引氣劑和再生骨料對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響

王 鑫，李亞軍，杜西江

（中交一公局第五工程有限公司，北京 100024）

引言

混凝土是一種使用最為廣泛的人工建筑材料，主要由水泥、骨料、水和外加劑組成[1-3]，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁和大壩等工程，具有成本低廉，原材料豐富以及優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性等優(yōu)點(diǎn)[4]?；炷林泄橇险计淇傮w積60%～70%，對(duì)于混凝土性能起著至關(guān)重要的作用。隨著混凝土材料的廣泛應(yīng)用，天然骨料資源趨于匱乏[5-7]。因此，亟需尋找一種可再生骨料替代天然骨料。再生混凝土骨料是由廢棄混凝土經(jīng)清洗、破碎、分級(jí)等處理得到的可再生資源，可有效解決當(dāng)前面臨的問題。再生骨料由原始骨料和附著舊砂漿組成，與天然骨料相比，再生骨料具有更高的壓碎值、孔隙率和吸水率，故將再生骨料引入混凝土中可能會(huì)對(duì)其力學(xué)性能和耐久性產(chǎn)生負(fù)面影響。

由于再生骨料中原始骨料和附著舊砂漿的薄弱界面增加了混凝土在外界荷載作用下的阻尼耗能能力，對(duì)混凝土阻尼性能有一定提升潛力。近年來，有學(xué)者對(duì)混凝土阻尼性能進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的成果[7-10]。 梁超峰等[1]研究了再生骨料替代對(duì)混凝土阻尼性能的影響，結(jié)果表明，混凝土阻尼比分別提高了111.4% （RCA1-0），103.3%（RCA1-30），171.2%（RCA1-50），153.8%（RCA1-70），179.9%（RCA1-100），187.4%（RCA2-100）和126.6%（RCA3 -100）。有研究表明，再生混凝土峰值阻尼比值是原始阻尼比的2～3倍[9]。纖維和引氣劑的添加對(duì)改善混凝土阻尼性能有一定積極作用[10-12]。迄今為止，很少有關(guān)于聚丙烯纖維增強(qiáng)再生混凝土動(dòng)態(tài)特性的研究，而引氣劑對(duì)聚丙烯纖維增強(qiáng)再生混凝土動(dòng)態(tài)特性的影響的研究更少。

通過改變引氣劑摻量和再生骨料替代率制備出再生骨料混凝土，研究引氣劑摻量和RCA的替代百分比對(duì)纖維增強(qiáng)再生骨料混凝土動(dòng)態(tài)特性的影響，研究結(jié)果對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析具有一定指導(dǎo)意義。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 水泥

本研究采用四川金鼎公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5），其主要化學(xué)成分和主要物理性能見表1，符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175—2007）要求。

表1 水泥主要性能

1.1.2 粉煤灰

使用四川金能公司生產(chǎn)的粉煤灰，其主要化學(xué)成分見表2。

表2 粉煤灰主要化學(xué)成分

1.1.3 粗骨料

天然細(xì)骨料為細(xì)度模量為2.28的河砂，天然粗骨料是具有連續(xù)級(jí)配的普通碎石灰石。再生粗骨料是從拆除后的實(shí)驗(yàn)室混凝土樣品中粉碎獲得，其抗壓強(qiáng)度估計(jì)為31.8 MPa。其中，粗骨料最大直徑為20 mm，主要性能見表3，滿足《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52— 2006）的要求。

表3 粗骨料主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.4 纖維

表4為聚丙烯纖維主要性能。減水劑為蘇博特生產(chǎn)的減水率為30%的萘類高效減水劑。引氣劑為密度為1.02%的WSD-2型引氣劑。

表4 纖維主要性能

1.2 配合比設(shè)計(jì)

再生骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)見表5。

表5 再生骨料混凝土配合比設(shè)計(jì) /（kg·m-3）

為研究再生骨料混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，除再生骨料替代率和引氣劑摻量外，其余設(shè)計(jì)參數(shù)均保持恒定。拌合物命名規(guī)則，以RAC-50-A1為例，RAC表示再生骨料混凝土，50表示再生骨料替代率為50%（wt.%），A1表示引氣劑摻量為0.072 kg/m3，A2和A3分別代表RAC中引氣劑摻量為0.144 kg/m3和0.288 kg/m3。

1.3 測試方法

1.3.1 靜態(tài)性能測試

抗壓強(qiáng)度（150 mm×150 mm×150 mm）和抗拉強(qiáng)度（400 mm×100 mm×100 mm）根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）進(jìn)行測試，每組試件測試3次后取平均值。試樣成型24 h后脫模，然后將其置于溫度為20±1 ℃，相對(duì)濕度高于95%下養(yǎng)護(hù)至測試日期。

1.3.2 動(dòng)態(tài)性能測試

（1）動(dòng)態(tài)彈性模量

根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）測試再生混凝土試件28 d動(dòng)態(tài)彈性模量，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，每組試件測試3次后取平均值。

動(dòng)態(tài)彈性模量：

式中：Ed—?jiǎng)討B(tài)彈性模量，MPa；W—試件質(zhì)量，kg；f—試件橫向振動(dòng)頻率，Hz；L—試件長度，mm；a—方形橫截面試件的邊長，mm。

（2）縱向共振頻率

參考ASTM C 215 規(guī)定[1]，測試再生混凝土試件縱向共振頻率，100 mm×100 mm×400 mm，每組試件測試3次后取平均值。使用CNS Farnell提供的Erudite MkIV電子諧振頻率測試系統(tǒng)，掃頻范圍為4 000～6 000 Hz，發(fā)射極的激發(fā)強(qiáng)度為0.1 V，掃描頻率步長為1 Hz。

（3）阻尼比

采用半功率帶寬法測試再生混凝土試件阻尼：

式中：ζ—阻尼比，%；f0—諧振頻率，Hz；f1、f2—與f0/√2幅度相對(duì)應(yīng)的頻率，Hz。

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)力學(xué)性能

基準(zhǔn)混凝土和再生混凝土靜態(tài)力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度）測試結(jié)果，見圖1?？梢缘贸觯炷量箟汉涂拐蹚?qiáng)度隨再生骨料替代率和引氣劑摻量增加而降低。

圖1 混凝土靜態(tài)力學(xué)性能

2.1.1 抗壓強(qiáng)度

（1）與基準(zhǔn)混凝土相比

與基準(zhǔn)混凝土28 d 抗壓強(qiáng)度相比，50%和100%再生骨料替代率的混凝土抗壓強(qiáng)度分別降低了3.54%（50RCA-A1）和22.60%（100RCA-A1）。結(jié)果表明，再生混凝土抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料替代率增加而降低，尤其是當(dāng)再生骨料為100%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度下降超過20%。因?yàn)樵偕橇掀焚|(zhì)低于天然骨料，再生骨料替代率越高，相當(dāng)于混凝土內(nèi)部缺陷越多，對(duì)抗壓強(qiáng)度越不利。

（2）與50RAC-A1試件相比

與50RAC-A1試件28 d抗壓強(qiáng)度相比，摻加引氣劑的試件抗壓強(qiáng)度分別降低了7.48%（50RAC-A2），9.72%（50RAC-A3），19.01%（50RAC-A4）和31.51%（50RAC-A2）。 結(jié)果表明，隨著引氣劑含量的增加，再生混凝土抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢。當(dāng)引氣劑含量不超過0.072 kg / m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降趨勢很小；當(dāng)引氣劑摻量超過0.144 kg / m3，其抗壓強(qiáng)度大幅降低。為了確保再生混凝土的抗壓強(qiáng)度不出現(xiàn)大幅損失，建議再生混凝土中引氣劑摻加量不大于0.072 kg/m3。

2.1.2 抗折強(qiáng)度

（1）與基準(zhǔn)混凝土相比

與基準(zhǔn)混凝土7 d抗折強(qiáng)度相比，再生混凝土抗折強(qiáng)度分別降低了2.61%（50RCA-A1）和21.82%（100RCA-A1）；與基準(zhǔn)混凝土28 d抗折強(qiáng)度相比，再生混凝土抗折強(qiáng)度分別降低了2.59%（50RCA-A1）和22.03%（100RCA-A1）。結(jié)果表明，再生骨料對(duì)抗折強(qiáng)度影響與對(duì)抗壓強(qiáng)度影響類似。

（2）與50RAC-A1試件相比

與50RAC-A1試件28 d抗折強(qiáng)度相比，摻加了引氣劑的再生混凝土抗折強(qiáng)度分別降低了14.75%（50RAC-A2），19.80%（50RAC-A3），22.19%（50RAC-A4）和24.86%（50RAC- A2）。與引氣劑摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響類似，為保證再生混凝土抗折強(qiáng)度，引氣劑摻量建議不超過0.072 kg/m3。

2.2 動(dòng)態(tài)性能

不同再生骨料替代率和引氣劑摻量的再生混凝土的28 d動(dòng)態(tài)性能（動(dòng)態(tài)彈性模量，共振頻率和阻尼比）測試結(jié)果，見圖2～圖4。

2.2.1 共振頻率

由圖2（a）可知：（1）隨著再生骨料替代率提高，再生混凝土RAC的縱向共振頻率顯示出增加的趨勢。與基準(zhǔn)混凝土相比，再生混凝土的縱向共振頻率分別增加了29.08%（RCA-50）和33.74%（RCA-100）。（2）隨著引氣劑摻量增加，再生混凝土的縱向共振頻率同樣顯示出增加的趨勢。當(dāng)引氣劑摻量不超過0.072 kg/m3時(shí)，縱向共振頻率增加趨勢明顯；當(dāng)引氣劑含量超過0.072 kg/m3時(shí)，再生混凝土試件（50RAC-A4和50RAC-A5）的縱向共振頻率逐漸趨于穩(wěn)定。

圖2 再生混凝土共振頻率測試結(jié)果

從圖2（b）可知：（1）再生混凝土的橫向共振頻率明顯高于基準(zhǔn)混凝土。與基準(zhǔn)混凝土相比，包含50%和100%再生骨料的混凝土50RAC-A1和100RAC-A1，其橫向共振頻率分別提高了29.9%和48.10%。（2）與未摻加引氣劑混凝土相比，再生混凝土橫向諧振頻率分別增加了21.87%（50RCA-A2），32.88%（50RCA-A3），29.47%（50RCA-A4） 和29.85%（50RCA-A5）。結(jié)果表明，引入引氣劑可大幅提升混凝土共振頻率。

2.2.2 動(dòng)態(tài)彈性模量

再生混凝土28 d動(dòng)態(tài)彈性模量測試結(jié)果見圖3。由圖3可知：（1）與基準(zhǔn)混凝土相比，再生混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量分別增加了5.01%（50RCA-A1）和10.02%（100RCA-A1）。結(jié)果表明，再生混凝土中再生粗骨料替代率越高，越有利于提升混凝土動(dòng)態(tài)彈性模量。（2）與50RCA-A1試件28 d動(dòng)態(tài)彈性模量相比，50RCA-A2、50RCA-A3、50RCA-A4和50RCA-A5試件的動(dòng)態(tài)彈性模量分別提高了7.90%，13.93%，13.95%和14.48%。 結(jié)果表明，當(dāng)引氣劑含量超過0.072 kg/m3時(shí)，再生混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量隨引氣劑摻量的增加而增加。

圖3 再生混凝土動(dòng)態(tài)彈性模量測試結(jié)果

2.2.3 阻尼比

再生混凝土養(yǎng)護(hù)28 d 的阻尼比測試結(jié)果見圖4。

圖4 再生混凝土阻尼比測試結(jié)果

可以看出：（1）與基準(zhǔn)混凝土相比，再生混凝土試樣的阻尼比分別提高到1.78%（50RCA-A1）和1.99%（100RCA-A2）。結(jié)果表明，隨著再生骨料替代率的增加，再生混凝土的阻尼比顯示出急劇增加的趨勢。因?yàn)槔w維增強(qiáng)再生混凝土包括六個(gè)相：原始骨料，天然骨料，舊砂漿，新砂漿和界面過渡區(qū)（舊砂漿和新砂漿之間的新界面，舊砂漿和天然骨料之間的舊界面）[1-3]。其中舊界面的厚度比新界面的厚度薄，并且已有研究表明舊界面的顯微硬度值小于新界面[6]。因此，舊界面和新界面之間的滑動(dòng)會(huì)導(dǎo)致能量耗散，隨再生骨料替代率提高，界面的數(shù)量也會(huì)增加，并且將包含更多新舊界面，在外界荷載作用下消耗更多能量。

（2）各相之間彈性模量差異很大，例如，舊砂漿的彈性模量遠(yuǎn)小于新砂漿、骨料和界面過渡區(qū)的彈性模量。有研究顯示，舊界面壓痕模量是舊砂漿的70%～80%，而新界面壓痕模量為新砂漿的80%～90%。因此，各相間巨大的模量差有利于能量耗散。

（3）摻加引氣劑對(duì)再生混凝土阻尼比有積極的影響。當(dāng)引氣劑含量不超過0.072 kg/ m3時(shí)，試件阻尼比增加趨勢明顯；而引氣劑含量超過0.072 k/m3時(shí)，試件阻尼比趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明，當(dāng)引氣劑摻量為0.072 kg/m3時(shí)，對(duì)再生混凝土試件阻尼比提升效果最明顯。引氣劑的引入在混凝土內(nèi)部引入大量氣泡，使混凝土的孔和氣泡數(shù)量增加，外界荷載作用下，這些大氣泡起到柔性緩沖包作用，故有利于提升試件阻尼比。

3 結(jié)語

通過改變引氣劑摻量和再生骨料替代率制備出再生骨料混凝土，研究引氣劑摻量和RCA的替代百分比對(duì)纖維增強(qiáng)再生骨料混凝土動(dòng)態(tài)特性影響。（1）再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度隨再生骨料替代率增加呈下降趨勢。當(dāng)再生骨料替代率不超過50%時(shí)，下降趨勢非常小，而100%再生骨料替代率的試件抗壓強(qiáng)度會(huì)急劇下降。添加引氣劑對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有不利影響，尤其是引氣劑含量大于0.072 kg/m3時(shí)，試件力學(xué)性能大幅下降。（2）再生混凝土的縱向共振頻率和橫向共振頻率隨著再生骨料替代率和引氣劑摻量的增加而增加。當(dāng)引氣劑含量不超過0.072 kg/m3時(shí)，其增加趨勢非常明顯，而當(dāng)引氣劑含量超過0.072 kg/ m3時(shí)，試件（50RAC-A4和50RAC-A5）的縱向共振頻率趨于穩(wěn)定。（3）與基準(zhǔn)混凝土相比，再生混凝土的動(dòng)態(tài)彈性模量分別增加5.01%（50RCA-A1）和10.02%（100RCA-A1）；與50RCA-A1相比，再生混凝土試件50RCA-A2、50RCA-A3、50RCA-A4和50RCA-A5的動(dòng)態(tài)彈性模量分別增加了7.90%、13.93%、13.95%和14.48%。（4）摻加引氣劑對(duì)再生混凝土的阻尼比有積極作用，但引氣劑摻量不應(yīng)超過0.072 kg/m3，否則會(huì)大大降低其力學(xué)性能，再生混凝土中各相模量差、各相位移滑動(dòng)、微裂紋和空隙間摩擦以及摻加引氣劑后引入大氣泡的柔性緩沖包作用是阻尼提升來源。