軸壓重復(fù)荷載作用后再生混凝土毛細(xì)吸水性能

鮑玖文，李樹(shù)國(guó),張 鵬，劉兆麟,趙鐵軍

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

為解決建筑垃圾資源化問(wèn)題及天然骨料資源緊張局面，利用廢棄混凝土制備再生骨料是實(shí)現(xiàn)建筑、資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，符合國(guó)家建筑垃圾資源化與環(huán)保型綠色建筑材料可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[1].然而，與天然骨料相比，再生骨料棱角多，且外表面附著部分舊砂漿，造成其壓碎指標(biāo)高、吸水率大、表觀密度低等特點(diǎn)，凝結(jié)硬化后混凝土內(nèi)部形成的多重界面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、疏松且孔隙率大[2-3]；由于自身缺陷及外部荷載與環(huán)境因素雙重作用，容易引起微裂縫起裂、擴(kuò)展或相互連通，加速了水分及有害介質(zhì)的侵入，使得再生混凝土(RAC)的耐久性問(wèn)題尤為突出[4].因此，開(kāi)展荷載與環(huán)境作用下再生混凝土耐久性研究，對(duì)深入理解和完善再生混凝土耐久性基礎(chǔ)理論及工程應(yīng)用具有重要意義.

關(guān)于再生混凝土介質(zhì)傳輸性能的研究，目前主要集中于抗氯離子滲透性能方面，研究表明：再生混凝土抗氯離子侵蝕性能不及普通混凝土，且隨再生粗骨料取代率的增加其抗氯離子侵蝕性能變差[5-7].由于再生粗骨料自身初始缺陷及微裂縫的影響，許多學(xué)者也開(kāi)展了荷載損傷及裂縫對(duì)再生混凝土抗氯離子侵蝕性能機(jī)理影響的試驗(yàn)和數(shù)值研究，例如：Qi等[8]研究了干濕循環(huán)與彎曲荷載耦合作用下再生混凝土的抗氯離子侵蝕性能.歐陽(yáng)璋等[9]開(kāi)展了軸壓重復(fù)荷載作用后不同再生粗骨料取代率混凝土的抗氯離子侵蝕性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：再生混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨應(yīng)力水平和再生粗骨料取代率的增加而增大.Wang等[10]研究了持壓荷載作用對(duì)再生混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力水平的增加，氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，且再生混凝土對(duì)荷載敏感程度要高于普通混凝土.Wu等[11]基于蒙特卡洛數(shù)值模擬方法分析了微裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度、方向以及舊砂漿-原始骨料界面等因素對(duì)再生混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響，建立了微裂縫隨機(jī)分布與氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系.

針對(duì)再生混凝土耐久性的研究已廣泛開(kāi)展，且研究表明再生混凝土的內(nèi)部膨脹、開(kāi)裂甚至表面剝落，均與水分在內(nèi)部孔隙及微裂縫中的傳輸密不可分；水又是侵蝕性介質(zhì)遷移、擴(kuò)散進(jìn)入混凝土內(nèi)部的載體[12].然而，對(duì)荷載-環(huán)境耦合作用下再生混凝土水分遷移的研究較少，關(guān)于其荷載損傷對(duì)水分傳輸性能的影響規(guī)律和作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)還不夠全面.因此，本文開(kāi)展軸壓重復(fù)荷載作用后不同再生粗骨料取代率(0%、30%、50%、100%)的再生混凝土毛細(xì)吸水性能試驗(yàn)，分析應(yīng)力水平和再生粗骨料取代率對(duì)水分傳輸?shù)挠绊懸?guī)律；基于毛細(xì)吸水的非飽和流體理論，建立了再生混凝土水分傳輸模型，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)再生混凝土內(nèi)部相對(duì)含水量分布進(jìn)行了預(yù)測(cè).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料及試件制作

采用山水集團(tuán)P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥(C)和礦粉(GBFS)作為膠凝材料；采用最大粒徑為5mm的標(biāo)準(zhǔn)河砂(S)為細(xì)骨料；選用5～20mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖碎石為天然粗骨料(NCA)；利用原強(qiáng)度等級(jí)為C40～C50的實(shí)驗(yàn)室廢棄混凝土試塊，經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎2～3次制備再生粗骨料(RCA)；采用普通自來(lái)水(W)和聚羧酸高效減水劑(SP).依據(jù)GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》以及GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》規(guī)范中要求，天然粗骨料和破碎后的再生粗骨料顆粒級(jí)配均符合規(guī)范上下限值要求(見(jiàn)圖1).對(duì)天然粗骨料和再生粗骨料的物理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示.混凝土配合比如表2所示，其中附加用水量(AW)是再生粗骨料吸水至飽和面干狀態(tài)所需水分，用以補(bǔ)償再生粗骨料(RCA)高吸水性造成的水分損失[13]，有效水灰比(1)文中涉及的水灰比、取代率等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù).為0.39.采用二次攪拌法(TSMA)[14]制備4種再生粗骨料取代率(R)分別為0%、30%、50%、100%的立方體試件，試件邊長(zhǎng)為100mm，編號(hào)分別為R0、R30、R50、R100；室溫養(yǎng)護(hù)1d后拆模，并在(20±2)℃，相對(duì)濕度RH≥95%的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至28d，測(cè)試其 28d 立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)c，結(jié)果也列于表2.

圖1 粗骨料顆粒級(jí)配Fig.1 Particle gradation of coarse aggregate

表1 粗骨料物理指標(biāo)

表2 混凝土配合比及立方體抗壓強(qiáng)度

1.2 加載制度

為了分析不同應(yīng)力水平(λc)對(duì)再生混凝土水分傳輸性能的影響，考慮混凝土材料的應(yīng)力破壞規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了0、0.3、0.5和0.7這4種應(yīng)力水平，對(duì)應(yīng)的加載應(yīng)力分別為0、0.3fc、0.5fc、0.7fc，其中λc=0為未加載試件(對(duì)照組).采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸壓重復(fù)加載，其加載制度如圖2所示.為保證荷載作用下再生混凝土內(nèi)部孔隙與微裂紋充分發(fā)展及相互連通，當(dāng)施加荷載達(dá)到預(yù)期的應(yīng)力水平時(shí)，持載10min后再卸載，并重復(fù)加載5次，加卸載速率保持為5kN/s.

圖2 試驗(yàn)加載制度示意圖Fig.2 Schematic diagram of test loading mechanisms

1.3 毛細(xì)吸水測(cè)試

采用傳統(tǒng)的測(cè)重法開(kāi)展再生混凝土毛細(xì)吸水試驗(yàn).根據(jù)ASTM C1585-04《Standard test method for measurement of rate of absorption of water by hydraulic-cement concrete》進(jìn)行處理，保證試件吸水前處于完全干燥狀態(tài)，在105℃的環(huán)境下烘干至恒重，將試件4個(gè)側(cè)面用環(huán)氧樹(shù)脂密封以保證水分的一維傳輸，利用試件底面與水源接觸.利用精度為0.01g的電子天平記錄試件吸水前的質(zhì)量，吸水開(kāi)始后每隔一定時(shí)間記錄1次吸水質(zhì)量，吸水時(shí)間為8d，最后可計(jì)算再生混凝土的毛細(xì)吸水質(zhì)量Δm.同時(shí)，利用真空飽水法測(cè)定再生混凝土的孔隙率p，結(jié)果如表3所示.

表3 再生混凝土孔隙率

2 結(jié)果與分析

2.1 毛細(xì)吸水質(zhì)量

圖3為再生混凝土毛細(xì)吸水質(zhì)量(Δm)隨時(shí)間(t)平方根的變化曲線.從圖3可以看出，再生混凝土毛細(xì)吸水質(zhì)量均隨著應(yīng)力水平的提高而逐漸增加，尤其是在經(jīng)受0.7fc的軸壓重復(fù)荷載作用后，毛細(xì)吸水質(zhì)量增加較為明顯.這是由于再生混凝土在軸壓重復(fù)荷載作用后，會(huì)導(dǎo)致其界面過(guò)渡區(qū)出現(xiàn)更多的微裂縫，應(yīng)力水平及重復(fù)荷載循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)降低孔隙曲折度，使再生混凝土內(nèi)部出現(xiàn)更多通道，加快了水分的侵入.由圖3還可見(jiàn)，隨著再生粗骨料取代率的增加，在相同的應(yīng)力水平下再生混凝土的毛細(xì)吸水質(zhì)量逐漸增加.當(dāng)應(yīng)力水平λc=0.7時(shí)，試件R0、R30、R50、R100的8d毛細(xì)吸水質(zhì)量分別為34.70、47.50、58.43、77.90g，試件R100的8d毛細(xì)吸水質(zhì)量是試件R0的2.24倍.分析原因：一方面，再生粗骨料殘余砂漿的存在造成再生混凝土內(nèi)部界面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出現(xiàn)更多的薄弱區(qū)域，在軸壓重復(fù)荷載作用后，更易出現(xiàn)微裂縫與孔隙；另一方面，原始混凝土在服役過(guò)程及骨料破碎過(guò)程中所積累的微裂縫與缺陷導(dǎo)致再生粗骨料吸水率增加，隨著再生粗骨料取代率的增加，其高吸水性能使得再生粗骨料與新水泥砂漿形成的界面較為薄弱，存在較多的孔隙與微裂縫，經(jīng)軸壓重復(fù)荷載作用后，這些孔隙與微裂縫形成連通的網(wǎng)絡(luò)，加快了水分傳輸速率.

從圖3還可發(fā)現(xiàn)，軸壓重復(fù)荷載作用后再生混凝土毛細(xì)吸水質(zhì)量曲線仍呈現(xiàn)雙線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，即初期吸水速率較大，后期曲線逐漸趨于平緩.這是由于初期外部水分主要靠毛細(xì)吸力進(jìn)入混凝土內(nèi)部，初期混凝土內(nèi)部含水率較低，導(dǎo)致毛細(xì)吸力較大，使吸水速率增長(zhǎng)較快，隨著吸水過(guò)程不斷進(jìn)行，混凝土含水率逐漸增大，其毛細(xì)吸力也逐漸降低；同時(shí)由于重力因素的影響，造成后期毛細(xì)吸水質(zhì)量曲線較為平緩.

2.2 吸水率

通常采用吸水率S來(lái)表征多孔建筑材料的毛細(xì)吸水速率，考慮到與水接觸瞬間表層孔隙瞬間被水填充[12,15]，混凝土在t時(shí)刻的一維累計(jì)吸水量i(mm) 可用下式表示.

圖3 再生混凝土毛細(xì)吸水質(zhì)量隨時(shí)間平方根的變化曲線Fig.3 Mass variation curves of RAC capillary water absorption with square root of time

(1)

式中：ρw為水的密度，g/mm3；Ac為試塊與水源接觸的面積，mm2；b為擬合曲線的縱軸截距.

利用公式(1)對(duì)再生混凝土毛細(xì)吸水質(zhì)量曲線進(jìn)行擬合，以吸水時(shí)間t=24h為分界點(diǎn)，分別確定再生混凝土的初期吸水率Sini與后期吸水率Ssec.表4為軸壓重復(fù)荷載作用后再生混凝土初期和后期吸水率.由表4可見(jiàn)，初期吸水率明顯大于后期吸水率，并均隨應(yīng)力水平增大而單調(diào)遞增.荷載作用會(huì)引起再生混凝土微裂縫的萌生與擴(kuò)展，裂縫相互交錯(cuò)形成連通的網(wǎng)絡(luò)使再生混凝土內(nèi)部曲折度降低，從而提高水分傳輸速率.然而，應(yīng)力水平對(duì)吸水率的影響不夠顯著，特別是后期吸水率，原因可能為：試驗(yàn)所選取的應(yīng)力水平較小，重復(fù)加載次數(shù)較少，持載時(shí)間較短，對(duì)混凝土內(nèi)部造成損傷不夠明顯，部分裂縫或孔隙在卸載后出現(xiàn)自我閉合現(xiàn)象，進(jìn)一步減小了應(yīng)力水平對(duì)吸水率的影響.

表4 軸壓重復(fù)荷載作用后再生混凝土初期和后期吸水率

從表4還可以發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的吸水率隨著再生粗骨料取代率的增加而變大，初期吸水率表現(xiàn)尤為明顯.這可能是由于再生粗骨料吸水率較高，導(dǎo)致其周圍的水泥水化不夠充分，界面過(guò)渡區(qū)中出現(xiàn)較多的氣孔與裂縫.隨著混凝土內(nèi)部再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土界面過(guò)渡區(qū)中孔隙和原始裂縫數(shù)量明顯增多.此外，混凝土初期水分傳輸?shù)耐ǖ乐饕獮樵偕炷羶?nèi)部連通的微裂縫，后期主要是擴(kuò)散作用.在吸水后期，普通混凝土絕大部分孔隙及裂縫中的水分已趨于飽和，而再生混凝土內(nèi)部封閉的微裂縫與孔隙較多，因此再生混凝土的后期吸水率高于普通混凝土.

根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的吸水率S與再生粗骨料取代率R及應(yīng)力水平λc整體符合線性關(guān)系.因此，考慮再生粗骨料取代率和應(yīng)力水平的影響，再生混凝土吸水率S可用下式表示：

S(λc，R)=k(1+αλc)(1+βR)

(2)

式中：k、α、β為擬合系數(shù)，針對(duì)初期吸水率可分別取k=0.3843、α=0.2124、β=0.5908.

2.3 相對(duì)含水量分布預(yù)測(cè)

多孔建筑材料的吸水特性主要與材料內(nèi)部濕度和外界環(huán)境條件密切相關(guān)，通常利用擴(kuò)展的Darcy定律來(lái)描述非飽和流體的遷移過(guò)程.混凝土毛細(xì)吸水過(guò)程主要依靠毛細(xì)孔隙內(nèi)部液體的表面張力作用[12,15]，其控制方程可表示為：

(3)

式中：θ為混凝土內(nèi)部相對(duì)含水量；D(θ)為水力擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s,通常采用經(jīng)驗(yàn)性的指數(shù)形式D(θ)=D0en θ來(lái)描述，其中D0為飽和狀態(tài)下的水力擴(kuò)散系數(shù)；n為試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸參數(shù)，通常取6～9.

王立成[12]以吸水率S作為變量，給出了試件任意時(shí)刻t與對(duì)應(yīng)水分侵入深度x處的相對(duì)含水量θ關(guān)系：

(4)

式中：φ為Boltzmann變量；A和λ(θ)為模型參數(shù)[12].

當(dāng)采用指數(shù)形式表達(dá)水力擴(kuò)散系數(shù)D(θ)時(shí)，D0可由吸水率S來(lái)計(jì)算[12]：

(5)

式中：n為回歸參數(shù).

結(jié)合式(2)、(4)、(5)，可建立考慮再生粗骨料取代率R和應(yīng)力水平λc影響的混凝土內(nèi)部相對(duì)含水量的預(yù)測(cè)模型.圖4給出了吸水時(shí)間t=24h時(shí)再生混凝土內(nèi)部相對(duì)含水量的分布曲線.由圖4可見(jiàn)，不同應(yīng)力水平下再生混凝土水分侵入深度均有所提高，這是由于荷載損傷對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及分布造成影響，導(dǎo)致其吸水率增加所致.當(dāng)應(yīng)力水平一定時(shí)，水分侵入深度受再生粗骨料取代率的影響較為明顯，且隨著再生粗骨料取代率的增加而增大，這是因?yàn)殡S著再生粗骨料取代率的增加，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)較多的舊砂漿-新砂漿界面薄弱區(qū)，在軸壓重復(fù)荷載作用下該區(qū)域微裂縫萌生擴(kuò)展，相互貫通，促進(jìn)了水分的傳輸.

圖4 再生混凝土內(nèi)部相對(duì)含水量分布曲線Fig.4 Relative water content distribution curves inside recycled aggregate concretes

3 結(jié)論

(1)軸壓重復(fù)荷載作用后，再生混凝土毛細(xì)吸水質(zhì)量隨著應(yīng)力水平及再生粗骨料取代率的增加而增加，并且呈雙線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；當(dāng)應(yīng)力水平為0.7時(shí)，再生粗骨料取代率為100%的R100試件毛細(xì)吸水質(zhì)量為普通混凝土的2.24倍.

(2)再生混凝土吸水率隨著再生粗骨料取代率和應(yīng)力水平的增加而增大，初期吸水率均高于后期吸水率.再生粗骨料取代率對(duì)水分侵入深度有顯著影響，當(dāng)應(yīng)力水平一定時(shí)，二者呈正相關(guān)變化趨勢(shì).

(3)基于毛細(xì)吸水的非飽和流體理論和試驗(yàn)結(jié)果，考慮應(yīng)力水平和再生粗骨料取代率的影響，引入Boltzmann變量并采用水力擴(kuò)散系數(shù)的指數(shù)形式，建立了軸壓重復(fù)荷載作用后再生混凝土內(nèi)部相對(duì)含水量分布的預(yù)測(cè)模型，為再生混凝土耐久性評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)提供了新方法.