再生混凝土冻融作用下强度损伤研究

柳艳杰，金明山，张晓东,张仕龙，刘 佳, 丁 琳

(1.黑龙江大学 a.建筑工程学院;b.黑龙江省村镇饮水安全工程技术研究中心,哈尔滨 150080；2. 黑龙江农垦现代农业工程设计有限公司,哈尔滨 150090，3.黑龙江省隆业水利水电工程建设有限公司，哈尔滨 150080；)

0 引 言

由于建筑物具有一定的使用年限，使用过程中又不可避免地会出现损坏，废弃混凝土占用大量的土地资源。同时，由于碎石及卵石资源日益短缺，将混凝土合理循环利用，变废为宝，将会带来重要的资源节省和环境保护。

再生混凝土是指将通过破碎、清洗和分级等方法处理废弃的混凝土作为骨料，按照相应的比例拌合而成的一种混凝土[1]。它是用全部或者部分的再生骨料，代替砂石等天然骨料，配制而成的新的混凝土材料。试验采用废弃的原生骨料来制作再生混凝土，由于再生混凝土骨料的力学及抗冻性能较低，本研究采用掺入纳米级硅粉改善再生混凝土的性能[2]。李佳鑫研究得出，硅粉掺量对混凝土的早期强度影响较大[3]；2019年孙剑飞提出了长龄期粉煤灰即硅粉作用的机理[4]；陈洁瑶研究表明：水泥矿粉土强度大于水泥土强度; 水泥矿粉土渗透系数小于水泥土渗透系数[5]；孙华研究了不同水泥掺量对粒料稳定基层的影响[]；丁琳通过大量的试验研究，分析了粉煤灰对硅粉泡沫混凝土长期抗压强度的作用机理[6]。张鸿儒研究了再生骨料混凝土干缩裂缝产生的过程及变化规律[7]；Xuan采用加速碳化技术来增强再生混凝土骨料的质量，评估再生骨料的性能及其对新混凝土力学性能的影响[8]；Shayan比较使用了两种已知现场性能的再生骨料通过两种测试方法获得膨胀结果，并评估其膨胀极限，预测这些骨料的有效性，提出了两种评估粉煤灰抑制膨胀有效性的测试方法[9-10]。姚宇峰进行了再生粗骨料对再生混凝土的基本力学影响研究[11]。

1 材料和试验方法

1.1 试验原料

试验采用哈尔滨水泥厂生产的天鹅牌42.5级普通硅酸盐水泥、硅灰、松花江砂子、再生骨料、石子、黑龙江省低温科学研究所生产的聚羧酸高性能减水剂、自来水等材料。

1.2 试验设备配合比

试验设备见表1。试验配合比见表2。

表1 试验设备Table 1 Test equipment

表2 C30混凝土的配合比Table 2 Mixing ratio of C30 concrete

1.3 试块的制作及其养护

本次试验，笔者制作了边长为150 mm的立方体和100 mm×100 mm×400 mm的长方体试块。首先，将废弃的混凝土进行破碎、清洗和分级处理，为制作良好级配的混凝土做准备。

先将石子和再生粗骨料倒入搅拌机搅拌，再将砂子倒入搅拌约30 s后，加入已经掺加减水剂的水，继续搅拌约90 s后，准备进行浇筑。在浇筑前，在模具四周放上一层保鲜膜，有利于脱模。混凝土装模后放到振动台，震动约90 s，待混凝土均匀分布于模具中后，关闭电源。在实验室放置24 h后，进行拆模。脱模后，将试块放入标准养护室内养护28 d。

2 试验研究

本次试验先进行常温下立方体抗压试验，对比再生混凝土冻融循环前的立方体抗压强度大小，之后通过快冻法进行冻融循环试验，研究经过冻融循环后，再生骨料混凝土试块的强度损伤。

2.1 再生骨料混凝土立方体抗压强度试验

本试验使用NYL3000型压力试验机，从养护室中取出立方体试块S0、S1、S2、S3各组3块，共12块。通过文献[3]，进行立方体抗压强度试验。加载前后的再生骨料混凝土试件见图1。

图1 再生骨料混凝土试件加载破坏过程Fig.1 Loading failure process of recycled aggregate concrete specimen

经历压缩试验后，再生骨料混凝土呈X型或者四角锥形破坏，破坏形态见图2。主要破坏界面有3种：天然骨料和老砂浆间、老砂浆和新砂浆间以及天然骨料和新砂浆间。破坏主要原因：再生骨料与水泥砂浆之间的黏结相对比较薄弱；再生粗骨料强度不够大，导致加载后压碎；再生粗骨料的空隙率比天然粗骨料相对较大，导致承受轴向荷载时产生内部应力集中现象，且再生粗骨料表面存在未除净的薄水泥浆，导致破坏发生。

图2 再生混凝土立方体抗压呈锥形破坏Fig.2 Compressive cone-shaped failure of recycled concrete cube

再生混凝土的抗压强度见表3。再生混凝土在再生骨料取代率和硅粉掺量协同升高下，它的立方体抗压强度先增加而后递减。S1、S2、S3的立方体抗压强度分别为S0的177.8%、213.8%、141.0%，故S2的抗压效果相对较好。查阅文献得知，再生骨料取代率提高，混凝土的抗压强度应该降低。本实验的再生混凝土抗压强度较原生混凝土有相应的提高，且先增后减。可见，硅粉的掺量对再生混凝土强度的提高具有显著的作用，可使再生混凝土达到高强的效果。

表3 冻融循环试验Table 3 Freeze-thaw cycle test

2.2 再生骨料混凝土抗冻耐久性能试验

根据文献[12-13]，本次试验采用的是快冻法，取标准尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的S0、S1、S2、S3长方体试块每组各3块，共12块试件进行试验。用于测定试件在冻融循环的作用下，进行多次冻融直至达到失效指标，利用极限冻融次数来评价再生混凝土抗冻性；通过观察混凝土的表面现象，得出冻融循环作用下，再生混凝土的破坏机理。

由于再生混凝土内部的微裂缝较多，骨料的空隙较大，吸水性较强。不断进行水冻冰融，在冻胀力作用下，混凝土试件内部结构变得疏松，外部砂浆开始脱落，骨料外露，产生了强度损失。

通过冻融循环试验，发现在50次时，出现了表面的砂浆脱落现象；100次试验时，表面脱落现象更加明显，变得粗糙；150次时，砂浆继续脱落，伴随有掉角现象；200次循环时，砂浆脱落严重，有石子外露现象；250次时，砂子脱落，部分石子开始脱落，部分试件已经破坏；300次冻融循环试验，试件几乎完全失效。25～100次冻融循环后，再生混凝土试件见图3。本次极限冻融循环次数见表4。

图3 混凝土冻融循环变化过程Fig.3 Change process of concrete with freeze-thaw cycle

由表4可见，再生混凝土在再生骨料取代率和硅粉掺量协同升高下，它的冻融循环次数先增加而后出现递减。S1、S2、S3经受的冻融循环次数分别为S0的140.1%、155.5%、150.5%，故S2的抗冻耐久性能最好。查阅文献[5]得知，随着再生取代率的增大，再生混凝土的抗冻耐久性降低。本试验的再生混凝土抗冻耐久性较原生混凝土有相应的提高。可见，硅粉的掺量对再生混凝土抗冻性的提高具有显著的作用，可使再生混凝土达到耐寒的效果。

表4 冻融循环试验结果Table 4 Freeze-thaw cycle test results

3 结 论

通过对以上两组再生混凝土试块的对比实验，得出以下结论：

1)硅粉的比表面积为20～25 m2/g，是水泥比表面积的50～60倍；纳米硅粉掺入能有效增加其密度及凝聚力，从而提高了再生混凝土的抗压强度，使再生混凝土达到高强的目标。试验研究表明，再生混凝土骨料替代率为50%，当硅粉掺量为9%时，再生混凝土的抗压强度最高。

2)由于再生混凝土骨料内部存在微裂隙，导致受力不均匀，混凝土受到荷载作用时，再生骨料的微裂隙会进一步发展形成贯通裂隙，混凝土产生破坏。再生骨料混凝土仅掺入水泥，因水泥颗粒较大无法进入再生骨料微裂隙，而纳米级的硅粉可有效渗入到微裂隙中，起到充填胶结作用，有效降低了混凝土的孔隙率。试验结果表明：破坏时常出现应力集中现象，沿着骨料和水泥石的微裂缝处破坏，破坏形状多为X型或四棱锥。

3)未掺入硅粉的再生骨料混凝土，由于再生骨料空隙较多，内部微孔吸水性好，前期吸水的质量大于骨料脱落的质量，故在冻融循环的前50次出现质量增加现象，之后一直降低。经过多次冻融循环，再生混凝土变得疏松，表面凹凸不平，砂浆脱落，骨料外露并脱落，出现缺角破坏。掺量硅粉可有效提高再生骨料的抗渗及抗冻性，再生骨料为50%,当硅粉掺量为9%时，再生骨料混凝土的抗渗性增强，再生骨料混凝土的抗冻性提高了155%，达到最大；进一步加大硅粉掺量至12%时，其抗冻指标降低了5%。