再生混凝土凍融作用下強度損傷研究

柳艷杰，金明山，張曉東,張仕龍，劉 佳, 丁 琳

(1.黑龍江大學(xué) a.建筑工程學(xué)院;b.黑龍江省村鎮(zhèn)飲水安全工程技術(shù)研究中心,哈爾濱 150080；2. 黑龍江農(nóng)墾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程設(shè)計有限公司,哈爾濱 150090，3.黑龍江省隆業(yè)水利水電工程建設(shè)有限公司，哈爾濱 150080；)

0 引 言

由于建筑物具有一定的使用年限，使用過程中又不可避免地會出現(xiàn)損壞，廢棄混凝土占用大量的土地資源。同時，由于碎石及卵石資源日益短缺，將混凝土合理循環(huán)利用，變廢為寶，將會帶來重要的資源節(jié)省和環(huán)境保護(hù)。

再生混凝土是指將通過破碎、清洗和分級等方法處理廢棄的混凝土作為骨料，按照相應(yīng)的比例拌合而成的一種混凝土[1]。它是用全部或者部分的再生骨料，代替砂石等天然骨料，配制而成的新的混凝土材料。試驗采用廢棄的原生骨料來制作再生混凝土，由于再生混凝土骨料的力學(xué)及抗凍性能較低，本研究采用摻入納米級硅粉改善再生混凝土的性能[2]。李佳鑫研究得出，硅粉摻量對混凝土的早期強度影響較大[3]；2019年孫劍飛提出了長齡期粉煤灰即硅粉作用的機理[4]；陳潔瑤研究表明：水泥礦粉土強度大于水泥土強度; 水泥礦粉土滲透系數(shù)小于水泥土滲透系數(shù)[5]；孫華研究了不同水泥摻量對粒料穩(wěn)定基層的影響[]；丁琳通過大量的試驗研究，分析了粉煤灰對硅粉泡沫混凝土長期抗壓強度的作用機理[6]。張鴻儒研究了再生骨料混凝土干縮裂縫產(chǎn)生的過程及變化規(guī)律[7]；Xuan采用加速碳化技術(shù)來增強再生混凝土骨料的質(zhì)量，評估再生骨料的性能及其對新混凝土力學(xué)性能的影響[8]；Shayan比較使用了兩種已知現(xiàn)場性能的再生骨料通過兩種測試方法獲得膨脹結(jié)果，并評估其膨脹極限，預(yù)測這些骨料的有效性，提出了兩種評估粉煤灰抑制膨脹有效性的測試方法[9-10]。姚宇峰進(jìn)行了再生粗骨料對再生混凝土的基本力學(xué)影響研究[11]。

1 材料和試驗方法

1.1 試驗原料

試驗采用哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌42.5級普通硅酸鹽水泥、硅灰、松花江砂子、再生骨料、石子、黑龍江省低溫科學(xué)研究所生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑、自來水等材料。

1.2 試驗設(shè)備配合比

試驗設(shè)備見表1。試驗配合比見表2。

表1 試驗設(shè)備Table 1 Test equipment

表2 C30混凝土的配合比Table 2 Mixing ratio of C30 concrete

1.3 試塊的制作及其養(yǎng)護(hù)

本次試驗，筆者制作了邊長為150 mm的立方體和100 mm×100 mm×400 mm的長方體試塊。首先，將廢棄的混凝土進(jìn)行破碎、清洗和分級處理，為制作良好級配的混凝土做準(zhǔn)備。

先將石子和再生粗骨料倒入攪拌機攪拌，再將砂子倒入攪拌約30 s后，加入已經(jīng)摻加減水劑的水，繼續(xù)攪拌約90 s后，準(zhǔn)備進(jìn)行澆筑。在澆筑前，在模具四周放上一層保鮮膜，有利于脫模?；炷裂b模后放到振動臺，震動約90 s，待混凝土均勻分布于模具中后，關(guān)閉電源。在實驗室放置24 h后，進(jìn)行拆模。脫模后，將試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d。

2 試驗研究

本次試驗先進(jìn)行常溫下立方體抗壓試驗，對比再生混凝土凍融循環(huán)前的立方體抗壓強度大小，之后通過快凍法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗，研究經(jīng)過凍融循環(huán)后，再生骨料混凝土試塊的強度損傷。

2.1 再生骨料混凝土立方體抗壓強度試驗

本試驗使用NYL3000型壓力試驗機，從養(yǎng)護(hù)室中取出立方體試塊S0、S1、S2、S3各組3塊，共12塊。通過文獻(xiàn)[3]，進(jìn)行立方體抗壓強度試驗。加載前后的再生骨料混凝土試件見圖1。

圖1 再生骨料混凝土試件加載破壞過程Fig.1 Loading failure process of recycled aggregate concrete specimen

經(jīng)歷壓縮試驗后，再生骨料混凝土呈X型或者四角錐形破壞，破壞形態(tài)見圖2。主要破壞界面有3種：天然骨料和老砂漿間、老砂漿和新砂漿間以及天然骨料和新砂漿間。破壞主要原因：再生骨料與水泥砂漿之間的黏結(jié)相對比較薄弱；再生粗骨料強度不夠大，導(dǎo)致加載后壓碎；再生粗骨料的空隙率比天然粗骨料相對較大，導(dǎo)致承受軸向荷載時產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象，且再生粗骨料表面存在未除凈的薄水泥漿，導(dǎo)致破壞發(fā)生。

圖2 再生混凝土立方體抗壓呈錐形破壞Fig.2 Compressive cone-shaped failure of recycled concrete cube

再生混凝土的抗壓強度見表3。再生混凝土在再生骨料取代率和硅粉摻量協(xié)同升高下，它的立方體抗壓強度先增加而后遞減。S1、S2、S3的立方體抗壓強度分別為S0的177.8%、213.8%、141.0%，故S2的抗壓效果相對較好。查閱文獻(xiàn)得知，再生骨料取代率提高，混凝土的抗壓強度應(yīng)該降低。本實驗的再生混凝土抗壓強度較原生混凝土有相應(yīng)的提高，且先增后減?？梢?，硅粉的摻量對再生混凝土強度的提高具有顯著的作用，可使再生混凝土達(dá)到高強的效果。

表3 凍融循環(huán)試驗Table 3 Freeze-thaw cycle test

2.2 再生骨料混凝土抗凍耐久性能試驗

根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]，本次試驗采用的是快凍法，取標(biāo)準(zhǔn)尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的S0、S1、S2、S3長方體試塊每組各3塊，共12塊試件進(jìn)行試驗。用于測定試件在凍融循環(huán)的作用下，進(jìn)行多次凍融直至達(dá)到失效指標(biāo)，利用極限凍融次數(shù)來評價再生混凝土抗凍性；通過觀察混凝土的表面現(xiàn)象，得出凍融循環(huán)作用下，再生混凝土的破壞機理。

由于再生混凝土內(nèi)部的微裂縫較多，骨料的空隙較大，吸水性較強。不斷進(jìn)行水凍冰融，在凍脹力作用下，混凝土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松，外部砂漿開始脫落，骨料外露，產(chǎn)生了強度損失。

通過凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)在50次時，出現(xiàn)了表面的砂漿脫落現(xiàn)象；100次試驗時，表面脫落現(xiàn)象更加明顯，變得粗糙；150次時，砂漿繼續(xù)脫落，伴隨有掉角現(xiàn)象；200次循環(huán)時，砂漿脫落嚴(yán)重，有石子外露現(xiàn)象；250次時，砂子脫落，部分石子開始脫落，部分試件已經(jīng)破壞；300次凍融循環(huán)試驗，試件幾乎完全失效。25～100次凍融循環(huán)后，再生混凝土試件見圖3。本次極限凍融循環(huán)次數(shù)見表4。

圖3 混凝土凍融循環(huán)變化過程Fig.3 Change process of concrete with freeze-thaw cycle

由表4可見，再生混凝土在再生骨料取代率和硅粉摻量協(xié)同升高下，它的凍融循環(huán)次數(shù)先增加而后出現(xiàn)遞減。S1、S2、S3經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)分別為S0的140.1%、155.5%、150.5%，故S2的抗凍耐久性能最好。查閱文獻(xiàn)[5]得知，隨著再生取代率的增大，再生混凝土的抗凍耐久性降低。本試驗的再生混凝土抗凍耐久性較原生混凝土有相應(yīng)的提高?？梢?，硅粉的摻量對再生混凝土抗凍性的提高具有顯著的作用，可使再生混凝土達(dá)到耐寒的效果。

表4 凍融循環(huán)試驗結(jié)果Table 4 Freeze-thaw cycle test results

3 結(jié) 論

通過對以上兩組再生混凝土試塊的對比實驗，得出以下結(jié)論：

1)硅粉的比表面積為20～25 m2/g，是水泥比表面積的50～60倍；納米硅粉摻入能有效增加其密度及凝聚力，從而提高了再生混凝土的抗壓強度，使再生混凝土達(dá)到高強的目標(biāo)。試驗研究表明，再生混凝土骨料替代率為50%，當(dāng)硅粉摻量為9%時，再生混凝土的抗壓強度最高。

2)由于再生混凝土骨料內(nèi)部存在微裂隙，導(dǎo)致受力不均勻，混凝土受到荷載作用時，再生骨料的微裂隙會進(jìn)一步發(fā)展形成貫通裂隙，混凝土產(chǎn)生破壞。再生骨料混凝土僅摻入水泥，因水泥顆粒較大無法進(jìn)入再生骨料微裂隙，而納米級的硅粉可有效滲入到微裂隙中，起到充填膠結(jié)作用，有效降低了混凝土的孔隙率。試驗結(jié)果表明：破壞時常出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，沿著骨料和水泥石的微裂縫處破壞，破壞形狀多為X型或四棱錐。

3)未摻入硅粉的再生骨料混凝土，由于再生骨料空隙較多，內(nèi)部微孔吸水性好，前期吸水的質(zhì)量大于骨料脫落的質(zhì)量，故在凍融循環(huán)的前50次出現(xiàn)質(zhì)量增加現(xiàn)象，之后一直降低。經(jīng)過多次凍融循環(huán)，再生混凝土變得疏松，表面凹凸不平，砂漿脫落，骨料外露并脫落，出現(xiàn)缺角破壞。摻量硅粉可有效提高再生骨料的抗?jié)B及抗凍性，再生骨料為50%,當(dāng)硅粉摻量為9%時，再生骨料混凝土的抗?jié)B性增強，再生骨料混凝土的抗凍性提高了155%，達(dá)到最大；進(jìn)一步加大硅粉摻量至12%時，其抗凍指標(biāo)降低了5%。