冻融循环作用下再生混凝土力学性能试验研究

王 轩 王庆陵

（1.重庆文理学院，重庆 永川 402160； 2.菲律宾克里斯汀大学国际学院)

0 引言

老旧建筑物的维护和拆除会产生大量的废弃混凝土，采用废弃混凝土替代天然集料制成再生混凝土是当前节约自然资源的具体表现，倍受推崇。叶剑标等[1]研究了建筑用再生混凝土制备及其抗冻性能，研究结果表明：抗冻性能的重要影响因素包括再生骨料取代率、水胶比和玻化微珠掺量；郭樟根等[2]通过试验研究发现，再生细骨料替代率低于30%时，影响再生混凝土的抗压强度程度较低，当取代率大于界限时，增加再生粗骨料替代率，混凝土的抗压强度随之降低；王宇等[3]研究多块混凝土试件的基本力学性能退化机理，结果表明再生混凝土的质量损失率、超声波速损失率与冻融循环试验次数呈正比；彭勇军等[4]研究表明，再生粗骨料掺和比例、水胶比、再生细骨料掺和比例、粉煤灰掺和比例对再生混凝土强度的影响效果依次降低；邓祥辉等[5]通过研究再生混凝土的抗冻性能，分析孔隙分布变化，认为内部孔隙分布和占比是影响再生混凝土冻融循环后的抗折强度的主要因素。目前对于普通混凝土冻融及再生混凝土强度的影响因素的研究比较透彻，但关于再生混凝土冻融后的宏观的力学性能变化和破坏机理的研究还存在不足。为此，本文主要研究了再生混凝土的冻融循环次数和混凝土种类对混凝土试件抗压强度、质量和动弹性模量的影响规律及其破坏机理。

1 试验内容

1.1 试件设计

根据试验的需求，分别制作6组试件，设计立方体试件用于测定不同冻融循环次数后混凝土立方体的抗压强度，强度等级C40和C30组对应冻融循环每次增加25次（最高不超过200），各浇筑3个试件，C20组在冻融循环每次增加25次（最高不超过150）；设计立方体试件用于测定试验后混凝土的质量损失率、动弹性模量损失率，其中冻融试验结束的标准为：相对动弹性模量低于60%或质量损失达到5%。试件每隔50次循环作一次横向重量测量和基频测量。“NSCC”表示普通混凝土，“RSCC”表示再生混凝土，试件主要参数见表1。

表1 试件主要参数

1.2 试验材料及配合比设置

选取P·O42.5水泥；细骨料为中砂，细度模数2.43，含泥量1.5%；试验用水取自自来水；再生粗骨料采用废旧建筑混凝土；天然粗骨料为碎石，粒径5～31.5 mm 连续级配，粗骨料性能指标见表2。配合比按照《混凝土技术应用工程》进行设计，最终试验所用配合比见表3。

表2 粗骨料性能指标

表3 混凝土配合比

1.3 试验方案

试验依照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的相关规定进行，在标准养护室将混凝土试件养护24d，取出后放入水中浸泡4d（温度在15～20℃），吸水饱和，试件顶面距离试件内水面不少于10mm，混凝土试件中心的最低温度控制在（-17±2）℃，最高温度控制在（7±2）℃，完成一次冻融循环试验时间应在2～4h内，且单次冻融时试件从7℃降至-17℃或者从-17℃升至7℃所用时间不少于整体时间的1∕4，冻融循环的转换时间应低于10min。

2 试验结果分析

2.1 冻融后立方体抗压强度损失

对试件进行抗压强度试验，绘制抗压强度损失率平均值变化曲线。抗压强度损失率按式（1）计算。

式中：

Δfc(n)——试验n次的抗压强度损失率，%；

fc,0——试验前的抗压强度值，MPa；

fc,n——试验n次后的抗压强度值，MPa。

混凝土强度等级相同时，增加冻融循环次数，普通组与再生组的抗压强度损失率均逐渐增大，相同混凝土等级的再生混凝土强度低于普通混凝土强度。当冻融循环次数低于50次时，普通组与再生组混凝土损失率差别不大且增长缓慢；在此基础上增加冻融循环次数，强度相对较低的再生组混凝土试件损失率明显高于普通组，且随着冻融循环次数逐渐增加，抗压强度损失率的差值逐渐增大；冻融循环次数超过100时，RSCC20-2和NSCC20-2试件组试件遭到严重破坏，其抗压强度损失率呈指数型增长，抗压强度无法测定。由试验结果可知，C20组试件的抗压强度损失率最大、C30组次之、C40组最小；且增加冻融循环次数，混凝土强度等级与冻融破坏程度成反比。

2.2 冻融后质量损失

质量损失是评价混凝土抗冻耐久性的主要冻融性能参数。混凝土试件的质量损失率按式（2）计算，称重前需擦除试件表面水分。

式中：

ΔWn——试验n次后的质量损失率，%；

G0——试验前的质量，g；

Gn——试验n次后的质量，g。

取3组平均值，绘制质量损失率曲线。普通组和再生组混凝土试件经过冻融循环试验后，冻融循环次数与质量损失率成正比；冻融循环次数低于50次时，两组试件曲线斜率大致相同；在此基础上增加冻融循环次数，再生组的质量损失率明显远远高于普通组，这是因为随着冻融次数的增加，冻胀压力变大使得试件表面裂缝不断发展，导致混凝土表面不断形成裂缝，大量混凝土开始剥落；其中两组试件质量损失率表现为C20组最大、C30组次之、C40组最小，结果表明，混凝土质量损失率与强度成反比，强度等级越高，抗冻性能越好。

2.3 冻融后弹性模量损失

相对动弹性模量是评价混凝土抗冻耐久性的主要冻融性能参数。混凝土试件的动弹性模量损失率按照式（3）计算。

式中：

ΔEn——试验n次后的动弹性模量损失率，%；

E0——试验前的动弹性模量，MPa；

En——试验n次后的动弹性模量，MPa。

取3组平均值，绘制动弹性模量损失率曲线。试件的动弹性模量损失率与冻融循环次数成正比。图中C20组试件的动弹性模量损失率呈指数型增加，C30和C40组试件动弹性模量损失率增长相对较缓，表明混凝土抗冻性能随强度等级的降低而变差；冻融循环次数50次前，两组差值不大，冻融循环50次后，两组试件的损失率差异明显，冻 融 循 环100 次 时，RSCC30-2、RSCC20-2 和NSCC20-2试件均遭到破坏，这三组的动弹性模量损失率已不具备参考价值，6组试件中，仅NSCC40-2组的动弹性模量损失率在冻融循环50次后趋于稳定，剩下两组的动弹性模量损失率均与次数成正比。

3 再生混凝土冻融破坏的机理分析

国内外学者早已开始研究混凝土的冻融破坏原理，这些数理论大多基于静水压理论，此后研究者们提出了一列类假说，丰富冻融破坏机理的理论和假说，如渗透压理论、结晶压理论、临界饱和水程度理论、温度应力假说等[6]。本试验立足于渗透压理论，再生混凝土拌合加工时，由废弃混凝土制成的再生骨料表面附着一层难以去除的杂质（主要是旧砂浆和水泥），减少骨料吸收水泥浆，导致硬化后强度变差。在进行冻融循环试验前，试件内孔隙在水中浸泡时吸水饱和，冻结过程中空隙里的水结冰膨胀形成“泵吸效应”[7]，间接导致水分从试件表层沿孔隙向内部运动，温度逐渐下降使部分水结冰膨胀，先结冰的水浓度变大，而浓度变大的这部分水会使得自身的冰点降低且不会马上结冰，相比较下，浓度高的这部分水与其周围未结冰的水就会产生渗透压[8]，压力超过应力时就会产生冻胀破坏，导致试件内部出现更多的细纹裂缝。融化过程中温度上升，内部孔隙水转化为液态，新旧裂痕孔隙吸水饱和，加大孔隙率。逐渐增加冻融循环次数，冰和水的饱和蒸汽压差推动孔隙和水泥石凝胶孔中的未冻结水迁移到冻结区加大渗透压[9]，进一步加剧内部产生裂缝，孔隙裂缝彼此扩展联通，吸水饱和后加剧冻胀破坏作用，试件表面开始变得粗糙且凹凸不平，试件局部受力不均导致混凝土开始剥落。由此可见，混凝土试件的冻融循环破坏过程可以归结为疲劳破坏，且随着冻融循环次数越增加，试件的破损程度越严重。

4 结束语

通过试验研究分析，得出如下结论：

（1）普通混凝土在冻融循环作用下的抗压强度、质量损失、相对动弹性模量三方面性能均优于再生混凝土，且随着冻融循环次数增加，两组差值逐渐增大，再生混凝土的抗冻性能就越差。

（2）相同冻融循环次数下，混凝土强度等级越高，各方面力学性能越好，抗冻性能越好。

（3）本试验冻融破坏机理为再生混凝土表面杂质导致其新吸收水泥浆减少，加之原本混凝土内吸水膨胀，与普通混凝土相比，冻融循环过程中孔隙及裂纹增多，加剧冻胀破坏，导致表面水泥浆脱落，最后试件破坏。