鮑玖文，李樹國,張 鵬，劉兆麟,趙鐵軍

(1.青島理工大學 土木工程學院，山東 青島 266033；2.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

為解決建筑垃圾資源化問題及天然骨料資源緊張局面，利用廢棄混凝土制備再生骨料是實現(xiàn)建筑、資源、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，符合國家建筑垃圾資源化與環(huán)保型綠色建筑材料可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略[1].然而，與天然骨料相比，再生骨料棱角多，且外表面附著部分舊砂漿，造成其壓碎指標高、吸水率大、表觀密度低等特點，凝結硬化后混凝土內(nèi)部形成的多重界面結構復雜、疏松且孔隙率大[2-3]；由于自身缺陷及外部荷載與環(huán)境因素雙重作用，容易引起微裂縫起裂、擴展或相互連通，加速了水分及有害介質(zhì)的侵入，使得再生混凝土(RAC)的耐久性問題尤為突出[4].因此，開展荷載與環(huán)境作用下再生混凝土耐久性研究，對深入理解和完善再生混凝土耐久性基礎理論及工程應用具有重要意義.

關于再生混凝土介質(zhì)傳輸性能的研究，目前主要集中于抗氯離子滲透性能方面，研究表明：再生混凝土抗氯離子侵蝕性能不及普通混凝土，且隨再生粗骨料取代率的增加其抗氯離子侵蝕性能變差[5-7].由于再生粗骨料自身初始缺陷及微裂縫的影響，許多學者也開展了荷載損傷及裂縫對再生混凝土抗氯離子侵蝕性能機理影響的試驗和數(shù)值研究，例如：Qi等[8]研究了干濕循環(huán)與彎曲荷載耦合作用下再生混凝土的抗氯離子侵蝕性能.歐陽璋等[9]開展了軸壓重復荷載作用后不同再生粗骨料取代率混凝土的抗氯離子侵蝕性能試驗研究，結果表明：再生混凝土氯離子擴散系數(shù)隨應力水平和再生粗骨料取代率的增加而增大.Wang等[10]研究了持壓荷載作用對再生混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著應力水平的增加，氯離子擴散系數(shù)呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，且再生混凝土對荷載敏感程度要高于普通混凝土.Wu等[11]基于蒙特卡洛數(shù)值模擬方法分析了微裂縫數(shù)量、長度、方向以及舊砂漿-原始骨料界面等因素對再生混凝土氯離子擴散系數(shù)的影響，建立了微裂縫隨機分布與氯離子擴散系數(shù)之間的關系.

針對再生混凝土耐久性的研究已廣泛開展，且研究表明再生混凝土的內(nèi)部膨脹、開裂甚至表面剝落，均與水分在內(nèi)部孔隙及微裂縫中的傳輸密不可分；水又是侵蝕性介質(zhì)遷移、擴散進入混凝土內(nèi)部的載體[12].然而，對荷載-環(huán)境耦合作用下再生混凝土水分遷移的研究較少，關于其荷載損傷對水分傳輸性能的影響規(guī)律和作用機理的認識還不夠全面.因此，本文開展軸壓重復荷載作用后不同再生粗骨料取代率(0%、30%、50%、100%)的再生混凝土毛細吸水性能試驗，分析應力水平和再生粗骨料取代率對水分傳輸?shù)挠绊懸?guī)律；基于毛細吸水的非飽和流體理論，建立了再生混凝土水分傳輸模型，并結合試驗結果對再生混凝土內(nèi)部相對含水量分布進行了預測.

1 試驗

1.1 原材料及試件制作

采用山水集團P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥(C)和礦粉(GBFS)作為膠凝材料；采用最大粒徑為5mm的標準河砂(S)為細骨料；選用5～20mm連續(xù)級配的花崗巖碎石為天然粗骨料(NCA)；利用原強度等級為C40～C50的實驗室廢棄混凝土試塊，經(jīng)顎式破碎機破碎2～3次制備再生粗骨料(RCA)；采用普通自來水(W)和聚羧酸高效減水劑(SP).依據(jù)GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》以及GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》規(guī)范中要求，天然粗骨料和破碎后的再生粗骨料顆粒級配均符合規(guī)范上下限值要求(見圖1).對天然粗骨料和再生粗骨料的物理指標進行測試，結果如表1所示.混凝土配合比如表2所示，其中附加用水量(AW)是再生粗骨料吸水至飽和面干狀態(tài)所需水分，用以補償再生粗骨料(RCA)高吸水性造成的水分損失[13]，有效水灰比(1)文中涉及的水灰比、取代率等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分數(shù).為0.39.采用二次攪拌法(TSMA)[14]制備4種再生粗骨料取代率(R)分別為0%、30%、50%、100%的立方體試件，試件邊長為100mm，編號分別為R0、R30、R50、R100；室溫養(yǎng)護1d后拆模，并在(20±2)℃，相對濕度RH≥95%的養(yǎng)護室中養(yǎng)護至28d，測試其 28d 立方體抗壓強度fc，結果也列于表2.

圖1 粗骨料顆粒級配Fig.1 Particle gradation of coarse aggregate

表1 粗骨料物理指標

表2 混凝土配合比及立方體抗壓強度

1.2 加載制度

為了分析不同應力水平(λc)對再生混凝土水分傳輸性能的影響，考慮混凝土材料的應力破壞規(guī)律，本文設計了0、0.3、0.5和0.7這4種應力水平，對應的加載應力分別為0、0.3fc、0.5fc、0.7fc，其中λc=0為未加載試件(對照組).采用萬能試驗機進行軸壓重復加載，其加載制度如圖2所示.為保證荷載作用下再生混凝土內(nèi)部孔隙與微裂紋充分發(fā)展及相互連通，當施加荷載達到預期的應力水平時，持載10min后再卸載，并重復加載5次，加卸載速率保持為5kN/s.

圖2 試驗加載制度示意圖Fig.2 Schematic diagram of test loading mechanisms

1.3 毛細吸水測試

采用傳統(tǒng)的測重法開展再生混凝土毛細吸水試驗.根據(jù)ASTM C1585-04《Standard test method for measurement of rate of absorption of water by hydraulic-cement concrete》進行處理，保證試件吸水前處于完全干燥狀態(tài)，在105℃的環(huán)境下烘干至恒重，將試件4個側面用環(huán)氧樹脂密封以保證水分的一維傳輸，利用試件底面與水源接觸.利用精度為0.01g的電子天平記錄試件吸水前的質(zhì)量，吸水開始后每隔一定時間記錄1次吸水質(zhì)量，吸水時間為8d，最后可計算再生混凝土的毛細吸水質(zhì)量Δm.同時，利用真空飽水法測定再生混凝土的孔隙率p，結果如表3所示.

表3 再生混凝土孔隙率

2 結果與分析

2.1 毛細吸水質(zhì)量

圖3為再生混凝土毛細吸水質(zhì)量(Δm)隨時間(t)平方根的變化曲線.從圖3可以看出，再生混凝土毛細吸水質(zhì)量均隨著應力水平的提高而逐漸增加，尤其是在經(jīng)受0.7fc的軸壓重復荷載作用后，毛細吸水質(zhì)量增加較為明顯.這是由于再生混凝土在軸壓重復荷載作用后，會導致其界面過渡區(qū)出現(xiàn)更多的微裂縫，應力水平及重復荷載循環(huán)次數(shù)的增加會降低孔隙曲折度，使再生混凝土內(nèi)部出現(xiàn)更多通道，加快了水分的侵入.由圖3還可見，隨著再生粗骨料取代率的增加，在相同的應力水平下再生混凝土的毛細吸水質(zhì)量逐漸增加.當應力水平λc=0.7時，試件R0、R30、R50、R100的8d毛細吸水質(zhì)量分別為34.70、47.50、58.43、77.90g，試件R100的8d毛細吸水質(zhì)量是試件R0的2.24倍.分析原因：一方面，再生粗骨料殘余砂漿的存在造成再生混凝土內(nèi)部界面結構復雜，出現(xiàn)更多的薄弱區(qū)域，在軸壓重復荷載作用后，更易出現(xiàn)微裂縫與孔隙；另一方面，原始混凝土在服役過程及骨料破碎過程中所積累的微裂縫與缺陷導致再生粗骨料吸水率增加，隨著再生粗骨料取代率的增加，其高吸水性能使得再生粗骨料與新水泥砂漿形成的界面較為薄弱，存在較多的孔隙與微裂縫，經(jīng)軸壓重復荷載作用后，這些孔隙與微裂縫形成連通的網(wǎng)絡，加快了水分傳輸速率.

從圖3還可發(fā)現(xiàn)，軸壓重復荷載作用后再生混凝土毛細吸水質(zhì)量曲線仍呈現(xiàn)雙線性增長的趨勢，即初期吸水速率較大，后期曲線逐漸趨于平緩.這是由于初期外部水分主要靠毛細吸力進入混凝土內(nèi)部，初期混凝土內(nèi)部含水率較低，導致毛細吸力較大，使吸水速率增長較快，隨著吸水過程不斷進行，混凝土含水率逐漸增大，其毛細吸力也逐漸降低；同時由于重力因素的影響，造成后期毛細吸水質(zhì)量曲線較為平緩.

2.2 吸水率

通常采用吸水率S來表征多孔建筑材料的毛細吸水速率，考慮到與水接觸瞬間表層孔隙瞬間被水填充[12,15]，混凝土在t時刻的一維累計吸水量i(mm) 可用下式表示.

圖3 再生混凝土毛細吸水質(zhì)量隨時間平方根的變化曲線Fig.3 Mass variation curves of RAC capillary water absorption with square root of time

(1)

式中：ρw為水的密度，g/mm3；Ac為試塊與水源接觸的面積，mm2；b為擬合曲線的縱軸截距.

利用公式(1)對再生混凝土毛細吸水質(zhì)量曲線進行擬合，以吸水時間t=24h為分界點，分別確定再生混凝土的初期吸水率Sini與后期吸水率Ssec.表4為軸壓重復荷載作用后再生混凝土初期和后期吸水率.由表4可見，初期吸水率明顯大于后期吸水率，并均隨應力水平增大而單調(diào)遞增.荷載作用會引起再生混凝土微裂縫的萌生與擴展，裂縫相互交錯形成連通的網(wǎng)絡使再生混凝土內(nèi)部曲折度降低，從而提高水分傳輸速率.然而，應力水平對吸水率的影響不夠顯著，特別是后期吸水率，原因可能為：試驗所選取的應力水平較小，重復加載次數(shù)較少，持載時間較短，對混凝土內(nèi)部造成損傷不夠明顯，部分裂縫或孔隙在卸載后出現(xiàn)自我閉合現(xiàn)象，進一步減小了應力水平對吸水率的影響.

表4 軸壓重復荷載作用后再生混凝土初期和后期吸水率

從表4還可以發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的吸水率隨著再生粗骨料取代率的增加而變大，初期吸水率表現(xiàn)尤為明顯.這可能是由于再生粗骨料吸水率較高，導致其周圍的水泥水化不夠充分，界面過渡區(qū)中出現(xiàn)較多的氣孔與裂縫.隨著混凝土內(nèi)部再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土界面過渡區(qū)中孔隙和原始裂縫數(shù)量明顯增多.此外，混凝土初期水分傳輸?shù)耐ǖ乐饕獮樵偕炷羶?nèi)部連通的微裂縫，后期主要是擴散作用.在吸水后期，普通混凝土絕大部分孔隙及裂縫中的水分已趨于飽和，而再生混凝土內(nèi)部封閉的微裂縫與孔隙較多，因此再生混凝土的后期吸水率高于普通混凝土.

根據(jù)表4試驗結果，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的吸水率S與再生粗骨料取代率R及應力水平λc整體符合線性關系.因此，考慮再生粗骨料取代率和應力水平的影響，再生混凝土吸水率S可用下式表示：

S(λc，R)=k(1+αλc)(1+βR)

(2)

式中：k、α、β為擬合系數(shù)，針對初期吸水率可分別取k=0.3843、α=0.2124、β=0.5908.

2.3 相對含水量分布預測

多孔建筑材料的吸水特性主要與材料內(nèi)部濕度和外界環(huán)境條件密切相關，通常利用擴展的Darcy定律來描述非飽和流體的遷移過程.混凝土毛細吸水過程主要依靠毛細孔隙內(nèi)部液體的表面張力作用[12,15]，其控制方程可表示為：

(3)

式中：θ為混凝土內(nèi)部相對含水量；D(θ)為水力擴散系數(shù)，mm2/s,通常采用經(jīng)驗性的指數(shù)形式D(θ)=D0en θ來描述，其中D0為飽和狀態(tài)下的水力擴散系數(shù)；n為試驗數(shù)據(jù)回歸參數(shù)，通常取6～9.

王立成[12]以吸水率S作為變量，給出了試件任意時刻t與對應水分侵入深度x處的相對含水量θ關系：

(4)

式中：φ為Boltzmann變量；A和λ(θ)為模型參數(shù)[12].

當采用指數(shù)形式表達水力擴散系數(shù)D(θ)時，D0可由吸水率S來計算[12]：

(5)

式中：n為回歸參數(shù).

結合式(2)、(4)、(5)，可建立考慮再生粗骨料取代率R和應力水平λc影響的混凝土內(nèi)部相對含水量的預測模型.圖4給出了吸水時間t=24h時再生混凝土內(nèi)部相對含水量的分布曲線.由圖4可見，不同應力水平下再生混凝土水分侵入深度均有所提高，這是由于荷載損傷對混凝土內(nèi)部孔隙結構及分布造成影響，導致其吸水率增加所致.當應力水平一定時，水分侵入深度受再生粗骨料取代率的影響較為明顯，且隨著再生粗骨料取代率的增加而增大，這是因為隨著再生粗骨料取代率的增加，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)較多的舊砂漿-新砂漿界面薄弱區(qū)，在軸壓重復荷載作用下該區(qū)域微裂縫萌生擴展，相互貫通，促進了水分的傳輸.

圖4 再生混凝土內(nèi)部相對含水量分布曲線Fig.4 Relative water content distribution curves inside recycled aggregate concretes

3 結論

(1)軸壓重復荷載作用后，再生混凝土毛細吸水質(zhì)量隨著應力水平及再生粗骨料取代率的增加而增加，并且呈雙線性增長趨勢；當應力水平為0.7時，再生粗骨料取代率為100%的R100試件毛細吸水質(zhì)量為普通混凝土的2.24倍.

(2)再生混凝土吸水率隨著再生粗骨料取代率和應力水平的增加而增大，初期吸水率均高于后期吸水率.再生粗骨料取代率對水分侵入深度有顯著影響，當應力水平一定時，二者呈正相關變化趨勢.

(3)基于毛細吸水的非飽和流體理論和試驗結果，考慮應力水平和再生粗骨料取代率的影響，引入Boltzmann變量并采用水力擴散系數(shù)的指數(shù)形式，建立了軸壓重復荷載作用后再生混凝土內(nèi)部相對含水量分布的預測模型，為再生混凝土耐久性評估及壽命預測提供了新方法.