再生粗骨料附着砂浆含量对再生混凝土抗冻耐久性的影响

魏 达，朱平华，王新杰，刘 惠，刘少峰，贾学军

(1.常州大学土木工程系,常州 213164；2.常州中铁蓝焰构件有限公司,常州 213000)

0 引 言

将废弃混凝土循环利用为再生骨料，可以节约60%的天然砂石资源，减少15%～20%的CO2排放[1]。再生粗骨料(recycled coarse aggregate,RCA)制备的再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)早已被广泛应用于实际工程中，对节约资源、保护环境、实现建筑业的可持续发展起到了重要的支撑作用。然而，RCA因其表面附着了大量砂浆而具有密度低、孔隙率高、吸水率高等缺点，严重影响RAC的力学及耐久性能，极大地制约了其在结构混凝土中的应用[2]。因此，降低附着砂浆含量是提高RCA品质进而提高RAC耐久性、延长结构使用寿命的有效措施。然而，出于安全性考虑，人们低估了RCA的应用潜力[3]，过度降低砂浆含量以提高RCA的应用水平，这会导致RCA生产成本的提高以及产生更多的粉尘。所以基于结构混凝土耐久性要求界定附着砂浆最大含量(界限含量)，不仅可以高效生产满足RAC耐久性使用需求的RCA，而且能减轻成本与环境负担。

RAC耐久性与附着砂浆含量定量关系的相关研究成果仍十分欠缺。Guo等[4]指出，RCA的加入提高了RAC的渗透性，过多的附着砂浆会对混凝土耐久性产生不利影响。Duan等[5]发现当砂浆含量从60%(质量分数，下同)降到20%时，在氯离子快速渗透试验中通过的总电荷库伦可降到62%。Juan等[6]认为基于RAC力学性能的RCA附着砂浆界限含量应不低于44%。Quan[7]基于RAC的干燥收缩及抗碳化性能提出RCA附着砂浆的界限含量不宜超过15%。然而，目前基于RAC抗冻性的附着砂浆界限含量研究尚未见报道。RAC的抗冻性能明显低于天然骨料混凝土(natural aggregate concrete,NAC)[8-11]。RCA表面的附着砂浆中含有大量的孔隙和微裂纹，极易吸水饱和，当RAC冻融循环时，其内部多余水量通过毛细管移动，对毛细管壁产生水压与拉应力，进而造成内部损伤，降低RAC的抗冻性能。附着砂浆含量越大，孔隙和微裂纹数量越多[12]，对RAC抗冻性能的负面影响会越明显。

本文选取了五种不同附着砂浆含量的RCA在100%取代天然粗骨料(natural coarse aggregate，NCA)条件下制备目标强度等级为C40的再生混凝土，以抗压强度损失率、质量损失率、相对动弹性模量以及抗冻耐久性指数为考核指标，探讨了在拉应力作用下附着砂浆含量对再生混凝土抗冻耐久性的影响，界定了不同设计使用年限及不同冻融工况下附着砂浆的界限含量。

1 实 验

1.1 材 料

再生混凝土原材料包括：P·O 42.5水泥、RCA(粒径5～20 mm)、天然河砂(表观密度2 657 kg/m3，细度模数2.4)、硅灰(表观密度2 759 kg/m3)、粉煤灰(表观密度2 500 kg/m3)、矿渣(表观密度2 800 kg/m3)、聚羧酸高效减水剂(JK-PCA)、AOS型引气剂。

基于工程代表性和RCA附着砂浆含量涵盖范围考虑，挑选了五种商用RCA。天然粗骨料和RCA物理力学性能见表1。由表1可见，RCA1属于中国标准《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)[13]中第Ⅰ类骨料，RCA2与RCA3属于第Ⅱ类骨料，RCA4与RCA5属于第Ⅲ骨料。

表1 粗骨料物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of coarse aggregate

1.2 再生混凝土的制备

再生混凝土的目标强度等级设为C40。为了对比，在目标强度等级相同的条件下，制备天然粗骨料混凝土作为对照组，其中粗骨料采用天然碎石(粒径5～20 mm)，其余组分与再生混凝土一致。混凝土配合比采用全计算法设计，具体配合比见表2。表2中，附加用水量按照再生粗骨料30 min吸水率计算。搅拌工艺采用Tam等[14]提出的两阶段混合法。使用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体模具制备试件用作28 d抗压强度试验；使用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的长方体模具制备试件并用作快速冻融循环试验。所有试件24 h后拆模，置于温度(20±3) ℃，湿度>90%的标准养护室养护。28 d 龄期后，测试试件抗压强度(fcu)、劈裂抗拉强度(ftu)，结果见表2。

表2 混凝土配合比、坍落度及强度测试值Table 2 Mix proportions, slumps and strength test values of concrete

1.3 测试方法

天然及再生粗骨料的表观密度、堆积密度、吸水率以及压碎值分别依据《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)[15]与《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)[13]进行测定。再生粗骨料附着砂浆含量采用高温热处理法[6,16]测定。

根据所测的混凝土劈裂抗拉强度值，将试件用加载装置固定，调整弹簧使得试件受拉区边缘的混凝土拉应力为其劈裂抗拉强度的30%，然后将试件放入冻融箱。

混凝土力学性能依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[17]进行测试。冻融试验、相对动弹性模量以及抗冻耐久性指数依据《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]和《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476—2019)[19]进行测试。

2 结果与讨论

2.1 附着砂浆含量对抗压强度损失率的影响

各类混凝土28 d抗压强度以及冻融循环300次后的抗压强度如图1(a)所示。RAC1的28 d抗压强度及残余抗压强度均略高于NAC。造成这种现象的原因可能是用来制备RAC的RCA在制备时是饱和面干状态，在RAC硬化后其内部RCA所含水分能起到内养护的作用，对强度的增大能起到一定的积极作用。

图1 (a)28 d抗压强度及冻融300次后残余抗压强度;(b)抗压强度损失率与附着砂浆含量拟合关系Fig.1 (a) Compressive strength at 28 d and residual compressive strength after 300 freeze-thaw cycles; (b) fitting relationship between loss rate of compressive strength and attached mortar content

经冻融循环后，各类混凝土的抗压强度显著降低，残余抗压强度随附着砂浆含量增大而降低。NAC、RAC1、RAC2、RAC3、RAC4、RAC5的抗压强度损失率分别为15.45%、17.84%、18.97%、19.26%、19.41%、22.6%。抗压强度损失率与附着砂浆含量的拟合关系如图1(b)所示，两者存在较强的线性关系。

RCA表面附着砂浆含量越多，坚固性和强度越差，内部存在更多的微裂纹，在冻融后期内部微裂纹加速开展，当受到外力作用时，微裂纹处会产生应力集中，导致试件破坏程度加剧[20]。界面过渡区的不稳定是造成RAC抗压强度损失率较高的另一个原因[21]，NAC的骨料和砂浆之间只有新骨料-新砂浆的结合，而RAC内部则存在着旧骨料-旧砂浆、旧砂浆-新砂浆等多种界面结合方式，使得RAC界面过渡区粘结性能下降，因而其抗压强度损失率越高。

2.2 附着砂浆含量对质量损失率的影响

质量损失率变化曲线如图2(a)所示。随着冻融循环的进行，各试件的质量损失率逐渐增大，冻融循环达到300次时，质量损失率均小于5%。在冻融前期，RAC5的质量损失率明显出现负值，这是试件吸水与砂浆剥落共同作用的结果，当试件吸水质量大于砂浆剥落的质量时，试件整体质量增大，因此，质量损失率出现负值。冻融300次后的质量损失率与附着砂浆含量拟合关系如图2(b)所示，随附着砂浆含量的增大，质量损失率先降低后增大，当附着砂浆含量在13%左右时，质量损失率出现最小值，其原因是少量的砂浆发生二次水化，进一步密实了RAC，试件整体性更好[22]。当附着砂浆含量大于30%时，质量损失率急剧增大，然而在拟合范围x∈[0,56]内，质量损失率仍低于5%，满足规范要求。

图2 (a)质量损失率变化曲线;(b)质量损失率与附着砂浆含量拟合关系Fig.2 (a) Change curves of mass loss rate; (b) fitting relationship between mass loss rate and attached mortar content

2.3 附着砂浆含量对相对动弹性模量的影响

NAC与RAC的相对动弹性模量(relative dynamic elastic modulus,RDEM)与冻融循环次数的关系如图3(a)所示，冻融300次后的RDEM与附着砂浆含量拟合关系如图3(b)所示。

图3 (a)RDEM变化曲线;(b)冻融300次后RDEM与附着砂浆含量拟合关系Fig.3 (a) Change curves of RDEM; (b) fitting relationship between RDEM and attached mortar content after 300 freeze-thaw cycles

由图3(a)可以看出,RDEM随冻融循环过程的进行而不断降低，这说明试件内部结构破坏程度越来越大。在整个冻融循环过程中，NAC、RAC1、RAC2、RAC3、RAC4、RAC5的RDEM分别降低了10.5%、23.95%、24.87%、26.02%、29.46%、46.63%。NAC的RDEM下降趋势最为平缓，RAC5降低幅度最大，在冻融300次时，其RDEM低于60%。

根据图3(b)可知，RDEM与附着砂浆含量之间呈二次函数关系，图像为凸曲线。在整个冻融过程中，RDEM随附着砂浆含量的增大显著降低。根据渗透压假说理论[23]，RAC内部结构中小孔的冰点要低于大孔的冰点，在受冻过程中，大孔的孔溶液浓度要高于小孔的孔溶液浓度，这就导致小孔中的水向大孔中流动，从而形成了渗透压，导致内部结构的破坏。大孔数量越多，渗透压作用越明显。而高附着砂浆含量导致孔隙数量增多，因此相应RAC的RDEM越低。

根据冻融300次拟合函数关系，以RDEM降至60%为界定条件(y=60)，得到x=49.52。综上所述，建议基于RDEM的砂浆界限含量为49.52%。

2.4 附着砂浆含量对抗冻耐久性指数的影响

各混凝土试件的抗冻耐久性指数(durability factor，DF)如图4(a)所示。NAC的DF高达90%，而RAC的DF均低于80%，且RAC5的DF最低，比RAC1降低了26%。NAC的DF明显优于RAC，尤其是第Ⅲ类RCA制备的RAC，其根本原因在于RCA附着砂浆强度低，经历冻融循环后，其内部存在的原始损伤(孔隙、微裂纹)进一步发展，这使RAC内部结构酥松程度加快，进而动弹性模量急剧下降，而DF与动弹性模量密切相关，因此，RAC的DF更小。尽管NAC性能的优异使其失去对照意义，但本研究保留了NAC以获得更大的拟合区间，从而更加直观地研究附着砂浆含量对抗冻耐久性指数的影响。武海荣等[24]建议在不同冻融环境下对混凝土结构耐久性进行定量化设计。为此，建立了抗冻耐久性指数与附着砂浆含量的拟合关系，如图4(b)所示。

图4 (a)不同混凝土试件抗冻耐久性指数;(b)抗冻耐久性指数与附着砂浆含量拟合关系Fig.4 (a) DF of different concrete specimens; (b) fitting relationship between DF and attached mortar content

抗冻耐久性指数与附着砂浆含量呈二次函数关系，图像为凸曲线。这说明随着附着砂浆含量的增大，抗冻耐久性指数呈下降趋势，且下降幅度逐渐增大。

根据上述拟合关系，以不同设计使用年限及不同冻融工况所规定的抗冻耐久性指数作为界定条件，可以得到RAC在拉应力条件下满足不同设计使用年限及不同冻融工况的砂浆界限含量，如表3所示。以在严寒地区高度饱水的环境条件下使用100年为例，相应的抗冻耐久性指数为80%(y=80)，得到x=24.67，所以基于严寒地区高度饱水环境条件下设计使用年限为100年的RCA砂浆界限含量为24.67%。

表3 不同使用年限下不同冻融工况的砂浆界限含量Table 3 Limit content of mortar in different freeze-thaw conditions under different service life

续表

2.5 附着砂浆含量对RAC抗冻性能影响的微观机理分析

混凝土试件经历冻融300次后的表观形貌如图5所示。冻融循环后，NAC表面出现孔洞，呈现出麻面。RAC1、RAC2与RAC3表面孔洞显著增多，出现少量砂浆剥落，但依然保持较好的完整性。而RAC4与RAC5棱边模糊，呈不规则圆弧形，且棱角缺损严重，砂浆剥落现象较为严重，内部骨料逐渐暴露。由此可见，冻融循环使混凝土由致密逐渐变得酥松多孔，导致表面砂浆颗粒剥落进而内部结构遭到破坏。这是由RCA附着砂浆内部损伤累积导致RAC抗拉强度较低，RAC试件受冻时浅层冰体积增大，促使冻结表层下暂时未冻结的孔隙水进一步向内部移动，这会产生液压，当压力超过RAC抗拉强度时，会导致RAC开裂或脱落，直至完全解体[25]。

图5 试件经冻融300次后的表观形貌Fig.5 Apparent morphology of specimens after 300 freeze-thaw cycles

与RAC4、RAC5相比，RAC1、RAC2、RAC3的表观形貌较为完好，这表明附着砂浆含量越大，RAC试件冻融后越酥松，抗冻耐久性越差。选取抗冻耐久性最优的RAC1与最劣的RAC5进行SEM对比分析，如图6所示。

图6(a)、6(d)分别为RAC1与RAC5的切面图，显然，RCA5表面附着了更多顽固的旧砂浆，这些砂浆内部存在很多细小的微裂纹，这使得骨料表面变得粗糙，且存在更多的原始损伤。由图6(b)、6(e)可知，冻融后所有试件均出现了微裂缝，且布满了或大或小的孔隙。较小的孔隙对于缓解孔隙水的水压起到了一定作用。而裂缝内可存储自由水，当试件受冻时，自由水结冰，体积膨胀，会进一步加剧微裂纹的扩展。混凝土的宏观性能损伤与细观孔洞结构改变之间存在明显的对应关系[26]。赵霄龙等[27]指出，在冻融循环试验后，混凝土孔结构发生劣化，平均孔径和总比孔容增大，说明混凝土中大孔含量增加，这是混凝土抗冻耐久性发生劣化的内在机理。可以看出，经冻融300次后，RAC5较RAC1的微裂缝更宽，RAC5大孔含量明显多于RAC1，尽管掺入了矿物掺合料、引气剂以及减水剂用以改善RAC的孔隙结构，但由于RCA5附着更多的旧砂浆，砂浆内部存在更多的孔隙，这导致RAC5整体的孔隙率变大。进一步观察，经冻融后，RAC5的孔隙孔径达到甚至大于10 μm，这些孔隙为易结冰孔，是导致RAC5抗冻耐久性丧失的主要因素。图6(c)与6(f)为试件内部骨料与砂浆之间的界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)，从图中可以看出RAC1的ITZ较为完整紧密，而RAC5的ITZ宽度明显更大，且存在大量旧砂浆颗粒。

图6 300次冻融循环后再生混凝土的SEM照片Fig.6 SEM images of RAC after 300 freeze-thaw cycles

ITZ是RAC内部最薄弱的环节，当附着砂浆含量越多时，RAC内部损伤积累越多，界面过渡区也越脆弱，这也是试件强度损失、抗冻耐久性变差的根本原因[28]。经对比发现,冻融循环后，RAC5比RAC1表现的更加酥松，整体性更差，这从微观角度验证了附着砂浆含量越多，RAC的抗冻耐久性越差。

2.6 基于文献数据的砂浆界限含量分析

一些学者通过研究RDEM与抗冻耐久性指数判断RAC的抗冻耐久性能，但在100%取代率条件下RAC冻融循环300次以后的研究结果有限。收集了相关文献数据用以验证本研究结果的合理性，如表4所示。

表4 文献数据[3,9-10,29-32]Table 4 Literature data[3,9-10,29-32]

文献[30-32]未提供附着砂浆含量,但给出了RCA的吸水率，分别为5.8%、3.1%、6.4%。Juan等[6]通过大量试验数据(26组)建立了RCA吸水率和附着砂浆含量的关系，如式(1)所示，根据该式计算得到附着砂浆含量,分别为30.2%、15.5%、34.1%。

y=0.18x+0.36，R2=0.50

(1)

RDEM方面，第4组数据的附着砂浆含量为55.7%，比本研究所得砂浆界限含量高6.18%，其对应RDEM为65%。然而，其余组数据均满足基于RDEM的砂浆界限含量要求。

DF方面，Abbas等[29]使用附着砂浆含量为23%的再生粗骨料制备的再生混凝土的DF为89%，可以在严寒高度饱水条件下设计使用100年(DF≥80%)，这满足本文所得的砂浆界限含量要求。然而，其使用附着砂浆含量为41%的再生粗骨料制备的再生混凝土同样满足DF≥80%。Gokce[3]、Zaharieva[30]等使用附着砂浆含量为30%左右的再生粗骨料同样制备出了抗冻性能优良的再生混凝土(DF≥80%)，这超过了本研究得到的砂浆界限含量。出现上述现象的原因如下：一方面，再生粗骨料来源不同，其性能复杂多变，即使某一物理性能指标相接近，但其他物理性能指标可能有较大的差异，进而影响了再生混凝土的抗冻性能；另一方面，本研究结果是在30%极限拉应力水平下获得的，而拉应力会对再生混凝土抗冻性能产生非常不利的影响[33-34]，本研究冻融条件更加苛刻，符合实际工程中的应用环境，所以得到的砂浆界限含量更加安全合理。

3 结 论

对比研究了五种不同附着砂浆含量的再生粗骨料在100%取代天然粗骨料条件下制备的C40再生混凝土与天然混凝土的抗冻耐久性，探讨了固定拉应力水平下附着砂浆含量对再生混凝土抗冻耐久性的影响，界定了不同抗冻性能指标要求下的附着砂浆界限含量。主要结论如下：

(1)再生混凝土残余抗压强度随再生粗骨料附着砂浆含量增加而降低。抗压强度损失率与附着砂浆含量存在较强的线性关系，且随附着砂浆含量增多而增大。

(2)再生粗骨料附着砂浆含量与再生混凝土质量损失率呈二次函数关系，当附着砂浆含量大于30%时，质量损失率迅速增大。

(3)再生粗骨料附着砂浆含量与再生混凝土的相对动弹性模量呈二次函数关系，且相对动弹性模量随附着砂浆含量的增大而减小。附着砂浆含量对相对动弹性模量影响显著，基于相对动弹性模量要求的附着砂浆界限含量为49.52%。

(4)再生粗骨料附着砂浆含量与抗冻耐久性指数呈二次函数关系，附着砂浆含量越大，抗冻耐久性指数越小。以不同使用年限及不同冻融工况所规定的抗冻耐久性指数作为界定条件，得到了再生混凝土在30%拉应力条件下满足相应抗冻耐久性指数的砂浆界限含量。以严寒高度饱水地区为例，设计使用年限为100年、50年、30年的最低抗冻耐久性指数对应的最大附着砂浆含量分别为24.67%、37.59%、42.81%。

(5)使用SEM从微观角度验证了附着砂浆含量越大，再生混凝土抗冻性能越差。再生粗骨料附着砂浆含量越多，经冻融后的再生混凝土内部结构越松散，微裂纹扩展加剧，孔隙结构更差，ITZ宽度更大，且周围砂浆颗粒脱落更严重。

建议建立人工神经网络仿真模型，在不同取代条件下基于再生粗骨料混凝土耐久性设计使用年限对再生粗骨料物理性能指标进行量化分析，这对再生粗骨料实际工程应用具有一定指导意义。