基于声发射技术的再生混凝土冻融损伤特性研究

张恺 尹志刚 陈晨 董思健 周晶

摘要：

为研究不同冻融介质（清水、3.5%NaCl溶液）对再生混凝土冻融损伤和声发射特性的影响，对再生粗骨料替代率为50%的混凝土开展快速冻融试验。利用声发射技术对冻融后的再生混凝土受压全过程进行监测，以声发射特性参数作为损伤变量，分析不同冻融介质下再生混凝土的冻融损伤劣化特征。结果表明：在3.5%（质量比）NaCl溶液中的再生骨料混凝土的冻融破坏程度要远大于清水组中混凝土的冻融破坏程度，且两者之间的差异随冻融次数的增加而增大；声发射能量释放率的峰值随冻融次数呈逐渐降低的趋势，不同冻融次数后声发射相对累积能量随相对应力水平的增加而逐渐增大，曲线的拐点逐渐右移。建立的声发射相对累积能量-应力曲线能够较好地反映再生骨料混凝土冻融后受压破坏的全过程。研究成果可为研究再生混凝土冻融损伤演化规律提供参考。

关 键 词：

再生混凝土； 冻融介质； 声发射技术； 损伤

中图法分类号： TU528.0

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.031

0 引 言

将拆除废弃建筑物的混凝土机械破碎、筛分后制成再生骨料替代部分天然骨料制备再生混凝土，不仅能在一定程度上缓解自然资源紧缺的局面，还可以解决建筑垃圾粗放性回填或露天堆放引起的环境污染问题，对降低碳排放、实现“碳达峰、碳中和”、促进经济社会协调发展具有重要意义［1-3］。

近年来，国内外学者对再生骨料混凝土开展了大量研究。王晨霞等［4］研究了不同强度等级再生混凝土和普通混凝土冻融后力学性能、动弹性模量和超声波损失率的变化规律。牛海成等［5］认为再生混凝土的抗冻性能随再生骨料替代率的增加而降低。Roumiana等［6］认为再生骨料表面附着老砂浆，自身多孔且吸水率高是导致其抗冻性能明显低于普通混凝土的主要原因。Júnior等［7］研究了不同再生骨料替代率（15%，25%，50%）下的混凝土表观密度、孔隙率、毛细吸水率、抗压强度和相对动弹性模量随冻融次数的变化规律。杨阳等［8］研究了不同粗骨料替代率和微珠掺量对再生混凝土力学性能、自收缩性能以及抗氯离子渗透性能的影响。可见，目前关于再生骨料混凝土的研究主要集中在配合比设计、力学性能和耐久性等方面，但是有关再生骨料混凝土在不同冻融介质中的力学性能及其冻融损伤规律方面的研究还比较少见。

声发射（Acoustic Emission，AE）技术是一种新型动态无损检测技术，可实时捕捉混凝土在加载作用下砂浆开裂、骨料位错的位置，并可对内部微裂纹的扩展进行动态追踪［9-10］。聂瑞［11］详细探讨了AE检测技术的相关特性参数在再生混凝土受压全过程中的合理取值范围。Men等［12］利用AE对受压条件下再生骨料混凝土失效过程和损伤进行评估。彭竹君等［13］基于AE研究了不同加載速率和冻融循环对混凝土冻融损伤破坏过程。

本文对再生粗骨料替代率为50%的混凝土开展快速冻融循环试验，分析比较不同冻融介质（清水、3.5%NaCl溶液）条件下再生混凝土质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度随冻融次数的变化规律，并结合声发射参数建立了不同冻融介质中再生混凝土的冻融损伤演化模型，能够较好地反映冻融后再生骨料混凝土受压破坏的过程。试验结果可为研究再生混凝土冻融损伤演化规律提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料及配合比设计

试验选用鼎鹿牌P·O42.5级普通硅酸盐水泥；天然粗骨料选用4.75～31.50 mm的连续级配碎石；再生粗骨料来源于实验室自制C30钢筋混凝土梁，经机械破碎后，再人工敲除骨料表面的旧砂浆，筛分后获得4.75～35.00 mm的再生粗骨料。表1列出了天然粗骨料与再生粗骨料的基本物理性能。细骨料选用细度模数为2.85的天然河砂；减水剂选用辽宁某化工公司生产的（萘系）FDN型高效减水剂。试验用水为普通自来水。根据相关规范［14］要求，再生粗骨料的掺量为50%，试验具体配合比设计如表2所列。

1.2 试验方法与主要试验设备

采用二次投料法的顺序，分别在实验室内浇筑100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件和100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块。浇筑完成后在室温下静置24 h拆模，然后在标准条件下养护至24 d，随后将试块分别放入（20±2）℃的清水和3.5%NaCl溶液中浸泡4 d。抗冻试验参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》［15］进行。

试验设备：采用SKDR-28S型冻融试验机进行快速冻融循环试验；采用DT-18型动弹仪测定冻融后混凝土棱柱体试块的相对动弹性模量；采用WAW-2000 kN电液伺服微机控制万能试验机进行单轴抗压强度测试，以负荷形式控制加载，加载速度为3.0～5.0 kN/s；采用北京某公司生产的DS2-16B型声发射装置测定混凝土经受不同冻融循环次数后的声发射特性。试验过程中相关参数设置如下：采样速率为1 MHz，门槛值设置为10 mV（40 db），峰值鉴别时间（PDT）、撞击鉴别时间（HDT）和撞击闭锁时间（HLT）分别设置为150，350，1000 μs，硬件滤波器设置为20～100 kHz，采用凡士林作为耦合剂。声发射试验加载装置示意如图1所示。

2 试验结果与分析

2.1 质量损失率与相对动弹性模量

图2（a）为再生骨料混凝土分别在清水、3.5%NaCl溶液下质量损失率随冻融次数的变化曲线。可以看出，随着冻融次数的增加，两种不同冻融介质下的混凝土试块的质量损失率呈现出先降低后逐渐增大的趋势。在冻融循环初期（0～25次）质量损失率呈负增长，这是由于再生骨料自身含有的微裂隙数量较多，在周期性的冻胀压力和渗透压力作用下，内部微裂隙会逐渐累积扩展，使得试块吸收的水量大于试块表面水泥浆皮剥落的程度，故质量损失率出现负增长。在3.5%NaCl溶液中的棱柱体试块，50次冻融循环后，质量损失率急剧增大，经历75次冻融循环后，质量损失率已超过5%，按照规范要求已达到破坏状态；而在对照组清水中的棱柱体试块质量损失程度变化速率明显低于在3.5%NaCl冻融介质中的质量损失速率。随着冻融次数增加，试块的表面水泥砂浆剥离基体，质量损失程度也在不断增加，在经过100次冻融循环后，质量损失率也接近5%。值得注意的是，再生骨料混凝土质量损失率增长很快，可能是由于再生粗骨料经机械破碎后，又人工用铁锤再次敲击骨料表面附着砂浆，致使再生骨料品质降低。

图2（b）为再生骨料混凝土在清水、3.5%NaCl溶液两种冻融介质中相对动弹性模量与冻融循环次数关系。由图可知，不同冻融介质下再生骨料混凝土相对动弹性模量均随着冻融循环次数的增加而逐渐降低。50次冻融循环以前，两种冻融介质中相对动弹性模量的差异并不明显；但75次冻融循环后，在3.5%NaCl溶液中的混凝土相对动弹性模量降低到70.1%，100次冻融循环后，相对动弹性模量已降低至41.86%。而在清水中试件的相对动弹性模量大致呈抛物线下降的趋势，在经历100次冻融循环后降至63.1%。分析两者的关系及斜线下降的速率可知，再生骨料混凝土试件在3.5%NaCl溶液中的损伤劣化程度要明显大于清水。

3 结 论

（1） 不同冻融次数后，声发射相对累积能量与单轴加载下的累积损伤程度密切相关；声发射相对累积能量与应力曲线能够较好地反映不同介质作用下再生骨料混凝土冻融后受压破坏的全过程。在相同冻融次数下，氯盐环境会显著改变再生混凝土冻融损伤破坏的演化路径。

（2） 随着冻融循环次数的增多，再生混凝土的损伤程度逐渐变大。在清水、3.5%NaCl溶液中再生骨料混凝土试块的峰值抗压强度均随着冻融循环次数的增加而逐渐降低，峰值点明显下降并右移，受压破坏的脆性特征愈发明显，且曲线上升段逐渐变得越来越凹；在3.5%NaCl溶液中的立方体试块峰值抗压强度损失率普遍大于清水中的立方体试块峰值抗压强度损失率，且两者之间的差异随冻融循环次数的增加而越来越明显。

（3） 声发射能量释放率的峰值随冻融次数的增加呈逐渐降低的趋势；基于声发射累计事件数所建立的损伤变量与相对应力水平之间的关系，可以用来定量描述再生骨料混凝土冻融后的损伤特性。

参考文献：

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（編辑：郑 毅）

Abstract：

In order to study the effect of different freeze-thaw media （water，35wt%NaCl solution） on the freeze-thaw damage and acoustic emission （AE） characteristics of recycled aggregate concrete （RAC），a series of experiments have been carried out by using concrete with 50% recycled coarse aggregate.AE technology was utilized to monitor the whole process of compression of RAC after freeze-thaw cycles，and the frost damage characteristics of RAC under different mediawas represented by AE parameter.The results indicated that the freeze-thaw deterioration of RAC in 35wt%NaCl solution was much worse than that in water，and the deterioration difference in the two media increased with the increasing of freeze-thaw cycles.Besides，the peak value of AE energy release rate gradually decreased with the increasing of freeze-thaw cycles.The relative cumulative energy of AE increased with the increasing of relative stress level，and inflection point of the curve moved to the right gradually.The curve of AE relative cumulative energy and stress obtained by experiments can reflect the whole process of compressive failure of RAC after frost damage effectively.This work can provide a reference for the study of freeze-thaw damage evolution of RAC.

Key words：

recycled aggregate concrete；freeze-thaw media；acoustic emission technology；damage