再生粗骨料混凝土抗冻性能研究进展

刘恩铭，林明强，谢 群

(济南大学土木建筑学院，济南 250022)

0 引 言

随着我国城市建设不断推进，建筑材料的需求量和建筑废弃物的产生量随之大幅增加。建材产业的碳排放在我国建筑行业中占据主导地位[1]，在2020年达到16.5亿t[2]，数量巨大。我国建筑垃圾产生量早在2013年就已超过10亿t[3]，其中只有10%(质量分数)被再次利用，绝大多数仍为填埋处理[4]。2021年，习近平主席提出了我国的“双碳”目标，如何促进行业产业绿色低碳发展成为社会各界共同关注的问题。李克强总理在2022年政府工作报告中也提出，要推进建材行业节能降碳，加强固体废弃物治理，推行减量化、资源化，加快形成绿色生产方式。混凝土是当前应用最为广泛的建材之一，全球混凝土消费量在2016年达到145亿m3，我国占比超过六成[5]。相应地，废弃混凝土是建筑废弃物的主要组分，在某些地区占比可达2/3[6]，其中骨料体积占80%左右[7]。如果将建筑废弃物进行填埋处理，则每万吨废弃物就需要占据6 000 m2土地[8]；而如果将其用于生产再生骨料，则每年可节约至少8亿t天然砂石，减少开采1/3的天然石材，释放2.33×108m2的填埋土地[9]。可见，将废弃混凝土进行再生骨料及其下游产业开发是一项极具环境效益、经济效益和社会效益的绿色生产活动。因而，再生粗骨料混凝土的研究应用受到了广泛关注[10-14]。但相比于天然骨料，再生粗骨料(recycled coarse aggregate, RCA)具有内部初始缺陷多、裂缝发展快、孔隙率大、吸水率高等特点，进而导致其力学、耐久性能较差[15-16]。因此，亟需进一步研究总结再生粗骨料及其混凝土制品的工作机理和力学性能，使其更好地应用于实际工程中。

抗冻性能是评价混凝土耐久性能的重要指标[17]。寒冷地区混凝土建筑在冻融循环作用下发生的性能劣化和破坏是其使用过程中的主要病害[18]。因此，开展再生粗骨料混凝土抗冻性能的研究对其在寒冷地区的推广和使用尤为重要。本文结合目前国内外再生粗骨料混凝土抗冻性能研究现状，总结再生粗骨料混凝土的冻融破坏机理和宏微观形貌变化，分析其劣化过程，对相关研究中普遍使用的评价再生粗骨料混凝土抗冻性能的指标数据进行总结归纳，结合再生粗骨料掺量和冻融循环次数对其变化趋势进行分析，并在此基础上提出相关研究建议，以期为再生粗骨料混凝土抗冻性能的研究和应用推广提供借鉴。

1 冻融破坏机理

冻融循环作用下的混凝土结构的破坏是一种复杂的疲劳破坏，是在正负温交替作用下表面颗粒剥落和内部结构损伤不断积累、共同作用的结果[19]。不同种类的混凝土因其材料性能的差别，在冻融循环作用下的表现也存在差异，但其成分在此过程中不发生改变，因此基本可以认为这种损伤破坏主要是一种物理变化过程[20]。当前为多数学者所采信的混凝土冻融破坏机理的理论主要有静水压理论、渗透压理论和微冰晶模型。Powers[21]于1945年提出静水压理论。该理论示意图如图1所示，低温下，混凝土最外层先发生冻结以阻挡其内部水分流失，其后冻结区域向内扩展，液态水受到挤压后发生迁移进而对孔隙壁形成静水压力，在冻融过程中持续使混凝土产生损伤直至破坏。这一假说的成立需要混凝土成冰区域几近饱和，外层冰体足够厚以确保形成封闭空间，冻结速度足够快以促使液态水产生充足的压力，其条件在实验室中也较难达成。1953年，Powers等[22]又提出了渗透压假说，认为孔隙水的冻结顺序与孔径大小有关。渗透压理论示意图如图2所示，大孔隙中的液体先发生冻结，使其离子浓度上升并与小孔隙产生浓度差，从而导致液体发生迁移，大孔隙内液体压力不断增加，混凝土产生损伤。Litvan[23]和Fgaerlund[24]进一步发展了上述理论，讨论了强度、孔隙结构、饱和度等材料性能以及相对湿度、温度、冷冻速度等环境条件对冻害的影响。以上两种理论在一定程度上解释了混凝土冻融现象，并推动了冻融模型和实验方法的标准化，但仍不能解释混凝土受冻收缩和冻融过程中吸水速率提高的现象[25-26]。2001年，Setzer[27]提出了微冰晶模型，该模型示意图如图3所示。冷冻时，孔隙水压力增大，液态水被挤出孔隙并吸附冻结于微冰晶上，混凝土表现出干燥收缩现象；升温时，孔隙内压力降低，液态水被重新吸收回砂浆孔隙中，此时外部液态水也会被吸收，表现为吸水速率增大。当混凝土体达到临界饱和度后，在冻融过程中形成累积损伤并最终发生破坏。

图1 静水压理论示意图

图2 渗透压理论示意图

图3 微冰晶模型示意图

当前，有部分学者[28-31]认为再生粗骨料混凝土的抗冻性能与普通混凝土相似甚至优于普通混凝土，其原因主要有再生混凝土多孔结构引入大量气体能够有效缓冲膨胀应力[30-31]以及较高吸水率有助于混凝土内部养护固化[32]等。然而大多数研究[33-37]指出再生粗骨料混凝土的抗冻性能劣于普通混凝土。普遍认为，这种劣化主要是由再生粗骨料因破碎加工导致的较多微裂缝以及再生粗骨料混凝土内部疏松薄弱的多重界面过渡区(interfacial transition zone，ITZ)造成的[38-42]。由于再生粗骨料外层粘附有老旧砂浆，因此，相较于普通混凝土，再生粗骨料混凝土内部的界面构造更加复杂[41]。具体内部界面结构如图4所示，再生粗骨料混凝土中存在着旧砂浆与新砂浆界面(ITZ1)、旧砂浆与旧骨料界面(ITZ2)以及新砂浆与旧骨料界面(ITZ3)。相较于ITZ3，ITZ1和ITZ2更为薄弱，较多的孔隙和裂隙使其结构疏松脆弱(见图5)，随着再生粗骨料取代率的增加，这种脆弱的界面不断增加，使得再生混凝土的性能不断退化[43]。已有学者分别采用光学显微镜薄切片法[43]、扫描电镜[44-45]、X射线微断层扫描技术[46]、纳米压痕法[47-48]以及扫描原子力显微镜[49]等方法对再生混凝土内部界面性能进行测试。测试结果表明，ITZ表现出结晶疏松、孔隙率大的特点[44,49]，特别是新旧砂浆之间形成的ITZ1，其压痕模量比周边砂浆体低10%～20%且宽度较ITZ2和ITZ3大15 μm左右[47]，再生混凝土在受力时产生的微裂缝首先出现在ITZ范围内并不断扩展[45]。

图4 再生粗骨料混凝土内部界面结构

图5 再生粗骨料混凝土界面过渡区SEM照片[56]

结合以上对普通混凝土冻融破坏机理和再生混凝土内部结构薄弱环节的分析，推测再生粗骨料混凝土的冻融破坏过程如下：冻融时，再生粗骨料混凝土由于多重ITZ的形成造就了更多的微小孔隙，孔隙尺寸越小则吸水速率越大[50]，同时随着再生粗骨料掺量的增加其吸水性也在不断提升[51-52]；再生粗骨料混凝土的临界饱和度约为81%～83%，低于普通混凝土的临界饱和度86%～88%，一旦达到临界饱和度，则损伤开始发生于近三个循环周期[37]。因此，在相同寒冷环境下，再生粗骨料混凝土先于并更易于普通混凝土发生内部结构破坏。接下来，小孔隙之间的间隔在冻融损伤中不断崩解，总孔隙率以及孔隙联结形成的裂隙随冻融循环次数的增加而增加，又为水渗入混凝土内部建立了通道[53-54]；孔隙不断生成并且尺寸不断扩大，孔隙尺寸越大则其内部水分越早冻结[55]，进一步产生水压对再生混凝土产生损伤。最终，在这一系列损伤的循环积累下，再生粗骨料混凝土内部结构不断疏松化发展，在损伤累积一定程度后，即认为再生混凝土不再具有足够的承载能力，发生冻融破坏。

2 冻融形貌变化

2.1 宏观形貌变化

混凝土的宏观形貌变化是一个渐进的过程，是一个由表层向内部逐渐破坏的过程[57]。Liu等[52]将再生粗骨料混凝土冻融破坏的外观变化总结为四个阶段：冻融初期，表面基本无变化，无可见损伤，没有粗骨料外露；冻融中期，表面砂浆部分剥落，形成少量孔洞，整体完整；冻融后期，表面砂浆剥落量增加，粗骨料逐渐暴露出来；冻融破坏阶段，表面砂浆剥落严重，外层粗骨料粘结失效、发生脱落。图6为普通混凝土(normal concrete, NC)和再生粗骨料掺量为100%的再生混凝土(recycled concrete, RC)冻融循环200次过程中的外观对比图片。普通混凝土和再生混凝土在冻融试验中的表面形态具有相同的变化趋势，但是由于再生粗骨料与胶凝材料之间的粘结弱于普通混凝土，因此当冻融循环次数相同时，再生粗骨料混凝土的损伤程度比普通混凝土更加严重[58]。冻融试验前，两类混凝土试块表面光滑平整、边缘完整有棱角；冻融循环50次时，试块表面变得粗糙，少量砂浆脱落，两类试件外观差别不大；冻融循环100次时，砂浆脱落增多，棱角有损失，普通混凝土表面部分可见粗骨料，再生混凝土的粗骨料明显显露出来且试块边角处不再完整；冻融循环150次时，试块砂浆大量脱落，粗骨料暴露明显，再生混凝土试块出现缺边少角；冻融循环200次时，试块砂浆成片缺失，边角表现出明显弧度，表层粗骨料突出，再生混凝土的表面凹陷相较于普通混凝土更宽，更深，范围更大。有学者[59-62]对再生粗骨料混凝土进行了300次冻融循环试验，表面形貌如图7所示。经过300次冻融循环后的再生粗骨料混凝土试件表面砂浆大面积缺失，残留砂浆疏松脆弱，沿暴露出的粗骨料边缘形成凹槽，部分粗骨料甚至发生脱落，冻融损伤极为明显。

图6 不同冻融循环次数下的混凝土试件的外观形貌[63]

图7 300次冻融循环后再生粗骨料混凝土试件的外观形貌[59-62]

2.2 微观形貌变化

再生粗骨料混凝土受冻害时的微观形貌变化受再生粗骨料的原始缺陷和混凝土内部ITZ的影响较大。ITZ处的砂浆体结构因其孔隙率大、比重小、机械强度低是再生粗骨料混凝土内部最为薄弱的环节[64]。大量微小孔隙的孔隙壁在内部水分冻结融化的过程中不断承受压力而发生破裂，导致砂浆体逐渐由密实变得疏松，同时孔隙之间相互连通形成裂缝，进而在宏观上表现为再生混凝土力学性能的下降[41]。再生混凝土与普通混凝土之间的抗冻性能差异主要是ITZ范围内的结构损伤导致的，通过微观结构观察分析可以更加直观地揭示再生粗骨料混凝土在冻融循环中的性能退化[65]。图8为再生粗骨料掺量为100%的再生混凝土以及普通混凝土在200次冻融循环过程中的微观扫描电镜照片。冻融试验前，再生混凝土中新砂浆与老旧砂浆之间已存在细微裂缝，砂浆表面比较平整，存在少量独立小孔隙；冻融循环50次时，裂缝和孔隙进一步发展，砂浆表面变得粗糙，出现少量絮状胶凝材料；冻融循环100次时，ITZ处胶凝材料呈絮状或网状，并伴有砂浆剥落，裂缝由界面向两侧扩展；冻融循环150次时，再生混凝土中大量孔隙相互联结，裂缝宽度增大，砂浆出现块状分层；冻融循环200次时，ITZ范围内的裂缝相互贯通，砂浆体开裂，孔隙全面发展，胶凝材料表现出明显的疏松结构。相较于再生混凝土，普通混凝土在冻融循环150次和200次时仅产生少量微裂缝和小孔洞，裂缝孤立未贯通，砂浆体仍表现得较为密实，保持有一定的粘结力和微观结构性能。图9为300次冻融循环后再生混凝土的微观形貌，可见此时裂缝和孔隙已发展得较为完全，裂缝相互贯通形成网络，大孔隙较多且分布密集，胶凝材料呈块状剥离状态，ITZ范围内的砂浆表现为松散颗粒堆积，显然已不再具有任何粘结作用，可以推断此时的再生混凝土即将或已达到冻融破坏标准。

图8 不同冻融循环次数下混凝土试件的微观形貌[63]

3 冻融性能评价指标

当前，已有大量学者对再生混凝土进行了冻融循环试验并取得了有益的研究成果，较为普遍采用的性能评价指标有质量损失、相对动弹性模量和抗压强度。本文选取了仅以再生混凝土粗骨料为替代粗骨料、未进行改性强化的再生混凝土的冻融循环试验的相关研究成果进行总结归纳，以期为再生粗骨料混凝土的抗冻性能研究和应用提供支持。

3.1 质量损失

在冻融试验过程中，再生混凝土试件由于砂浆掉渣、骨料剥离等原因造成质量降低，与试件表面剥蚀程度总体上表现出一致性[66-67]，因此测量试件的质量损失可以作为衡量再生混凝土冻融损伤水平的一个较为直观的方法[68]。王瑞骏[61]将再生混凝土在冻融过程中质量损失率的变化分为三个阶段：(1)下降期(0～25次循环)，冻融损伤连通了更多的混凝土内部渗水通道使砂浆体吸水能力得到提升，质量损失率出现负值；(2)缓慢上升期(25～200次循环)，再生混凝土吸水接近饱和，但内部孔隙和微裂缝仍在发展，砂浆剥落不断增加，质量损失表现出上升态势；(3)加速上升期(200～300次循环)，再生混凝土内部结构薄弱面不断增多，表面砂浆大面积剥蚀，个别粗骨料脱落，质量损失速率增大。选取部分文献[52,68-73]中再生粗骨料混凝土冻融循环试验质量损失的数据进行归纳分析，如图10所示。在“再生粗骨料掺量-质量损失率”平面上，有一束折线较为集中地出现在质量损失率0%线以下，这便是再生粗骨料混凝土在冻融初期出现的质量损失负增长的情况。曲线几乎无斜率，表明再生粗骨料掺量对这一现象的影响较小，同时也说明了在较为有限的冻融循环次数下，难以以质量损失率来衡量不同再生粗骨料掺量的再生混凝土抗冻性能。随着冻融循环次数的再次增加，再生粗骨料混凝土质量损失率曲线依次排列出现，开始表现出质量损失随冻融次数增长的规律。刘传辉等[56]的研究体现了这一规律，掺量50%和100%(质量分数，下同)的再生混凝土经过25次、50次、75次、100次、125次、150次冻融循环后的质量损失率分别为-0.21%、-0.38%、0.19%、0.87%、2.33%、3.86%和-0.36%、-0.58%、0.32%、1.27%、2.82%、4.01%。

图10 再生粗骨料混凝土冻融循环试验质量损失率变化曲线

由图10“冻融循环次数-质量损失率”平面上可以看出，再生粗骨料掺量对再生混凝土在冻融循环中的质量损失率变化的影响也具有一定的规律性。在再生粗骨料掺量影响方面，掺量50%及以下的再生混凝土质量损失率在冻融过程中的数据点较为集中地分布于下侧，与普通混凝土试件性能相近，且呈现出较为均匀的增长态势。再生粗骨料掺量在70%～100%的再生混凝土的质量损失则与前者相差较大，数值较为分散地出现在上侧，并且在冻融过程中的变化也更加剧烈，表现出较差且较为离散的抗冻性能。Xiao等[53]经过试验发现，掺量为0%、33%、66%和100%的再生混凝土在冻融循环75次时的质量损失率分别为2.34%、2.95%、3.89%和5.45%。范玉辉等[66]研究指出，冻融循环100次时，掺量50%和100%的再生混凝土的质量损失率为普通混凝土的120%和239%。刘全升[74]研究发现，掺量25%、50%、75%和100%的再生混凝土的质量损失率在冻融循环120次时分别为3.2%、4.0%、4.7%和5.6%。邓祥辉等[68]的试验指出，掺量0%、25%、50%、75%和100%的试件经过200次冻融循环后的质量损失率分别为1.90%、1.82%、1.63%、3.55%和5.47%。邹超英等[75]研究指出，冻融循环200次时，掺量33%和66%的再生混凝土的质量损失率分别为3.08%和6.35%，此时掺量100%的试件已发破坏。El-Hawary等[76]的试验指出，经过300次冻融循环试验后，掺量为100%的再生混凝土的质量损失损失率相较普通混凝土高67%。Liu等[52]研究表明再生粗骨料掺量对再生混凝土抗冻性能起到控制作用，冻融循环300次时，普通混凝土质量损失率为3.71%，掺量20%和40%的再生混凝土的质量损失率已超过5%，而掺量60%的试件在175次时就已达到这一数值。

作为混凝土冻融试验中最普遍使用、最便捷获取的数据，也有学者[77-78]认为，质量损失率作为再生混凝土抗冻性能指标也有其局限性。冻融初期，试验中普遍出现负质量损失率并非试件本身的质量增加，而是前期试件吸水量大于混凝土剥落量，但此时混凝土表面砂浆的剥蚀仍是质量损失的表现[56]。同时这也使得再生混凝土在冻融初期的质量损失并不明显[63]，甚至会出现高再生骨料掺量试件的质量损失率在整个试验过程中恒为负值的情况[79]。此外，质量损失率作为衡量指标的变化范围较小[78]，相较于相对动弹性模量60%的最大变化范围，质量损失率的差别有时只有4%[60]，区分能力并不明显。

3.2 相对动弹性模量

混凝土动弹性模量通过弹性波在混凝土内传播速度的变化来衡量材料内部结构的状态[68]，可在不破坏试件的情况下确定混凝土的冻害情况[56]。相对于质量损失是反应混凝土表面损伤程度的指标，动弹性模量则通过测试内部密实程度来反映混凝土的冻融损伤水平[61,80]。在冻融循环中，再生粗骨料混凝土的孔隙和微裂缝不断扩展，结构逐渐疏松，导致动弹性模量下降[53,81]。选取部分文献[52,61,68,71,82-84]中再生粗骨料混凝土冻融循环试验相对动弹性模量(relative dynamic elastic modulus，RDEM)的数据进行归纳分析，如图11所示。再生粗骨料混凝土在冻融循环中的相对动弹性模量损失率受冻融循环次数和再生粗骨料掺量影响的变化趋势与质量损失率相同，均为冻融循环次数越多、再生粗骨料掺量越大，损失率越高，同时再生混凝土本身材料性能的影响也比较大，不同水灰比[85]、不同设计强度[62]、不同再生粗骨料来源[61,86]的再生混凝土在冻融循环试验中相对动弹性模量的变化速率均存在较大差异。在“冻融循环次数-相对动弹性模量”平面上，可以看到数据点在上下两侧分别集中为两束，但其区别并非由再生粗骨料掺量导致的，而是不同研究中的再生混凝土的相对动弹性模量的变化趋势存在差异。Xiao等[53]研究指出，经过75次冻融循环，普通混凝土的残余动弹性模量分别为再生粗骨料掺量33%、66%和100%的再生混凝土的1.15倍、1.78倍和5.01倍。而张金喜等[83]研究指出，冻融循环100次时，掺量50%和100%的再生混凝土的相对动弹性模量损失分别是普通混凝土的3.75倍和6.41倍。邓祥辉等[60]的试验指出掺量0%、25%、50%、75%、100%的再生混凝土经过150次冻融循环后的相对动弹性模量分别降至58.5%、50.9%、53.85%、45.5%和41.35%。覃源等[80]研究发现，在100次和200次冻融循环时，掺量0%、50%、100%的混凝土试件的残余相对动弹性模量分别为93.7%、92.7%、90.1%和91.0%、89.0%、77.5%。可见，不同研究中的再生粗骨料混凝土的相对动弹性模量的变化范围和敏感程度是不同的。

图11 再生粗骨料混凝土冻融循环试验相对动弹性模量损失率变化曲线

在“再生粗骨料掺量-相对动弹性模量”平面上也能清晰地看到变化趋势差异较大的多种折线的存在。曹万林等[77]试验指出各再生粗骨料掺量的再生混凝土试件在冻融循环25次、50次、75次、100次时的相对动弹性模量变化均值分别为4.4%、5.5%、7.9%和12.5%。刘传辉等[56]研究指出再生粗骨料掺量为50%的再生混凝土在冻融循环25次、50次、75次、100次、125次、150次时的相对动弹性模量分别为6.13%、13.95%、21.18%、28.96%、33.85%和38.76%；掺量100%的试件在冻融循环100次时的损失率就已达到34.53%，冻融150次时为42.87%。Liu等[52]研究表明，相较于掺量20%和40%的再生混凝土，掺量60%的试件相对动弹性模量在冻融循环中下降更加迅速；经过300次循环，掺量为0%、20%、40%的混凝土的残余相对动弹性模量分别降至83.0%、58.1%和57.9%，而掺量100%的试件在175次冻融循环时就降至51.1%。El-Hawary等[76]对再生混凝土进行了300次冻融循环试验，指出取代率为50%的再生混凝土在210次循环时的弹性模量已降至冻融前的60%以下，而取代率0%的混凝土试件在300次冻融循环后仍大于冻融前数值的60%。Jain等[36]的研究则指出，经过400次冻融循环，再生粗骨料掺量为0%、30%和100%的再生混凝土的相对动弹性模量则分别降至96%、92%和86%，循环次数多但衰减幅度并不大。可见，不同工艺下的再生混凝土内部密实程度和薄弱界面数量、强度不同，使取得的相对动弹性模量具有不同的变化趋势。这使得有的再生混凝土在掺量达到100%时仍具有很高的抗冻性能，而部分再生混凝土在50%掺量时即达到破坏标准。因此，在寒冷环境下应用再生粗骨料混凝土，从原材料、工艺等各个环节上对再生混凝土的品质进行控制显得尤为重要。

作为通过材料密实程度体现再生混凝土抗冻能力的指标，相对动弹性模量也有其局限性存在。部分再生混凝土冻融循环试验[56,61,80,82]出现了相对动弹性模量在试验前半段(100～150次冻融循环)的数据变化和曲线差异不明显的情况。陈德玉等[82]的研究指出，再生粗骨料混凝土在冻融循环0～150次之间的相对动弹性模量变化量较小，下降幅度在2.95%～3.65%之间，且性能劣化程度基本与再生粗骨料掺量无关。王瑞骏等[61]研究指出:前150次冻融循环试验中再生混凝土的相对动弹性模量变化缓慢，各组试件变化均值为9.35%；在冻融循环150～300次时变化较为明显，均值达到18.25%。可见，在冻融开始后再生混凝土内部孔隙、裂隙发育不充分的较长一个阶段中，相对动弹性模量的反应并不敏感，可能出现不能较好体现再生混凝土抗冻性能受冻融循环和再生粗骨料掺量影响而变化的情况。

3.3 抗压强度

有研究[58,73,87]认为，相较于质量损失率和相对动弹性模量，采用抗压强度作为再生混凝土抗冻性能指标更为合理，指出抗压强度能够反映冻融过程中再生粗骨料混凝土的综合性能[58]，能够体现再生粗骨料作为再生混凝土受力骨架的强度劣化趋势[73]以及与水泥砂浆之间粘结性能的变化[87]，并能由其建立准确度较高的冻融损伤预测模型[41,56,88]。选取部分文献[52,56,68,73,87-89]中再生粗骨料混凝土冻融循环试验抗压强度的数据进行归纳分析，如图12所示。在“冻融循环次数-相对动弹性模量”平面上，可以清楚地看到数值点较为集中地分布于斜对角线方向上并且具有统一的变化趋势。可见，在整个冻融循环试验中，各再生粗骨料掺量的再生混凝土抗压强度损失率呈现出较为稳定的增长，说明抗压强度这一指标能够较为完整地反映再生粗骨料混凝土在整个受冻害过程中的冻融损伤程度。Fiol等[90]的试验指出，经过56次冻融循环，取代率0%的混凝土试件的抗压强度损失率为8%，而100%取代率的再生混凝土试件的抗压强度损失率则达到了30%，劣化明显。曹芙波等[58]研究指出：冻融循环100次以后，再生粗骨料混凝土试件内部有大量冰晶产生，抗压强度损失率大幅增加；经过150次冻融循环后，再生粗骨料掺量为0%和100%的混凝土的抗压强度损失率分别为45.5%和53.3%。肖前慧等[91]对再生粗骨料混凝土进行了300次冻融循环试验，随着冻融次数继续增加，冻结区域深入试件内部，ITZ区域的微小损伤及孔隙加速扩展，再生粗骨料与砂浆的联结被破坏，抗压强度迅速下降。Santana等[62]配制了强度等级分别为C35和C60的不同再生粗骨料掺量的再生混凝土，在150次和300次冻融循环时，C35组和C60组的再生粗骨料混凝土的抗压强度损失率分别为7.1%～10.0%、3.4%～6.3% 和15.3%～21.2%、11.9%～15.9%。

图12 再生粗骨料混凝土冻融循环试验抗压强度损失率变化曲线

由图12“冻融循环次数-再生粗骨料掺量”平面可见，各组不同再生粗骨料掺量的再生混凝土抗压强度损失率在不同冻融循环周期上也有较为一致的增长趋势且数据分布较均匀，说明抗压强度指标对不同再生粗骨料掺量的再生混凝土抗冻性能的差别也有较好的呈现效果。肖建庄等[87]分别选取原石为碎石和砾石的再生粗骨料配制再生混凝土并对其进行100次冻融循环试验。结果表明，普通混凝土在冻融试验中的抗压强度降低缓慢，而再生混凝土抗压强度下降较为显著；再生粗骨料掺量为0%和50%的碎石和砾石粗骨料混凝土的抗压强度损失率分别为19.074%、34.557%和21.017%、36.525%。韩风霞等[73]研究表明，当再生粗骨料大量取代天然粗骨料作为混凝土骨架时，骨架缺陷较多，导致再生混凝土在冻融过程中抗压强度损失率较高；经过200次冻融循环，掺量0%、25%、50%、75%和100%的再生混凝土的抗压强度损失率分别为19.4%、21.4%、22.1%、23.9%和24.3%。从抗压强度劣化水平来看，再生粗骨料掺量应控制在50%以内[64,68,77]。邓祥辉等[68]研究表明，经过200次冻融循环，各组试件的抗压强度损失率在24.8%～38.5%之间，掺量100%的试件的抗压强度损失率始终最大，掺量50%的再生混凝土的抗压强度最接近普通混凝土。刘全升[74]研究指出，冻融循环240次时，掺量100%的再生混凝土的抗压强度为普通混凝土的61%，劣化明显。Liu等[51]对掺量0%、25%、75%、100%的再生混凝土进行了300次冻融循环试验，抗压强度损失率分别为18.69%、21.21%、27.35%和33.04%。

4 抗冻性能研究的不足

当前对于再生粗骨料混凝土冻融破坏机理的研究主要集中于ITZ范围的劣化过程和内部微裂缝、孔隙发育的影响，对其冻融损伤成因和力学基础的研究较为欠缺。由于再生粗骨料来源的不确定性和再生粗骨料混凝土内部界面的多样性，再生混凝土的冻融破坏机理也应当是更加复杂的，因此直接套用普通混凝土的冻融破坏机理的假说进行解释可能还不够准确。应当对再生粗骨料混凝土的冻融破坏机理进行更加系统深入的研究。

再者，应当在标准化冻融试验的基础上进一步结合实际工程环境对再生粗骨料混凝土的抗冻性能进行研究。Fagerlund[24]认为，广泛使用的混凝土材料冷冻测试主要集中在选择何种试验方式以获得最佳数据相关性，而非针对实际环境进行模拟研究，这就使得实验室研究数据与实际应用存在着一定出入。李金玉等[20]研究表明，混凝土的冻融破坏不仅与冻融循环次数有关，还与冻结温度有关。朱平华等[92]指出，实际使用中的大部分混凝土并非长期处于饱水状态，而是存在着干湿循环变化。刘西拉等[93]也指出实验室环境所给出的结冰速率和充水程度较实际情况更加严苛；同时试验中所使用的试件是自由变形、标准养护下的完整小试件，而现场环境中的混凝土在浇筑后的收缩变形会受到约束，且抗冻耐久性考察的重点为混凝土构件的保护层部分。因此，还应进一步针对相应工程中特定的冻害环境对再生混凝土的抗冻性能进行具体研究，使得再生粗骨料混凝土能更好地服务于实际工程。

对于再生粗骨料混凝土抗冻性能指标的选取和抗冻性能试验方法也需要进一步研究和创新。质量损失和相对动弹性模量在冻融循环次数较少时的反应并不敏感，同时质量损失不能体现再生混凝土内部结构的损伤变化[89]，有时甚至还会产生偏差[94]，具有一定的局限性。抗压强度这一指标对再生粗骨料混凝土承受冻害时的性能劣化体现得较为准确，但获取过程为破坏性试验，在变量较多以及冻融循环次数较多、间隔密集时，会存在试件数量较多、试验周期较长、成本较高的情况，少有大批量进行冻融后抗压试验的研究，这也阻碍了再生混凝土抗冻性能研究的进一步发展。因此，还需进一步研究开发新的非破坏性且效果良好的再生混凝土抗冻性能评价指标和测试方法。当前，已有大量学者[95-99]采用声发射技术对再生粗骨料混凝土的损伤过程进行研究。秦拥军等[95]研究发现随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的声发射累计振铃数呈现出先下降后上升的趋势。刘茂军等[96]指出使用经过物理强化的再生粗骨料制备再生混凝土，试件在声发射试验中的高频信号增多，其损伤过程更接近普通混凝土。于江等[97]发现再生混凝土损伤演化过程与声发射特征联系密切，声发射特征变化率可用以描述再生混凝土损伤过程。Kencanawati等[98]指出采用声发射技术所获数据的分析结果与其他常用方法的分析结果具有一致性，认为该方法可以用以确定再生混凝土的损伤状态。Men等[99]的试验指出声发射技术能较好地监测再生混凝土中ITZ和砂浆区域裂缝发展情况，并据此提出了对应的再生混凝土材料压缩性能评价指标。Li等[100]的研究指出声发射的能量值、计数的变化与再生混凝土裂缝开展速率有关，可将损伤阶段分为初始损伤、稳定发展和内部损伤三个阶段。王炳雷等[101]的试验指出再生混凝土声发射峰值能量比普通混凝土高，随着再生骨料取代率的增加，峰值能量的大小和数量均有所增加。张仕桦等[102]研究发现，声发射信号的迅速大量出现可以作为再生混凝土材料即将失稳破坏的标志。图13为超声波波速损失率受冻融循环次数和再生粗骨料取代率影响的变化曲线。再生粗骨料混凝土的超声波波速与其内部结构相关，内部结构越密实，则超声波波速越快，说明再生混凝土在承受冻害后的损伤越小[68]。同时，超声波波速测试不会对混凝土体产生破坏，测量时也无需整体激振，适用于实际工程中的混凝土冻害检测[63]。因此，声发射技术是反映寒冷环境下再生混凝土结构性能及其材料内部结构特征的一种较为准确方便的测试方式，冻融损伤检测也需要对诸如此类的指标方法进行更多更深入的探索与推广。

图13 再生粗骨料混凝土冻融循环试验超声波波速损失率变化曲线

5 结语与展望

近年来，国内外学者针对再生粗骨料混凝土的冻融损伤机理和抗冻性能进行了广泛研究，研究结果以及存在的问题如下：

(1)ITZ是再生粗骨料混凝土承受冻害时的薄弱环节，冻融过程中微裂缝和孔隙的不断发育使得再生粗骨料混凝土的抗冻性能不断劣化。当前对于再生粗骨料混凝土抗冻性能的研究主要集中于对ITZ、微裂缝和孔隙的研究，对损伤成因和力学基础的研究较为欠缺。

(2)标准化的冻融循环试验对再生粗骨料混凝土抗冻性能的研究提供了有力支撑。但试验在冻结温度、饱水程度、变形约束等方面的环境模拟与具体工程中的再生粗骨料混凝土服役条件还存在一定差异。

(3)再生粗骨料掺量50%以下的再生混凝土的抗冻性能与普通混凝土相似，使用时需控制再生粗骨料的掺量。质量损失以及相对动弹性模量和抗压强度分别从表观损伤和内部结构损伤的角度反映了再生粗骨料混凝土在冻融过程中的性能劣化趋势，但均存在一定的局限性。质量损失和相对动弹性模量在冻融试验前期反应不敏感，还会存在一定偏差；抗压强度虽能较好体现再生粗骨料混凝土在试验全程的综合抗冻性能，但其破坏性试验的性质并不利于广泛、大量地开展检测。

针对上述当前研究中存在的不足，对未来再生粗骨料混凝土抗冻性能研究提出了如下研究方向展望：

(1)对再生粗骨料混凝土的冻融破坏机理进行针对性研究，从微观角度具体研究分析再生粗骨料混凝土承受冻害时的基体损伤过程，并进一步对再生粗骨料混凝土冻融损伤成因和力学基础进行研究验证。

(2)在标准化冻融试验的基础上针对特定工程环境对再生粗骨料混凝土的抗冻性能进行研究，使其抗冻性能研究成果能够更加直接地应用于实际工程和结构服役中去。

(3)创新再生粗骨料混凝土抗冻性能研究指标和研究方法，研究开发无损且表征良好的抗冻性能测试方法，以利于更广泛更大量地进行再生粗骨料混凝土抗冻性能检测。