冻融循环作用下再生骨料处理对混凝土性能的影响

刘全升

冻融循环作用下再生骨料处理对混凝土性能的影响

刘全升

河南水利与环境职业学院, 河南 郑州 450008

本文测试了不同再生粗骨料掺量和再生粗骨料处理的混凝土质量损失率、弹性模量、抗压强度和抗折强度等基本抗冻性能指标，分析了再生粗骨料掺量和骨料处理对混凝土抗冻性能的影响。结果表明：1）再生混凝土的质量和弹性模量损失随再生骨料掺量的增大而增大；2）混凝土的抗冻性能基本呈现出随冻融循环次数的增大而降低的现象；3）包浆处理可以有效提高混凝土的抗冻性能，整形处理次之，饱水处理再次之。

再生骨料; 处理方法; 冻融循环; 再生混凝土; 抗冻性能

建筑施工、旧建筑拆除、装修等均会产生大量的混凝土废料[1]，混凝土自身结构稳定，短期内难以分解[2]。废弃混凝土是城市建筑垃圾的重要组成部分，而目前我国总建筑垃圾已经超过200亿t[3]。如何处理建筑垃圾已成为环境保护的热点话题[4,5]。学者们提出将混凝土废料通过处理作为再生粗骨料再次浇筑再生混凝土材料，这可以大量消耗建筑垃圾，避免建筑垃圾占用大量土地[6,7]。同时，混凝土通过分拣、破碎、处理和筛分等工序重新加工再次作为再生粗骨料可以有效降低天然粗骨料的使用量，保护环境[8,9]。基于此，本文利用废弃混凝土试件制备再生粗骨料，取代部分或全部天然粗骨料制备再生混凝土样品，并测试其质量损失率、弹性模量、抗压强度和抗折强度等基本抗冻性能，分析再生混凝土抗冻性能随再生粗骨料掺量的变化规律，研究再生粗骨料的不同处理方法对混凝土抗冻性能的影响规律。

1 试验准备

试验材料由水泥、粉煤灰、粗骨料、细骨料、搅拌用水等组成。再生粗骨料选取石灰岩碎石，再生粗骨料选用实验室废弃混凝土试块，利用部分或全部再生粗骨料取代天然粗骨料。再生粗骨料的制备流程如图1所示，再生粗骨料制备主要有分拣、破碎、处理和筛分等步骤，处理包括保水处理、整形处理、包浆处理。饱水处理是指在浇筑之前使再生骨料预先吸水达到饱和面干状态；整形处理是指粗骨料可以达到(GB/T 25177-2010)《混凝土再生粗骨料》中的I级高质量标准；包浆处理是指骨料进行预湿水使其达到饱和面干，在搅拌前增加设计水泥浆的10%，以便对粗骨料进行预裹浆，提高再生粗骨料的强度。

图 1 再生骨料制备流程

为了分析不同再生骨料取代率对再生混凝土物理力学性能的影响，制备如表1所示的5组试样样品。再生混凝土的粉煤灰掺量为20%，水灰比为0.4，再生骨料取代率分别为0%、25%、50%、75%和100%。为了分析再生骨料掺量和骨料处理对再生混凝土抗冻性能的影响规律，分别测试了试样的质量损失率、弹性模量、抗压强度和抗折强度等基本抗冻性能指标。

表 1 混凝土配比

2 试验结果分析

2.1 再生骨料掺量对再生混凝土抗冻性能的影响

当再生骨料不作任何处理时，不同再生骨料掺量条件下混凝土质量和相对弹性模量随冻融循环次数的变化曲线如图2所示。可以看出，随着冻融循环次数的增加，再生混凝土质量损失均出现了先减小后逐渐增大的现象，这主要是因为冻融初期再生混凝土的表面颗粒剥落量较少，而混凝土天然存在的孔隙通道却会在冻融作用下从外部冻融环境中吸收一定量的水分，导致其质量增加；冻融后期再生混凝土冻融损伤量逐渐加剧，其表面胶化物质或颗粒剥落量迅速增大，因而其质量损失率逐渐增大。另外，由于再生骨料孔隙率和比表面积要大于天然骨料，因此，在冻融作用下再生骨料吸收的水量要比天然骨料大，相应地其受冻融作用影响就较大。由图2可知，相同冻融循环次数下，再生骨料掺量越大，再生混凝土的质量和弹性模量损失就越大。当冻融循环次数为120次时，再生骨料掺量为25%、50%、75%和100%的混凝土的弹性模量损失分别为18.3%、22.5%、29.2%以及33.9%；当冻融循环次数为240次时，再生骨料掺量为25%、50%、75%和100%的混凝土的质量损失分别为3.2%、4.0%、4.7%和5.6%。

图 2 再生骨料掺量对再生混凝土抗冻性能的影响

2.2 骨料处理对再生混凝土抗冻性能的影响

2.2.1 质量损失率当再生骨料掺量为25%时，再生骨料不同处理方式下混凝土质量损失率随冻融循环次数的变化曲线如图3所示。由图可知，当冻融循环次数小于90次时，再生混凝土在冻融循环作用下均会因吸水量大于剥落量而出现质量增加的现象；而当冻融循环次数大于90次时，再生混凝土质量则随冻融循环次数增加而逐渐减小，且减小幅度愈来愈大。在这几种不同再生骨料处理方式中，包浆处理对再生混凝土的抗冻性能提升效果最好，整形处理次之，饱水处理再次之，不作任何处理最差。这主要是因为对再生骨料进行饱水处理能够使再生混凝土水化反应更加完全，导致其孔隙率和吸水率下降，在一定程度上降低了混凝土的冻融损伤；而对再生混凝土进行整形处理，则能够有效去除再生骨料的突出边缘，阻止水泥浆液在再生骨料表面的无效硬化，从而使再生混凝土孔隙结构和受力状态更加良好，进而提高再生混凝土的抗冻性能；对再生骨料进行预包浆处理，则能够填充和粘合再生骨料的微小裂纹，使得再生骨料的内部缺陷大大降低，因而其在冻融作用下吸收的水量反而最小，导致再生混凝土抗冻性能大大增加，甚至要优于天然骨料。当冻融循环次数为240次时，再生骨料不同处理方式下（不作处理、饱水处理、整形处理以及包浆处理）混凝土的质量损失分别为3.2%、2.6%、1.9%和1.4%。

2.2.2 相对动弹性模量再生骨料处理对冻融作用下再生混凝土弹性模量的影响曲线如图4所示。由图可知，随着冻融循环次数的增加，再生混凝土的弹性模量损失越来越大。当冻融循环次数为180~210次时，再生骨料不作任何处理下混凝土的弹性模量首先降低至60%以下，意味着此时再生混凝土工作性能就难以保证；随着冻融次数的继续增加，再生骨料饱水处理下的混凝土弹性模量也接着降低至60%以下；当冻融次数达到210~240次时，再生骨料整形处理的混凝土也因冻融损伤加剧而丧失工作性能；而当冻融次数为240次时，再生骨料包浆处理和天然骨料的混凝土弹性模量仍能保持在70%以上。这说明，再生骨料包浆处理能够最有效的提高再生混凝土的抗冻性能，以冻融循环次数180次为例，再生混凝土在再生骨料处理方式分别为不作处理、饱水处理、整形处理以及包浆处理条件下，其相对弹性模量分别为63.3%、67.8%、76.7%和84.9%。

图 3 再生骨料处理对冻融作用下再生混凝土质量的影响曲线

图 4 再生骨料处理对冻融作用下再生混凝土弹性模量的影响曲线

2.2.3 相对抗压强度图5所示为不同再生骨料处理方式下再生混凝土抗压强度随冻融循环次数的变化曲线。当冻融循环次数小于90次时，再生混凝土抗压强度在冻融作用下损失相对较小，甚至在再生骨料包浆处理时，再生混凝土的抗压强度反而在冻融作用下出现了增大的趋势。这个原因可能是，再生骨料表面包浆在预包裹时未能够充分水化，而当冻融作用时，水由表面进入，与其进一步水化反应生成坚硬物质，从而增强了再生混凝土的抗压强度。当冻融循环次数大于90次时，随着冻融循环次数的增加，再生混凝土的抗压强度逐渐下降，冻融次数为240次时，再生骨料不作处理、饱水处理、整形处理以及包浆处理下再生混凝土的抗压强度分别为普通混凝土的61%、76%、92%和115%。可见，再生骨料的处理方式对再生混凝土冻融作用下的承载性能影响很大。

2.2.4 相对抗折强度再生骨料处理对冻融作用下再生混凝土抗折强度的影响曲线如图6所示。可以看出，冻融循环作用对再生混凝土抗折强度的影响要大于抗压强度，这主要是因为，在冻融作用下再生混凝土产生的冻胀裂隙可能会在抗压试验过程中发生闭合而继续传递压力，而不能在抗弯拉试验过程中产生较大的作用。当冻融次数为180~210次时，再生混凝土抗折强度基本都降低至40%以下，意味着此时再生混凝土的偏心受压性能大大降低。不同再生骨料处理方式下，包浆处理下再生混凝土的抗折强度最高，整形处理次之，饱水处理再次之。当冻融次数为180次时，与再生骨料不作任何处理的混凝土相比，再生骨料作包浆、整形以及饱水处理时的混凝土残余抗压强度分别提高44%、22%和5%。因此，条件允许的情况下，建议对再生混凝土的再生骨料进行整形或者包浆处理。

图 5 再生骨料处理对冻融作用下再生混凝土抗压强度的影响曲线

图 6 再生骨料处理对冻融作用下再生混凝土抗折强度的影响曲线

3 结论

（1）相同冻融循环次数下，再生骨料掺量越大，再生混凝土的质量和弹性模量损失就越大；当冻融循环次数为120次时，再生骨料掺量为25%、50%、75%和100%的混凝土的弹性模量损失分别为18.3%、22.5%、29.2%以及33.9%；当冻融循环次数为240次时，再生骨料掺量为25%、50%、75%和100%的混凝土的质量损失分别为3.2%、4.0%、4.7%和5.6%。

（2）当冻融循环次数小于90次时，再生混凝土在冻融循环作用下均因吸水量大于剥落量而质量出现增加的现象；而当冻融循环次数大于90次时，再生混凝土质量则随冻融循环次数增加而逐渐减小，且减小幅度愈来愈大。这几种不同再生骨料处理方式中，包浆处理对再生混凝土的抗冻性能提升效果最好，整形处理次之，饱水处理再次之，不做任何处理则最差。

（3）当冻融循环次数大于90次时，随着冻融循环次数的增加，再生混凝土的抗压强度逐渐下降；冻融次数为240次时，再生骨料不作处理、饱水处理、整形处理以及包浆处理下再生混凝土的抗压强度分别为普通混凝土的61%、76%、92%和115%。

（4）不同再生骨料处理方式下，包浆处理下再生混凝土的抗折强度最高，整形处理次之，饱水处理再次之。当冻融次数为180次时，与再生骨料不作任何处理的混凝土相比，再生骨料作包浆、整形以及饱水处理的混凝土残余抗压强度分别提高了44%、22%和5%。

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Effect of Recycled Aggregate Treatment on Concrete Performance under Freeze-thaw Cycle

LIU Quan-sheng

450008,

Concrete samples with different regenerated coarse aggregate content and treatment methods were prepared. The basic antifreeze performance indexes, such as mass loss rate, elastic modulus, compressive strength and flexural strength, were tested. The influence of regenerated coarse aggregate content and treatment on the antifreeze performance of concrete was analyzed. The results show that: 1) The mass and elastic modulus loss of recycled concrete increases with the increase of recycled aggregate content. 2) The frost resistance of concrete basically decreases with the increase of freeze-thaw cycle times. 3) Slurry treatment can effectively improve the frost resistance of concrete, followed by plastic treatment and water saturation treatment.

Recycled aggregate; treatment method; freeze-thaw cycle; recycled concrete; antifreeze performance

TU528.01

A

1000-2324(2019)03-0456-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.03.022

2018-05-03

2018-06-12

刘全升(1967-),男,本科,讲师,研究方向:建筑与装饰. E-mail:384842000@qq.com