引气再生混凝土抗冻耐久性试验与损伤模型

2020-05-20邓祥辉曹卫平薛丽媛

科学技术与工程 2020年9期

邓祥辉,曹卫平，薛丽媛，王睿

(西安工业大学建筑工程学院,西安 710021)

据工业与信息化部统计数据显示，2016年中国产生的建筑垃圾超过15×108t，且呈逐年上升的趋势。估计到2020年中国建筑垃圾的年产量将高达20×108t，其中40%以上是混凝土垃圾。因此，研究废弃混凝土的循环再利用具有重大的社会经济价值。而中国混凝土结构劣化与破坏呈“南锈北冻”的地域性特征[1]，随着西部大开发的深入推进，西北地区将成为中国的基建重地。因此，研究再生混凝土的抗冻耐久性对于再生混凝土应用意义重大。

前人对混凝土的抗冻耐久性进行了多方面的研究，取得了很多有价值的成果。Thomas等[2]通过24种配比混凝土的物理、耐久性和力学试验的结果，分析了再生粗骨料混凝土耐久性的物理、力学机制和力学分析方法，并提出一种再生粗骨料混凝土抗压强度的试验模型的建议。李金玉等[3]通过快速冻融试验研究了普通混凝土、引气混凝土和高强混凝土的抗压强度、抗弯强度、抗拉强度、动弹性模量、饱和面干吸水率、孔结构、水化产物等变化特征，结果表明，混凝土的冻融破坏是一个物理破坏，且不同种类混凝土的破坏机理是不尽相同。刘性硕等[4]通过电通量试验、表面气体渗透试验和硬化混凝土气泡参数试验，结果表明引气剂可大范围阻断毛细气孔通路，引气剂对冻融次数越多的混凝土试件抗渗改善效果越显著。曹大富等[5]对经过0、25、50和75次冻融循环作用的C20棱柱体试件进行试验，得出了各个力学性能与相对动弹性模量变化的规律;张凯等[6]通过将不同取代率的再生混凝土放入5%的硫酸钠溶液中，进行冻融循环试验，得到了硫酸盐和冻融循环双重作用下再生混凝土的力学性能演化，并分析了内在机理。

混凝土因反复冻融而产生的材料性能劣化和结构破坏，其实质为混凝土内部裂缝产生和发展积累的结果。损伤力学正是研究材料损伤的物理过程及其对材料行为影响的一门固体力学分支学科。Lei等[7]用扫描电镜(SEM)和显微镜硬度研究冻融循环过程中再生混凝土和引气再生混凝土中微裂纹的产生与发展，结果表明界面过渡区为混凝土抗冻性能的薄弱环节。陈爱玖等[8]对再生粗骨料掺量为40%、不同掺量的聚丙烯纤维和引气减水剂的再生混凝土进行冻融循环试验，并建立冻融损伤模型，预测了再生混凝土的损伤程度。龙广成等[9]对比研究了C40的普通混凝土和自密实混凝土经受冻融作用后的单轴压缩应力-应变关系，并基于应变等价性和统计损伤理论建立了相应的损伤本构模型，探讨相应损伤变量的演变特性。罗素蓉等[10]对纳米改性的再生混凝土进行断裂实验，以双K断裂参数作为评价指标，结果表明，再生混凝土的起裂韧度和失稳韧度与再生骨料替代率呈负相关的关系。余志武等[11]通过对Mode-Ⅱ微裂缝的微观损伤机理分析，提出并验证了束-莲模型作为混凝土随机损伤本构模型的合理性。

基于前人研究思路，现对引气再生混凝土进行冻融循环试验，得到混凝土性能演变试验数据，通过建立损伤模型来对比分析各配合比的混凝土的性能特性。

1 冻融循环试验

1.1 原材料与配合比

实验混凝土的设计强度等级为C30。天然粗骨料粒径为5～40 mm、连续级配，表观密度为2 559 kg/m3；再生粗骨料来自于C30废弃混凝土；细骨料为天然河砂，细度模数为2.75，为中砂，表观密度为2 594 kg/m3；水泥为复合硅酸盐水泥，强度等级为32.5；引气剂为粉末引气剂，根据《混凝土外加剂应用技术规范》(GB 50119—2013)要求，引气剂的引气量最大限制为4.5%。

按照体积法设计普通混凝土的配合比，水灰比W/C取0.46，砂率βs取45%，配合比为mco∶mgo∶mso∶mwo=360∶561∶1249∶165=1∶1.56∶3.47∶0.46。再生粗骨料以0、25%、50%、75%、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，加入拌和。在此基础上，添加引气剂，掺量为0.05%，减水率按6%计算，配制5种不同掺量的引气再生混凝土。

1.2 试验设计与试验设备

对于所制立方体再生混凝土试件的编号，L表示立方体，RAC表示再生混凝土，立方体再生混凝土采用LRAC-掺量-试件序号-冻融循环次数的方法；对于掺入引气剂的试件采用YLRAC-批次-试件序号-冻融循环次数的方法，对于长方体试件，采用CYRAC-掺量-试件序列号-冻融循环次数的方法。比如CRAC50-1-200表示不添加引气剂长方体再生混凝土试件中的再生粗骨料掺量为50的1号试件的冻融循环次数为200次，YLRAC75-2-100表示引气立方体再生混凝土试件中的再生粗骨料掺量为75%的2号试件冻融循环次数为100次。

试验冻融过程中测试质量、动弹性模量项目，主要试验设备有：电子称、DT-10W型动弹性模量测定仪、冻融试验机。

2 试验结果及分析

2.1 质量损失试验

冻融循环试验采用快冻法，将24 d的试件放入(20±2) ℃水中浸泡4 d，开始冻融试验。用湿布擦除试件表面水分，对外观尺寸、初始质量W0i、横向基频初始值f0i进行测量记录；将试件放入冻融试验机内，进行冻结和融解循环。

每隔25次冻融循环，取出试件，将试件表面浮渣清洗干净并擦干表面水分，对其外部损伤作必要的记录，然后称量质量,按要求取得测试结果如表1所示,计算单个试件的质量损失率如图1所示。

由图1可知，冻融循环次数小于50 h，引气再生混凝土和再生混凝土质量损失率均为负，即混凝土质量随冻融次数增加而增加，在大于50 h，质量损失率均为正，即混凝土质量随冻融次数增加而减少；再生粗骨料掺量为50%时，较其他掺量质量损失率更低；添加引气剂使再生混凝土质量损失率变化更小和200次质量损失减小，但是改善程度有限。

2.2 动弹性模量试验

与质量检测一样，每隔25次冻融循环，检测试件的动弹性模量，按要求得到测定结果。再生混凝土的动弹性模量测试结果如图2所示，将其归一化得到相应的相对动弹模量如图3所示。

表1 再生混凝土质量测试数据Table 1 Mass test data of recycled concrete

图1 质量损失率Fig.1 Mass loss rate

图2 动弹性模量Fig.2 Dynamic elastic modulus

图3 相对动弹性模量Fig.3 Relative dynamic elastic modulus

由图2、图3可知，随冻融循环次数增加，相对动弹性模量逐渐减小，即混凝土的动弹性模量逐渐减小；200次冻融循环，再生粗骨料掺量为0和50%的动弹性模量相近，较其他掺量损失更少；添加引气剂的再生混凝土的动弹性模量相较于未加引气剂的增大了1～3 GPa(1%～5%)，且随冻融次数增加，动弹性模量的减小速度也降低了。

3 混凝土的损伤模型

3.1 混凝土损伤模型

混凝土在冻融循环过程中材料性能不断劣化，其微观机理在于混凝土内部孔隙中水不断在水-冰二相之间变化时，体积的变化会在孔隙中产生反复冻胀压力，溶液盐浓度梯度的变化在孔隙中引起渗透压，和其他原因的共同作用，使混凝土内部孔隙发展、产生、贯通[3]。将其类比于循环荷载作用，经过足够的应力循环作用，混凝土内部的损伤积累使试件产生裂纹，并促进裂纹扩展，导致试件破坏。根据材料疲劳荷载与疲劳寿命关系，材料寿命主要与最大应力σmax、最小应力σmin、循坏次数n、材料性能参数α有关。Aas-Jakobsen提出的混凝土材料疲劳寿命公式[12]，在混凝土冻融循环的受力特性下，可简化为式(1)：

S′(n)=1-αlg(N-n)

(1)

式(1)中：S为应力水平，等于最大应力σmax与混凝土的抗拉强度比值。在S0的应力水平下，再生混凝土的冻融循环寿命为N，当循环n次后，冻融循环寿命为(N-n)，相应的应力水平为S′(n)。

在冻融循环过程中，应力水平S很好的表现了混凝土抗冻性能不断劣化特征，故可定义实际应力比S′(n)与S0的相对差值为损伤变量W(n)，即：

W(n)=[S′(n)-S0]/S′(n)

(2)

联立式(1)、式(2)得：

(3)

由式(1)可知，dS/dlg(n)=-α，即α表示冻融循坏次数增量对再生混凝土的应力水平的影响系数，故可用α来表征材料的抗冻能力。当α越大，冻融循环的增加对混凝土的应力水平影响越大，即混凝土的抗冻性能越差。

由式(2)可知，损伤变量W(n)为标量，当冻融次数为0次时，W(n)=0，混凝土未受冻融损伤；当冻融次数为N次时，W(n)=1，再生混凝土已破坏。

3.2 再生混凝土的材料参数α

在已建立的再生混凝土损伤模型中，材料参数α表征着不同材料的抗冻性能。实验中不同配比(掺量、引气)的再生混凝土的抗冻性能即可通过损伤模型中的材料参数α来进行评价。

根据文献[13]的研究，混凝土在冻融循环过程中，其抗拉强度和相对动弹性模量的劣化规律呈线性关系。并且从混凝土微观损伤机理来说，损伤是混凝土内部裂缝的产生、发展的积累过程，而这些会显著地在混凝土对动力波的响应特征中反映出来，即动弹性模量。因此，冻融n次时的动弹模Pn可作为冻融损伤模型的验算值，计算公式如式(4)所示：

Wn=1-Pn/P0

(4)

式(4)中：P0为初始动弹模量。

在快速冻融循环试验中，以相对动弹性模量降至60%为试验终止条件，若以此对损伤变量进行归一化，则损伤变量的计算公式为

Wn=(1-Pn/P0)/40%

(5)

将式(5)代入式(3)计算各混凝土的材料参数α在冻融循环次数为n时的值，如图4所示。

图4 材料参数的变化Fig.4 Variation of material parameter

由图4可知，各配合比的混凝土在历经200次冻融循环后，按材料参数α的大小排序，依次为RAC100>RAC25>RAC75>RAC50>YRAC100>RAC0>YRAC75>YRAC25>YRAC0>YRAC50，即混凝土的抗冻性能按该顺序依次增强。掺量为50%的再生混凝土与普通混凝土的抗冻性能相近，优于其他掺量。添加引气剂的再生混凝土，其抗冻性能的衰减速度较未添加引气的抗冻性能更好，原因在于引气剂引入的大孔径(0.05～1.25 mm)的封闭气泡，使混凝土吸水饱和度降低以及为水结冰提高压力释放空间，从而提高混凝土的抗冻性能。在试验中，引气剂的添加与再生骨料掺量之间存在着最佳配比的关系。以胶凝材料的质量为基准来确定固定的引气剂添加量，对于不同掺量的再生粗骨料混凝土的抗冻性能的改善程度不同，RAC25>RAC75,而YRAC75>YRAC25；从整体上来看，冻融循环次数与材料参数α呈正相关关系，但在冻融循环早期(次数小于75次)，RAC100、RAC75和YRAC100的抗冻性能有明显增强现象，在大于75次之后快速衰减，类似于冻融过程中质量损失的规律，而YRAC50、YRAC0和YRAC25的抗冻性能变化较平稳，随冻融次数而缓慢减小。

从冻融损伤的微观机理来看，上一循环的损伤必定为之后冻融循环损伤的发展、贯通提供基础。从微观力学来看，混凝土应力水平增大是混凝土的抗拉强度衰减和冻胀应力增大二者效应叠加的结果。因此用指数增长函数关系来拟合不同配比混凝土的材料参数α与冻融循环次数n的关系比较合理。同时，表征指数增长函数增长特性的函数参数也可以赋以明确的物理意义，如式(6)所示：

α=m+pexp(n/q)

(6)

式(6)中：q为强度系数；p为增长幅度系数。

由式(6)可知，当n=0时，α0=m+p，其值表征着混凝土未经冻融循环时的材料参数α，即材料的初始抗冻性能，故m也可表征材料的基础抗冻性能；dα/dn=p/qexp(n/q)，其值表征着材料参数增长特性，可知α受q值影响较大。拟合结果如表2所示。

由表2可知，拟合函数的相关性系数均较大，表明拟合效果较好，则该模型能够较好反应混凝土在冻融试验过程中的损伤规律。各混凝土的(m+p)值比较接近，为0.25～0.31；其中RAC100的(m+p)值最大，为0.305，即初始抗冻性能最差，YRCA0的(m+p)值最小，为0.258 4，即初始抗冻性能最好。除RAC100外，各混凝土的dα/dn=p/q·exp(n/q)也比较接近，为0.000 22～0.000 45；其中YRAC50最大，为0.000 229，即抗冻性能衰减较慢，而RAC0、YRAC100较小，分别为0.000 42、0.000 44，即抗冻性能衰减较快。值得注意的是：讨论上述函数参数意义，应当是在分析相应的相关性系数基础之上进行。如图5所示，RAC100的数据点分布明显呈先下降后增加的趋势，此时用指数增长函数进行拟合，其相关性系数较低，这也是混凝土性能离散性较大的表现，质量较差。

表2 材料参数的拟合结果Table 2 Fitting results of material parameter

3.3 损伤变量W(n)

将拟合的材料参数α代入再生混凝土损伤模型，可得各配合比混凝土损伤变量W(n)，如式(7)所示：

(7)

在再生骨料掺量、冻融循环次数n、损伤变量的三维空间内，用插值方法绘制再生混凝土和引气再生混凝土的损伤变量数据平面，同时绘制一组再生混凝土和引气再生混凝土的实验数据点来观察该模型的拟合效果，如图5所示。

图5 再生混凝土的损伤变量W(n)Fig.5 Damage variable W(n) of recycled concrete

由图5可知，试验实测数据点分布再生混凝土损伤模型计算曲面的附近，损伤模型计算预测的混凝土损伤值与试件实际冻融破坏的特征相符，该模型能够较好反应不同掺量再生混凝土和引气再生混凝土的冻融损伤规律。

各混凝土按损伤值的变化规律与材料参数α的变化规律是一致的。从冻融循环次数维度来看，平面呈上升趋势，即抗冻性能在不断损伤。从再生粗骨料掺量维度来看，平面呈波浪形，在掺量为0和50%为波谷，即抗冻性能较优。对比两个平面，随着冻融的增加，二者逐渐分离，添加引气剂数据平面低于未添加引气剂数据平面之下，即添加引气剂对混凝土的抗冻性能有所改善。