单面冻融下不同再生骨料取代率的混凝土性能劣化研究

张兴泰，张伟勤

（1.青海大学土木工程学院；2.青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，西宁 810016）

研究表明，我国建筑垃圾年产生量为15.5亿～24亿t，占城市垃圾的30%～40%，而我国目前建筑垃圾利用率不足10%，作为一种新型绿色环保材料，再生混凝土被广泛关注。在我国北方寒冷地区，冻融循环和除冰盐耦合环境对混凝土路面耐久性产生了很不利的影响。本文研究了不同再生骨料取代率混凝土在单面冻融环境下的相对动弹性模量与抗压强度的变化规律，基于试验数据分析了不同再生骨料掺量的混凝土单面冻融损伤劣化规律。

1 试验

1.1 试验原材料及配合比

试验采用祁连山PO42.5普通硅酸盐水泥，内掺Ⅱ级粉煤灰和S95级矿渣微粉，细骨料采用天然河沙，细度模数为2.75。减水剂为聚羧酸系高效减水剂，减水率为20%，拌合水为普通自来水。

再生粗骨料为实验室废弃混凝土，粒径为5～20 mm，为连续级配；天然骨料为石灰石，粒径为5～20 mm，为连续级配；再生骨料与天然骨料的基本性能如表1所示。

表1 骨料的性能指标

本试验再生骨料体积掺量分别为0%、30%、60%和100%，最终试验再生混凝土配合比如表2所示。

表2 再生混凝土配合比

1.2 试件的制备与养护

制备尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的试件进行单面冻融试验，拆模养护6 d，然后将其切割成尺寸为150 mm×110 mm×70 mm的试件，最后用环氧树脂密封试件除测试面以外的5个面，试件共养护28 d。立方体抗压强度试验试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

1.3 单面冻融试验

单面冻融试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）。单面冻融试验前，再生混凝土试件需要先进行预吸水处理，试件放入清水中预吸水4 d。试验期间，每8次循环测试质量损失与相对动弹性模量，100 mm×100 mm×100 mm的试件养护28 d后直接进行单面冻融试验，每16次循环后进行立方体抗压强度测试。

2 结果与讨论

2.1 相对动弹性模量

由图1可知，在单面冻融循环32次前，4组混凝土的相对动弹性模量数据差异较小，均在94%以上；单面冻融循环40次时，再生骨料取代率为100%（R100）的混凝土相对动弹性模量开始明显下降，64次单面冻融循环时，R30与R60相对动弹性模量相近，分别为86.9%与85.3%，天然混凝土的相对动弹性模量最高（88.1%），再生骨料取代率为30%与60%的混凝土抗盐冻破坏性能相似。

图1 混凝土单面冻融的相对动弹性模量变化曲线

2.2 抗压强度损失率

从图2可知，单面冻融16次时，4组混凝土的抗压强度损失率基本相近；单面冻融循环32次时，各组抗压强度损失率差异明显变大；R30与R60的抗压强度损失率上升趋势相似。再生骨料取代率为100%的混凝土在64次单面冻融循环后抗压强度损失率最高，为22.1%；天然骨料抗压强度损失率最小，为15.2%。这说明再生骨料掺量越小，抗压强度损失率越低。

图2 凝土单面冻融的抗压强度损失率变化曲线

3 单面冻融损伤劣化模型

根据刘崇熙等提出的自然衰变损伤模型，本文使用抗压强度损失率表征再生混凝土的单面冻融损伤程度。设再生混凝土单面冻融破坏时的损伤值为，F为再生混凝土经历次单面冻融循环后的损伤值，则再生混凝土的损伤衰变速度为：

式（1）积分后得：

抗压强度损失率的计算公式为：

将（2）式带入（3）式得：

式中：为再生混凝土损失指标（抗压强度损失率）；为衰变系数；为影响系数；为单面冻融循环次数。

本试验影响因素仅为再生骨料取代率，故取=1。根据以上模型，结合试验数据拟合，拟合结果如表3所示。

表3 自然衰变损伤模型系数

由表3可知，再生骨料取代率影响衰变系数，不同再生骨料取代率混凝土的衰变系数均不相同。引入再生骨料掺量系数（取代率），使用线性拟合与二次项拟合对损伤方程进行系数修正，得到再生骨料掺量系数与衰变系数的方程，如表4所示。

表4 再生骨料掺量系数与衰变系数的拟合参数

由表4可知，再生骨料掺量系数与衰变系数线性拟合后，相关系数更高，不同再生骨料取代率混凝土的单面冻融损伤演化计算公式为：

式中：为再生混凝土损失指标（抗压强度损失率）；为单面冻融循环次数；为再生骨料掺量系数。

通过自然衰变损伤模型可以看出，可见自然衰变损伤模型可以很好地表征再生混凝土在单面冻融环境下的损伤劣化程度。而引入再生骨料掺量系数，可以表征不同再生骨料取代率混凝土的单面冻融损伤程度。

4 结论

再生骨料取代率影响混凝土的抗单面冻融性能，从混凝土的抗冻性能指标（相对动弹性模量与抗压强度损失率）来看，不同再生骨料取代率的损伤程度排序为100%＞60%＞30%＞0%。冻融循环64次时，R30与R60的相对动弹性模量分别为86.9%与85.3%，抗压强度损失率分别为18.3%与18.8%，说明再生骨料取代率为30%与60%的混凝土抗单面冻融性能相近。拟合结果表明，自然衰变损伤模型拟合精度高，可以很好地表征不同再生骨料取代率混凝土的单面冻融损伤程度。