基于抗凍性的混凝土再生粗骨料最優(yōu)取代率試驗研究
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謝靜靜， 朱平華
（常州大學土木工程系，常州213164）
[摘要] 對采用廢棄混凝土經(jīng)過破碎得到的再生粗骨料，分別以30%，40%，50%，60%，70%取代率制備再生混凝土進行抗凍試驗。結(jié)果表明，經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，各種再生粗骨料取代率的試件均滿足抗凍性指標的要求。通過對數(shù)據(jù)的分析處理，并綜合考慮質(zhì)量損失率和相對動彈性模量兩個指標后認為，再生粗骨料的最優(yōu)取代率在50%左右。
0 前言
采用再生粗骨料替代天然骨料制備再生混凝土既合理利用了再生材料，又有效地保護了天然骨料資源。一般環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)，隨著年份的增大，結(jié)構(gòu)功能性喪失的標志往往是由外界自然環(huán)境溫度的變化引起的凍融損傷所造成的混凝土的耐久性破壞，所以再生混凝土要在工程中得以應用，除了要滿足強度要求外，耐久性能也是重要的指標。本文通過凍融試驗，研究再生粗骨料摻配量的不同對再生混凝土凍融損傷的影響規(guī)律，以便為再生混凝土在實際工程使用中的損傷程度分析提供依據(jù)。
1 試驗概況
1.1試驗材料
再生粗骨料來源于實驗室大量廢棄的混凝土試塊，抗壓強度在40MPa左右。通過機械破碎、人工篩分、清洗、烘干，得到粒徑為5~ 20mm的再生粗骨料，粗骨料的基本性能見表1。
采用P．0 42.5級普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，同時摻加一定量的粉煤灰和礦渣，摻量分別為膠凝材料總質(zhì)量的20%。細骨料為天然砂。同時在混凝土中添加新型混凝土增強纖維——聚丙烯纖維。聚丙烯纖維為束狀單絲，自分散性好，本次試驗的摻量為膠凝材料總重量的0. 1%。采用的減水劑為JK-PCA（A型）聚羧酸緩凝減水劑，其外觀表現(xiàn)為土黃色微粘液體，減水率為20%，密度為(1.09±0. 02) g/ml，pH值為6.3，本次試驗摻量為膠凝材料總重量的0.5 qo。采用的引氣劑摻量為膠凝材料總重量的0. 1%。制備的再生混凝土的坍落度為100～150mm。
1.2試驗方案
本次試驗采用的再生粗骨料取代率分別為0%，30%，40%，50%，60%，70%，其中再生粗骨料取代率為0%的為完全天然混凝土，作為試驗對比。根據(jù)再生粗骨料取代率的不同，分為6組試件，試件尺寸均為100mm×100mm×400mm。然后通過凍融試驗分析不同再生粗骨料取代率對再生混凝土抗凍性能的影響。再生混凝土配合比見表2。
1.3試驗方法
再生混凝土抗凍性試驗參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(CB/T 50082-2009)進行。采用快速凍融法，試件在試驗過程中均處于飽水狀態(tài)。每25次凍融循環(huán)后停機，測試1次試件的橫向基頻fni和飽和面干質(zhì)量，分析相對動彈性模量變化趨勢和質(zhì)量損失率與再生粗骨料取代率、凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，繪制關(guān)系曲線，得出結(jié)論。當試件的相對動彈性模量下降到60%或質(zhì)量損失率超過5%時，即認為試件已發(fā)生凍融破壞。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1試驗現(xiàn)象
試驗發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的凍融破壞是一個漸進的過程，即由表及里逐漸破壞。不同再生粗骨料取代率的再生混凝土試件經(jīng)過25次凍融循環(huán)后，都基本表現(xiàn)為表面的水泥漿已經(jīng)開始脫落，表層出現(xiàn)了一些微小的孔洞。說明在凍融循環(huán)次數(shù)較少時，再生粗骨料取代率對再生混凝土的抗凍融性能影響不是很明顯。
經(jīng)過50次凍融循環(huán)后，再生混凝土試件表面的水泥漿已經(jīng)成片脫落，表層的孔洞已經(jīng)逐漸貫通至試件的整個表面，試件表面開始不平整，并有輕微的細骨料外露、脫落現(xiàn)象出現(xiàn)。而再生粗骨料取代率為30%的再生混凝土試件表面凍融破壞效果較其他組試件更為明顯，在試件表面某些位置已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴重的細骨料外露、脫落現(xiàn)象，而再生粗骨料取代率為50%的再生混凝土試件的凍融破壞效果相對最不明顯。
經(jīng)過75~100次凍融循環(huán)后，試件表面都出現(xiàn)了較為嚴重的細骨料外露、脫落現(xiàn)象，個別試件甚至出現(xiàn)了粗骨料外露的現(xiàn)象。其中，再生粗骨料取代率為30%的再生混凝土試件破壞現(xiàn)象最為明顯，而再生粗骨料取代率為50%的再生混凝土試件的凍融破壞效果相對最輕微。
2.2試驗結(jié)果分析
2.2.1再生混凝土凍融循環(huán)后的質(zhì)量比較
質(zhì)量損失率與再生粗骨料取代率的關(guān)系如圖1所示。由圖1可以看出，再生混凝土在凍融循環(huán)次數(shù)低于100次時，質(zhì)量損失率隨著再生粗骨料取代率的增加而呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，且再生混凝土的質(zhì)量損失率都低于天然粗骨料混凝土的。
造成此現(xiàn)象的原因是再生粗骨料在破碎過程中會形成細微的裂縫，且表面有部分硬化水泥砂漿，孔隙率較大，故吸水率高于天然骨料，在凍融循環(huán)時會吸收較多的水，較大程度地抵消混凝土表面砂漿剝落引起的質(zhì)量損失，故使得質(zhì)量損失率下降。隨著再生粗骨料取代率的進一步提高，混凝土內(nèi)部吸收的水進一步增多，在經(jīng)過反復凍融循環(huán)后，凍脹效果愈加明顯，內(nèi)應力積聚，導致混凝土內(nèi)部損傷較大及試件表層剝落，質(zhì)量突降。雖然從質(zhì)量損失率這一指標來看，再生混凝土均遠遠小于凍融循環(huán)抗凍性指標5%的要求，抗凍性能夠滿足要求，但是考慮到再生粗骨料吸水率大，會彌補由于凍融所造成的剝蝕，對再生混凝土抗凍性能的衡量僅依靠質(zhì)量損失率這一指標就有些不太合理。
2.2.2再生混凝土凍融循環(huán)后的動彈性模量比較
相對動彈性模量與再生粗骨料取代率的關(guān)系如圖2所示�？梢钥闯�，再生混凝土在凍融循環(huán)次數(shù)低于100次時，相對動彈性模量隨著再生粗骨料取代率的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。相比之下，天然混凝土的相對動彈性模量下降幅度最大，而在凍融循環(huán)100次時，再生粗骨料取代率為50%的再生混凝土試件的相對動彈性模量最大。出現(xiàn)上述現(xiàn)象有兩方面原因：
一方面是因為試驗采用的再生粗骨料是由實驗室制備的廢棄混凝土試塊破碎得到的，其強度等級高于所配制的再生混凝土的強度等級( C30)，所以隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的相對動彈性模量增大。但由于再生粗骨料在破碎過程中表面有部分水泥漿包裹，導致其在制備再生混凝土的過程中與新的水泥砂漿之間的粘結(jié)力會有一定程度的下降，所以隨著再生粗骨料取代率的進一步增大，相對動彈性模量有減小趨勢。
另一方面是隨著再生粗骨料取代率的提高，混凝土內(nèi)部孔隙率增大，在一定程度上緩解了水的凍脹力，而且再生粗骨料表面不平整，混凝土在凍融循環(huán)時吸收較多的水，促進了膠凝材料的水化反應，增加了水泥石及水泥石與骨料的粘結(jié)界面的強度，從而起到了提高相對動彈性模量的作用。隨著再生粗骨料取代率的進一步提高，混凝土內(nèi)部明顯偏多的孔隙在凍脹過程中的膨脹破壞起了很大作用，空隙內(nèi)部的水在凍結(jié)時體積膨脹，經(jīng)過反復凍融循環(huán)后，混凝土內(nèi)部裂隙發(fā)展越加明顯，最終導致結(jié)構(gòu)整體性降低，使得相對動彈性模量降低。總體上來說，再生混凝土試件的相對動彈性模量均滿足凍融循環(huán)抗凍性指標60%的要求。
3 進行數(shù)據(jù)處理以選取最優(yōu)取代率
3.1質(zhì)量損失率和相對動彈性模量的數(shù)據(jù)擬合
選擇再生混凝土經(jīng)過100次凍融循環(huán)后的試驗數(shù)據(jù)，對質(zhì)量損失率數(shù)據(jù)進行曲線擬合（圖3），得到再生粗骨料取代率X與質(zhì)量損失率AWx間的函數(shù)關(guān)系：
上式的相關(guān)性系數(shù)R2=0. 93。
對相對動彈性模量數(shù)據(jù)進行曲線擬合（圖4），得到再生粗骨料取代率X與相對動彈性模量Px間的函數(shù)關(guān)系：
上式的相關(guān)性系數(shù)R2=0.89。
3.2最優(yōu)取代率選取
3.2.1耐久性（抗凍性）
由試驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土的抗凍性能逐漸降低。通過圖3，4曲線關(guān)系圖可以看出，再生粗骨料取代率在45%~55%之間時，質(zhì)量損失率最低；再生粗骨料取代率在50%~60%之間時，相對動彈性模量最高。由函數(shù)方程可以求解得出，當再生粗骨料取代率為49%時，質(zhì)量損失率最低；當再生粗骨料取代率為56%時，相對動彈性模量最高。綜合考慮這兩個指標，凍融循環(huán)次數(shù)在100次以內(nèi)時，就再生混凝土的抗凍性而言，再生粗骨料的最優(yōu)取代率在50%~60%之間。
3.2.2力學性能（抗壓強度）
對采用同樣配比配制的天然混凝土和不同再生粗骨料取代率再生混凝土立方體試塊進行了常溫下及不同次數(shù)凍融循環(huán)后抗壓強度的測定，結(jié)果如表3所示。由表3可以發(fā)現(xiàn)：
不經(jīng)過溫度變化的常溫下的再生混凝土的主要力學性能（抗壓強度）隨著再生粗骨料取代率的增大而降低，到再生粗骨料取代率達到50%左右時有小段突變，抗壓強度會增大，但隨后隨著取代率的增大而降低�？芍�，當再生粗骨料取代率為50%時，再生混凝土抗壓強度達到最大。其原因可能是再生粗骨料在破碎再利用過程中產(chǎn)生很多類似微管、微孔隙的人為“瑕疵”，導致再生粗骨料比天然骨料具有更大的吸水率，從而會減少混凝土硬化過程中由于泌水而在骨料與水泥界面上形成的薄弱環(huán)節(jié)（即內(nèi)部孔隙），同時提高了骨料與水泥界面的粘結(jié)強度。另外，再生粗骨料充分吸收的水分可以進一步水化再生粗骨料所粘附的水泥顆粒，更加強了骨料與水泥界面處水泥石的密實度。但造成再生粗骨料取代率50%左右的再生混凝土強度有明顯提高的微觀機理仍需繼續(xù)研究。
對于不同再生粗骨料取代率的再生混凝土，當凍融循環(huán)次數(shù)較少時（不超出50次），抗壓強度有所增長，其原因可能是因為再生粗骨料內(nèi)部有損傷，使水有進入的通道，從而使未水化的水泥顆粒產(chǎn)生進一步水化，增加了骨料與水泥界面粘結(jié)的強度及水泥石本身的強度，提高了混凝土的整體強度。而隨著類似疲勞作用的凍融循環(huán)次數(shù)的增多，內(nèi)應力也累積增大，本身存在較多雜質(zhì)及缺陷的再生粗骨料會造成再生混凝土內(nèi)部損傷更加嚴重，微觀上可以說是增多了骨料和水泥石的粘結(jié)界面，而粘結(jié)界面往往是混凝土最容易破壞之處，骨料損傷造成的弊端遠遠超出水泥新水化所帶來的彌補作用，使再生混凝土抗壓強度下降幅度較大。對于再生粗骨料取代率為50%的再生混凝土試塊而言，當凍融循環(huán)次數(shù)到100次的時候，抗壓強度只為初始的60%左右。
另外，由表3也可發(fā)現(xiàn)，隨著再生粗骨料取代率的增加，凍融循環(huán)次數(shù)較少時，再生混凝土抗壓強度所提高的幅度越來越小。同樣，凍融循環(huán)次數(shù)增多時，再生混凝土抗壓強度相對于常溫下再生混凝土的損失也越大。由于再生粗骨料是吸水性骨料，而混凝土又處于連續(xù)潮濕的環(huán)境中，當粗骨料飽和時，骨料顆粒在凍結(jié)時排出水分所產(chǎn)生的壓力使骨料和水泥砂漿破壞。如果受破壞的骨料接近混凝土表面，就會產(chǎn)生剝落。這也和凍融循環(huán)次數(shù)較多后骨
料出現(xiàn)裸露的試驗現(xiàn)象相吻合。由此看來，再生混凝土的再生粗骨料用量可能對再生混凝土抗凍能力起主導作用。
隨著凍融次數(shù)的增加，再生混凝土抗壓強度下降的幅度也越來越大。凍融循環(huán)100次后，R-50，R-60，R-70抗壓強度分別為初始抗壓強度的60%，54.9%，53.5%。但是抗壓強度損失率和再生粗骨料取代率的關(guān)系及與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系尚還需要大量的試驗數(shù)據(jù)來確定。
4 結(jié)論
(1)通過選取適當?shù)脑偕止橇先〈�，可以配制出滿足相關(guān)耐久性要求的混凝土。
(2)隨著再生粗骨料取代率的提高，再生混凝土的質(zhì)量損失率先降低后上升，相對動彈性模量先上升后降低。
(3)當凍融循環(huán)次數(shù)低于100次時，質(zhì)量損失率在再生粗骨料取代率為49%時最低，而相對動彈性模量在再生粗骨料取代率為56%時最高。綜合考慮，再生粗骨料的最優(yōu)取代率在50%~60%之間。
(4)再生混凝土的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量下降幅值均小于天然混凝土，但都受再生粗骨料吸水率大影響，所以對再生混凝土抗凍性能的評價僅采用質(zhì)量損失率和相對動彈性模量這兩項指標不夠合理，應考慮引入強度指標。
(5)常溫下僅考慮混凝土的主要力學性能指標（抗壓強度），也是再生粗骨料取代率為50%
左右時再生混凝土抗壓強度值最大。不同再生粗骨料取代率的再生混凝土的抗壓強度在凍融循環(huán)次數(shù)較少（不大于50次）時都略有增長，但隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多，抗壓強度值衰減很快。如果引入強度損失率作為衡量再生混凝土抗凍性能的指標的話，其數(shù)值的確定需要進行大量的試驗同時也要參照不同工程對混凝土的具體使用要求。
