單面凍融下不同再生骨料取代率的混凝土性能劣化研究

張興泰，張偉勤

（1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院；2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，西寧 810016）

研究表明，我國建筑垃圾年產(chǎn)生量為15.5億～24億t，占城市垃圾的30%～40%，而我國目前建筑垃圾利用率不足10%，作為一種新型綠色環(huán)保材料，再生混凝土被廣泛關(guān)注。在我國北方寒冷地區(qū)，凍融循環(huán)和除冰鹽耦合環(huán)境對混凝土路面耐久性產(chǎn)生了很不利的影響。本文研究了不同再生骨料取代率混凝土在單面凍融環(huán)境下的相對動彈性模量與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，基于試驗數(shù)據(jù)分析了不同再生骨料摻量的混凝土單面凍融損傷劣化規(guī)律。

1 試驗

1.1 試驗原材料及配合比

試驗采用祁連山PO42.5普通硅酸鹽水泥，內(nèi)摻Ⅱ級粉煤灰和S95級礦渣微粉，細(xì)骨料采用天然河沙，細(xì)度模數(shù)為2.75。減水劑為聚羧酸系高效減水劑，減水率為20%，拌合水為普通自來水。

再生粗骨料為實驗室廢棄混凝土，粒徑為5～20 mm，為連續(xù)級配；天然骨料為石灰石，粒徑為5～20 mm，為連續(xù)級配；再生骨料與天然骨料的基本性能如表1所示。

表1 骨料的性能指標(biāo)

本試驗再生骨料體積摻量分別為0%、30%、60%和100%，最終試驗再生混凝土配合比如表2所示。

表2 再生混凝土配合比

1.2 試件的制備與養(yǎng)護(hù)

制備尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試件進(jìn)行單面凍融試驗，拆模養(yǎng)護(hù)6 d，然后將其切割成尺寸為150 mm×110 mm×70 mm的試件，最后用環(huán)氧樹脂密封試件除測試面以外的5個面，試件共養(yǎng)護(hù)28 d。立方體抗壓強(qiáng)度試驗試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

1.3 單面凍融試驗

單面凍融試驗參照《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）。單面凍融試驗前，再生混凝土試件需要先進(jìn)行預(yù)吸水處理，試件放入清水中預(yù)吸水4 d。試驗期間，每8次循環(huán)測試質(zhì)量損失與相對動彈性模量，100 mm×100 mm×100 mm的試件養(yǎng)護(hù)28 d后直接進(jìn)行單面凍融試驗，每16次循環(huán)后進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 相對動彈性模量

由圖1可知，在單面凍融循環(huán)32次前，4組混凝土的相對動彈性模量數(shù)據(jù)差異較小，均在94%以上；單面凍融循環(huán)40次時，再生骨料取代率為100%（R100）的混凝土相對動彈性模量開始明顯下降，64次單面凍融循環(huán)時，R30與R60相對動彈性模量相近，分別為86.9%與85.3%，天然混凝土的相對動彈性模量最高（88.1%），再生骨料取代率為30%與60%的混凝土抗鹽凍破壞性能相似。

圖1 混凝土單面凍融的相對動彈性模量變化曲線

2.2 抗壓強(qiáng)度損失率

從圖2可知，單面凍融16次時，4組混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率基本相近；單面凍融循環(huán)32次時，各組抗壓強(qiáng)度損失率差異明顯變大；R30與R60的抗壓強(qiáng)度損失率上升趨勢相似。再生骨料取代率為100%的混凝土在64次單面凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度損失率最高，為22.1%；天然骨料抗壓強(qiáng)度損失率最小，為15.2%。這說明再生骨料摻量越小，抗壓強(qiáng)度損失率越低。

圖2 凝土單面凍融的抗壓強(qiáng)度損失率變化曲線

3 單面凍融損傷劣化模型

根據(jù)劉崇熙等提出的自然衰變損傷模型，本文使用抗壓強(qiáng)度損失率表征再生混凝土的單面凍融損傷程度。設(shè)再生混凝土單面凍融破壞時的損傷值為，F為再生混凝土經(jīng)歷次單面凍融循環(huán)后的損傷值，則再生混凝土的損傷衰變速度為：

式（1）積分后得：

抗壓強(qiáng)度損失率的計算公式為：

將（2）式帶入（3）式得：

式中：為再生混凝土損失指標(biāo)（抗壓強(qiáng)度損失率）；為衰變系數(shù)；為影響系數(shù)；為單面凍融循環(huán)次數(shù)。

本試驗影響因素僅為再生骨料取代率，故取=1。根據(jù)以上模型，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)擬合，擬合結(jié)果如表3所示。

表3 自然衰變損傷模型系數(shù)

由表3可知，再生骨料取代率影響衰變系數(shù)，不同再生骨料取代率混凝土的衰變系數(shù)均不相同。引入再生骨料摻量系數(shù)（取代率），使用線性擬合與二次項擬合對損傷方程進(jìn)行系數(shù)修正，得到再生骨料摻量系數(shù)與衰變系數(shù)的方程，如表4所示。

表4 再生骨料摻量系數(shù)與衰變系數(shù)的擬合參數(shù)

由表4可知，再生骨料摻量系數(shù)與衰變系數(shù)線性擬合后，相關(guān)系數(shù)更高，不同再生骨料取代率混凝土的單面凍融損傷演化計算公式為：

式中：為再生混凝土損失指標(biāo)（抗壓強(qiáng)度損失率）；為單面凍融循環(huán)次數(shù)；為再生骨料摻量系數(shù)。

通過自然衰變損傷模型可以看出，可見自然衰變損傷模型可以很好地表征再生混凝土在單面凍融環(huán)境下的損傷劣化程度。而引入再生骨料摻量系數(shù)，可以表征不同再生骨料取代率混凝土的單面凍融損傷程度。

4 結(jié)論

再生骨料取代率影響混凝土的抗單面凍融性能，從混凝土的抗凍性能指標(biāo)（相對動彈性模量與抗壓強(qiáng)度損失率）來看，不同再生骨料取代率的損傷程度排序為100%＞60%＞30%＞0%。凍融循環(huán)64次時，R30與R60的相對動彈性模量分別為86.9%與85.3%，抗壓強(qiáng)度損失率分別為18.3%與18.8%，說明再生骨料取代率為30%與60%的混凝土抗單面凍融性能相近。擬合結(jié)果表明，自然衰變損傷模型擬合精度高，可以很好地表征不同再生骨料取代率混凝土的單面凍融損傷程度。