再生保温混凝土抗冻性能的细观研究

王鲜星，刘元珍，赵 雨，戴小伟

(太原理工大学土木工程学院，太原 030024)

0 引 言

再生保温混凝土(RATIC)是由再生粗骨料(RCA)和玻化微珠保温骨料(GHBs)部分取代天然骨料(NA)而形成的一种新型绿色建筑材料，在满足自身承重的同时，既可以实现混凝土结构的自保温，又可以缓解天然骨料供求紧张、促进建筑垃圾回收利用，在建筑节能领域有着广阔的发展前景[1-2]。

寒冷地区的混凝土结构长期遭受不同程度的冻融破坏，影响混凝土抗冻性能的因素主要有混凝土内部孔隙率、含水率和骨料种类等。再生粗骨料不但自身内部存在很多细小的裂缝而且其表面还覆盖着一层旧水泥砂浆，导致再生混凝土的抗冻等级一般比普通混凝土低，且随着再生粗骨料取代率的提高，再生混凝土抗冻等级逐渐下降[3-4]。研究表明引气剂的加入使再生混凝土具有良好的抗冻效果，Gokce等[5]通过对比,研究了由加气再生粗骨料和非加气再生粗骨料制备的再生混凝土的抗冻性能，结果显示，加气再生粗骨料制备的再生混凝土具有较好的抗冻性能。这主要是由于加气再生粗骨料表面形成的大量气孔通道，可为因毛细孔中水结冰而产生的水压力提供有效的逃逸边界，从而减轻水压，改善混凝土的抗冻性能。玻化微珠保温骨料内部是蜂窝状的封闭式透气孔结构，它被视为一种“固体引气剂”[6]。刘元珍等[7]的研究成果表明，玻化微珠的添加极大地改善了混凝土的抗冻性能。魏毅萌等[8]研究了冻融破坏过程中不同再生骨料取代率的再生混凝土内部孔隙结构发生的变化，研究结果表明，在冻融循环过程中，随再生骨料取代率的增加，再生混凝土内部会产生更多孔隙和微裂缝。Wang等[9]研究发现相同孔隙体积分数下，混凝土内部孔隙迂曲度高,表明孔隙间连通性差，混凝土耐久性好。因此，冻融循环作用引起混凝土损伤的原因与材料的孔结构有关[10-11]。

为了进一步研究具有特定孔隙结构RATIC的冻融破坏机理，本文在宏观试验的基础上，通过CT扫描试验从细观层面分析冻融循环作用下RATIC内部裂缝的分布及发展，并通过ImageJ软件计算试件内部孔洞参数，定量反映冻融作用下RATIC内部孔隙结构的变化情况。本文研究结果可以为再生保温混凝土抗冻耐久性的相关研究提供理论和技术支持。

1 实 验

1.1 试验材料

本次试验中所采用的再生粗骨料均为经过破碎加工处理的废旧混凝土，其主要的物理特征见表1。试验中所使用的保温骨料为玻化微珠，其主要物理特征见表2(表1和表2中%均表示质量分数)。试验中所使用的水泥为太原狮头牌42.5级普通硅酸盐水泥，减水剂为高效聚羧酸减水剂。

表1 再生粗骨料主要物理性质Table 1 Main physical properties of recycled coarse aggregate

表2 玻化微珠的主要物理性质Table 2 Main physical properties of glazed hollow beads

1.2 试验设计

以再生粗骨料取代率为变量，试验设计五种C35强度等级的再生保温混凝土来研究RATIC的抗冻性能，主要配合比如表3所示。

1.3 试验方案

本文试验采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件，利用MELD-FC810快速冻融试验设备进行冻融循环试验，每间隔25次冻融循环测定试件相对动弹性模量，具体快速冻融循环试验方法与相对动弹性模量测定方法均参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)执行。

CT试验采用太原市医院的SIEMENS16排螺旋CT机，设定扫描电压为120 kV，扫描电流为100 mA。细观CT扫描前，在每个试件上进行标记，定位扫描层，以确保每次扫描都在相同横截面上。每50次冻融循环后，对试件进行CT扫描，扫描层共5层，间隔5 mm，以5 mm的扫描厚度进行扫描，CT扫描示意图如图1。

2 结果与讨论

2.1 相对动弹性模量分析

相对动弹性模量可以客观反映冻融作用下再生混凝土内部的损伤程度[8]，图2为RATIC的相对动弹性模量随冻融循环次数的变化曲线。可以看出，不同再生粗骨料取代率下的RATIC相对动弹性模量损失曲线变化趋势相同，差异较小，但也呈现出一定规律：再生粗骨料取代率越高，相对动弹性模量损失越快。

图1 CT扫描示意图Fig.1 Schematic diagram of CT scanning process

图2 相对动弹性模量与冻融循环次数的关系Fig.2 Relationship between relative dynamic elastic modulus and freeze-thaw cycles

2.2 RATIC冻融作用下裂缝的分布及发展

CT扫描图中灰度难以明确区分，为了更直观地观察裂缝位置及宽度，更清晰地反映裂缝发展情况，将五组试件在不同冻融循环次数下的CT扫描图像进行灰度处理分析，如图3所示。

CT扫描图中亮白色部分和灰色部分分别为RATIC试件的再生粗骨料区和砂浆区，黑色部分为孔洞和裂缝区域。在冻融循环之前对试件进行CT扫描，发现五种取代率的RATIC内部均存在一定的孔洞和裂缝，并且这些裂缝和再生粗骨料取代率之间并未形成一定规律。这表明这些裂缝的形成是在混凝土的制作和养护时期，即再生粗骨料取代率并不影响RATIC内部的初始裂缝和孔洞的形成。由图3可知：冻融循环次数的增加使得混凝土内部原有的微小且不连通的孔洞逐渐加大，且相邻孔洞逐渐连通，通道面积也逐渐增加，最后试件由于裂缝发展而破坏；再生粗骨料取代率加大，试件内部裂缝和孔洞的发展速度和程度均提高；试件内部的孔洞和裂缝主要存在于混凝土内部新旧砂浆界面过渡区。这表明RATIC抗冻胀破坏能力下降的原因主要是其内部新旧砂浆界面过渡区孔洞的发展贯通,也表明新旧砂浆界面过渡区是冻融循环作用下RATIC的薄弱环节。

为了更明确地揭示RATIC破坏机理，根据CT扫描结果以及相关学者研究[12]绘制RATIC冻融循环破坏示意图，如图4所示。

从图4中可以更清晰地看出，当RATIC构件开始冻融循环时，水中的水分子和Na+会进入到试件内部的孔隙中。当温度下降到-18 ℃时，试件内部孔隙水结冰而产生静水压力。静水压力通过试件内部存在的微小裂缝扩散，致使试件产生更多的裂缝。随着冻融循环次数的不断增加，静水压力和渗透压力促进试件内部裂缝不断发展扩大，且随着再生粗骨料取代率的增加，试件内部裂缝数量增多。与此同时，因为RATIC试件内部新旧水泥砂浆界面过渡区结构薄弱，并且具有一定的难溶性，所以多数裂缝产生于新旧水泥砂浆界面过渡区。再生粗骨料取代率高的RATIC，混凝土内部新旧水泥砂浆界面过渡区多，产生的裂缝也就会多，因此抗冻性能差。

图3 再生粗骨料掺量对应RATIC的CT扫描图Fig.3 CT scan images of RATIC with different replacement of recycled coarse aggregate

图4 RATIC冻融循环破坏原理示意图Fig.4 Schematic diagram of freeze-thaw cycles damage principle of RATIC

2.3 RATIC孔隙特征及发展

通过ImageJ图像处理软件可将CT扫描图进行二值化处理，准确有效地得到混凝土内部孔洞有关参数[13-15]。因此，本文借助ImageJ软件来计算RATIC内部孔洞的有关参数，来定量反映冻融循环作用过程中RATIC内部孔隙结构的变化情况，各孔洞参数有如下变化规律。

2.3.1 RATIC孔洞数量与冻融循环次数的关系

图5为RATIC孔洞数量与冻融循环次数的关系，由图5(a)可知，在未发生冻融循环之前，五种取代率的RATIC试件的初始孔洞数量并无明显规律。这表明再生粗骨料对RATIC抗冻性能的影响并非由于不同取代率下RATIC具有不同的孔洞数量。分析图5(b)RATIC孔洞相对数量的变化规律：再生粗骨料取代率与试件孔洞相对数量之间有一定的线性关系，冻融循环次数越大，试件孔洞相对数量越大；再生粗骨料取代率越高，孔洞相对数量增加速度也越快。这与五种取代率的RATIC在宏观下动弹性模量损失和细观下CT扫描图中裂缝发展的趋势是相同的，且相似度较高。这表明RATIC试件孔洞相对数量随冻融循环的变化规律可以从一定程度上定量地反映冻融循环对试件内部的破坏规律。

图5 RATIC孔洞数量与冻融循环次数的关系Fig.5 Relationship between RATIC pore number relations and freeze-thaw cycles

2.3.2 RATIC孔洞平均面积与冻融循环次数的关系

图6为RATIC平均孔洞面积与冻融循环次数的关系，由图6(a)可知：与孔洞数量类似，不同再生粗骨料取代率的RATIC初始平均孔洞面积同样无线性关系。这表明再生粗骨料对RATIC抗冻性能的影响也并非由于不同取代率下RATIC具有不同的初始孔洞平均面积。图6(b)RATIC的相对平均孔洞面积随冻融循环的变化规律和图5(b)孔洞相对数量随冻融循环的变化规律基本相同。但是30%取代率的试件在经过200次冻融循环后，其相对平均孔洞面积的增加速度突然加快，在经过300次冻融循环之后，其相对平均孔洞面积远远大于其他取代率下的试件。这与五种取代率的RATIC在宏观下动弹性模量损失和细观下CT扫描图中裂缝发展的趋势是有一定差异的。

图6 RATIC平均孔洞面积与冻融循环次数的关系Fig.6 Relationship between RATIC average pore area and freeze-thaw cycles

2.3.3 RATIC孔洞最大面积与冻融循环次数的关系

图7为RATIC最大孔洞面积与冻融循环次数的关系，分析图7(a)可知，试件初始最大孔洞面积依然没有线性规律。图7(b)五条曲线大体趋势和图5(b)孔洞相对数量与冻融循环次数关系曲线相近。但70%取代率的曲线在经过冻融循环200次之后，其斜率突然增加，即该组试件的相对孔洞最大面积增加速度加快，300次冻融循环之后曲线最终值与100%取代率的曲线相近。这是由于再生粗骨料达到一定量时，新旧水泥砂浆界面过渡区的薄弱性已经逐渐占据影响混凝土材料黏结能力的主导地位，从而对RATIC抗冻性能的影响差距逐渐减小。与五种取代率的RATIC在宏观下动弹性模量损失和细观下CT扫描图中裂缝发展的趋势也是有一定出入的。

图7 RATIC最大孔洞面积与冻融循环次数的关系Fig.7 Relationship between RATIC maximum pore area and freeze-thaw cycles

2.3.4 孔隙率与冻融循环次数的关系

图8为RATIC孔隙率(孔隙率为体积分数)与冻融循环次数关系。由图8(a)可知，再生粗骨料取代率与RATIC初始孔隙率亦无线性关系。所以RATIC随再生粗骨料取代率的增加抗冻性能下降的原因并非加入再生粗骨料后试件内部孔隙率的不同。图8(b)五条曲线大体趋势和图5(b)相对孔洞数量随冻融循环变化的曲线相近，并且RATIC相对孔隙率随冻融循环次数变化的曲线与宏观下动弹性模量损失和细观下CT扫描图中裂缝发展的趋势是相同的，且相似度很高。可以证明随冻融循环次数增加，RATIC试件相对孔隙率的变化能更好地反映其抗冻性能的变化。

图8 RATIC孔隙率与冻融循环次数关系Fig.8 Relationship between RATIC porosity and recycled coarse aggregate content

3 结 论

(1)RATIC中新旧水泥砂浆界面过渡区是影响混凝土抗冻性能的关键因素。冻融循环过程中，多数裂缝产生于新旧水泥砂浆界面过渡区，并且随冻融循环次数的增加，裂缝不断发展直至贯通，导致再生粗骨料整体剥落，即试件破坏。

(2)分别分析比较RATIC孔洞数量、孔洞相对数量、平均孔洞面积、相对孔洞平均面积、最大孔洞面积、相对最大孔洞面积、孔隙率以及相对孔隙率随冻融循环次数的变化规律，发现相对孔隙率随冻融循环次数的变化规律与宏观下动弹性模量损失和细观下试件内部裂缝发展规律高度一致，因此相对孔隙率可以作为定量反映RATIC试件内部冻融破坏规律的重要指标。