C30再生粗骨料混凝土的抗冻耐久性试验研究*

程 亮，邓祥辉，薛丽媛，王靖媛

(1.陕西省现代建筑设计研究院，西安 710048；2.西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021)

随着我国建筑行业的飞速发展，混凝土用量每年以10%左右的速度在逐渐增加，但建设的同时产生了大量的建筑垃圾，对环境造成较大的污染。因此，对废弃的混凝土破碎后制成再生骨料进行循环再利用，能够节约资源，保护环境，降低成本，也是实现可持续发展的重要途径[1-2]。然而为了提高再生混凝土的耐久性须考虑抗冻性对混凝土结构的影响，混凝土结构很容易在冻融循环作用下形成损伤，既增加了修复和重建费用，又对建筑物的安全造成了威胁。实际上，在过去的几十年中开展了广泛的科学研究工作。

国内外学者[3-6]在再生混凝土的抗冻性方面做了很多研究，特别是在再生混凝土粗骨料掺量方面进行了很多研究，并取得了一些成果。文献[7]通过试验得出，再生骨料取代率为30%～50%时，能够得到最佳的抗冻性和最好的强度，超过50%的替代率，各种性能开始下降，并且指出破坏界面发生的位置，再生粗骨料取代率对冻融循环的影响。文献[8]对再生粗骨料的掺量为50%的再生混凝土和普通混凝土进行冻融试验，试验过程中通过对比再生混凝土和普通混凝土的质量损失和动弹性模量变化，结果表明，掺加防冻剂的再生混凝土提高了抗冻耐久性，并且比普通混凝土的抗冻耐久性要好。文献[9-10]通过试验得出，再生混凝土的抗冻耐久性能的改善可以通过掺加防冻剂或降低水灰比来实现。文献[11]通过对比研究再生粗骨料取代率为0，30%，50%，70%和100%时不同再生混凝土的抗冻性。经过150次冻融后，与普通混凝土的抗冻性能相比，再生粗骨料的取代率越高，再生混凝土的抗冻性越低。在再生粗骨料取代率超过50%时，再生混凝土的抗冻性能明显的下降。文献[12]对再生粗骨料的掺量为50%的再生混凝土和普通混凝土进行冻融试验，试验过程中通过对比再生混凝土和普通混凝土的质量损失和动弹性模量变化，结果表明，掺加防冻剂的再生混凝土提高了抗冻耐久性，并且比普通混凝土的抗冻耐久性要好。文献[13]建议在评价再生混凝土抗冻性能时，摒弃质量损失率和强度损失值这两个指标，而采用长度变化、相对动弹性模量和耐久性指数这三个指标值。文献[14]通过对比试验得出再生集料中颗粒粒度降低，使集料的吸水率显著提高，其密度也随之减小，再生集料较大的孔隙率也可起到微养护的作用。从上述研究可见，不少研究学者通过试验得出再生混凝土具有良好的抗冻性能，甚至优于同水灰比的普通混凝土，但未能兼顾不同掺量对性能的影响和实现多种抗冻耐久性指标的综合考量，无法较为全面的对C30再生粗骨料混凝土的抗冻耐久性进行合理的评估。基于此，本文将选用在中国土木工程中得到广泛应用的C30混凝土作为研究材料，制定试验方案，经过多次冻融循环后，测试不同掺量再生粗骨料混凝土试件的质量损失、动态弹性模量、超声波波速和立方抗压强度，并进行单轴压缩试验。最后将结果用于评估C30再生粗骨料混凝土的抗冻耐久性。

1 试验材料及步骤

1.1 试验材料的选取

1.1.1 粗骨料

本试验用的粗骨料包括天然粗骨料和再生粗骨料。再生粗骨料则由标号是C30废弃混凝土经破碎加工而成，其中天然粗骨料所选用的粒径范围为5～40 mm，连续级配，表1列出了试验过程所测试粗骨料的基本性能指标。

表1 粗骨料的基本性能Tab.1 Basic properties of coarse aggregates

1.1.2 细骨料及水泥

细骨料符合《水泥强度试验用标准砂》(GB 178-1997)[15]所列的所有规定，试验选用天然河砂，筛取4.75 mm以下的砂子，细度模数为2.75，表观密度为2 594 kg·m-3，含水率为1.38%，级配曲线处于Ⅱ区，属于中砂。

本试验选用的水泥是复合硅酸盐水泥，强度等级为32.5，各项物理力学指标满足标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175-2007)[16]。

1.1.3 配合比

按照体积法设计普通混凝土的配合比，水灰比为0.46，砂率取45%，配合比mco∶mgo∶mso∶mwo=1∶1.56∶3.47∶0.46，其中mco为单位体积混凝土的水泥用量，mgo为单位体积混凝土的粗骨料用量，mso为单位体积混凝土的用砂量，mwo为单位体积混凝土的用水量。再生粗骨料以0,25%,50%,75%和100%替换配合比中粗骨料，配制5种再生混凝土，为避免再生骨料高吸水率对配合比产生过大的影响，再生粗骨料经10 min浸水、沥干，再进行拌和。

1.1.4 试验设计

本试验过程中，严格按照配合比进行称重，然后进行搅拌并制作试块。试验设计参考《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)[17]和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)[18]，规范认为混凝土达到300次冻融循环具有较好的抗冻性，考虑到本试验所采用的粗骨料有部分是再生粗骨料，因此本文选择的再生混凝土冻融循环次数为200次。冻融试验用快速冻融法，采用NJW-HDK-9型冻融试验机。

1.2 试验编号与试验步骤

1.2.1 试验编号

对于所制立方体再生混凝土试件的编号，用L表示立方体，用C表示长方体，RAC表示再生混凝土，立方体再生混凝土用LRAC表示，其试件采用LRAC-掺量-试件序号-冻融循环次数的编号方法；长方体再生混凝土用CRAC表示，其试件采用CRAC-掺量-试件序列号-冻融循环次数的编号方法。比如CRAC50-3-100表示长方体再生混凝土试件中的再生粗骨料掺量为50%的3号试件的冻融循环次数为100次，LRAC25-1-50表示立方体再生混凝土试件中的再生粗骨料掺量为25%的1号试件的冻融循环次数为50次。

本试验冻融过程中需要测试质量、动弹性模量、超声波速和立方体抗压强度项目，其中试件质量、动弹性模量和超声波速为非破坏性试验，但考虑到需要测试不同冻融循环次数下的各种项目，以及立方体抗压强度不能进行重复性试验，试件详细分组见表2。

表2再生混凝土试件分组表
Tab.2 Groupings of recycled concrete specimen

试件编号测试项目组数块数试件尺寸/mm备注CRAC0质量、动弹性模量、超声波13100×100×400LRAC0立方体抗压强度927150×150×150普通混凝土CRAC25质量、动弹性模量、超声波13100×100×400LRAC25立方体抗压强度927150×150×150再生粗骨料掺量为25%的普通再生混凝土

注：其中再生混凝土只列举了掺量为25%的分组情况，其他掺量的再生混凝土的分组情况一样。

1.2.2 试验步骤

将再生混凝土试件分为两类进行了快速冻融试验，第一类为长方体(100 mm×100 mm×400 mm)，共计1组，每组3块长方体再生混凝土试件，测试从0次到200次冻融循环时每隔25次冻融循环后长方体再生混凝土试件的质量、动弹性模量和超声波波速，得到各种测量值随冻融循环次数的变化关系曲线图，从而分析其抗冻耐久性。第二类试件为立方体试块，共计9组，每组3块立方体再生混凝土试件(150 mm×150 mm×150 mm)，经历同样冻融循环后的立方体再生混凝土试件进行压缩试验，主要测试立方体的抗压强度、应力-应变曲线，分析再生混凝土经过不同的冻融循环次数后强度和变形的变化规律。

2 再生混凝土抗冻耐久性试验结果与分析

2.1 质量损失试验

在不同的冻融之后，再生混凝土试件会由于起皮、掉渣等现象而表现出质量的降低，因此评价再生混凝土抗冻性能的好坏，质量损失可以作为是一个比较直观的方法。再生混凝土试件质量损失率测试结果随冻融循环的变化见表3。

从表3可见，冻融循环在0～50次时，再生混凝土试件的质量轻微减少，甚至呈现增加的趋势。出现质量增长现象主要原因是冻融循环开始后，再生混凝土试件遭到的破坏并不十分的明显，但此时内部吸收的水分要比质量损失值大，导致再生混凝土试件质量增加。在25次以后，再生混凝土的质量随冻融循环逐渐降低。当冻融循环的次数进行到75次时，质量损失的速度明显加快。同时，试件质量损失率随着掺量增加而加大。到200次冻融循环时，RAC0，RAC25，RAC50，RAC75和RAC100的质量损失率最大值分别为1.90%，1.82%，1.63%，3.55%和5.47%。从测试结果看，RAC50比RAC0及其他掺量的RAC混凝土具有更好的抗冻耐久性。

表3 再生混凝土质量损失率统计表(%)Tab.3 Statistical table of quality loss rates of recycled concrete (%)

2.2 动弹性模量试验

动弹性模量是由动力法测得，也就是动弹性模量根据弹性波在再生混凝土中传播速度得到。再生混凝土的内部结构随着冻融循环的进行而逐渐的遭到破坏，此时测得的动弹性模量也会发生变化，因此，动弹性模量可以用来评价再生混凝土抗冻性。不同冻融次数后，再生混凝土试件的相对动弹性模量见表4。

表4 相对动弹性模量统计表(%)Tab.4 Statistical table of relative dynamic elastic modulus (%)

从表4可知，在整个冻融循环过程中，相对动弹性模量随着冻融循环的进行逐渐降低。当冻融循环进行到75次时，相对动弹性模量的下降速度明显加快，且掺量大于50%的再生混凝土试件的相对动弹性模量下降相对更快。在经过200次冻融循环后，RAC0混凝土试件的相对动弹性模量相对于原值平均降低了29.3%；RAC25，RAC50，RAC75和RAC100再生混凝土试件的相对动弹性模量平均分别降低了35.9%，31.4%，35.7%和38.1%。因此，从动弹性模量下降幅度看，RAC50的抗冻耐久性效果最接近普通混凝土，优于其他再生混凝土。

2.3 超声波波速试验

再生混凝土的超声波波速与其内部结构有关，超声波波速是再生混凝土超声检测中的一个重要参数。再生混凝土超声波波速越高，内部结构的致密性也就越好，也就表明再生混凝土在经历冻融循环后其内部受到的损害越小。因此可以通过超声波波速值的大小来判断再生混凝土的经历冻融循环后的情况，从而判定再生混凝土的抗冻耐久性。

在冻融循环过程中，超声波波速和相对超声波波速随冻融循环的变化曲线如图1所示。

图1 超声波波速测试结果Fig.1 Ultrasonic velocity test results

从图1可以看出，随着冻融循环的进行，再生混凝土的超声波波速呈现出逐渐降低的趋势。当冻融循环进行到75次时，超声波波速的下降速度明显加快，且掺量大于50%的再生混凝土试件的超声波波速下降相对更快；在经过200次冻融循环后，5种掺量的混凝土试件相对超声波波速最小值仍不低于70%，但呈现出再生粗骨料掺量越大超声波波速降幅越大的规律。

2.4 立方体抗压强度分析

抗压强度对工程结构至关重要，是混凝土力学性能的考核指标和工程验收的标准之一，也是再生混凝土力学性能的直观表达。再生混凝土试件在标准条件下养护28 d后进行立方体抗压强度试验，试验破坏过程如图2所示。

取三个再生混凝土试件立方体抗压强度的平均值随冻融循环的变化曲线如图3(a)所示，立方体抗压强度损失率如图3(b)所示。

由图3可知，在冻融循环为0次时，再生混凝土的立方体抗压强度的初始值都在37 MPa以上，差别不大，说明自然状态下，再生粗骨料掺量对再生混凝土的立方体抗压强度影响很小。随着冻融循环的进行，再生混凝土的抗压强度不断的减小，抗压强度损失率不断地增大，经过200次冻融循环后抗压强度损失率在24.8%～38.5%之间。RAC25,RAC75和RAC100混凝土试件平均抗压强度损失率随冻融循环的进行变化趋势大体一致，变化较为平缓；RAC0和RAC50混凝土试件平均抗压强度损失率随冻融循环的进行有明显的波动，变化较大，且两者变化曲线较为接近。随冻融循环的进行，RAC100混凝土试件的立方体抗压强度损失率始终最大；当循环次数达到200次时，RAC50混凝土试件的立方体抗压强度损失率最小。从立方体抗压强度测试过程和结果看，在200次冻融循环中，RAC50混凝土试件的立方体抗压强度接近普通混凝土试件强度。

图2 再生混凝土抗压强度受压过程Fig.2 The compressive strength process of recycled concrete

图3 立方体抗压强度试验结果Fig.3 Cube compressive strength test results

2.5 应力-应变曲线分析

在室温条件下，对经历不同冻融循环次数的再生混凝土试件进行单轴压缩试验，试验使用YA-2000型压力试验机，通过控制送油的快慢来对试块进行加载的操作；在强度试验中，结构及材料的变形测试由数字静态应变仪来进行。试件从冻融机中取出后便立即进行试验，在抗压强度测试的过程中，通过对单轴压缩试验测得的荷载位移数据整理分析，便可以得到再生混凝土试件试验值的应力-应变(σ-ε)曲线。在经历不同冻融循环次数时，再生混凝土立方体试件的应力-应变曲线中，由于试验试件量较大，在每一组试件中抽取一个比较完整的曲线，得到普通再生混凝土应力-应变曲线如图4～8所示。

图4 RAC0应力-应变曲线Fig.4 RAC0 stress-strain curves

图5 RAC25应力-应变曲线Fig.5 RAC25 stress-strain curves

图6 RAC50应力-应变曲线Fig.6 RAC50 stress-strain curves

图7 RAC75应力-应变曲线Fig.7 RAC75 stress-strain curves

图8 RAC100应力-应变曲线Fig.8 RAC100 stress-strain curves

由图4～8可得，不同掺量的再生混凝土，应力-应变趋势基本一致，且应力-应变曲线的斜率都呈现出先增大后减小的趋势，即试件抵抗变形的能力逐渐减小。再生混凝土掺量在25%时随冻融循环的进行，应力-应变曲线分布较为集中；RAC75和RAC100的应力-应变曲线在应变达到2.0×10-3左右时有明显转折点。

绘制不同掺量再生混凝土峰值应力及峰值应变与冻融循环次数的关系曲线，如图9所示，随着冻融循环的进行，再生混凝土的峰值应力呈现出逐渐减小的趋势，峰值应变呈现出逐渐增加的趋势。从图9(a)可见，RAC100混凝土试件在第175次冻融循环时峰值应力出现明显的转折点；当冻融循环进行到200次时RAC50的峰值应力最大；RAC25和RAC50的曲线变化较为平缓，峰值应力随冻融循环的进行下降速率较慢。从图9(b)可得，RAC50在第100次冻融循环时峰值应变出现呈明显上升趋势的转折点，在100次循环之前峰值应变约为1.4×10-3，在100次循环之后峰值应变约为1.8×10-3；RAC0和RAC25的峰值应变大致在1.0×10-3～1.4×10-3范围内；RAC75和RAC100的峰值应变在1.8×10-3～2.6×10-3范围内；RAC0和RAC25曲线变化较平缓，冻融循环对峰值应变的影响较小。

图9 再生混凝土峰值应力-应变曲线Fig.9 Peak stress-strain curves of recycled concrete

3 结 论

试验选用C30再生混凝土作为材料，对再生粗骨料掺量为0，25%，50%，75%和100%的再生混凝土进行0～200次的冻融循环试验(间隔为25次)。试验对比分析了不同掺量再生混凝土质量、动弹性模量、超声波波速、立方抗压强度和应力应变等多项性能的变化规律，得到结论为

1) 随着冻融循环次数的增加，再生混凝土的质量呈现先增加后减小的趋势，超声波波速、立方体抗压强度和动弹性模量逐渐减小。

2) 经过200次冻融循环之后，根据质量、动弹性模量损失率不同掺量再生混凝土性能排序为RAC50>RAC0>RAC25>RAC75>RAC100，根据超声波波速不同掺量再生混凝土性能排序为RAC0>RAC25>RAC50>RAC75>RAC100，根据立方体抗压强度不同掺量再生混凝土性能排序为RAC0>RAC50>RAC25>RAC75>RAC100。总体来说，替代率为50%的再生混凝土相对于其他替代率的再生混凝土表现出较好的抗冻性。

3) 不同掺量再生混凝土应力-应变曲线的变化趋势基本相同，且曲线的斜率都呈现出先增大后减小的趋势；随着冻融循环次数的增加，再生混凝土的峰值应力呈现出逐渐减小的趋势，峰值应变呈现出逐渐增大的趋势。冻融循环进行200次后，根据峰值应力不同掺量再生混凝土性能排序为RAC50>RAC0>RAC25>RAC75>RAC100，根据峰值应变不同掺量再生混凝土性能排序为RAC100>RAC75>RAC50>RAC25>RAC0。