引氣再生混凝土抗凍耐久性試驗(yàn)與損傷模型

鄧祥輝,曹衛(wèi)平，薛麗媛，王 睿

(西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,西安 710021)

據(jù)工業(yè)與信息化部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016年中國(guó)產(chǎn)生的建筑垃圾超過15×108t，且呈逐年上升的趨勢(shì)。估計(jì)到2020年中國(guó)建筑垃圾的年產(chǎn)量將高達(dá)20×108t，其中40%以上是混凝土垃圾。因此，研究廢棄混凝土的循環(huán)再利用具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。而中國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)劣化與破壞呈“南銹北凍”的地域性特征[1]，隨著西部大開發(fā)的深入推進(jìn)，西北地區(qū)將成為中國(guó)的基建重地。因此，研究再生混凝土的抗凍耐久性對(duì)于再生混凝土應(yīng)用意義重大。

前人對(duì)混凝土的抗凍耐久性進(jìn)行了多方面的研究，取得了很多有價(jià)值的成果。Thomas等[2]通過24種配比混凝土的物理、耐久性和力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果，分析了再生粗骨料混凝土耐久性的物理、力學(xué)機(jī)制和力學(xué)分析方法，并提出一種再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕ㄗh。李金玉等[3]通過快速凍融試驗(yàn)研究了普通混凝土、引氣混凝土和高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、飽和面干吸水率、孔結(jié)構(gòu)、水化產(chǎn)物等變化特征，結(jié)果表明，混凝土的凍融破壞是一個(gè)物理破壞，且不同種類混凝土的破壞機(jī)理是不盡相同。劉性碩等[4]通過電通量試驗(yàn)、表面氣體滲透試驗(yàn)和硬化混凝土氣泡參數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果表明引氣劑可大范圍阻斷毛細(xì)氣孔通路，引氣劑對(duì)凍融次數(shù)越多的混凝土試件抗?jié)B改善效果越顯著。曹大富等[5]對(duì)經(jīng)過0、25、50和75次凍融循環(huán)作用的C20棱柱體試件進(jìn)行試驗(yàn)，得出了各個(gè)力學(xué)性能與相對(duì)動(dòng)彈性模量變化的規(guī)律;張凱等[6]通過將不同取代率的再生混凝土放入5%的硫酸鈉溶液中，進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到了硫酸鹽和凍融循環(huán)雙重作用下再生混凝土的力學(xué)性能演化，并分析了內(nèi)在機(jī)理。

混凝土因反復(fù)凍融而產(chǎn)生的材料性能劣化和結(jié)構(gòu)破壞，其實(shí)質(zhì)為混凝土內(nèi)部裂縫產(chǎn)生和發(fā)展積累的結(jié)果。損傷力學(xué)正是研究材料損傷的物理過程及其對(duì)材料行為影響的一門固體力學(xué)分支學(xué)科。Lei等[7]用掃描電鏡(SEM)和顯微鏡硬度研究?jī)鋈谘h(huán)過程中再生混凝土和引氣再生混凝土中微裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展，結(jié)果表明界面過渡區(qū)為混凝土抗凍性能的薄弱環(huán)節(jié)。陳愛玖等[8]對(duì)再生粗骨料摻量為40%、不同摻量的聚丙烯纖維和引氣減水劑的再生混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并建立凍融損傷模型，預(yù)測(cè)了再生混凝土的損傷程度。龍廣成等[9]對(duì)比研究了C40的普通混凝土和自密實(shí)混凝土經(jīng)受凍融作用后的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并基于應(yīng)變等價(jià)性和統(tǒng)計(jì)損傷理論建立了相應(yīng)的損傷本構(gòu)模型，探討相應(yīng)損傷變量的演變特性。羅素蓉等[10]對(duì)納米改性的再生混凝土進(jìn)行斷裂實(shí)驗(yàn)，以雙K斷裂參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果表明，再生混凝土的起裂韌度和失穩(wěn)韌度與再生骨料替代率呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。余志武等[11]通過對(duì)Mode-Ⅱ微裂縫的微觀損傷機(jī)理分析，提出并驗(yàn)證了束-蓮模型作為混凝土隨機(jī)損傷本構(gòu)模型的合理性。

基于前人研究思路，現(xiàn)對(duì)引氣再生混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到混凝土性能演變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)，通過建立損傷模型來對(duì)比分析各配合比的混凝土的性能特性。

1 凍融循環(huán)試驗(yàn)

1.1 原材料與配合比

實(shí)驗(yàn)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30。天然粗骨料粒徑為5～40 mm、連續(xù)級(jí)配，表觀密度為2 559 kg/m3；再生粗骨料來自于C30廢棄混凝土；細(xì)骨料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.75，為中砂，表觀密度為2 594 kg/m3；水泥為復(fù)合硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為32.5；引氣劑為粉末引氣劑，根據(jù)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119—2013)要求，引氣劑的引氣量最大限制為4.5%。

按照體積法設(shè)計(jì)普通混凝土的配合比，水灰比W/C取0.46，砂率βs取45%，配合比為mco∶mgo∶mso∶mwo=360∶561∶1249∶165=1∶1.56∶3.47∶0.46。再生粗骨料以0、25%、50%、75%、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(duì)配合比產(chǎn)生過大的影響，再生粗骨料經(jīng)10 min浸水、瀝干，加入拌和。在此基礎(chǔ)上，添加引氣劑，摻量為0.05%，減水率按6%計(jì)算，配制5種不同摻量的引氣再生混凝土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)設(shè)備

對(duì)于所制立方體再生混凝土試件的編號(hào)，L表示立方體，RAC表示再生混凝土，立方體再生混凝土采用LRAC-摻量-試件序號(hào)-凍融循環(huán)次數(shù)的方法；對(duì)于摻入引氣劑的試件采用YLRAC-批次-試件序號(hào)-凍融循環(huán)次數(shù)的方法，對(duì)于長(zhǎng)方體試件，采用CYRAC-摻量-試件序列號(hào)-凍融循環(huán)次數(shù)的方法。比如CRAC50-1-200表示不添加引氣劑長(zhǎng)方體再生混凝土試件中的再生粗骨料摻量為50的1號(hào)試件的凍融循環(huán)次數(shù)為200次，YLRAC75-2-100表示引氣立方體再生混凝土試件中的再生粗骨料摻量為75%的2號(hào)試件凍融循環(huán)次數(shù)為100次。

試驗(yàn)凍融過程中測(cè)試質(zhì)量、動(dòng)彈性模量項(xiàng)目，主要試驗(yàn)設(shè)備有：電子稱、DT-10W型動(dòng)彈性模量測(cè)定儀、凍融試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 質(zhì)量損失試驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)采用快凍法，將24 d的試件放入(20±2) ℃水中浸泡4 d，開始凍融試驗(yàn)。用濕布擦除試件表面水分，對(duì)外觀尺寸、初始質(zhì)量W0i、橫向基頻初始值f0i進(jìn)行測(cè)量記錄；將試件放入凍融試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，進(jìn)行凍結(jié)和融解循環(huán)。

每隔25次凍融循環(huán)，取出試件，將試件表面浮渣清洗干凈并擦干表面水分，對(duì)其外部損傷作必要的記錄，然后稱量質(zhì)量,按要求取得測(cè)試結(jié)果如表1所示,計(jì)算單個(gè)試件的質(zhì)量損失率如圖1所示。

由圖1可知，凍融循環(huán)次數(shù)小于50 h，引氣再生混凝土和再生混凝土質(zhì)量損失率均為負(fù)，即混凝土質(zhì)量隨凍融次數(shù)增加而增加，在大于50 h，質(zhì)量損失率均為正，即混凝土質(zhì)量隨凍融次數(shù)增加而減少；再生粗骨料摻量為50%時(shí)，較其他摻量質(zhì)量損失率更低；添加引氣劑使再生混凝土質(zhì)量損失率變化更小和200次質(zhì)量損失減小，但是改善程度有限。

2.2 動(dòng)彈性模量試驗(yàn)

與質(zhì)量檢測(cè)一樣，每隔25次凍融循環(huán)，檢測(cè)試件的動(dòng)彈性模量，按要求得到測(cè)定結(jié)果。再生混凝土的動(dòng)彈性模量測(cè)試結(jié)果如圖2所示，將其歸一化得到相應(yīng)的相對(duì)動(dòng)彈模量如圖3所示。

表1 再生混凝土質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Mass test data of recycled concrete

圖1 質(zhì)量損失率Fig.1 Mass loss rate

圖2 動(dòng)彈性模量Fig.2 Dynamic elastic modulus

圖3 相對(duì)動(dòng)彈性模量Fig.3 Relative dynamic elastic modulus

由圖2、圖3可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，相對(duì)動(dòng)彈性模量逐漸減小，即混凝土的動(dòng)彈性模量逐漸減??；200次凍融循環(huán)，再生粗骨料摻量為0和50%的動(dòng)彈性模量相近，較其他摻量損失更少；添加引氣劑的再生混凝土的動(dòng)彈性模量相較于未加引氣劑的增大了1～3 GPa(1%～5%)，且隨凍融次數(shù)增加，動(dòng)彈性模量的減小速度也降低了。

3 混凝土的損傷模型

3.1 混凝土損傷模型

混凝土在凍融循環(huán)過程中材料性能不斷劣化，其微觀機(jī)理在于混凝土內(nèi)部孔隙中水不斷在水-冰二相之間變化時(shí)，體積的變化會(huì)在孔隙中產(chǎn)生反復(fù)凍脹壓力，溶液鹽濃度梯度的變化在孔隙中引起滲透壓，和其他原因的共同作用，使混凝土內(nèi)部孔隙發(fā)展、產(chǎn)生、貫通[3]。將其類比于循環(huán)荷載作用，經(jīng)過足夠的應(yīng)力循環(huán)作用，混凝土內(nèi)部的損傷積累使試件產(chǎn)生裂紋，并促進(jìn)裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致試件破壞。根據(jù)材料疲勞荷載與疲勞壽命關(guān)系，材料壽命主要與最大應(yīng)力σmax、最小應(yīng)力σmin、循壞次數(shù)n、材料性能參數(shù)α有關(guān)。Aas-Jakobsen提出的混凝土材料疲勞壽命公式[12]，在混凝土凍融循環(huán)的受力特性下，可簡(jiǎn)化為式(1)：

S′(n)=1-αlg(N-n)

(1)

式(1)中：S為應(yīng)力水平，等于最大應(yīng)力σmax與混凝土的抗拉強(qiáng)度比值。在S0的應(yīng)力水平下，再生混凝土的凍融循環(huán)壽命為N，當(dāng)循環(huán)n次后，凍融循環(huán)壽命為(N-n)，相應(yīng)的應(yīng)力水平為S′(n)。

在凍融循環(huán)過程中，應(yīng)力水平S很好的表現(xiàn)了混凝土抗凍性能不斷劣化特征，故可定義實(shí)際應(yīng)力比S′(n)與S0的相對(duì)差值為損傷變量W(n)，即：

W(n)=[S′(n)-S0]/S′(n)

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2)得：

(3)

由式(1)可知，dS/dlg(n)=-α，即α表示凍融循壞次數(shù)增量對(duì)再生混凝土的應(yīng)力水平的影響系數(shù)，故可用α來表征材料的抗凍能力。當(dāng)α越大，凍融循環(huán)的增加對(duì)混凝土的應(yīng)力水平影響越大，即混凝土的抗凍性能越差。

由式(2)可知，損傷變量W(n)為標(biāo)量，當(dāng)凍融次數(shù)為0次時(shí)，W(n)=0，混凝土未受凍融損傷；當(dāng)凍融次數(shù)為N次時(shí)，W(n)=1，再生混凝土已破壞。

3.2 再生混凝土的材料參數(shù)α

在已建立的再生混凝土損傷模型中，材料參數(shù)α表征著不同材料的抗凍性能。實(shí)驗(yàn)中不同配比(摻量、引氣)的再生混凝土的抗凍性能即可通過損傷模型中的材料參數(shù)α來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究，混凝土在凍融循環(huán)過程中，其抗拉強(qiáng)度和相對(duì)動(dòng)彈性模量的劣化規(guī)律呈線性關(guān)系。并且從混凝土微觀損傷機(jī)理來說，損傷是混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展的積累過程，而這些會(huì)顯著地在混凝土對(duì)動(dòng)力波的響應(yīng)特征中反映出來，即動(dòng)彈性模量。因此，凍融n次時(shí)的動(dòng)彈模Pn可作為凍融損傷模型的驗(yàn)算值，計(jì)算公式如式(4)所示：

Wn=1-Pn/P0

(4)

式(4)中：P0為初始動(dòng)彈模量。

在快速凍融循環(huán)試驗(yàn)中，以相對(duì)動(dòng)彈性模量降至60%為試驗(yàn)終止條件，若以此對(duì)損傷變量進(jìn)行歸一化，則損傷變量的計(jì)算公式為

Wn=(1-Pn/P0)/40%

(5)

將式(5)代入式(3)計(jì)算各混凝土的材料參數(shù)α在凍融循環(huán)次數(shù)為n時(shí)的值，如圖4所示。

圖4 材料參數(shù)的變化Fig.4 Variation of material parameter

由圖4可知，各配合比的混凝土在歷經(jīng)200次凍融循環(huán)后，按材料參數(shù)α的大小排序，依次為RAC100>RAC25>RAC75>RAC50>YRAC100>RAC0>YRAC75>YRAC25>YRAC0>YRAC50，即混凝土的抗凍性能按該順序依次增強(qiáng)。摻量為50%的再生混凝土與普通混凝土的抗凍性能相近，優(yōu)于其他摻量。添加引氣劑的再生混凝土，其抗凍性能的衰減速度較未添加引氣的抗凍性能更好，原因在于引氣劑引入的大孔徑(0.05～1.25 mm)的封閉氣泡，使混凝土吸水飽和度降低以及為水結(jié)冰提高壓力釋放空間，從而提高混凝土的抗凍性能。在試驗(yàn)中，引氣劑的添加與再生骨料摻量之間存在著最佳配比的關(guān)系。以膠凝材料的質(zhì)量為基準(zhǔn)來確定固定的引氣劑添加量，對(duì)于不同摻量的再生粗骨料混凝土的抗凍性能的改善程度不同，RAC25>RAC75,而YRAC75>YRAC25；從整體上來看，凍融循環(huán)次數(shù)與材料參數(shù)α呈正相關(guān)關(guān)系，但在凍融循環(huán)早期(次數(shù)小于75次)，RAC100、RAC75和YRAC100的抗凍性能有明顯增強(qiáng)現(xiàn)象，在大于75次之后快速衰減，類似于凍融過程中質(zhì)量損失的規(guī)律，而YRAC50、YRAC0和YRAC25的抗凍性能變化較平穩(wěn)，隨凍融次數(shù)而緩慢減小。

從凍融損傷的微觀機(jī)理來看，上一循環(huán)的損傷必定為之后凍融循環(huán)損傷的發(fā)展、貫通提供基礎(chǔ)。從微觀力學(xué)來看，混凝土應(yīng)力水平增大是混凝土的抗拉強(qiáng)度衰減和凍脹應(yīng)力增大二者效應(yīng)疊加的結(jié)果。因此用指數(shù)增長(zhǎng)函數(shù)關(guān)系來擬合不同配比混凝土的材料參數(shù)α與凍融循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系比較合理。同時(shí)，表征指數(shù)增長(zhǎng)函數(shù)增長(zhǎng)特性的函數(shù)參數(shù)也可以賦以明確的物理意義，如式(6)所示：

α=m+pexp(n/q)

(6)

式(6)中：q為強(qiáng)度系數(shù)；p為增長(zhǎng)幅度系數(shù)。

由式(6)可知，當(dāng)n=0時(shí)，α0=m+p，其值表征著混凝土未經(jīng)凍融循環(huán)時(shí)的材料參數(shù)α，即材料的初始抗凍性能，故m也可表征材料的基礎(chǔ)抗凍性能；dα/dn=p/qexp(n/q)，其值表征著材料參數(shù)增長(zhǎng)特性，可知α受q值影響較大。擬合結(jié)果如表2所示。

由表2可知，擬合函數(shù)的相關(guān)性系數(shù)均較大，表明擬合效果較好，則該模型能夠較好反應(yīng)混凝土在凍融試驗(yàn)過程中的損傷規(guī)律。各混凝土的(m+p)值比較接近，為0.25～0.31；其中RAC100的(m+p)值最大，為0.305，即初始抗凍性能最差，YRCA0的(m+p)值最小，為0.258 4，即初始抗凍性能最好。除RAC100外，各混凝土的dα/dn=p/q·exp(n/q)也比較接近，為0.000 22～0.000 45；其中YRAC50最大，為0.000 229，即抗凍性能衰減較慢，而RAC0、YRAC100較小，分別為0.000 42、0.000 44，即抗凍性能衰減較快。值得注意的是：討論上述函數(shù)參數(shù)意義，應(yīng)當(dāng)是在分析相應(yīng)的相關(guān)性系數(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行。如圖5所示，RAC100的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布明顯呈先下降后增加的趨勢(shì)，此時(shí)用指數(shù)增長(zhǎng)函數(shù)進(jìn)行擬合，其相關(guān)性系數(shù)較低，這也是混凝土性能離散性較大的表現(xiàn)，質(zhì)量較差。

表2 材料參數(shù)的擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of material parameter

3.3 損傷變量W(n)

將擬合的材料參數(shù)α代入再生混凝土損傷模型，可得各配合比混凝土損傷變量W(n)，如式(7)所示：

(7)

在再生骨料摻量、凍融循環(huán)次數(shù)n、損傷變量的三維空間內(nèi)，用插值方法繪制再生混凝土和引氣再生混凝土的損傷變量數(shù)據(jù)平面，同時(shí)繪制一組再生混凝土和引氣再生混凝土的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)來觀察該模型的擬合效果，如圖5所示。

圖5 再生混凝土的損傷變量W(n)Fig.5 Damage variable W(n) of recycled concrete

由圖5可知，試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布再生混凝土損傷模型計(jì)算曲面的附近，損傷模型計(jì)算預(yù)測(cè)的混凝土損傷值與試件實(shí)際凍融破壞的特征相符，該模型能夠較好反應(yīng)不同摻量再生混凝土和引氣再生混凝土的凍融損傷規(guī)律。

各混凝土按損傷值的變化規(guī)律與材料參數(shù)α的變化規(guī)律是一致的。從凍融循環(huán)次數(shù)維度來看，平面呈上升趨勢(shì)，即抗凍性能在不斷損傷。從再生粗骨料摻量維度來看，平面呈波浪形，在摻量為0和50%為波谷，即抗凍性能較優(yōu)。對(duì)比兩個(gè)平面，隨著凍融的增加，二者逐漸分離，添加引氣劑數(shù)據(jù)平面低于未添加引氣劑數(shù)據(jù)平面之下，即添加引氣劑對(duì)混凝土的抗凍性能有所改善。

4 結(jié)論

(1)再生混凝土凍融損傷模型計(jì)算的損傷值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，損傷模型能夠較好反映不同摻量再生混凝土和引氣再生混凝土的凍融損傷規(guī)律，并且損傷模型各參數(shù)均有明確的物理意義。

(2)在粗骨料各個(gè)摻量的再生混凝土損傷模型中，摻量為50%的再生混凝土與普通混凝土的抗凍性能相近，優(yōu)于其他摻量的再生混凝土抗凍性能。

(3)添加引氣劑，對(duì)不同摻量的再生混凝土抗凍性能均有改善。粗骨料的摻量和引氣劑共同影響再生混凝土的抗凍性能，并且二者之間也存在最佳配比的關(guān)系。