氯鹽凍融耦合作用下再生混凝土損傷劣化規(guī)律

解國梁，申向東，劉金云，張 斌

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)土木水利學(xué)院，大慶 163319；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引 言

隨著我國城市化建設(shè)的不斷推進，建筑材料需求與日俱增，2019年全國商品混凝土產(chǎn)量為25.5億m3。與此同時建筑垃圾也在逐年增加，據(jù)統(tǒng)計2017年產(chǎn)生的建筑垃圾為15.93億t。而建筑垃圾資源化處理率不足總量的10%，大量建筑垃圾的堆放不僅占用耕地、污染環(huán)境，而且影響城市面容面貌。因此建筑垃圾的資源化再利用成為熱點問題[1-3]。再生骨料是廢棄建筑物經(jīng)破碎、分級、篩分制備而成，所配制的再生混凝土成為一種可循環(huán)再利用的綠色節(jié)能材料[4-5]。

西北地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)多處于鹽堿寒冷環(huán)境中，受到凍融、干濕、鹽堿等多因素共同作用，混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命大大降低。與傳統(tǒng)混凝土相比，再生混凝土具有高吸水性、高孔隙率等特點，這些特性的存在降低了再生混凝土的耐久性能，并制約其發(fā)展應(yīng)用。Xiao等[6-7]研究了硫酸鹽與凍融循環(huán)雙因素作用下再生混凝土耐久性劣化規(guī)律，采用動彈性模量、質(zhì)量損失率、強度等參數(shù)表征再生混凝土耐久性能的損傷程度，構(gòu)建了混凝土損傷劣化方程，并以此預(yù)測其服役壽命。王晨霞等[8]研究了不同介質(zhì)溶液(水、氯鹽、硫酸鹽及復(fù)合鹽)中再生混凝土的抗凍耐久性能，結(jié)果表明,氯鹽溶液中再生混凝土的表面形貌、相對動彈性模量和質(zhì)量損失嚴(yán)重，4種介質(zhì)中氯鹽溶液凍融破壞能力最強。Hao等[9]研究了鹽漬(3.5%氯化鈉)凍融循環(huán)作用對再生骨料保溫混凝土的耐久性能，結(jié)果表明,鹽凍100次后，不同替代率再生混凝土的相對動彈性模量均降到60%以下，再生骨料摻量對混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度、氯離子滲透性能影響較大。王晨[10]研究了酸雨環(huán)境下再生混凝土的抗凍性能，研究結(jié)果表明,相對動彈性模量先于質(zhì)量損失率達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，pH為2.5的酸雨凍融作用使得再生混凝土耐久性能大幅下降。綜上所述，鹽堿環(huán)境下再生混凝土的抗凍耐久性能已經(jīng)得到一定的試驗研究，而氯鹽環(huán)境下再生骨料混凝土的抗凍耐久性研究甚少，特別是氯鹽凍融作用下再生混凝土耐久性優(yōu)劣程度表征參數(shù)的選擇以及損傷演化模型少見報道。

基于此，本文研究了氯鹽與凍融耦合作用下再生混凝土損傷劣化規(guī)律，分別從外觀形貌、質(zhì)量、相對動彈性模量和抗壓強度等方面進行探討，并與普通混凝土進行對比分析。通過理論分析選擇適宜表征再生混凝土耐久性的損傷變量，并以此建立損傷演化方程。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

水泥：冀東42.5R級普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5R)，其性能指標(biāo)符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)要求。細(xì)骨料：天然河砂，顆粒級配良好，Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.8。粗骨料：普通骨料采用5～25 mm連續(xù)級配的天然碎石；再生骨料選用破碎后的混凝土樓板(經(jīng)回彈試驗測得強度為33.4 MPa)，經(jīng)篩分后按照《建設(shè)用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)配制為5～25 mm連續(xù)級配的再生粗骨料，骨料基本性能指標(biāo)見表1。粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰。水：普通飲用水。外加劑：復(fù)合型引氣減水劑。

混凝土配合比參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55—2011)執(zhí)行，混凝土配合比、各材料用量及基本性能指標(biāo)見表2。

表1 骨料基本性能

表2 混凝土配合比與性能

1.2 試驗過程

試驗采用快凍法，設(shè)計混凝土試樣尺寸為100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×400 mm，基本力學(xué)性能試驗參照《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)執(zhí)行。快速凍融循環(huán)試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082—2009)，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護24 d的混凝土試塊放入溫度為15～20 ℃、質(zhì)量濃度為3.5%的氯化鈉鹽溶液中浸泡4 d，而后參照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行凍融循環(huán)試驗，每凍融循環(huán)25次進行試驗數(shù)據(jù)采集。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀形貌

圖1為氯鹽作用下再生粗骨料混凝土經(jīng)歷100次、200次凍融循環(huán)后的外觀形貌。由圖1可見，氯鹽環(huán)境下混凝土凍融損傷劣化是一個循序漸進的過程。凍融循環(huán)100次后混凝土試樣表層出現(xiàn)了侵蝕坑洞，部分砂漿開始脫落；凍融循環(huán)200次后表面損傷程度加劇，表層砂漿剝落嚴(yán)重，部分粗骨料裸露在外。氯鹽環(huán)境下再生混凝土經(jīng)歷不同凍融循環(huán)作用后表面形貌差異較大，其原因在于凍融初期，混凝土的破壞以凍融侵蝕為主。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，氯鹽逐漸進入混凝土內(nèi)部，產(chǎn)生了氯鹽與凍融雙重破壞，混凝土損傷開始加劇。對比三組混凝土表觀形貌可以發(fā)現(xiàn)：基準(zhǔn)組S0經(jīng)過200次凍融循環(huán)后仍然可以保持較好的形貌；S50經(jīng)歷200次循環(huán)后表層砂漿脫落非常嚴(yán)重，大量細(xì)骨料裸露；S100經(jīng)過100次凍融循環(huán)后棱角處開始出現(xiàn)脫落、掉渣，經(jīng)過200次循環(huán)后已經(jīng)不能保持完整形貌，棱角處砂漿出現(xiàn)大量脫落。由以上分析可知，隨著再生粗骨料替代率的增加，混凝土的外觀形貌破壞越來越嚴(yán)重，即再生粗骨料100%替代的S100損傷最為嚴(yán)重。

圖1 100次、200次凍融循環(huán)后的表觀形貌

2.2 質(zhì)量損失率

圖2為混凝土經(jīng)歷200次鹽凍后的質(zhì)量損失率變化曲線。根據(jù)圖2可知，凍融循環(huán)前期混凝土的質(zhì)量都有不同程度的增加，且隨再生粗骨料替代率的增加而增加，凍融循環(huán)50次時S100質(zhì)量增加最大(質(zhì)量損失率為-1.5%)。這是因為凍融初期混凝土處于非飽和狀態(tài)，隨著凍融循環(huán)水分不斷進入混凝土內(nèi)部造成質(zhì)量增加。再生骨料表層包裹一層舊砂漿，而砂漿的吸水性/滲透性高于混凝土。隨著再生骨料替代率的增加砂漿在混凝土中的比重增加，而再生混凝土的吸水率與再生骨料替代率呈正比例關(guān)系[11-12]，從而造成S50、S100吸水質(zhì)量增加。盡管凍融作用下混凝土表層有不同程度的脫皮，但損失的質(zhì)量小于吸收水分的質(zhì)量。因此，凍融初期再生混凝土的質(zhì)量損失率不能真實表征混凝土的抗凍耐久性能。凍融循環(huán)100次時，S0、S50、S100質(zhì)量損失率分別為1.4%、0.6%、0.3%，3組混凝土質(zhì)量損失率開始出現(xiàn)正值，即因凍融破壞導(dǎo)致脫皮、掉渣的混凝土質(zhì)量大于水分吸收的質(zhì)量。125次凍融循環(huán)后混凝土進入加速損傷期，S100質(zhì)量損失率一直處于頂端，S0質(zhì)量損失率一直處于曲線最下方。凍融循環(huán)200次后S0、S50、S100質(zhì)量損失率分別為3.5%、5.4%、6.8%，表明S50、S100已經(jīng)達(dá)到了質(zhì)量損失率破壞標(biāo)準(zhǔn)(<5%)。這是因為再生混凝土水泥-舊骨料以及舊砂漿-舊骨料界面有較多孔隙，而界面區(qū)是混凝土耐久性破壞的薄弱環(huán)節(jié)。隨凍融循環(huán)的進行，界面區(qū)的原始裂紋及新裂縫的不斷擴展和出現(xiàn)，導(dǎo)致混凝土抗凍耐久性加速下降[13-14]。

圖2 混凝土質(zhì)量損失率

圖3 混凝土相對動彈性模量

2.3 相對動彈性模量

圖3為鹽凍環(huán)境中不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的相對動彈性模量變化曲線。由圖3可見，凍融循環(huán)前50次，S0、S50、S100之間的相對動彈性模量無明顯差異，凍融循環(huán)75次后3組混凝土的相對動彈性模量數(shù)值出現(xiàn)顯著差異，而后混凝土進入快速損傷階段，相對動彈性模量幾乎呈直線下降趨勢，其變化規(guī)律為S100>S50>S0。凍融循環(huán)200次后S0、S50、S100的相對動彈性模量分別為80.3%、68.8%、54.2%，S100首先發(fā)生凍融破壞。

混凝土在凍融初期受到的損傷較小，而且破壞主要集中在混凝土表層，所以相對動彈性模量變化比較平穩(wěn)。隨著凍融次數(shù)的不斷累計，損傷逐漸向混凝土內(nèi)部擴張，加速了混凝土的破壞。在制備再生粗骨料的過程中不可避免地對其造成初始損傷，且這種損傷是不可逆的，再生骨料內(nèi)存有較多孔隙，導(dǎo)致其抗凍性變差。另外，再生粗骨料吸水率遠(yuǎn)大于普通骨料，內(nèi)部聚集了大量水分，使得新舊砂漿界面區(qū)成為發(fā)生破壞的薄弱環(huán)節(jié)。水周期性相變的結(jié)冰壓、不斷積累鹽的結(jié)晶壓，及鹽濃度梯度產(chǎn)生的分層結(jié)冰應(yīng)力差加速了混凝土的破壞，使得舊孔隙不斷增加并萌生新裂縫，加劇凍害[15-16]。以上分析可知，再生粗骨料替代率越高，混凝土內(nèi)部孔隙率越大，吸收的溶液就越多，混凝土的抗凍耐久性就越差。

2.4 強度變化

圖4為不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土的立方體抗壓強度。根據(jù)圖4可知，混凝土立方體抗壓強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷下降。未凍融時S0、S50、S100的強度分別為34.5 MPa、35.6 MPa、33.3 MPa，三組混凝土的強度差別較小。隨著凍融循環(huán)的進行，S0、S50、S100的強度之間的差距逐漸拉大，S100的降幅最為明顯，凍融循環(huán)200次后S0、S50、S100的強度分別下降到22.4 MPa、21.1 MPa、16.5 MPa。就S50而言，前50次凍融循環(huán)后其強度略高于基準(zhǔn)組S0，凍融循環(huán)75次時其強度出現(xiàn)大幅下降。

為了更加直觀地表示凍融循環(huán)對混凝土強度的影響，消除不同初始強度值對其產(chǎn)生的影響，采用相對強度(凍融后的強度/未凍融時的強度)為縱坐標(biāo)，凍融循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)進行表示，如圖5所示。由圖5可見，相對強度與凍融循環(huán)次數(shù)之間幾乎呈線性關(guān)系，S100始終處于曲線最下方。與未凍融相比凍融循環(huán)200次S0、S50、S100的相對強度分別下降了35.1%、47.8%、50.5%。其原因是再生粗骨料已經(jīng)產(chǎn)生了一定的初始損傷，致使再生粗骨料自身強度低于普通粗骨料[17-18]。隨著再生骨料替代量的增加，混凝土的初始損傷度增加，隨著凍融循環(huán)的進行，將會有大量的溶液進入混凝土內(nèi)部，孔隙水結(jié)冰及鹽結(jié)晶壓在孔隙的約束下產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，與混凝土內(nèi)外部氯鹽濃度差不同而形成的滲透壓力共同作用，加速了混凝土的破壞，降低了混凝土抗壓強度。

圖4 混凝土抗壓強度

圖5 混凝土相對抗壓強度

2.5 SEM微觀分析

為了更加直觀地表征普通混凝土與再生混凝土抗凍耐久性損傷機理，試驗選取了凍融循環(huán)100次后的S0和S100進行SEM微觀結(jié)構(gòu)分析，見圖6。由圖6(a)可知，凍融循環(huán)100次后混凝土內(nèi)部水泥石與基體不能緊密連接，有部分已經(jīng)開始脫離基體，孔隙周圍的水泥石出現(xiàn)裂紋。骨料與砂漿之間的黏結(jié)仍然比較緊密，界面區(qū)周圍的部分砂漿出現(xiàn)裂紋，但是裂紋寬度較小，沒有形成貫穿裂縫。由圖6(b)可見，水泥石對骨料的包裹已經(jīng)不再緊密，骨料與砂漿的界面區(qū)出現(xiàn)了貫穿裂縫，并影響到周圍結(jié)構(gòu)，且裂縫寬度較大，致使大塊砂漿脫落。

3 凍融損傷模型

3.1 損傷變量選擇

損傷變量是一種內(nèi)部狀態(tài)變量，反映了物質(zhì)結(jié)構(gòu)不可逆的變化過程?；炷羶鋈趽p傷是內(nèi)部微裂紋的數(shù)目、長度、面積和體積等變化所導(dǎo)致，宏觀方面表現(xiàn)為質(zhì)量、相對動彈性模量和強度的降低。因此，建立損傷演化模型之前選擇更為精準(zhǔn)的損傷變量顯得尤為重要。依據(jù)損傷力學(xué)，引入損傷變量Dn：

Dn=1-Ai/A0

(1)

式中：Dn為凍融循環(huán)n次后的損傷變量；Ai和A0分別表示混凝土凍融循環(huán)i次和未凍融的性能參數(shù)。

由以上分析可知，由于再生骨料吸水率、孔隙率大等原因使得其質(zhì)量損失率與實際損傷有所偏差，甚至在凍融循環(huán)前期出現(xiàn)質(zhì)量負(fù)增長現(xiàn)象。因此，質(zhì)量損失率不能準(zhǔn)確地反映混凝土損傷前后的真實狀況。相對動彈性模量和相對強度變化隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈下降趨勢，滿足定義損傷變量。圖7建立了動彈性模量與強度性能參數(shù)為損傷度之間的關(guān)系，并采用線性回歸獲取了回歸系數(shù)。由圖7(a)可知，S0的回歸系數(shù)接近0.5，表明基于動彈性模量與強度損失建立的損傷度具有同步性，即二者對普通混凝土的凍融破壞敏感程度相當(dāng)。由圖7(b)、(c)可知，S50、S100兩組混凝土的線性回歸系數(shù)分別為0.748 2和0.738 0，其值均大于0.5，表明強度參數(shù)較動彈性模量參數(shù)定義的損傷度對混凝土的凍融破壞更為敏感，更適合建立混凝土凍融損傷模型。

圖7 動彈性模量與強度損傷度關(guān)系

3.2 凍融損傷模型建立

常見的混凝土損傷演化模型有指數(shù)形式、冪函數(shù)形式、線性及多項式等[7,12,19-20]，依據(jù)上述分析建立以強度參數(shù)為損傷變量的損傷演化方程。由試驗數(shù)據(jù)觀察到，凍融循環(huán)后期強度損傷度降幅具有逐漸縮小趨勢，不符合指數(shù)及冪函數(shù)曲線變化趨勢。盡管采用二次多項式擬合度很高，但發(fā)現(xiàn)二次項系數(shù)非常小且均為負(fù)值?；诖?，凍融損傷模型選用最為簡單的線性函數(shù)，并設(shè)置截距為0。圖8為試驗數(shù)據(jù)線性擬合結(jié)果，相關(guān)系數(shù)均大于0.96，表明模型可以恰當(dāng)?shù)孛枋雎塞}凍融作用下再生混凝土的劣化規(guī)律。

圖8 凍融損傷模型

4 結(jié) 論

(1)相對于普通混凝土而言，質(zhì)量濃度為3.5%的氯鹽環(huán)境中再生混凝土的抗凍耐久性能較差。與凍融循環(huán)0次相比，凍融循環(huán)200次時100%替代率再生混凝土的質(zhì)量損失率、相對動彈性模量、相對抗壓強度分別下降為 6.8%、54.2%、50.5%。

(2)相對于相對動彈性模量、抗壓強度損失率指標(biāo)而言，質(zhì)量損失率參數(shù)作為表征氯鹽凍融作用下再生混凝土耐久性損傷程度具有一定偏差，凍融循環(huán)初期出現(xiàn)質(zhì)量負(fù)增長。相對于相對動彈性模量而言，抗壓強度損失率對再生混凝土鹽凍損傷程度更為敏感。

(3)建立了以抗壓強度損失率為損傷變量的線性演化模型，該模型可以較好地表征氯鹽凍融作用下再生混凝土的損傷劣化規(guī)律，相關(guān)系數(shù)均大于0.96。