再生混凝土砌塊高溫后抗壓強度與微觀結(jié)構(gòu)分析

摘 要：各類建筑與設(shè)施拆除過程中產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，這些建筑垃圾若不能得到有效處理，將對環(huán)境造成巨大壓力。隨著現(xiàn)代社會對可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護和資源循環(huán)利用的日益重視，人們努力將這些廢棄的建筑材料轉(zhuǎn)化為新的、有價值的資源，再生混凝土砌塊就是其中的一種研發(fā)成果。但高溫環(huán)境下建筑材料的性能會發(fā)生變化，這對建筑的安全性和耐久性提出了更高要求?；诖耍疚倪x擇了一批具有代表性的再生混凝土砌塊，然后對其進行煅燒處理，并分析其高溫后抗壓強度與微觀結(jié)構(gòu)的變化情況，以為再生混凝土的應用提供可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：再生混凝土砌塊；高溫后；抗壓強度；微觀結(jié)構(gòu)；變化

1 研究背景

目前我國對于廢棄混凝土的回收利用已經(jīng)有了大量的研究，但是由于累積損傷、材性退化等方面原因，再生混凝土的力學與使用性能相較于普通混凝土有著明顯的差距。譬如，廢棄混凝土中的骨料在破碎和篩分過程中可能會受到磨損和破碎，導致骨料尺寸的減小和形狀的改變，對其力學性能也會產(chǎn)生一定的影響。此外，廢棄混凝土中的水泥漿體在經(jīng)歷長時間的使用后，可能會出現(xiàn)老化、碳化等現(xiàn)象，導致水泥漿體的強度和粘結(jié)性降低，這些變化會進一步影響再生混凝土的抗壓強度、抗拉強度、耐久性等力學與使用性能[1]。

再生混凝土磚砌塊是由廢棄混凝土經(jīng)過破碎、篩分、清洗等工藝處理后得到再生骨料，再與適量的水泥、砂、水等原材料混合攪拌制成。由于再生骨料的存在，再生混凝土磚砌塊在物理和化學性質(zhì)上與普通混凝土磚砌塊有所不同，致使其耐高溫性能的特殊性。學者們對再生混凝土磚砌塊的耐高溫性能進行了大量的研究，通過實驗室模擬高溫環(huán)境，對再生混凝土磚砌塊進行加熱處理，并測試其在不同溫度下的力學性能和微觀結(jié)構(gòu)變化，這些研究揭示了再生混凝土磚砌塊在高溫下的穩(wěn)定性和耐久性，為其在實際工程中的應用提供了重要的理論依據(jù)。下文就針對再生混凝土砌塊高溫后抗壓強度與微觀結(jié)構(gòu)的變化開展分析。

2試驗概況

選擇設(shè)計強度為C30的廢棄混凝土作為實驗材料，利用顎式破碎機將廢棄混凝土破碎成粒徑合適的再生骨料，根據(jù)實驗目的和要求，科學設(shè)計配合比。配合比設(shè)計中，要充分考慮再生骨料的特點和性能，以及水泥、砂、水等原材料的比例關(guān)系。本項目配合比設(shè)計為水泥∶水∶粉煤灰∶再生集料∶減水劑=1∶0.742∶0.25∶4.51∶0.01。然后按照設(shè)計要求，將水泥、細集料、粗集料和混凝土添加劑按一定比例混合，加入適量的水進行攪拌，攪拌過程中要注意控制攪拌時間和攪拌速度，確?；炷翑嚢杈鶆?、無顆粒和團塊[2]。之后選擇適當尺寸的試塊模具，清潔并涂抹一定量的防粘劑，以防止混凝土與模具黏住，將攪拌好的混凝土倒入試塊模具中，輕輕壓實并振動，以消除空隙和保證密實度，振動時間應控制在一定范圍內(nèi)，以確保再生磚質(zhì)量符合設(shè)計標準，再生磚的配合比為集料級配。

將養(yǎng)護完成的混凝土再生磚放置在高溫煅燒設(shè)備中，設(shè)備內(nèi)部能夠精確控制溫度。隨著溫度的逐漸升高，再生磚內(nèi)部的水分開始蒸發(fā)，這一過程不僅帶走了部分質(zhì)量，還導致磚體內(nèi)部產(chǎn)生微小的孔隙和裂縫，這些變化在初始階段可能并不顯著，但為后續(xù)的結(jié)構(gòu)變化奠定了基礎(chǔ)。

煅燒升溫速度為5℃/min，當達到目標溫度后煅燒3h，當溫度達到設(shè)定值（如200℃、400℃或600℃）時，煅燒進入關(guān)鍵階段。此時，再生磚中的水化產(chǎn)物開始發(fā)生分解和相變，這些化學反應導致磚體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。骨料與砂漿之間的粘結(jié)力逐漸減弱，骨料可能出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，而砂漿則可能出現(xiàn)開裂，這些變化使得再生磚的密實度降低，從而影響到其抗壓強度。在中間溫度達到300℃與500℃時，需保持溫度5h后升溫[3]。

整個煅燒過程中，溫度的均勻性和穩(wěn)定性對再生磚的性能有著重要影響，如果溫度分布不均勻或波動過大，可能導致再生磚內(nèi)部產(chǎn)生應力集中或局部破壞，進一步加劇其性能劣化。因此，煅燒設(shè)備的性能和維護狀態(tài)對保證再生磚質(zhì)量至關(guān)重要。試件煅燒完成后打開爐膛，自然降溫至室溫狀態(tài)。

3試驗結(jié)果及分析

3.1粒徑影響

一般情況下，顆粒直徑越小，抗壓強度越大，因為顆粒直徑越小，顆粒表面和內(nèi)部的面積就越大，顆粒間的相互作用力就越強，因此抗壓強度也會隨之增加。但是，這個規(guī)律并不絕對，因為顆粒的抗壓強度還受到顆粒的形狀、密度和材質(zhì)等多種因素的影響。本次研究中，經(jīng)過高溫煅燒后的0～9.5 mm粒徑的磚砌塊抗壓強度均大于0～4.75 mm粒徑的試件。這主要是由于大粒徑再生混凝土骨料吸水率較高，經(jīng)過養(yǎng)護后，0～9.5 mm粒徑的磚砌塊中自由水較少，而且大粒徑骨料使磚砌塊內(nèi)部孔隙減少。煅燒過程中，大量水分蒸發(fā)導致內(nèi)部孔隙的增加少于0～4.75 mm粒徑的試件，故該種試件強度高于0～4.75 mm粒徑的磚砌塊[4]。

3.2高溫損傷機理

當煅燒溫度低于200℃時，混凝土再生磚的表面呈現(xiàn)暗灰色。這一溫度范圍內(nèi)，磚體內(nèi)部的水分開始逐漸蒸發(fā)，但溫度尚不足以引發(fā)顯著的化學變化或物理破壞。因此，磚砌塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對完整，破壞面孔洞較少，該階段主要是水分的脫除過程，對磚砌塊的性能影響較小。

隨著煅燒溫度的升高，當達到400℃時，磚砌塊的表面顏色開始變淺，因為溫度的升高加速了水分的蒸發(fā)和擴散，導致磚體內(nèi)部的濕度降低，同時溫度應力在磚砌塊內(nèi)部逐漸發(fā)展，使得磚體內(nèi)部的孔隙和裂縫開始增大。此外，部分骨料在這個溫度范圍內(nèi)開始受熱膨脹，由于骨料與砂漿之間的熱膨脹系數(shù)不同，骨料膨脹時可能產(chǎn)生應力集中，導致骨料破裂，從而增加了磚體內(nèi)部的孔隙，這些變化使得磚砌塊的密實度降低，力學性能有所減弱[5]。

當煅燒溫度進一步升高至600℃時，磚砌塊的表面顏色轉(zhuǎn)變?yōu)榛野咨@是因為在這個高溫條件下，磚體內(nèi)部的水分已經(jīng)完全蒸發(fā)，同時水化產(chǎn)物也發(fā)生了顯著的分解和相變，這些化學變化導致磚體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的改變。在破壞面上可以觀察到大量骨料被燒紅的現(xiàn)象，因為骨料在高溫下發(fā)生了氧化反應，釋放出了大量的熱量，這種劇烈的化學反應不僅加劇了磚體內(nèi)部的破壞，還可能導致磚體表面的剝落和開裂。

4計算分析

4.1應力-應變曲線

應力-應變曲線（圖1）通常分為以下五個階段：

（1）低溫階段。在煅燒的初始階段，溫度逐漸上升，但尚未達到引起顯著化學變化的溫度，此時磚體內(nèi)部的水分開始蒸發(fā)，導致磚體輕微膨脹。由于水分的蒸發(fā)和溫度的上升，磚體內(nèi)部會產(chǎn)生較小的壓應力和相應的應變，這個階段的應力-應變曲線通常表現(xiàn)為平緩上升，表明應力和應變的增加都相對較小。

（2）水分蒸發(fā)與松弛階段。隨著溫度的繼續(xù)升高，水分蒸發(fā)加速，磚體內(nèi)部的濕度迅速降低，同時磚體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)開始松弛，骨料和砂漿之間的粘結(jié)力逐漸減弱。該階段磚體內(nèi)部會產(chǎn)生一定的拉應力和相應的應變。由于水分的蒸發(fā)和結(jié)構(gòu)松弛，應力-應變曲線可能會呈現(xiàn)出一個明顯的上升階段，表示應力和應變的增加速度相對較慢。

（3）化學變化與體積變化階段。當溫度達到一定程度時，磚體內(nèi)部的水化產(chǎn)物開始發(fā)生分解和相變，這些化學變化會導致磚體體積的變化。這個階段磚體內(nèi)部會產(chǎn)生較大的應力，包括壓應力和拉應力，由于體積的變化和化學變化的影響，應力-應變曲線的斜率會顯著增加，表示應力和應變的增加速度加快。同時曲線可能會出現(xiàn)波動或不平滑的現(xiàn)象，這是化學變化的非均勻性和復雜性所導致的。

（4）高溫階段。當溫度達到一個較高的穩(wěn)定值時，磚體內(nèi)部的化學變化逐漸趨于穩(wěn)定，體積變化也趨于停止，磚體內(nèi)部的應力會達到一個相對穩(wěn)定的水平，應變也會相應地趨于穩(wěn)定，此時的應力-應變曲線通常表現(xiàn)為一條接近水平的直線，表示應力和應變的變化都相對較小。

（5）冷卻階段。煅燒結(jié)束后，磚體會逐漸冷卻。冷卻過程中，由于溫度的變化和磚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，磚體內(nèi)部可能會產(chǎn)生一定的殘余應力和應變，這些殘余應力和應變可能會對磚體的性能產(chǎn)生一定的影響，但通常不會對磚體的整體性能造成顯著的影響。

4.2溫度-應力曲線

應力-應變曲線（圖2）通常分為以下五個階段：

（1）預熱階段。再生磚從室溫開始被加熱，此時磚體內(nèi)部的應變變化相對較小，因為溫度變化還不足以引起顯著的物理或化學變化，溫度-應變曲線在這一階段表現(xiàn)為平緩上升或接近水平，表明應變隨溫度的升高而緩慢增加。

（2）水分蒸發(fā)階段。隨著溫度的繼續(xù)升高，磚體內(nèi)部的水分開始蒸發(fā)，水分的蒸發(fā)會導致磚體輕微膨脹，從而在溫度-應變曲線上產(chǎn)生一個相對明顯的上升段，這個階段的應變增加主要是由于水分的蒸發(fā)和蒸汽壓力的增加所引起的。

（3）化學反應階段。當溫度達到一定程度時，磚體內(nèi)部的水化產(chǎn)物開始發(fā)生分解和相變等化學反應，這些化學反應通常伴隨著體積的變化，導致磚體內(nèi)部產(chǎn)生應變。這個階段的溫度-應變曲線的斜率可能會顯著增加，表示應變隨溫度的升高而迅速增加。這是化學反應導致的體積變化和熱應力的共同作用。

（4）高溫穩(wěn)定階段。隨著溫度的進一步升高，磚體內(nèi)部的化學反應逐漸趨于穩(wěn)定，體積變化也趨于停止，溫度-應變曲線通常表現(xiàn)為一個相對平緩的上升段或接近水平的直線段。這表明在高溫下，磚體內(nèi)部的應變變化相對較小，主要是因為化學反應已經(jīng)基本完成，且磚體結(jié)構(gòu)已經(jīng)相對穩(wěn)定。

（5）冷卻階段。冷卻過程中，由于溫度的變化和磚體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的調(diào)整，磚體內(nèi)部可能會產(chǎn)生一定的殘余應變，這個階段的溫度-應變曲線表現(xiàn)為隨著溫度的降低，應變也逐漸降低，但可能不完全回到初始狀態(tài)。

5結(jié)論

總而言之，高溫作用導致砌塊內(nèi)部產(chǎn)生復雜的物理和化學變化，進而顯著影響其抗壓強度。隨著溫度的升高，再生混凝土砌塊的抗壓強度逐漸降低，這與骨料裂紋的增加和界面區(qū)的弱化密切相關(guān)。同時，微觀結(jié)構(gòu)分析顯示，高溫處理改變了砌塊的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和骨料間的粘結(jié)狀態(tài)，進一步印證了抗壓強度的變化。這些研究成果不僅增進了對再生混凝土砌塊高溫后性能的理解，也為優(yōu)化其應用提供了重要參考。

參考文獻

[1]李承明，孔祥坤，熊宇強，等.基于生命周期理論的再生混凝土空心砌塊環(huán)境性能評價[J].新型建筑材料，2021，48（1）：112-115+120.

[2]邢智巖.再生免漿混凝土砌塊力學性能試驗及砌體性能有限元分析[D].太原理工大學，2020.

[3]胡濤.再生混凝土橫孔空心砌塊墻體抗壓性能分析[D].長沙理工大學，2020.

[4]張會芝，劉紀峰，連躍宗，等.自保溫再生混凝土砌塊砌體抗剪性能數(shù)值模擬[J].信陽師范學院學報（自然科學版），2020，33（1）：156-161.

[5]何博晗.建筑垃圾制備蒸壓加氣混凝土砌塊性能試驗[D].華北水利水電大學，2019.

基金項目：2021年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目——《火災后再生混凝土砌塊的力學性能和安全評估研究》（課題編號：2021KY1123）

作者簡介：陽利君（1981-），女，漢族，四川資陽人，工程碩士，副教授，研究方向：建筑材料。

王富強（1971-），男，瑤族，廣西平樂人，研究生班，副教授，研究方向：工程管理。

陳鈺婷（1989-），女，漢族，廣西梧州人，研究生，講師，研究方向：安全工程技術(shù)。