荷载与腐蚀冻融耦合作用下再生混凝土耐久性能试验

雷 斌，李召行，邹 俊，熊进刚，丁成平



荷载与腐蚀冻融耦合作用下再生混凝土耐久性能试验

雷 斌，李召行，邹 俊，熊进刚※，丁成平

（南昌大学建筑工程学院，南昌 330031）

现有的荷载与环境多因素研究大多是通过给试块设计安装一套夹具，然后拧紧螺丝或者用千斤顶对试块施加荷载（应力），再用此带着夹具的试块进耐久性试验，此方法操作困难、繁琐，极易发生应力损失，使研究的准确性急剧降低。该文提出了一种具有操作简便、控制精准等优点的耦合作用机制，采用先加载再腐蚀冻融，且以此循环作用的方式来模拟混凝土真实工作状态，并对普通混凝土及再生混凝土在多因素耦合作用下耐久性能进行研究。该文试验加载制度分别采用0、40%、70%应力水平的重复荷载与25次腐蚀冻融交替2次，并对此耦合作用下再生混凝土与普通混凝土进行了宏观和微细观试验研究。试验结果显示：在宏观方面，随着应力水平的从0增加至70%，再生混凝土和普通混凝土的抗压强度损失率分别增加27.2%和100%，再生混凝土在多因素耦合作用下的耐久性能表现更佳，荷载会使普通混凝土和再生混凝土的劣化速度加快；在微观方面，在腐蚀冻融50次后，再生混凝土和普通混凝土的显微硬度损失率分别为8.1%和23.8%，环境扫描电镜（environmental scanning electron microscope, ESEM）结果也可以看出界面过渡区是混凝土中较薄弱的环节，且在冻融循环作用前，天然粗骨料界面过渡区处黏结强度和塑性变形能力较强，冻融循环作用后，再生粗骨料界面过渡区处抗冻融腐蚀能力更好。该结果为普通混凝土耐久性改进及再生混凝土的推广应用提供理论参考。

应力；荷载；冻融；腐蚀；再生混凝土；耦合作用；耐久性能

0 引 言

随着自然资源的消耗和建筑废弃物的堆积，再生骨料混凝土引起了广泛的关注和研究，一些研究发现普通混凝土的性能优于再生混凝土[1-3]，另一些研究认为再生骨料来源好[4]且提前预浸起到的内养护作用[5-6]，老砂浆的多孔性致使砂浆之间的同性粘结大于骨料与砂浆之间的异性粘结[7]等原因导致再生混凝土性能强于普通混凝土。已有研究从应力状态[8-11]、氯离子渗透[12-14]、硫酸盐侵蚀[15-17]、冻融循环[18-20]等单一荷载或者环境因素作用下再生混凝土或混凝土的耐久性方面进行了研究；也有一些研究从荷载加硫酸盐[21-24]、氯离子加硫酸盐[25-27]、冻融加硫酸盐[28-29]等多个环境因素作用下再生混凝土或混凝土的耐久性方面进行了研究，而混凝土在实际的工作状态大多是处于荷载与环境多因素耦合作用，单纯的考虑环境因素的影响无法模拟复杂环境下材料真实状态。现有的荷载与环境多因素研究[30-31]大多是通过给试块设计安装一套夹具，然后拧紧螺丝或者用千斤顶对试块施加荷载（应力），再用此带着夹具的试块进耐久性试验，此方法操作困难、繁琐，极易发生应力损失，使研究的准确性急剧降低。该文提出了一种具有操作简便、控制精准等优点的耦合作用机制，采用先加载再腐蚀冻融，且以此循环作用的方式来模拟混凝土真实工作状态，并对普通混凝土及再生混凝土在多因素耦合作用下耐久性能进行研究，以期为普通混凝土耐久性改进及再生混凝土的推广应用提供理论参考。

1 耦合作用机制

荷载和复杂环境因素耦合作用的实验室模拟的理想状态是在复杂环境场中施加工作荷载。但环境模拟空间有限，安装加力装置复杂，试验十分困难。本试验研究拟采用对再生混凝土试件施加重复荷载与耐久性试验交替进行的加载制度来实现荷载与复杂环境耦合作用下的耐久性能试验。荷载和环境耦合作用对耐久性能影响的微观机理主要表现为：再生混凝土在重复荷载作用下产生的微结构损伤可能会加速腐蚀、冻融破坏，另一方面，腐蚀冻融产生的非均匀劣化同样会导致加载过程的应力重分布及微结构损伤路径改变。本试验设计的这种加载制度能尽量反映这2种损伤的相互影响。试验具体耦合作用机制如下：先将试件进行重复加载，然后按照慢冻法标准[32]在−19 ℃中冰冻4 h以上，再将其取出放入常温下盛满10%浓度的硫酸钠、氯化钠、氯化镁复合盐溶液中融化4 h以上，当试件循环冻融至25次数后再进行重复加载，然后继续冻融循环25次，耦合作用结束。其中试件重复加载的具体操作为：每组试件先用15%破坏应力水平的荷载进行试压，确保压力机正常工作并使试件与压力机上下表面贴合，避免出现应力集中现象，然后均匀线性加载至目标应力水平，保载30 s，再均匀线性的卸载至无应力状态（加载、卸载速率为0.5 MPa[33]），重复加载5次。

化合物 3A02：质谱 ESI／MS（negative mode），m／z 234，［M－H］－。 1H NMR（500 MHz，CDCl3，TMS），δ为7.25～7.28（t，J＝9.0 Hz，2H），7.05（t，J＝9.0 Hz，2H），6.83（br.s，1H，NH），5.97（s，2H），4.46（d，J＝5.5 Hz，2H）。

为了研究应力水平以及腐蚀冻融在50次冻融过程中对混凝土耐久性的影响，本次试验进行0、40%、70%应力水平重复荷载与25次腐蚀冻融交替2次，耦合机制详见图1。

高中语文阅读教学具有特殊性，而农村高中又具有它自身的特点。农村高中学生在校时间长，课外时间短；课业占用时间多，而课外自由时间少；自主阅读能力较弱，兴趣兴趣不高。鉴于此，我们确定了以课堂为主阵地，以教师选择篇目为主方向，引导学生认识并接受多文本阅读，从而提高学生连续阅读能力的教学形式。

图1 耦合机制图

2 试验设计及方法

2.1 试验材料

配制强度等级为C40再生混凝土与普通混凝土，再生混凝土中再生粗骨料取代率为100%。混凝土中砂采用赣江河砂，为中砂，表观密度为2 687.9 kg/m3；水泥采用海螺牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥，终凝时间为237 min，混凝土配合比为：水泥398 kg/m3，砂546 kg/m3，粗骨料1 161 kg/m3，水195 kg/m3，水灰比为0.49；再生粗骨料与天然粗骨料的粒径为5～31.5 mm，其中再生粗骨料通过人工破碎某质检站28 d强度测试后废弃的C30混凝土试块获得，各粗骨料参数见表1，在拌制混凝土前，将再生粗骨料预湿处理[34]；试验用水为试验室自来水；腐蚀溶液为硫酸钠、氯化钠、氯化镁复合盐溶液（按1∶1∶1的比例配制成浓度10%的混合溶液）。微观试验使用掺骨料的水泥净浆试件，水灰比为0.49。

表1 粗骨料物理性能

注：RCA为再生粗骨料，NCA为天然粗骨料。

Note: RCA represents recycled concrete aggregate, NCA represents natural concrete aggregate.

2.2 试件制作

采用上述配合比，宏观试验中混凝土试块按应力水平、荷载交替次数分成不同组，每组4块，并浇筑于100 mm× 100 mm×100 mm的模具中，养护28 d后按上述耦合机制进行试验，试件见图2。微观试验试件取水灰比0.49，配制成水泥净浆，将其浇筑于40 mm×40 mm×30 mm的棱柱体模具，振捣密实，并将天然、再生骨料按压入水泥净浆中，然后将腐蚀冻融后的棱柱体试件用线切割机分别切割成40 mm×40 mm×5 mm、10 mm×10 mm×5 mm大小的芯样，进行显微硬度及SEM试验。试验装置见图3，试件编号如表2所示。

图2 腐蚀溶液浸泡试件图

图3 冻融和显微硬度试验设备

表2 试件编号

注：RC表示再生混凝土，NC表示普通混凝土；0、50表示冻融腐蚀次数、应力水平为0，50表示冻融腐蚀50次；2表示重复荷载与25次腐蚀冻融循环交替2次；40%、70%分别表示加载时施加40%、70%的应力水平；“—”表示无数据。

Note: RC represents recycled concrete, NC represents natural concrete; 0 represents the times of freeze-thaw corrosion and the stress level is zero, 50 represents the times of freeze-thaw corrosion is 50; 2 represents alternate 2 times between repetitive load and 25 corrosion freeze-thaw cycles; 40%, 70% represent stress level with the load applied 40%, 70% respectively; “—”represents no data.

3 耦合作用下混凝土强度试验结果分析

3.1 试验表观特征

随着腐蚀冻融次数的增加，试件表面都出现的裂缝不断扩展、加深，且出现了明显的带状白色盐类结晶附着于裂缝表面，同时试件表面也出现了颗粒状的白色盐类结晶，部分试件在腐蚀冻融作用下变脆，表面出现片状砂浆剥落现象，提前破坏失效，见图4。

其中，部分试件在冻融试验期间失效破坏，所以在耦合作用后的平均抗压强度值为0。

图4 冻融40次后试件破坏

采用规范（GBT50082－2009）《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中抗冻耐久性能的计算方法，计算耦合作用下混凝土抗压强度损失率，如公式（1）所示，计算结果见表3。

图5 50次腐蚀冻融后试件加载图

3.2 抗压强度损失分析

各试件经耦合作用后测得的平均抗压强度值如表3所示。

表3 耦合作用后混凝土的平均抗压强度值及其损失率

一天晚上，我起夜的时候已经是凌晨3点，但万姐房间的灯仍然亮着。她坐在床边，一针一针地缝着衣服。我走到门口，她都没有发觉。“万姐，你这是给谁做衣服啊？”万姐被我的声音吓了一跳，怔了一下说：“给我女儿。”

当腐蚀冻融进行到50次时，随着加载应力水平的增大，混凝土试件裂缝的数量及宽度也在逐步增加，混凝土更易破坏失效同时试件表面砂浆剥落现象也更加明显，如图5所示。由图5还可以发现，在相同冻融腐蚀及同应力水平的加载条件下，普通混凝土在腐蚀冻融后脆性增大，骨料与砂浆的黏结力严重削弱，部分试件出现骨料剥离现象，且在腐蚀冻融后期出现明显片状砂浆剥离现象，相较于普通混凝土，再生混凝土在耦合作用后试件较为密实，整体性表现良好。

由表3可以看出，随着加载时应力水平的提高，各组混凝土的抗压强度损失率均表现出增大的趋势。普通混凝在70%加载应力下试件的抗压强度损失率达到了100%，而再生混凝土强度损失率只有27.2%；当应力水平为40%时，普通及再生混凝土的抗压强度损失率分别为71.3%和1.8%，相对于普通混凝土，再生混凝土均只出现了小幅度的强度损失。可以看出，在相同应力、冻融次数的曲线中，再生混凝土的抗压强度损失率均小于普通混凝土，再生混凝土的耐久性能强于普通混凝土。这可能是由于骨料来源较好[4]，且在试验前已对再生骨料进行了预湿处理，使得老砂浆中未完全水化的水泥得以继续水化，起到内养护的作用[5-6]；再生混凝土的多孔性使得其与新砂浆有更好的同性粘结[7]，且可以吸取更多界面处的水分，使得界面处水灰比降低，从而强度得到提高。

式中cun为50次腐蚀冻融循环后第组加载机制下混凝土试件的相对抗压强度损失率；cu50为50次腐蚀冻融循环后未加荷载混凝土试件的抗压强度测定值，MPa；cun为50次腐蚀冻融循环后第组加载机制下混凝土试件的抗压强度测定值，MPa。

湿磨料与干磨料在各自最优参数下,都能达到对线材表面几乎完全去除的效果,从图8a中可观察到，干磨料处理后的线材表面形貌有很明显的凹坑,粗糙度值大；从图8b中可以看出，湿磨料处理后的线材表面形貌良好,粗糙度值小。

4 显微硬度试验结果分析

由表4可知，与界面处距离从0增加至0.3 mm，试样RC-0、RC-50、NC-0、NC-50的显微硬度值分别从64.5、59.3、81.9、62.4 MPa增加至125.1、85.5、140.3、89.3 MPa，再生骨料试件及天然骨料试件的显微硬度值均在界面处最小，距离界面处越远，显微硬度逐渐增大，界面过渡区是混凝土中最薄弱的环节，且冻融后试件显微硬度值均降低。再生骨料试件及天然骨料试件界面处在50次腐蚀冻融前后的显微硬度损失率分别为8.1%和23.8%。经过50次腐蚀冻融后，天然骨料试件界面处强度降低较多、劣化明显，再生骨料界面处抗冻融能力更强。两种骨料与净浆界面较远处的显微硬度损失率很接近。

针对羊肚菌人工栽培大面积不出菇和产量不稳定等问题，郝哲还主持实施了“羊肚菌栽培设施设计建造技术研究”“羊肚菌适宜品种筛选及其设施高效栽培技术研究”和“羊肚菌产业化生产技术研究与示范”等项目，结合北方风沙区的自然气候特点和羊肚菌的生理特性，通过分离提纯野生羊肚菌菌种，选育出适于北方风沙区人工栽培的羊肚菌优良菌株。利用适宜的栽培设施，模仿本地野生羊肚菌生态环境条件，攻克了北方风沙区羊肚菌人工栽培技术难题，获得授权专利1项，培育出适宜北方栽培的羊肚菌优良菌株4个，实现了羊肚菌在北方风沙区的规模化发展。

表4 各试件显微硬度及其损失率

注：界面处为0刻度。

Note: Scale 0 is at the interface of aggregate and cement paste.

从界面处至净浆依次取刻度0、10、20、30（单位为0.01 mm），测得各组试件的显微硬度值及腐蚀冻融50次前后的显微硬度损失率见表4。其中掺天然骨料与掺再生骨料试件在0刻度（取界面处为0刻度）处分别为骨料-净浆界面与骨料-老砂浆界面，掺天然骨料水泥净浆在大于0刻度处为净浆，掺再生骨料水泥净浆在大于0刻度处为老水泥净浆。

5 环境扫描电镜ESEM试验结果分析

由图6c可见，天然粗骨料界面过渡区在腐蚀冻融之前，水泥净浆中的C-S-H凝胶形成了空间立体的基团，微观结构紧密，形成了较强的粘聚力，经过50次腐蚀冻融后，天然粗骨料界面过渡区出现许多孔洞，界面处水泥净浆黏结力变差，如图6d所示。

（3）凌文辁、张治灿与方俐洛通过对5000名员工的7轮预测和2000名员工的正式测验，编制出了由情感承诺、理想承诺、规范承诺、机会承诺和经济承诺五因素构成的“中国职工组织承诺量表”。该量表的总方差解释量达66.11%，相关分析也表明，各因素与效标的相关均达到非常显著水平，各因素的信度在0.7-0.89之间，量表的信度和效度良好。因为此份量表是在中国文化背景下编制的，因而对国内的研究有很大的指导意义。

再生粗骨料试件骨料-老净浆界面和天然粗骨料试件骨料-净浆界面的ESEM结果见图6所示。由图6a可见，再生粗骨料界面过渡区在腐蚀冻融之前，水泥净浆的结构呈颗粒状均布，颗粒成分主要为C-S-H凝胶，各个颗粒凝胶之间结合松散，黏聚力不强；经过50次腐蚀冻融后，再生粗骨料界面过渡区出现长条形的裂缝，内部C-S-H基团减少，水泥净浆与骨料黏结力降低，界面过渡区劣化明显，如图6b所示。

图6 再生骨料和天然骨料试件界面过渡区微观结构图

对比图6中各图可以看出，RC-0试件与NC-0试件界面过渡区的微观结构相类似，两者都是由C-S-H凝胶附着在骨料表面，但是NC-0试件在界面过渡区的C-S-H凝胶更大，形成了粒径大小不一凝胶基团，构成了空间立体的微观孔隙结构，其中，较小粒径的凝胶基团渗入大凝胶基团的缝隙中，起到了填充作用，使得天然粗骨料的界面过渡区结构更加致密，而RC-0试件的界面过渡区C-S-H凝胶较松散，因而天然粗骨料界面过渡区黏结强度和塑性变形能力高于再生粗骨料界面过渡区；对比图6b和6d可得，经过50次腐蚀冻融后，RC-50试件和NC-50试件都出现了不同程度的劣化现象，在两者界面过渡区处都出现了明显的裂缝和孔隙，NC-50试件出现了比RC-50试件更大的裂缝，但是在这种缝隙中，RC-50试件产生了更多的C-S-H凝胶将缝隙填充，这使得再生粗骨料界面过渡区的抗冻融能力要强于天然粗骨料界面过渡区。

6 结 论

本文提出了一种具有操作简便、控制精准等优点的耦合作用机制，并对再生混凝土和普通混凝土在多因素耦合作用下耐久性能进行试验研究，结果表明：

1）随着加载时应力水平的增加，再生及普通混凝土试件裂缝的数量及宽度均有增加，且在相同耦合机制作用后，普通混凝土的脆性增大，抗耦合作用能力较再生混凝土差。

2）随着应力水平从0增加至70%，再生混凝土和普通混凝土在出耦合作用后的抗压强度损失率为27.2%和100%，再生混凝土的在多因素耦合作用下的耐久性能表现更佳，高应力水平的加载机制会使混凝土的劣化速度加快。

3）界面过渡区是混凝土的薄弱环节，随着与界面过渡区距离的增加，显微硬度值越高，且在冻融循环作用下，再生骨料界面过渡区处抗腐蚀冻融能力优于天然骨料。

4）在冻融腐蚀之前，天然粗骨料周围的界面过渡区黏结强度和塑性变形能力高于再生粗骨料；在50次冻融腐蚀后，再生混凝土和普通及的显微硬度损失率分别为8.1%和23.8%，再生粗骨料的界面过渡区的抗冻融腐蚀能力比天然粗骨料更佳。

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Experiment on durability of recycled concrete under coupling multi-factors of load and corrosion freeze-thaw

Lei Bin, Li Zhaohang, Zou Jun, Xiong Jingang※, Ding Chengping

(330031)

Recycled aggregate concrete has obtained worldwide attention as an important part of sustainability. In the aspect of durability of recycled concrete under coupling multi-factors, a number of devices were designed and installed to investigate the durability of recycled concrete. In previous studies, the concrete specimen was tightened by the screws to apply a prestress with the jack, and then specimen was put in the devices for the durability test, which was difficult to operate and prone to stress loss. In this paper, in order to better research the durability of concrete under coupling multi-factors, we designed a coupling mechanism of alternated with loading and freeze-thaw cycles in salt-solution to replace the traditional mold loading to accurately simulate the simultaneous interaction of freezing thawing, corrosion and load. The coupling protocol was designed with repetitive load and 25 time’s freeze-thaw cycles alternately 2 times in the salt-solution, in which the maximum stress level (the applied stress to 28 days compressive strength) of repetitive load is 0, 40%, 70%. The specific operation was that specimens were loaded repetitively for the first time, then they were freeze-thawed in the salt-solution for 25 time’s cycles, after that, they were repetitively loaded again, anfreeze-thawed in the salt-solution for another 25 time’s cycles. The experiment ocompressive strength and microhardness of recycled concrete and natural concrete under coupling action was carried out. In the macroscopic test, compressive strength loss of each specimen was measured under the above mentioned coupling protocols. At the same time, the microhardness across the ITZs between the coarse aggregate and the cement matrix was measured before and after 50 freeze-thawing cycles for the control specimens. The macro test results showed that the stress level of the coupling action increased from 40% to 70%, the compressive strength loss of both recycled concrete and natural concrete increased from 1.8% and 71.3% to 27.2% and 100% respectively. It is implied that the durability of recycled concrete under coupling action is better than that of natural concrete, and the loading mechanism with high stress level will accelerate the deterioration of both recycled concrete and natural concrete. The micro test results showed that the microhardness values gradually increased with the increases of distance from the interface of natural aggregate and cement paste, the microhardness losses were 8.1% and 23.8% of the interface of both recycled aggregate and natural aggregate before and after the coupling action respectively. It can be seen that the interface transition zone was the weakest part of the concrete, and the decreasing rate of microhardness of the interface transition zone in natural aggregate specimens was faster than that of recycled aggregate after 50 time’s freeze-thaw cycles in salt-solution. The environmental scanning electron microscope (ESEM) test results indicated that the bond strength and plastic deformation ability of interface of natural aggregate are better than that of recycled aggregate before freeze-thaw cycles, while the ability to resist freeze-thaw at the interface transition zone of recycled aggregate was better than natural aggregate after freeze-thaw cycles. The related results can provide an insight into the long-term performance of recycled concrete subjected to harsh environmental conditions and thus to promote practical application of recycled aggregate concrete in the future.

stresses; loads; freeze-thaw; corrosion; recycled concrete; coupling multi-factors; durability

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.021

TU528

A

1002-6819(2018)-20-0169-06

2018-03-25

2018-05-05

国家自然科学基金（51668045）；江西省科技厅重点研发计划（20161BBG70056）；江西省博士后科研择优资助项目（2016KY14）；江西省研究生创新基金(YC2017-S015)。

雷 斌，副教授，博士，主要从事再生混凝土材料与结构研究。Email：blei@ncu.edu.cn

熊进刚，教授，博士，主要从事结构连续倒塌、结构优化、混凝土结构研究。Email：xiongjingang@ncu.edu.cn

雷 斌，李召行，邹 俊，熊进刚，丁成平. 荷载与腐蚀冻融耦合作用下再生混凝土耐久性能试验[J]. 农业工程学报，2018，34(20)：169－174. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.021 http://www.tcsae.org

Lei Bin, Li Zhaohang, Zou Jun, Xiong Jingang, Ding Chengping. Experiment on durability of recycled concrete under coupling multi-factors of load and corrosion freeze-thaw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(20): 169－174. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.20.021 http://www.tcsae.org