-應變曲線中，由于試驗試件量較大，在每一組試件中抽取一個比較完整的曲線，得到普通再生混凝土應力-應變曲線如圖4～8所示。

圖4 RAC0應力-應變曲線Fig.4 RAC0 stress-strain curves

圖5 RAC25應力-應變曲線Fig.5 RAC25 stress-strain curves

圖6 RAC50應力-應變曲線Fig.6 RAC50 stress-strain curves

圖7 RAC75應力-應變曲線Fig.7 RAC75 stress-strain curves

圖8 RAC100應力-應變曲線Fig.8 RAC100 stress-strain curves

由圖4～8可得，不同摻量的再生混凝土，應力-應變趨勢基本一致，且應力-應變曲線的斜率都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，即試件抵抗變形的能力逐漸減小。再生混凝土摻量在25%時隨凍融循環(huán)的進行，應力-應變曲線分布較為集中；RAC75和RAC100的應力-應變曲線在應變達到2.0×10-3左右時有明顯轉(zhuǎn)折點。

繪制不同摻量再生混凝土峰值應力及峰值應變與凍融循環(huán)次數(shù)的關系曲線，如圖9所示，隨著凍融循環(huán)的進行，再生混凝土的峰值應力呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，峰值應變呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。從圖9(a)可見，RAC100混凝土試件在第175次凍融循環(huán)時峰值應力出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點；當凍融循環(huán)進行到200次時RAC50的峰值應力最大；RAC25和RAC50的曲線變化較為平緩，峰值應力隨凍融循環(huán)的進行下降速率較慢。從圖9(b)可得，RAC50在第100次凍融循環(huán)時峰值應變出現(xiàn)呈明顯上升趨勢的轉(zhuǎn)折點，在100次循環(huán)之前峰值應變約為1.4×10-3，在100次循環(huán)之后峰值應變約為1.8×10-3；RAC0和RAC25的峰值應變大致在1.0×10-3～1.4×10-3范圍內(nèi)；RAC75和RAC100的峰值應變在1.8×10-3～2.6×10-3范圍內(nèi)；RAC0和RAC25曲線變化較平緩，凍融循環(huán)對峰值應變的影響較小。

圖9 再生混凝土峰值應力-應變曲線Fig.9 Peak stress-strain curves of recycled concrete

3 結(jié) 論

試驗選用C30再生混凝土作為材料，對再生粗骨料摻量為0，25%，50%，75%和100%的再生混凝土進行0～200次的凍融循環(huán)試驗(間隔為25次)。試驗對比分析了不同摻量再生混凝土質(zhì)量、動彈性模量、超聲波波速、立方抗壓強度和應力應變等多項性能的變化規(guī)律，得到結(jié)論為

1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土的質(zhì)量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，超聲波波速、立方體抗壓強度和動彈性模量逐漸減小。

2) 經(jīng)過200次凍融循環(huán)之后，根據(jù)質(zhì)量、動彈性模量損失率不同摻量再生混凝土性能排序為RAC50>RAC0>RAC25>RAC75>RAC100，根據(jù)超聲波波速不同摻量再生混凝土性能排序為RAC0>RAC25>RAC50>RAC75>RAC100，根據(jù)立方體抗壓強度不同摻量再生混凝土性能排序為RAC0>RAC50>RAC25>RAC75>RAC100?？傮w來說，替代率為50%的再生混凝土相對于其他替代率的再生混凝土表現(xiàn)出較好的抗凍性。

3) 不同摻量再生混凝土應力-應變曲線的變化趨勢基本相同，且曲線的斜率都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土的峰值應力呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，峰值應變呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。凍融循環(huán)進行200次后，根據(jù)峰值應力不同摻量再生混凝土性能排序為RAC50>RAC0>RAC25>RAC75>RAC100，根據(jù)峰值應變不同摻量再生混凝土性能排序為RAC100>RAC75>RAC50>RAC25>RAC0。