不同取代率下再生混凝土的抗冻融性能试验

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(1.河南理工大学，河南 焦作 454000； 2.平顶山市城市规划设计研究院，河南 平顶山 467000)

1 前 言

建筑废弃物经破碎、清洗、分级并按一定比例混合后得到的骨料称为再生骨料。以部分或全部再生骨料替代天然骨料拌和而成的混凝土称为再生骨料混凝土，简称再生混凝土。再生混凝土在实际工程中的应用与推广是处理数量巨大的建筑垃圾的有效手段，而且再生骨料的应用对节约资源、保护环境起到了举足轻重的作用。由于再生骨料表面包裹一定数量的砂浆，而且机械破型作用在骨料表面及内部产生大量微裂纹，导致再生混凝土的力学性能与普通混凝土相比有所降低。Olorunsogo[1]，Nangataki[2]，Oikonomou[3]和Khatib[4]等发现再生混凝土的抗压强度、抗剪强度和抗拉强度均比天然骨料混凝土略低。已有研究主要集中于再生混凝土短期受力性能，而耐久性亦是混凝土材料性能的重要评判指标。抗冻性对严寒地区混凝土结构的耐久性影响甚大，因此对再生混凝土进行抗冻性研究尤为重要[5-7]。Omary等[8]研究表明，与普通混凝土相比，再生粗骨料混凝土抗冻融性能有所下降，但降低幅度不大。Salem等[9]，Richardson等[10]通过试验发现，加入引气剂、聚丙烯纤维和粉煤灰可降低再生粗骨料对混凝土抗冻融性能的不利影响。Salem等[11]，Zaharieva等[12]研究结果表明，再生骨料的含水状态是影响再生混凝土抗冻性的重要因素。Yildirim等[13]发现50%取代率和50%含水状态的再生细骨料混凝土抗冻性能最优，与普通混凝土最为接近。Bogas等[14]试验后发现，水灰比对混凝土抗冻性的影响高于再生骨料类型及其取代率的影响。

对于冻融作用下再生混凝土力学性能的研究已有不少成果，但针对再生骨料类型及其取代率对再生混凝土抗冻性的系统研究未见大量报道。另外，现有研究成果均是基于素混凝土，而配筋混凝土的耐久性研究尚少见。本文以再生骨料类型和取代率为参数，通过54个立方体试块和36个配筋棱柱体试块对混凝土冻融后抗压强度、质量损失、相对动弹性模量和冻融后承载力进行了系统研究，从材料层面和构件层面研究了再生骨料对混凝土冻融性能的影响规律，为再生混凝土在寒冷地区的工程应用提供理论依据。

2 试验概况

2.1 试验材料

试验采用原材料如下：42.5R普通硅酸盐水泥，F类Ⅰ级粉煤灰，S95级粒化高炉矿渣粉， 2000HCJS-A型聚羧酸高性能减水剂，减水率25%。天然粗骨料(NCA)为山碎石，连续级配；天然砂(NFA)采用细度模数2.6的中砂。再生粗骨料(RCA)和再生细骨料(RFA)来自于某废弃拆除的钢筋混凝土框架结构。天然骨料与再生骨料粒径范围相同，骨料基本物理性能指标见表1。

表1 骨料物理性能Table 1 Aggregates′ properties

2.2 配合比设计

本试验共设计了9种再生混凝土，配合比见表2。表中，混凝土类型符号“RC”表示再生混凝土，其后紧随的两个数据(0，0.5，1)分别表示再生粗骨料和再生细骨料的取代率。例如，“RC-0.5-1”表示再生粗骨料取代率为50%，再生细骨料取代率为100%的再生混凝土。

每种材性混凝土采用一次搅拌，同时浇筑成型的方法以确保相同再生骨料取代率下再生混凝土的一致性。浇筑混凝土时发现，随着再生骨料取代率的增加，混凝土流动性变差，但仍可满足较好的均匀性和密实度。立方体试块尺寸为100×100×100mm3，棱柱体试块尺寸为100×100×400mm3，内部配筋见图1。实测φ8钢筋屈服强度、抗拉强度和弹性模量分别为327MPa，438MPa和2.04× 105MPa。

表2 再生混凝土配合比Table 2 Mix proportions of recycled concrete/kg·m-3

图1 棱柱体试件配筋图Fig.1 Steel bar details of prisms

2.3 试验方法

混凝土抗压强度依据GB/T 50081-2002[15]测定，抗压强度取3个试块实测值的平均值。冻融试验采用GB/T 50082-2009[16]中的快冻法：将试件置于115×115×500mm3的橡胶盒中，注入清水直至水面高于试件顶面5mm，随后放入冻融试验机内进行快速冷冻和融化，一次循环在3h内完成，试验仪器见图2。每25次冻融循环结束，分别测定棱柱体试件的质量和动弹性模量。100次冻融循环结束后，通过压力机分别测定立方体抗压强度和配筋棱柱体试件的承载力，并同时测量未冻融对比试件的强度和承载力。

图2 冻融试验机Fig.2 Freeze-thaw testing machine

3.1 冻融后抗压强度

100次冻融循环前后立方体试块抗压强度及二者的变化率见表3。由表可知：冻融试验前，不同取代率下再生混凝土抗压强度整体上比普通混凝土略低，但相差不大。与未经受冻融作用的试块相比，经受100次冻融循环后抗压强度有所降低。其主要原因是，在整个冻融循环过程中，冰压力导致试块内部初始微裂纹不断累积发展，随后，在竖向荷载作用下，微裂纹迅速开展，受压性能有所降低，且降低幅度与再生骨料类型及其取代率有关。当骨料均为再生骨料且100%取代天然骨料时，抗压强度降低幅度最大。相同取代率条件下，试件RC-0.5-0与RC-0-0.5抗压强度降低幅度分别为14.6%和18.7%，RC-1-0与RC-0-1抗压强度降低幅度分别为21.1%和27.9%，由此可见，再生细骨料混凝土抗压强度降低幅度较大，说明再生细骨料比再生粗骨料对抗压强度影响更大，这主要是由骨料吸水率造成的。本试验采用的再生粗骨料、再生细骨料的吸水率分别为3.23%、15.47%，而相应天然骨料吸水率分别为1.00%、0.96%。因此，随着再生骨料取代率的增加，再生混凝土含水率增大，导致冻融过程中受冰压力作用影响大，因此抗压性能有所降低，且再生细骨料影响更大。

表3 100次冻融循环后抗压强度变化率Table 3 Variation of compressive strength after 100 freeze-thaw cycles

Note：fc0andfc100is the cubic compressive strength before freeze-thaw testing and after 100 freeze-thaw cycles respectively; Δfcis the variation of compression strength.

3.2 质量损失

混凝土在饱水状态下因冻融循环产生的破坏，其最显著的特征是表面剥蚀。结果表明，不同再生骨料类型及取代率的再生混凝土试件与普通混凝土试件冻融破坏过程相似，主要表现为水泥浆的剥离和骨料的脱落，但程度不同。冻融循环开始后，再生混凝土试件与普通混凝土试件相似，仅有少量水泥浆颗粒脱落。随着冻融循环次数的增加，水泥浆剥落程度不断加剧。冻融循环次数达到100次时，再生混凝土试件的端部有粗骨料剥落现象发生，见图3(a)，但不同取代率的再生混凝土剥落程度略有不同，而普通混凝土试件未发生粗骨料剥落现象。粗细骨料均为再生骨料且完全取代天然骨料的全再生混凝土试件冻融破坏最为严重，部分再生骨料酥化，如图3(b)所示。

图3 混凝土冻融破坏特征 (a) 粗骨料剥落；(b) 骨料酥化Fig.3 Failure modes of freeze-thaw testing. (a) Spalling of coarse aggregate; (b) Crispness of aggregate

再生混凝土棱柱体试件每隔25次冻融循环后质量损失率按式(1)计算：

(1)

式中，ΔMn是n次冻融循环后试件质量损失率，M0是冻融试验前试件质量，Mn是n次冻融循环后试件质量。

实测9种再生混凝土质量损失率与冻融性循环次数的关系曲线见图4。

图4 不同冻融循环次数下的质量损失率Fig.4 Mass loss rate with the increasing freeze-thaw cycles

由图4可见：100次冻融循环后，普通混凝土试件(RC-0-0)质量损失率最小，试件RC-0.5-0的质量损失与试件RC-0-0最为接近，但仍比后者高19.81%。不同取代率的再生混凝土试件质量损失率由小到大排序为：RC-0-0，RC-0.5-0，RC-0-0.5，RC-1-0，RC-0.5-0.5，RC-0-1，RC-1-0.5，RC-0.5-1，RC-1-1，该顺序与前述冻融试验结束时试件表面剥蚀严重程度一致。25次冻融循环后，质量损失率为负值，即试件质量有所增加。其主要原因是：试验前需将试件完全浸入水中96h，在此过程中，外部水通过微裂纹等初始缺陷形成的毛细通道进入混凝土内部直至饱和。随后，冻融试验开始，试件在饱水状态下随着温度的变化处于水冻与水溶循环过程中，其质量改变主要有两个原因，一是表面颗粒的剥蚀，二是不断侵入的水分。随着冻融循环次数的增加，混凝土内部空隙中存留的游离水在低温下结冰，毛细孔壁受到冻胀压力和渗透压力等多重叠加作用，造成微细裂纹不断累积扩展，从而外部水分不断侵入试块内部，与此同时，试件表面有少量微小水泥浆颗粒脱落，并出现少量微小孔洞。达到25次循环时，由于循环次数较少，表面脱落颗粒量少质轻，小于侵入试件内部水分的质量，故质量损失率出现负值。此后，随着冻融循环次数的增加，试件表面剥蚀程度加剧，脱落颗粒的重量逐渐大于侵入水分的重量。从图4可以看出，冻融循环约35次时达到一种平衡，即脱落颗粒的重量等于侵入水分的重量。此后，随着小粒径骨料的脱落，质量损失率迅速增加，且随着再生骨料取代率的增加而增加。100次循环后，全再生混凝土(RC-1-1)质量损失率最大，约为普通混凝土的2.39倍。

3.3 相对动弹性模量

相对动弹性模量由横向基频的变化决定，反映了冻融循环后混凝土损伤的程度，可采用以下公式[16]计算：

Pn=(fn2/f02)×100%

(2)

式中，Pn是n次冻融循环后混凝土相对动弹性模量(%)，f0是试验开始前混凝土横向基频(Hz)，fn是n次冻融循环后混凝土横向基频(Hz)。

图5 不同冻融循环次数下的相对动弹性模量Fig.5 Relative dynamic modulus of elasticity with the increase of freeze-thaw cycles

不同取代率下再生混凝土棱柱体相对动弹性模量随冻融循环次数变化曲线见图5。由图5可见，随着冻融循环次数的增加，相对动弹性模量迅速降低。从试验开始到25次冻融循环，普通混凝土与再生混凝土相对动弹性模量损失率均较小，且差异不大。此后，随着冻融次数的增加，不同取代率再生混凝土相对动弹性模量衰减幅度逐渐加剧。再生粗骨料取代率50%的试件(RC-0.5-0)相对动弹性模量衰减规律与普通混凝土最为接近。全再生混凝土(RC-1-1)经历100次循环后相对动弹性模量衰减幅度最大，仅为初始值的63.5%，已接近规范[16]中规定的冻融破坏标准(相对动弹性模量下降至60%)。

3.4 冻融后承载力

100次冻融循环后，再生混凝土由于冻融胀裂及表面剥蚀导致抗压强度降低，通过压力机测定混凝土棱柱体残余承载力，并与未冻融试件进行对比。试验过程中发现，普通混凝土试件与再生混凝土试件裂缝开展直至破坏的过程相似，是否经受冻融作用对试件破坏形态无明显影响。

混凝土受压构件极限承载力可按公式(3)[17]计算，9种不同再生混凝土棱柱体试件承载力计算值(Nuc)与实测值(Nue)见表4。表中数值为每种混凝土取2个试件实测承载力的平均值。试验中，试件RC-0-1-2加载至破坏时，钢筋应变未达到屈服应变，由于柱端混凝土被压酥造成承载力丧失，其极限承载力并未列于表中。从表4可知，按照规范计算的再生混凝土抗压承载力与实测值比较接近，误差均在10%以内。

(3)

不同取代率下再生混凝土棱柱体试件经历100次冻融循环后残余承载力见表5。表中，N0和N100分别为冻融循环前及100次冻融循环后试件承载力，ΔN为冻融后承载力损失率。

表4 承载力实测值与计算值的对比Table 4 Comparison of the experiment results and predicted results

表5 100次冻融循环后承载力对比Table 5 Comparison of the bearing capacity after 100 freeze-thaw cycles

由表5可见： 100次冻融循环后，再生混凝土棱柱体试件抗压承载力均有不同程度的下降。再生骨料类型及其取代率对100次冻融循环后试件残余承载力影响较大，随着取代率的增加，冻融前后承载力损失程度加剧。仅取代粗骨料且取代率分别为50%和100%时，承载力损失率分别为15.26%和20.14%；仅取代细骨料时，相同取代率下承载力损失率分别为18.47%和21.61%，由此可见，相同取代率下再生细骨料对混凝土冻融后残余承载力的影响大于再生粗骨料。与普通混凝土试件(RC-0-0)相比，再生粗骨料取代率50%(RC-0.5-0)时，二者冻融前后承载力损失率最为接近；而全再生混凝土(RC-1-1)冻融后承载力降幅最大。由此可见，从承载力角度考虑，在寒冷地区，应优先使用再生粗骨料混凝土，且取代率宜控制在50%以内。

4 结 论

1.100次冻融循环后，不同取代率的再生混凝土立方体抗压强度有所降低，且降低幅度随再生骨料取代率的增加而加剧。

2.再生混凝土棱柱体的质量损失率和相对动弹性模量衰减幅度随冻融循环次数和再生骨料取代率的增加而增大。

3.再生骨料类型及其取代率对100次冻融循环后棱柱体抗压承载力影响较大，随着取代率的增加，冻融前后承载力损失程度加剧。相同取代率下，再生细骨料对冻融后残余承载力的损失影响更大。

4.再生粗骨料取代率为50%，细骨料为天然骨料的再生混凝土，其质量损失率、相对动弹性模量衰减规律和抗压承载力损失均与普通混凝土接近，建议寒冷地区可采用不高于50%掺量的再生粗骨料混凝土。