氯盐冻融耦合作用下再生混凝土损伤劣化规律

2021-03-18解国梁申向东刘金云

硅酸盐通报 2021年2期

解国梁，申向东，刘金云，张斌

(1.黑龙江八一农垦大学土木水利学院，大庆 163319；2.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

随着我国城市化建设的不断推进，建筑材料需求与日俱增，2019年全国商品混凝土产量为25.5亿m3。与此同时建筑垃圾也在逐年增加，据统计2017年产生的建筑垃圾为15.93亿t。而建筑垃圾资源化处理率不足总量的10%，大量建筑垃圾的堆放不仅占用耕地、污染环境，而且影响城市面容面貌。因此建筑垃圾的资源化再利用成为热点问题[1-3]。再生骨料是废弃建筑物经破碎、分级、筛分制备而成，所配制的再生混凝土成为一种可循环再利用的绿色节能材料[4-5]。

西北地区混凝土结构多处于盐碱寒冷环境中，受到冻融、干湿、盐碱等多因素共同作用，混凝土结构的使用寿命大大降低。与传统混凝土相比，再生混凝土具有高吸水性、高孔隙率等特点，这些特性的存在降低了再生混凝土的耐久性能，并制约其发展应用。Xiao等[6-7]研究了硫酸盐与冻融循环双因素作用下再生混凝土耐久性劣化规律，采用动弹性模量、质量损失率、强度等参数表征再生混凝土耐久性能的损伤程度，构建了混凝土损伤劣化方程，并以此预测其服役寿命。王晨霞等[8]研究了不同介质溶液(水、氯盐、硫酸盐及复合盐)中再生混凝土的抗冻耐久性能，结果表明,氯盐溶液中再生混凝土的表面形貌、相对动弹性模量和质量损失严重，4种介质中氯盐溶液冻融破坏能力最强。Hao等[9]研究了盐渍(3.5%氯化钠)冻融循环作用对再生骨料保温混凝土的耐久性能，结果表明,盐冻100次后，不同替代率再生混凝土的相对动弹性模量均降到60%以下，再生骨料掺量对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、氯离子渗透性能影响较大。王晨[10]研究了酸雨环境下再生混凝土的抗冻性能，研究结果表明,相对动弹性模量先于质量损失率达到破坏标准，pH为2.5的酸雨冻融作用使得再生混凝土耐久性能大幅下降。综上所述，盐碱环境下再生混凝土的抗冻耐久性能已经得到一定的试验研究，而氯盐环境下再生骨料混凝土的抗冻耐久性研究甚少，特别是氯盐冻融作用下再生混凝土耐久性优劣程度表征参数的选择以及损伤演化模型少见报道。

基于此，本文研究了氯盐与冻融耦合作用下再生混凝土损伤劣化规律，分别从外观形貌、质量、相对动弹性模量和抗压强度等方面进行探讨，并与普通混凝土进行对比分析。通过理论分析选择适宜表征再生混凝土耐久性的损伤变量，并以此建立损伤演化方程。

1 实验

1.1 原材料及配合比

水泥：冀东42.5R级普通硅酸盐水泥(P·O 42.5R)，其性能指标符合《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)要求。细骨料：天然河砂，颗粒级配良好，Ⅱ区中砂，细度模数2.8。粗骨料：普通骨料采用5～25 mm连续级配的天然碎石；再生骨料选用破碎后的混凝土楼板(经回弹试验测得强度为33.4 MPa)，经筛分后按照《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)配制为5～25 mm连续级配的再生粗骨料，骨料基本性能指标见表1。粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰。水：普通饮用水。外加剂：复合型引气减水剂。

混凝土配合比参照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)执行，混凝土配合比、各材料用量及基本性能指标见表2。

表1 骨料基本性能

表2 混凝土配合比与性能

1.2 试验过程

试验采用快冻法，设计混凝土试样尺寸为100 mm×100 mm×100 mm、100 mm×100 mm×400 mm，基本力学性能试验参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)执行。快速冻融循环试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)，标准条件养护24 d的混凝土试块放入温度为15～20 ℃、质量浓度为3.5%的氯化钠盐溶液中浸泡4 d，而后参照规范标准进行冻融循环试验，每冻融循环25次进行试验数据采集。

2 结果与讨论

2.1 外观形貌

图1为氯盐作用下再生粗骨料混凝土经历100次、200次冻融循环后的外观形貌。由图1可见，氯盐环境下混凝土冻融损伤劣化是一个循序渐进的过程。冻融循环100次后混凝土试样表层出现了侵蚀坑洞，部分砂浆开始脱落；冻融循环200次后表面损伤程度加剧，表层砂浆剥落严重，部分粗骨料裸露在外。氯盐环境下再生混凝土经历不同冻融循环作用后表面形貌差异较大，其原因在于冻融初期，混凝土的破坏以冻融侵蚀为主。随着冻融循环次数的增加，氯盐逐渐进入混凝土内部，产生了氯盐与冻融双重破坏，混凝土损伤开始加剧。对比三组混凝土表观形貌可以发现：基准组S0经过200次冻融循环后仍然可以保持较好的形貌；S50经历200次循环后表层砂浆脱落非常严重，大量细骨料裸露；S100经过100次冻融循环后棱角处开始出现脱落、掉渣，经过200次循环后已经不能保持完整形貌，棱角处砂浆出现大量脱落。由以上分析可知，随着再生粗骨料替代率的增加，混凝土的外观形貌破坏越来越严重，即再生粗骨料100%替代的S100损伤最为严重。

图1 100次、200次冻融循环后的表观形貌

2.2 质量损失率

图2为混凝土经历200次盐冻后的质量损失率变化曲线。根据图2可知，冻融循环前期混凝土的质量都有不同程度的增加，且随再生粗骨料替代率的增加而增加，冻融循环50次时S100质量增加最大(质量损失率为-1.5%)。这是因为冻融初期混凝土处于非饱和状态，随着冻融循环水分不断进入混凝土内部造成质量增加。再生骨料表层包裹一层旧砂浆，而砂浆的吸水性/渗透性高于混凝土。随着再生骨料替代率的增加砂浆在混凝土中的比重增加，而再生混凝土的吸水率与再生骨料替代率呈正比例关系[11-12]，从而造成S50、S100吸水质量增加。尽管冻融作用下混凝土表层有不同程度的脱皮，但损失的质量小于吸收水分的质量。因此，冻融初期再生混凝土的质量损失率不能真实表征混凝土的抗冻耐久性能。冻融循环100次时，S0、S50、S100质量损失率分别为1.4%、0.6%、0.3%，3组混凝土质量损失率开始出现正值，即因冻融破坏导致脱皮、掉渣的混凝土质量大于水分吸收的质量。125次冻融循环后混凝土进入加速损伤期，S100质量损失率一直处于顶端，S0质量损失率一直处于曲线最下方。冻融循环200次后S0、S50、S100质量损失率分别为3.5%、5.4%、6.8%，表明S50、S100已经达到了质量损失率破坏标准(<5%)。这是因为再生混凝土水泥-旧骨料以及旧砂浆-旧骨料界面有较多孔隙，而界面区是混凝土耐久性破坏的薄弱环节。随冻融循环的进行，界面区的原始裂纹及新裂缝的不断扩展和出现，导致混凝土抗冻耐久性加速下降[13-14]。

图2 混凝土质量损失率

图3 混凝土相对动弹性模量

2.3 相对动弹性模量

图3为盐冻环境中不同冻融循环次数下混凝土的相对动弹性模量变化曲线。由图3可见，冻融循环前50次，S0、S50、S100之间的相对动弹性模量无明显差异，冻融循环75次后3组混凝土的相对动弹性模量数值出现显著差异，而后混凝土进入快速损伤阶段，相对动弹性模量几乎呈直线下降趋势，其变化规律为S100>S50>S0。冻融循环200次后S0、S50、S100的相对动弹性模量分别为80.3%、68.8%、54.2%，S100首先发生冻融破坏。

混凝土在冻融初期受到的损伤较小，而且破坏主要集中在混凝土表层，所以相对动弹性模量变化比较平稳。随着冻融次数的不断累计，损伤逐渐向混凝土内部扩张，加速了混凝土的破坏。在制备再生粗骨料的过程中不可避免地对其造成初始损伤，且这种损伤是不可逆的，再生骨料内存有较多孔隙，导致其抗冻性变差。另外，再生粗骨料吸水率远大于普通骨料，内部聚集了大量水分，使得新旧砂浆界面区成为发生破坏的薄弱环节。水周期性相变的结冰压、不断积累盐的结晶压，及盐浓度梯度产生的分层结冰应力差加速了混凝土的破坏，使得旧孔隙不断增加并萌生新裂缝，加剧冻害[15-16]。以上分析可知，再生粗骨料替代率越高，混凝土内部孔隙率越大，吸收的溶液就越多，混凝土的抗冻耐久性就越差。

2.4 强度变化

图4为不同冻融循环次数下混凝土的立方体抗压强度。根据图4可知，混凝土立方体抗压强度随着冻融循环次数的增加不断下降。未冻融时S0、S50、S100的强度分别为34.5 MPa、35.6 MPa、33.3 MPa，三组混凝土的强度差别较小。随着冻融循环的进行，S0、S50、S100的强度之间的差距逐渐拉大，S100的降幅最为明显，冻融循环200次后S0、S50、S100的强度分别下降到22.4 MPa、21.1 MPa、16.5 MPa。就S50而言，前50次冻融循环后其强度略高于基准组S0，冻融循环75次时其强度出现大幅下降。

为了更加直观地表示冻融循环对混凝土强度的影响，消除不同初始强度值对其产生的影响，采用相对强度(冻融后的强度/未冻融时的强度)为纵坐标，冻融循环次数为横坐标进行表示，如图5所示。由图5可见，相对强度与冻融循环次数之间几乎呈线性关系，S100始终处于曲线最下方。与未冻融相比冻融循环200次S0、S50、S100的相对强度分别下降了35.1%、47.8%、50.5%。其原因是再生粗骨料已经产生了一定的初始损伤，致使再生粗骨料自身强度低于普通粗骨料[17-18]。随着再生骨料替代量的增加，混凝土的初始损伤度增加，随着冻融循环的进行，将会有大量的溶液进入混凝土内部，孔隙水结冰及盐结晶压在孔隙的约束下产生内应力，与混凝土内外部氯盐浓度差不同而形成的渗透压力共同作用，加速了混凝土的破坏，降低了混凝土抗压强度。

图4 混凝土抗压强度

图5 混凝土相对抗压强度

2.5 SEM微观分析

为了更加直观地表征普通混凝土与再生混凝土抗冻耐久性损伤机理，试验选取了冻融循环100次后的S0和S100进行SEM微观结构分析，见图6。由图6(a)可知，冻融循环100次后混凝土内部水泥石与基体不能紧密连接，有部分已经开始脱离基体，孔隙周围的水泥石出现裂纹。骨料与砂浆之间的黏结仍然比较紧密，界面区周围的部分砂浆出现裂纹，但是裂纹宽度较小，没有形成贯穿裂缝。由图6(b)可见，水泥石对骨料的包裹已经不再紧密，骨料与砂浆的界面区出现了贯穿裂缝，并影响到周围结构，且裂缝宽度较大，致使大块砂浆脱落。

3 冻融损伤模型

3.1 损伤变量选择

损伤变量是一种内部状态变量，反映了物质结构不可逆的变化过程。混凝土冻融损伤是内部微裂纹的数目、长度、面积和体积等变化所导致，宏观方面表现为质量、相对动弹性模量和强度的降低。因此，建立损伤演化模型之前选择更为精准的损伤变量显得尤为重要。依据损伤力学，引入损伤变量Dn：

Dn=1-Ai/A0

(1)

式中：Dn为冻融循环n次后的损伤变量；Ai和A0分别表示混凝土冻融循环i次和未冻融的性能参数。

由以上分析可知，由于再生骨料吸水率、孔隙率大等原因使得其质量损失率与实际损伤有所偏差，甚至在冻融循环前期出现质量负增长现象。因此，质量损失率不能准确地反映混凝土损伤前后的真实状况。相对动弹性模量和相对强度变化随冻融循环次数的增加呈下降趋势，满足定义损伤变量。图7建立了动弹性模量与强度性能参数为损伤度之间的关系，并采用线性回归获取了回归系数。由图7(a)可知，S0的回归系数接近0.5，表明基于动弹性模量与强度损失建立的损伤度具有同步性，即二者对普通混凝土的冻融破坏敏感程度相当。由图7(b)、(c)可知，S50、S100两组混凝土的线性回归系数分别为0.748 2和0.738 0，其值均大于0.5，表明强度参数较动弹性模量参数定义的损伤度对混凝土的冻融破坏更为敏感，更适合建立混凝土冻融损伤模型。

图7 动弹性模量与强度损伤度关系

3.2 冻融损伤模型建立

常见的混凝土损伤演化模型有指数形式、幂函数形式、线性及多项式等[7,12,19-20]，依据上述分析建立以强度参数为损伤变量的损伤演化方程。由试验数据观察到，冻融循环后期强度损伤度降幅具有逐渐缩小趋势，不符合指数及幂函数曲线变化趋势。尽管采用二次多项式拟合度很高，但发现二次项系数非常小且均为负值。基于此，冻融损伤模型选用最为简单的线性函数，并设置截距为0。图8为试验数据线性拟合结果，相关系数均大于0.96，表明模型可以恰当地描述氯盐冻融作用下再生混凝土的劣化规律。