冻融循环下透水再生混凝土力学性能损伤分析

2020-05-19张卫东彭宁波高延安

建筑材料学报 2020年2期

张卫东，董云，彭宁波，高延安

(淮阴工学院建筑工程学院，江苏淮安 223001)

寒冷地区混凝土发生冻融损伤破坏较为常见．为了进一步响应国家节能减排和建设海绵城市的号召，透水混凝土已被广泛应用于轻交通路面．透水混凝土内部存在大量孔隙，其中起透水作用的孔隙为连续性孔隙，其余孔隙称为无效孔隙[1-3].由于其内部孔隙较多且强度较低，寒冷水环境下水冻涨力会在透水混凝土内部不断形成损伤，进而影响其耐久性，故透水混凝土抗冻融性能已经受到国内外学者的重视，并开展了一系列研究．如Anderson等[4]研究了粉煤灰和NaCl溶液浓度对不同野外环境下透水混凝土孔隙率、抗压强度、透水性能和冻融耐久性的影响；Wu等[5]研究了引气剂、EVA乳胶和聚丙烯纤维对室内外不同冻融环境下透水混凝土强度和孔隙率的影响；Lund等[6]运用模态分析方法对透水混凝土的冻融耐久性进行了评价分析；张炯等[7]研究了粉煤灰、EVA乳胶和聚丙烯纤维对透水混凝土渗透性、抗压强度和抗冻融性能的影响．

由于透水混凝土受荷破坏主要沿着骨料黏结区域发生，且目前再生骨料已部分或完全取代天然砂石并逐渐运用在实际工程中，故一些学者提出用再生混凝土粗骨料替代天然骨料来制作透水混凝土，即透水再生混凝土．由于骨料间黏结强度也是影响透水混凝土力学性能和抗冻融性能的重要因素，且再生混凝土骨料周围附带水泥砂浆等会降低骨料之间的黏结性能，因此有必要开展此方面的研究工作.如Zaetang等[8]开展了再生骨料类型、粒径和取代率对透水混凝土孔隙率、抗压强度、耐磨性能和透水性能影响的试验研究；Barnhouse等[9]研究了TiO2、细砂掺量和再生粗骨料取代率对透水混凝土物理力学性能的影响；王金龙[10]开展了冻融循环作用下再生砖骨料透水混凝土的相关性能研究，探讨了再生砖骨料透水混凝土在冻融循环作用下的力学性能．但目前关于透水再生混凝土的抗冻融耐久性方面的研究还不系统，因此本文以冻融循环次数和再生粗骨料取代率为研究变量，从损伤角度开展了不同取代率下冻融循环作用对透水再生混凝土(PRC)力学性能影响规律的试验研究，并建立了损伤度与透水再生混凝土强度衰减之间的关系式．

1 原材料、配合比及试验方法

1.1 原材料

水泥(C)为华沃(淮安)水泥有限公司生产的P·Ⅱ 42.5硅酸盐水泥，化学组成(质量分数，本文涉及的组成、压碎指标和水灰比等均为质量分数或质量比)如表1所示；天然骨料(NCA)为天然石灰岩碎石，堆积密度为1498kg/m3，粒径尺寸为4.75～9.5mm，压碎指标为3.97%；再生骨料(RCA)由废弃混凝土(设计强度为C30)粉碎后获得，质量符合混凝土骨料要求，堆积密度为1236kg/m3，压碎指标为14.86%，粒径尺寸与天然骨料相同；水(W)为当地自来水；减水剂(SP)为江苏苏博特新材料有限公司生产的PCA®-Ⅰ聚羧酸高性能减水剂，减水率在30%以上；增强剂(RA)为南京佳境透水混凝土增强剂，其中的CaO、SiO2含量分别为0.63%和72.47%．

表1 水泥的化学组成

1.2 配合比

影响冻融循环作用下透水混凝土力学性能的因素较多，如骨料、水灰比、集灰比、含气量、孔隙率和水泥品种等．为了深入研究再生混凝土粗骨料对透水混凝土冻融耐久性的影响，本次试验中仅考虑再生粗骨料取代率(η)和冻融循环次数(n)2个影响因素，4种取代率分别为10%、20%、30%和40%；6种冻融循环次数分别为0、25、50、75、100、125次．透水再生混凝土配合比如表2所示，其中水灰比mW/mC均为0.25，同时用PRC-η来表示透水再生混凝土-再生粗骨料取代率．为了降低天然骨料与再生骨料吸水率不同对试件冻融耐久性的影响，采取了将骨料浸泡在水中24h再自然晾干的方法．

透水再生混凝土是大孔隙率混凝土，采取机械振捣易造成水泥浆下沉且导致试件上部分骨料间胶凝材料减少，骨料间黏结性能降低；同时胶凝材料下沉还会堵塞试件内部孔隙，造成试件透水性能下降．鉴于此，本次试验采取沿试件高度分段人工振捣的方法．

表2 透水再生混凝土配合比

1.3 试验方法

透水再生混凝土冻融试验方法参照ASTM C666/C666M-03《Standard test method for resistance of concrete to rapid freezing and thawing》中的快冻法执行，液体介质为水．试件尺寸为100mm×100mm×400mm，冻融机选用北京数智意隆仪器有限公司生产的KDR-V9型快速冻融试验机．

每经过25次冻融循环测1次试件的动弹性模量，最高冻融循环次数为125次．动弹性模量测定采用英贝儿(天津)测控设备有限责任公司生产的IMDT-16动弹性模量测定仪．

测试不同冻融循环次数下透水再生混凝土抗压强度和抗折强度的试件为对应阶段的冻融试件．将冻融试件擦干后首先进行动弹性模量测试，晾干后进行抗折强度测试，再将抗折断裂试件切割成 100mm 的立方体试件并进行立方体抗压强度测试．所有强度测试和试验数据处理均依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行．

2 冻融循环作用对透水再生混凝土力学性能的影响

将经过n次冻融循环后的透水再生混凝土动弹性模量、抗折强度和立方体抗压强度与冻融循环前的相应值比较，可得到其相对动弹性模量(En/E0)、相对抗折强度(fr,n/fr)和相对立方体抗压强度(fcu,n/fcu)，如图1所示．

由图1可见：

(1)不同再生粗骨料取代率下，透水再生混凝土的相对动弹性模量、相对抗折强度和相对立方体抗压强度均随冻融循环次数的增加而下降，衰减严重；当冻融循环次数较小时，下降幅度较为平缓．该衰减趋势与文献[5]中透水混凝土强度和弹性模量随冻融循环次数增加而衰减的趋势较为相似．

(2)相同冻融循环次数下，再生粗骨料取代率越大，透水再生混凝土的相对动弹性模量、相对抗折强度和相对立方体抗压强度衰减得越严重．原因主要是再生粗骨料的力学性能等均低于天然骨料，其周围包裹的废旧水泥砂浆影响了骨料与水泥浆体的黏结性能，故再生粗骨料取代率越大，不利作用越显著．

(3)在再生粗骨料取代率、冻融循环次数相同的条件下，透水再生混凝土的相对动弹性模量、相对抗折强度和相对立方体抗压强度的衰减速率从大到小依次为：相对抗折强度>相对立方体抗压强度>相对动弹性模量．

图1 透水再生混凝土力学性能与冻融循环次数关系曲线Fig.1 Relationship between mechanical properties and the number of freeze-thaw cycles of PRC

3 力学性能衰减研究

3.1 抗折强度衰减规律

混凝土的冻融损伤一般用相对动弹性模量或质量损失进行评价分析[11-12]．本文采用相对动弹性模量来定义透水再生混凝土的损伤度D，见式(1)：

(1)

透水再生混凝土相对抗折强度fr,n/fr与损伤度D的关系曲线如图2所示．

由图2可见，不同再生粗骨料取代率的透水再生混凝土相对抗折强度与损伤度之间均有着较好的相关性，可用指数函数y=e-x/t表示，即fr,n/fr=e-D/t．其中t为回归参数，与再生粗骨料取代率有关，具体数值见图2．由图2可知，随着再生粗骨料取代率从10%逐渐增大到40%，t从0.4824逐渐增至0.6939，这说明透水再生混凝土抗折强度衰减与再生粗骨料取代率之间存在着一定的关系，即在损伤度相同的情况下，再生粗骨料取代率越大，其抗折强度损失也就越大．