再生骨料对再生混凝土抗冻性的影响及改善措施

高 兵 杨思涵

（吉林建筑大学，吉林 长春 130119）

由于再生骨料混凝土的强度高、成本低、耐久性好、与钢材的粘附性好等优点，在许多实际工程中得到了广泛的应用。粗骨料在混凝土中具有重要作用。天然粗骨料是由天然岩石、卵石、矿渣等经过机械粉碎、筛选而成。天然岩石属于不可再生资源，储量有限，过度开采岩石将不可避免地导致环境破坏。在工业生产中，会产生大量混凝土建筑垃圾，据估计，中国大陆每年生产约20亿吨混凝土。此外，中国的一些自然灾害，如汶川地震、玉树地震和云南地震产生了大量的废弃混凝土，而且大部分混凝土废料只能露天堆放或掩埋，造成土地资源浪费，因此，中国和其他国家越来越重视废弃混凝土的再利用。将废弃混凝土进行压碎、清理、按照不同直径分级后，按不同比例代替天然粗骨料，这种方式减少了废弃物堆放和天然砂石的开采，可以获得环境保护和循环经济的双重效益。

当前，对再生骨料混凝土的力学性能及抗冻性已有大量的研究成果，但是，对于如何采取措施优化再生骨料混凝土的抗冻性能仍有很大的研究空间。再生骨料混凝土在实际应用中存在吸水率高、孔隙率高、压碎指数高等缺陷。这些缺陷限制了再生骨料混凝土的实际应用。本文通过对国内外现有研究成果的研究，总结了影响再生骨料混凝土抗冻耐久性的因素及其改进措施。

1 再生骨料自身缺陷对其抗冻性能的影响

混凝土的抗冻性是指在经历了多次的冻融循环后，在含水的条件下仍能保持良好的性能。关于混凝土的冻融破坏原理目前最有说服力的是T.C.Powers提出的渗透压假说和静水压假说，即混凝土内孔隙结冰后产生冻胀而使混凝土内部结构受损，再生骨料混凝土的破坏机理亦是如此。因此，混凝土的抗冻性与其内部的含水量和吸水率有关。而再生混凝土由于自身存在孔隙且表面易附着砂浆，导致其吸水率比普通混凝土大。朋改非等通过实验验证，废弃混凝土的加工处理会增加其吸水率，因为附着在再生骨料表面的砂浆吸水率要比天然石材大很多，此外，一些废弃混凝土上的石子在破碎过程中会产生裂缝，也会导致吸水率增加。混凝土中水的凝固点与孔隙大小有关，当温度降到冰点以下时，它首先在大孔中冻结，而小孔中冷冻水的表面由于小孔的限制而降低，小孔中的冰点也随之降低。因此，孔隙率和孔径也是影响混凝土抗冻性的因素之一。邓向辉等测试了不同置换率下再生混凝土的孔隙率，结果表明，再生骨料的取代率越高，大孔隙和裂缝的比例越高。为了提高再生混凝土的抗冻性，主要方法是降低再生混凝土的孔隙率及减小孔径。

2 再生混凝土抗冻性的改善措施

2.1 提高再生骨料品质

再生骨料的质量包括骨料的形状和砂浆的黏结量。废弃骨料的处理首先要经过锤击、切割和分拣后，再进行破碎处理。一般来说，初筛再生骨料的棱角较多，砂浆黏结量较大。配制混凝土时，单位用水量大于普通混凝土，再生混凝土中的冷冻水含量增加，抗冻耐久性降低。为了得到高品质的再生骨料，还要将直径较大的粗骨料进行二次破碎、强化和筛分处理，在物理加工过程中，优质再生粗骨料去除了水泥砂浆的突出边缘和表面硬化，改善了再生粗骨料的形状和级配，使再生粗骨料的基本性质与天然骨料相似。因此，可以通过提高再生粗骨料的质量来提高再生混凝土的抗冻性。

2.2 选取适当的骨料取代率

为了使再生混凝土既满足耐久性的要求又能使再生骨料尽可能多地代替天然骨料，就要研究再生混凝土的取代率。郭远新研究了再生细骨料的质量和替代率对相对动弹性模量的影响，结果表明，再生细骨料的抗冻性低于普通混凝土。随着细骨料质量的提高，抗冻性也随之提高。当再生骨料的取代率从50%增加到100%时，抗冻性显著降低。一些学者对骨料替代率进行了细化得出，抗冻性呈现先增大后减小的趋势，这主要是因为添加再生骨料具有一定的引气效果，提供了一定数量的“空洞”，使孔隙中的水结冰后仍有一定的空间，降低了孔隙中的水压力。一些学者证明，当骨料替代率超过40%时，再生混凝土的抗冻性随着替代率的增加开始显著降低，因此，在不添加外加剂的情况下，骨料取代率不宜超过40%。

2.3 添加适量的掺合料

再生骨料中添加纤维是提高再生混凝土耐久性的有效方法，纤维可以增加混凝土的韧性和密实性，预防早期裂缝的产生。目前，常用的纤维材料包括碳纤维、钢纤维、超高分子量聚乙烯纤维和玄武岩纤维。其中玄武岩纤维无危害性、化学稳定性强、使用成本低，具有较好的综合性能。Xuifei Chen等测量了不同取代率和不同玄武岩纤维含量的混凝土孔隙率。如图1所示，骨料替代率为50%，玄武岩含量高于0.75%的孔隙率，甚至低于普通混凝土，这意味着超过0.75%的玄武岩纤维可以弥补再生混凝土孔隙率高的缺陷，从而提高再生骨料混凝土的抗冻性。

图1 不同再生粗骨料和短切玄武岩纤维用量混凝土的孔隙率

纤维的性质和含量是影响再生混凝土耐久性的重要因素。一定掺量的钢纤维可提高再生混凝土的抗冻性，但是，掺量过高会导致混凝土内部孔隙增多，反而降低了抗冻性能。除了单独掺入某一种纤维外，混合掺入两种纤维也能够提高再生混凝土性能。侯晋杰等采用快速冻融试验测试了钢纤维和玄武岩纤维单掺和混掺后的抗冻性能，结果表明，钢纤维和玄武岩纤维无论单掺还是混掺，一定数量内均可提高再生混凝土的抗冻性，且二者混合掺入后提升效果更加明显，试验得出的最佳体积掺量为2%钢纤维+0.2%玄武岩纤维。

已有研究证明矿物掺合料可以提高普通混凝土的抗冻耐久性，但由于再生混凝土内部结构和界面的复杂性，矿物掺合料对普通混凝土抗冻性的改善效果并不一定适用于再生混凝土，因此，矿物掺合料对再生混凝土抗冻性的研究也成为许多学者关注的问题。不同矿物掺合料对再生混凝土抗冻性的影响也存在显著差异，赵飞等通过试验证明，硅灰可以显著提高再生混凝土的抗冻性，而随着钢渣含量的增加反而降低了再生混凝土的抗冻性。不同比例的矿物掺合料对抗冻性有不同的影响，根据其试验结果，同时添加5%硅灰和15%钢渣的再生混凝土抗冻性优于普通混凝土。刘晓峰等采用不同掺量的石灰石粉，对再生混凝土的抗冻性能进行了试验，结果表明，石灰石有利于提高再生混凝土的抗冻性，最佳掺量为5%～10%。何晓莹等以不同含量的粉煤灰为研究对象，试验结果表明，低掺量粉煤灰可以降低再生混凝土的内部损伤率，提高混凝土的抗冻性。然而，该试验仅研究了粉煤灰掺量在20%以内再生混凝土抗冻性的影响，未得到最佳掺量。现有研究已得出了部分矿物掺合料能够改善再生混凝土抗冻性的结论，未来可以对混合掺合料及各种掺合料的掺入比例进行进一步研究。

2.4 控制水灰比或加入外加剂

结构孔隙内的可结冰水数量很大程度上影响了再生混凝土的抗冻性，而水灰比对混凝土孔隙结构影响很大。随着水灰比增加，质量损失率也会随之增加，相对动弹性模量减小，抗冻性能降低。目前，已有研究发现，当水灰比控制在0.28以内时，再生混凝土可以满足抗冻性和强度要求，若水灰比高于0.28时，可以加入适量外加剂提高再生混凝土强度。因此，将水灰比控制在一定范围内也是改善再生混凝土抗冻性的有效措施。

为了提高再生混凝土或普通混凝土抗冻性，可加入引气剂和减水剂等外加剂，加入减水剂的作用实际上也是控制水灰比。防冻剂的防冻机理是各种效果的综合体现。防冻剂主要含有四种成分，包括引气成分、减水成分、早强成分和防冻成分。它们的作用是使结构内产生微小孔隙，减少结冰后结构内部的膨胀压力、降低可结冰水含量、使再生混凝土结构加快到达临界抗冻强度、保持孔隙内水泥水化持续进行。防冻剂在提高普通混凝土和再生混凝土的抗冻性方面起着重要作用。

除上述因素外，养护时间对混凝土的抗冻性也有影响，养护28d和60d再生混凝土的相对动弹性模量和质量损失只存在细微的差别，考虑到延长养护时间会影响工期，因此，现场施工时不宜通过延长养护时间来提高混凝土的抗冻性。

3 结语

抗冻性是影响再生混凝土的主要因素之一，本文通过研究国内外文献的试验方案和结果，分析再生骨料的缺陷及其改善措施，得到的结论如下：

（1）再生骨料的自身缺陷是影响再生混凝土抗冻耐久性的主要原因，可以通过机械活化的方式去除再生骨料表面黏结的老旧水泥砂浆，使其吸水性降低，从而改善再生骨料的品质。

（2）选择适当的骨料取代率可以降低再生骨料相较于天然骨料产生的不利影响。如果加入适量外加剂或掺合料，再生骨料的抗冻性能甚至可以优于普通混凝土。

（3）掺入纤维或矿物掺合料可以增加再生骨料混凝土的密实度和韧性。加入纤维能够更好保持再生混凝土表面形态和完整性，减少再生混凝土质量损失。当两种纤维混合掺入时，还可以产生优势互补，表现出良好的混掺效应，从而提高再生混凝土抗冻耐久性。

（4）控制水灰比或加入外加剂有助于提高再生混凝土抗冻性。在各种外加剂中，防冻剂作为一种具有引气、早强、减水和防冻成分的外加剂，在提高再生混凝土抗冻性方面发挥着重要作用。