鄧祥輝,曹衛(wèi)平，薛麗媛，王 睿

(西安工業(yè)大學建筑工程學院,西安 710021)

據(jù)工業(yè)與信息化部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016年中國產(chǎn)生的建筑垃圾超過15×108t，且呈逐年上升的趨勢。估計到2020年中國建筑垃圾的年產(chǎn)量將高達20×108t，其中40%以上是混凝土垃圾。因此，研究廢棄混凝土的循環(huán)再利用具有重大的社會經(jīng)濟價值。而中國混凝土結構劣化與破壞呈“南銹北凍”的地域性特征[1]，隨著西部大開發(fā)的深入推進，西北地區(qū)將成為中國的基建重地。因此，研究再生混凝土的抗凍耐久性對于再生混凝土應用意義重大。

前人對混凝土的抗凍耐久性進行了多方面的研究，取得了很多有價值的成果。Thomas等[2]通過24種配比混凝土的物理、耐久性和力學試驗的結果，分析了再生粗骨料混凝土耐久性的物理、力學機制和力學分析方法，并提出一種再生粗骨料混凝土抗壓強度的試驗模型的建議。李金玉等[3]通過快速凍融試驗研究了普通混凝土、引氣混凝土和高強混凝土的抗壓強度、抗彎強度、抗拉強度、動彈性模量、飽和面干吸水率、孔結構、水化產(chǎn)物等變化特征，結果表明，混凝土的凍融破壞是一個物理破壞，且不同種類混凝土的破壞機理是不盡相同。劉性碩等[4]通過電通量試驗、表面氣體滲透試驗和硬化混凝土氣泡參數(shù)試驗，結果表明引氣劑可大范圍阻斷毛細氣孔通路，引氣劑對凍融次數(shù)越多的混凝土試件抗?jié)B改善效果越顯著。曹大富等[5]對經(jīng)過0、25、50和75次凍融循環(huán)作用的C20棱柱體試件進行試驗，得出了各個力學性能與相對動彈性模量變化的規(guī)律;張凱等[6]通過將不同取代率的再生混凝土放入5%的硫酸鈉溶液中，進行凍融循環(huán)試驗，得到了硫酸鹽和凍融循環(huán)雙重作用下再生混凝土的力學性能演化，并分析了內(nèi)在機理。

混凝土因反復凍融而產(chǎn)生的材料性能劣化和結構破壞，其實質(zhì)為混凝土內(nèi)部裂縫產(chǎn)生和發(fā)展積累的結果。損傷力學正是研究材料損傷的物理過程及其對材料行為影響的一門固體力學分支學科。Lei等[7]用掃描電鏡(SEM)和顯微鏡硬度研究凍融循環(huán)過程中再生混凝土和引氣再生混凝土中微裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展，結果表明界面過渡區(qū)為混凝土抗凍性能的薄弱環(huán)節(jié)。陳愛玖等[8]對再生粗骨料摻量為40%、不同摻量的聚丙烯纖維和引氣減水劑的再生混凝土進行凍融循環(huán)試驗，并建立凍融損傷模型，預測了再生混凝土的損傷程度。龍廣成等[9]對比研究了C40的普通混凝土和自密實混凝土經(jīng)受凍融作用后的單軸壓縮應力-應變關系，并基于應變等價性和統(tǒng)計損傷理論建立了相應的損傷本構模型，探討相應損傷變量的演變特性。羅素蓉等[10]對納米改性的再生混凝土進行斷裂實驗，以雙K斷裂參數(shù)作為評價指標，結果表明，再生混凝土的起裂韌度和失穩(wěn)韌度與再生骨料替代率呈負相關的關系。余志武等[11]通過對Mode-Ⅱ微裂縫的微觀損傷機理分析，提出并驗證了束-蓮模型作為混凝土隨機損傷本構模型的合理性。

基于前人研究思路，現(xiàn)對引氣再生混凝土進行凍融循環(huán)試驗，得到混凝土性能演變試驗數(shù)據(jù)，通過建立損傷模型來對比分析各配合比的混凝土的性能特性。

1 凍融循環(huán)試驗

1.1 原材料與配合比

實驗混凝土的設計強度等級為C30。天然粗骨料粒徑為5～40 mm、連續(xù)級配，表觀密度為2 559 kg/m3；再生粗骨料來自于C30廢棄混凝土；細骨料為天然河砂，細度模數(shù)為2.75，為中砂，表觀密度為2 594 kg/m3；水泥為復合硅酸鹽水泥，強度等級為32.5；引氣劑為粉末引氣劑，根據(jù)《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》(GB 50119—2013)要求，引氣劑的引氣量最大限制為4.5%。

按照體積法設計普通混凝土的配合比，水灰比W/C取0.46，砂率βs取45%，配合比為mco∶mgo∶mso∶mwo=360∶561∶1249∶165=1∶1.56∶3.47∶0.46。再生粗骨料以0、25%、50%、75%、100%替換配合比中粗骨料，配制5種再生混凝土，為避免再生骨料高吸水率對配合比產(chǎn)生過大的影響，再生粗骨料經(jīng)10 min浸水、瀝干，加入拌和。在此基礎上，添加引氣劑，摻量為0.05%，減水率按6%計算，配制5種不同摻量的引氣再生混凝土。

1.2 試驗設計與試驗設備

對于所制立方體再生混凝土試件的編號，L表示立方體，RAC表示再生混凝土，立方體再生混凝土采用LRAC-摻量-試件序號-凍融循環(huán)次數(shù)的方法；對于摻入引氣劑的試件采用YLRAC-批次-試件序號-凍融循環(huán)次數(shù)的方法，對于長方體試件，采用CYRAC-摻量-試件序列號-凍融循環(huán)次數(shù)的方法。比如CRAC50-1-200表示不添加引氣劑長方體再生混凝土試件中的再生粗骨料摻量為50的1號試件的凍融循環(huán)次數(shù)為200次，YLRAC75-2-100表示引氣立方體再生混凝土試件中的再生粗骨料摻量為75%的2號試件凍融循環(huán)次數(shù)為100次。

試驗凍融過程中測試質(zhì)量、動彈性模量項目，主要試驗設備有：電子稱、DT-10W型動彈性模量測定儀、凍融試驗機。

2 試驗結果及分析

2.1 質(zhì)量損失試驗

凍融循環(huán)試驗采用快凍法，將24 d的試件放入(20±2) ℃水中浸泡4 d，開始凍融試驗。用濕布擦除試件表面水分，對外觀尺寸、初始質(zhì)量W0i、橫向基頻初始值f0i進行測量記錄；將試件放入凍融試驗機內(nèi)，進行凍結和融解循環(huán)。

每隔25次凍融循環(huán)，取出試件，將試件表面浮渣清洗干凈并擦干表面水分，對其外部損傷作必要的記錄，然后稱量質(zhì)量,按要求取得測試結果如表1所示,計算單個試件的質(zhì)量損失率如圖1所示。

由圖1可知，凍融循環(huán)次數(shù)小于50 h，引氣再生混凝土和再生混凝土質(zhì)量損失率均為負，即混凝土質(zhì)量隨凍融次數(shù)增加而增加，在大于50 h，質(zhì)量損失率均為正，即混凝土質(zhì)量隨凍融次數(shù)增加而減少；再生粗骨料摻量為50%時，較其他摻量質(zhì)量損失率更低；添加引氣劑使再生混凝土質(zhì)量損失率變化更小和200次質(zhì)量損失減小，但是改善程度有限。

2.2 動彈性模量試驗

與質(zhì)量檢測一樣，每隔25次凍融循環(huán)，檢測試件的動彈性模量，按要求得到測定結果。再生混凝土的動彈性模量測試結果如圖2所示，將其歸一化得到相應的相對動彈模量如圖3所示。

表1 再生混凝土質(zhì)量測試數(shù)據(jù)Table 1 Mass test data of recycled concrete

圖1 質(zhì)量損失率Fig.1 Mass loss rate

圖2 動彈性模量Fig.2 Dynamic elastic modulus

圖3 相對動彈性模量Fig.3 Relative dynamic elastic modulus

由圖2、圖3可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，相對動彈性模量逐漸減小，即混凝土的動彈性模量逐漸減?。?00次凍融循環(huán)，再生粗骨料摻量為0和50%的動彈性模量相近，較其他摻量損失更少；添加引氣劑的再生混凝土的動彈性模量相較于未加引氣劑的增大了1～3 GPa(1%～5%)，且隨凍融次數(shù)增加，動彈性模量的減小速度也降低了。

3 混凝土的損傷模型

3.1 混凝土損傷模型

混凝土在凍融循環(huán)過程中材料性能不斷劣化，其微觀機理在于混凝土內(nèi)部孔隙中水不斷在水-冰二相之間變化時，體積的變化會在孔隙中產(chǎn)生反復凍脹壓力，溶液鹽濃度梯度的變化在孔隙中引起滲透壓，和其他原因的共同作用，使混凝土內(nèi)部孔隙發(fā)展、產(chǎn)生、貫通[3]。將其類比于循環(huán)荷載作用，經(jīng)過足夠的應力循環(huán)作用，混凝土內(nèi)部的損傷積累使試件產(chǎn)生裂紋，并促進裂紋擴展，導致試件破壞。根據(jù)材料疲勞荷載與疲勞壽命關系，材料壽命主要與最大應力σmax、最小應力σmin、循壞次數(shù)n、材料性能參數(shù)α有關。Aas-Jakobsen提出的混凝土材料疲勞壽命公式[12]，在混凝土凍融循環(huán)的受力特性下，可簡化為式(1)：

S′(n)=1-αlg(N-n)

(1)

式(1)中：S為應力水平，等于最大應力σmax與混凝土的抗拉強度比值。在S0的應力水平下，再生混凝土的凍融循環(huán)壽命為N，當循環(huán)n次后，凍融循環(huán)壽命為(N-n)，相應的應力水平為S′(n)。

在凍融循環(huán)過程中，應力水平S很好的表現(xiàn)了混凝土抗凍性能不斷劣化特征，故可定義實際應力比S′(n)與S0的相對差值為損傷變量W(n)，即：

W(n)=[S′(n)-S0]/S′(n)

(2)

聯(lián)立式(1)、式(2)得：

(3)

由式(1)可知，dS/dlg(n)=-α，即α表示凍融循壞次數(shù)增量對再生混凝土的應力水平的影響系數(shù)，故可用α來表征材料的抗凍能力。當α越大，凍融循環(huán)的增加對混凝土的應力水平影響越大，即混凝土的抗凍性能越差。

由式(2)可知，損傷變量W(n)為標量，當凍融次數(shù)為0次時，W(n)=0，混凝土未受凍融損傷；當凍融次數(shù)為N次時，W(n)=1，再生混凝土已破壞。

3.2 再生混凝土的材料參數(shù)α

在已建立的再生混凝土損傷模型中，材料參數(shù)α表征著不同材料的抗凍性能。實驗中不同配比(摻量、引氣)的再生混凝土的抗凍性能即可通過損傷模型中的材料參數(shù)α來進行評價。

根據(jù)文獻[13]的研究，混凝土在凍融循環(huán)過程中，其抗拉強度和相對動彈性模量的劣化規(guī)律呈線性關系。并且從混凝土微觀損傷機理來說，損傷是混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展的積累過程，而這些會顯著地在混凝土對動力波的響應特征中反映出來，即動彈性模量。因此，凍融n次時的動彈模Pn可作為凍融損傷模型的驗算值，計算公式如式(4)所示：

Wn=1-Pn/P0

(4)

式(4)中：P0為初始動彈模量。

在快速凍融循環(huán)試驗中，以相對動彈性模量降至60%為試驗終止條件，若以此對損傷變量進行歸一化，則損傷變量的計算公式為

Wn=(1-Pn/P0)/40%

(5)

將式(5)代入式(3)計算各混凝土的材料參數(shù)α在凍融循環(huán)次數(shù)為n時的值，如圖4所示。

圖4 材料參數(shù)的變化Fig.4 Variation of material parameter

由圖4可知，各配合比的混凝土在歷經(jīng)200次凍融循環(huán)后，按材料參數(shù)α的大小排序，依次為RAC100>RAC25>RAC75>RAC50>YRAC100>RAC0>YRAC75>YRAC25>YRAC0>YRAC50，即混凝土的抗凍性能按該順序依次增強。摻量為50%的再生混凝土與普通混凝土的抗凍性能相近，優(yōu)于其他摻量。添加引氣劑的再生混凝土，其抗凍性能的衰減速度較未添加引氣的抗凍性能更好，原因在于引氣劑引入的大孔徑(0.05～1.25 mm)的封閉氣泡，使混凝土吸水飽和度降低以及為水結冰提高壓力釋放空間，從而提高混凝土的抗凍性能。在試驗中，引氣劑的添加與再生骨料摻量之間存在著最佳配比的關系。以膠凝材料的質(zhì)量為基準來確定固定的引氣劑添加量，對于不同摻量的再生粗骨料混凝土的抗凍性能的改善程度不同，RAC25>RAC75,而YRAC75>YRAC25；從整體上來看，凍融循環(huán)次數(shù)與材料參數(shù)α呈正相關關系，但在凍融循環(huán)早期(次數(shù)小于75次)，RAC100、RAC75和YRAC100的抗凍性能有明顯增強現(xiàn)象，在大于75次之后快速衰減，類似于凍融過程中質(zhì)量損失的規(guī)律，而YRAC50、YRAC0和YRAC25的抗凍性能變化較平穩(wěn)，隨凍融次數(shù)而緩慢減小。

從凍融損傷的微觀機理來看，上一循環(huán)的損傷必定為之后凍融循環(huán)損傷的發(fā)展、貫通提供基礎。從微觀力學來看，混凝土應力水平增大是混凝土的抗拉強度衰減和凍脹應力增大二者效應疊加的結果。因此用指數(shù)增長函數(shù)關系來擬合不同配比混凝土的材料參數(shù)α與凍融循環(huán)次數(shù)n的關系比較合理。同時，表征指數(shù)增長函數(shù)增長特性的函數(shù)參數(shù)也可以賦以明確的物理意義，如式(6)所示：

α=m+pexp(n/q)

(6)

式(6)中：q為強度系數(shù)；p為增長幅度系數(shù)。

由式(6)可知，當n=0時，α0=m+p，其值表征著混凝土未經(jīng)凍融循環(huán)時的材料參數(shù)α，即材料的初始抗凍性能，故m也可表征材料的基礎抗凍性能；dα/dn=p/qexp(n/q)，其值表征著材料參數(shù)增長特性，可知α受q值影響較大。擬合結果如表2所示。

由表2可知，擬合函數(shù)的相關性系數(shù)均較大，表明擬合效果較好，則該模型能夠較好反應混凝土在凍融試驗過程中的損傷規(guī)律。各混凝土的(m+p)值比較接近，為0.25～0.31；其中RAC100的(m+p)值最大，為0.305，即初始抗凍性能最差，YRCA0的(m+p)值最小，為0.258 4，即初始抗凍性能最好。除RAC100外，各混凝土的dα/dn=p/q·exp(n/q)也比較接近，為0.000 22～0.000 45；其中YRAC50最大，為0.000 229，即抗凍性能衰減較慢，而RAC0、YRAC100較小，分別為0.000 42、0.000 44，即抗凍性能衰減較快。值得注意的是：討論上述函數(shù)參數(shù)意義，應當是在分析相應的相關性系數(shù)基礎之上進行。如圖5所示，RAC100的數(shù)據(jù)點分布明顯呈先下降后增加的趨勢，此時用指數(shù)增長函數(shù)進行擬合，其相關性系數(shù)較低，這也是混凝土性能離散性較大的表現(xiàn)，質(zhì)量較差。

表2 材料參數(shù)的擬合結果Table 2 Fitting results of material parameter

3.3 損傷變量W(n)

將擬合的材料參數(shù)α代入再生混凝土損傷模型，可得各配合比混凝土損傷變量W(n)，如式(7)所示：

(7)

在再生骨料摻量、凍融循環(huán)次數(shù)n、損傷變量的三維空間內(nèi)，用插值方法繪制再生混凝土和引氣再生混凝土的損傷變量數(shù)據(jù)平面，同時繪制一組再生混凝土和引氣再生混凝土的實驗數(shù)據(jù)點來觀察該模型的擬合效果，如圖5所示。

圖5 再生混凝土的損傷變量W(n)Fig.5 Damage variable W(n) of recycled concrete

由圖5可知，試驗實測數(shù)據(jù)點分布再生混凝土損傷模型計算曲面的附近，損傷模型計算預測的混凝土損傷值與試件實際凍融破壞的特征相符，該模型能夠較好反應不同摻量再生混凝土和引氣再生混凝土的凍融損傷規(guī)律。

各混凝土按損傷值的變化規(guī)律與材料參數(shù)α的變化規(guī)律是一致的。從凍融循環(huán)次數(shù)維度來看，平面呈上升趨勢，即抗凍性能在不斷損傷。從再生粗骨料摻量維度來看，平面呈波浪形，在摻量為0和50%為波谷，即抗凍性能較優(yōu)。對比兩個平面，隨著凍融的增加，二者逐漸分離，添加引氣劑數(shù)據(jù)平面低于未添加引氣劑數(shù)據(jù)平面之下，即添加引氣劑對混凝土的抗凍性能有所改善。

4 結論

(1)再生混凝土凍融損傷模型計算的損傷值與試驗實測數(shù)據(jù)基本相符，損傷模型能夠較好反映不同摻量再生混凝土和引氣再生混凝土的凍融損傷規(guī)律，并且損傷模型各參數(shù)均有明確的物理意義。

(2)在粗骨料各個摻量的再生混凝土損傷模型中，摻量為50%的再生混凝土與普通混凝土的抗凍性能相近，優(yōu)于其他摻量的再生混凝土抗凍性能。

(3)添加引氣劑，對不同摻量的再生混凝土抗凍性能均有改善。粗骨料的摻量和引氣劑共同影響再生混凝土的抗凍性能，并且二者之間也存在最佳配比的關系。