魏 達，朱平華，王新杰，劉 惠，劉少峰，賈學軍

(1.常州大學土木工程系,常州 213164；2.常州中鐵藍焰構件有限公司,常州 213000)

0 引 言

將廢棄混凝土循環(huán)利用為再生骨料，可以節(jié)約60%的天然砂石資源，減少15%～20%的CO2排放[1]。再生粗骨料(recycled coarse aggregate,RCA)制備的再生混凝土(recycled aggregate concrete,RAC)早已被廣泛應用于實際工程中，對節(jié)約資源、保護環(huán)境、實現建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到了重要的支撐作用。然而，RCA因其表面附著了大量砂漿而具有密度低、孔隙率高、吸水率高等缺點，嚴重影響RAC的力學及耐久性能，極大地制約了其在結構混凝土中的應用[2]。因此，降低附著砂漿含量是提高RCA品質進而提高RAC耐久性、延長結構使用壽命的有效措施。然而，出于安全性考慮，人們低估了RCA的應用潛力[3]，過度降低砂漿含量以提高RCA的應用水平，這會導致RCA生產成本的提高以及產生更多的粉塵。所以基于結構混凝土耐久性要求界定附著砂漿最大含量(界限含量)，不僅可以高效生產滿足RAC耐久性使用需求的RCA，而且能減輕成本與環(huán)境負擔。

RAC耐久性與附著砂漿含量定量關系的相關研究成果仍十分欠缺。Guo等[4]指出，RCA的加入提高了RAC的滲透性，過多的附著砂漿會對混凝土耐久性產生不利影響。Duan等[5]發(fā)現當砂漿含量從60%(質量分數，下同)降到20%時，在氯離子快速滲透試驗中通過的總電荷庫倫可降到62%。Juan等[6]認為基于RAC力學性能的RCA附著砂漿界限含量應不低于44%。Quan[7]基于RAC的干燥收縮及抗碳化性能提出RCA附著砂漿的界限含量不宜超過15%。然而，目前基于RAC抗凍性的附著砂漿界限含量研究尚未見報道。RAC的抗凍性能明顯低于天然骨料混凝土(natural aggregate concrete,NAC)[8-11]。RCA表面的附著砂漿中含有大量的孔隙和微裂紋，極易吸水飽和，當RAC凍融循環(huán)時，其內部多余水量通過毛細管移動，對毛細管壁產生水壓與拉應力，進而造成內部損傷，降低RAC的抗凍性能。附著砂漿含量越大，孔隙和微裂紋數量越多[12]，對RAC抗凍性能的負面影響會越明顯。

本文選取了五種不同附著砂漿含量的RCA在100%取代天然粗骨料(natural coarse aggregate，NCA)條件下制備目標強度等級為C40的再生混凝土，以抗壓強度損失率、質量損失率、相對動彈性模量以及抗凍耐久性指數為考核指標，探討了在拉應力作用下附著砂漿含量對再生混凝土抗凍耐久性的影響，界定了不同設計使用年限及不同凍融工況下附著砂漿的界限含量。

1 實 驗

1.1 材 料

再生混凝土原材料包括：P·O 42.5水泥、RCA(粒徑5～20 mm)、天然河砂(表觀密度2 657 kg/m3，細度模數2.4)、硅灰(表觀密度2 759 kg/m3)、粉煤灰(表觀密度2 500 kg/m3)、礦渣(表觀密度2 800 kg/m3)、聚羧酸高效減水劑(JK-PCA)、AOS型引氣劑。

基于工程代表性和RCA附著砂漿含量涵蓋范圍考慮，挑選了五種商用RCA。天然粗骨料和RCA物理力學性能見表1。由表1可見，RCA1屬于中國標準《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)[13]中第Ⅰ類骨料，RCA2與RCA3屬于第Ⅱ類骨料，RCA4與RCA5屬于第Ⅲ骨料。

表1 粗骨料物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of coarse aggregate

1.2 再生混凝土的制備

再生混凝土的目標強度等級設為C40。為了對比，在目標強度等級相同的條件下，制備天然粗骨料混凝土作為對照組，其中粗骨料采用天然碎石(粒徑5～20 mm)，其余組分與再生混凝土一致。混凝土配合比采用全計算法設計，具體配合比見表2。表2中，附加用水量按照再生粗骨料30 min吸水率計算。攪拌工藝采用Tam等[14]提出的兩階段混合法。使用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體模具制備試件用作28 d抗壓強度試驗；使用尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的長方體模具制備試件并用作快速凍融循環(huán)試驗。所有試件24 h后拆模，置于溫度(20±3) ℃，濕度>90%的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護。28 d 齡期后，測試試件抗壓強度(fcu)、劈裂抗拉強度(ftu)，結果見表2。

表2 混凝土配合比、坍落度及強度測試值Table 2 Mix proportions, slumps and strength test values of concrete

1.3 測試方法

天然及再生粗骨料的表觀密度、堆積密度、吸水率以及壓碎值分別依據《建設用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)[15]與《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)[13]進行測定。再生粗骨料附著砂漿含量采用高溫熱處理法[6,16]測定。

根據所測的混凝土劈裂抗拉強度值，將試件用加載裝置固定，調整彈簧使得試件受拉區(qū)邊緣的混凝土拉應力為其劈裂抗拉強度的30%，然后將試件放入凍融箱。

混凝土力學性能依據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)[17]進行測試。凍融試驗、相對動彈性模量以及抗凍耐久性指數依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[18]和《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》(GB/T 50476—2019)[19]進行測試。

2 結果與討論

2.1 附著砂漿含量對抗壓強度損失率的影響

各類混凝土28 d抗壓強度以及凍融循環(huán)300次后的抗壓強度如圖1(a)所示。RAC1的28 d抗壓強度及殘余抗壓強度均略高于NAC。造成這種現象的原因可能是用來制備RAC的RCA在制備時是飽和面干狀態(tài)，在RAC硬化后其內部RCA所含水分能起到內養(yǎng)護的作用，對強度的增大能起到一定的積極作用。

圖1 (a)28 d抗壓強度及凍融300次后殘余抗壓強度;(b)抗壓強度損失率與附著砂漿含量擬合關系Fig.1 (a) Compressive strength at 28 d and residual compressive strength after 300 freeze-thaw cycles; (b) fitting relationship between loss rate of compressive strength and attached mortar content

經凍融循環(huán)后，各類混凝土的抗壓強度顯著降低，殘余抗壓強度隨附著砂漿含量增大而降低。NAC、RAC1、RAC2、RAC3、RAC4、RAC5的抗壓強度損失率分別為15.45%、17.84%、18.97%、19.26%、19.41%、22.6%。抗壓強度損失率與附著砂漿含量的擬合關系如圖1(b)所示，兩者存在較強的線性關系。

RCA表面附著砂漿含量越多，堅固性和強度越差，內部存在更多的微裂紋，在凍融后期內部微裂紋加速開展，當受到外力作用時，微裂紋處會產生應力集中，導致試件破壞程度加劇[20]。界面過渡區(qū)的不穩(wěn)定是造成RAC抗壓強度損失率較高的另一個原因[21]，NAC的骨料和砂漿之間只有新骨料-新砂漿的結合，而RAC內部則存在著舊骨料-舊砂漿、舊砂漿-新砂漿等多種界面結合方式，使得RAC界面過渡區(qū)粘結性能下降，因而其抗壓強度損失率越高。

2.2 附著砂漿含量對質量損失率的影響

質量損失率變化曲線如圖2(a)所示。隨著凍融循環(huán)的進行，各試件的質量損失率逐漸增大，凍融循環(huán)達到300次時，質量損失率均小于5%。在凍融前期，RAC5的質量損失率明顯出現負值，這是試件吸水與砂漿剝落共同作用的結果，當試件吸水質量大于砂漿剝落的質量時，試件整體質量增大，因此，質量損失率出現負值。凍融300次后的質量損失率與附著砂漿含量擬合關系如圖2(b)所示，隨附著砂漿含量的增大，質量損失率先降低后增大，當附著砂漿含量在13%左右時，質量損失率出現最小值，其原因是少量的砂漿發(fā)生二次水化，進一步密實了RAC，試件整體性更好[22]。當附著砂漿含量大于30%時，質量損失率急劇增大，然而在擬合范圍x∈[0,56]內，質量損失率仍低于5%，滿足規(guī)范要求。

圖2 (a)質量損失率變化曲線;(b)質量損失率與附著砂漿含量擬合關系Fig.2 (a) Change curves of mass loss rate; (b) fitting relationship between mass loss rate and attached mortar content

2.3 附著砂漿含量對相對動彈性模量的影響

NAC與RAC的相對動彈性模量(relative dynamic elastic modulus,RDEM)與凍融循環(huán)次數的關系如圖3(a)所示，凍融300次后的RDEM與附著砂漿含量擬合關系如圖3(b)所示。

圖3 (a)RDEM變化曲線;(b)凍融300次后RDEM與附著砂漿含量擬合關系Fig.3 (a) Change curves of RDEM; (b) fitting relationship between RDEM and attached mortar content after 300 freeze-thaw cycles

由圖3(a)可以看出,RDEM隨凍融循環(huán)過程的進行而不斷降低，這說明試件內部結構破壞程度越來越大。在整個凍融循環(huán)過程中，NAC、RAC1、RAC2、RAC3、RAC4、RAC5的RDEM分別降低了10.5%、23.95%、24.87%、26.02%、29.46%、46.63%。NAC的RDEM下降趨勢最為平緩，RAC5降低幅度最大，在凍融300次時，其RDEM低于60%。

根據圖3(b)可知，RDEM與附著砂漿含量之間呈二次函數關系，圖像為凸曲線。在整個凍融過程中，RDEM隨附著砂漿含量的增大顯著降低。根據滲透壓假說理論[23]，RAC內部結構中小孔的冰點要低于大孔的冰點，在受凍過程中，大孔的孔溶液濃度要高于小孔的孔溶液濃度，這就導致小孔中的水向大孔中流動，從而形成了滲透壓，導致內部結構的破壞。大孔數量越多，滲透壓作用越明顯。而高附著砂漿含量導致孔隙數量增多，因此相應RAC的RDEM越低。

根據凍融300次擬合函數關系，以RDEM降至60%為界定條件(y=60)，得到x=49.52。綜上所述，建議基于RDEM的砂漿界限含量為49.52%。

2.4 附著砂漿含量對抗凍耐久性指數的影響

各混凝土試件的抗凍耐久性指數(durability factor，DF)如圖4(a)所示。NAC的DF高達90%，而RAC的DF均低于80%，且RAC5的DF最低，比RAC1降低了26%。NAC的DF明顯優(yōu)于RAC，尤其是第Ⅲ類RCA制備的RAC，其根本原因在于RCA附著砂漿強度低，經歷凍融循環(huán)后，其內部存在的原始損傷(孔隙、微裂紋)進一步發(fā)展，這使RAC內部結構酥松程度加快，進而動彈性模量急劇下降，而DF與動彈性模量密切相關，因此，RAC的DF更小。盡管NAC性能的優(yōu)異使其失去對照意義，但本研究保留了NAC以獲得更大的擬合區(qū)間，從而更加直觀地研究附著砂漿含量對抗凍耐久性指數的影響。武海榮等[24]建議在不同凍融環(huán)境下對混凝土結構耐久性進行定量化設計。為此，建立了抗凍耐久性指數與附著砂漿含量的擬合關系，如圖4(b)所示。

圖4 (a)不同混凝土試件抗凍耐久性指數;(b)抗凍耐久性指數與附著砂漿含量擬合關系Fig.4 (a) DF of different concrete specimens; (b) fitting relationship between DF and attached mortar content

抗凍耐久性指數與附著砂漿含量呈二次函數關系，圖像為凸曲線。這說明隨著附著砂漿含量的增大，抗凍耐久性指數呈下降趨勢，且下降幅度逐漸增大。

根據上述擬合關系，以不同設計使用年限及不同凍融工況所規(guī)定的抗凍耐久性指數作為界定條件，可以得到RAC在拉應力條件下滿足不同設計使用年限及不同凍融工況的砂漿界限含量，如表3所示。以在嚴寒地區(qū)高度飽水的環(huán)境條件下使用100年為例，相應的抗凍耐久性指數為80%(y=80)，得到x=24.67，所以基于嚴寒地區(qū)高度飽水環(huán)境條件下設計使用年限為100年的RCA砂漿界限含量為24.67%。

表3 不同使用年限下不同凍融工況的砂漿界限含量Table 3 Limit content of mortar in different freeze-thaw conditions under different service life

續(xù)表

2.5 附著砂漿含量對RAC抗凍性能影響的微觀機理分析

混凝土試件經歷凍融300次后的表觀形貌如圖5所示。凍融循環(huán)后，NAC表面出現孔洞，呈現出麻面。RAC1、RAC2與RAC3表面孔洞顯著增多，出現少量砂漿剝落，但依然保持較好的完整性。而RAC4與RAC5棱邊模糊，呈不規(guī)則圓弧形，且棱角缺損嚴重，砂漿剝落現象較為嚴重，內部骨料逐漸暴露。由此可見，凍融循環(huán)使混凝土由致密逐漸變得酥松多孔，導致表面砂漿顆粒剝落進而內部結構遭到破壞。這是由RCA附著砂漿內部損傷累積導致RAC抗拉強度較低，RAC試件受凍時淺層冰體積增大，促使凍結表層下暫時未凍結的孔隙水進一步向內部移動，這會產生液壓，當壓力超過RAC抗拉強度時，會導致RAC開裂或脫落，直至完全解體[25]。

圖5 試件經凍融300次后的表觀形貌Fig.5 Apparent morphology of specimens after 300 freeze-thaw cycles

與RAC4、RAC5相比，RAC1、RAC2、RAC3的表觀形貌較為完好，這表明附著砂漿含量越大，RAC試件凍融后越酥松，抗凍耐久性越差。選取抗凍耐久性最優(yōu)的RAC1與最劣的RAC5進行SEM對比分析，如圖6所示。

圖6(a)、6(d)分別為RAC1與RAC5的切面圖，顯然，RCA5表面附著了更多頑固的舊砂漿，這些砂漿內部存在很多細小的微裂紋，這使得骨料表面變得粗糙，且存在更多的原始損傷。由圖6(b)、6(e)可知，凍融后所有試件均出現了微裂縫，且布滿了或大或小的孔隙。較小的孔隙對于緩解孔隙水的水壓起到了一定作用。而裂縫內可存儲自由水，當試件受凍時，自由水結冰，體積膨脹，會進一步加劇微裂紋的擴展?；炷恋暮暧^性能損傷與細觀孔洞結構改變之間存在明顯的對應關系[26]。趙霄龍等[27]指出，在凍融循環(huán)試驗后，混凝土孔結構發(fā)生劣化，平均孔徑和總比孔容增大，說明混凝土中大孔含量增加，這是混凝土抗凍耐久性發(fā)生劣化的內在機理。可以看出，經凍融300次后，RAC5較RAC1的微裂縫更寬，RAC5大孔含量明顯多于RAC1，盡管摻入了礦物摻合料、引氣劑以及減水劑用以改善RAC的孔隙結構，但由于RCA5附著更多的舊砂漿，砂漿內部存在更多的孔隙，這導致RAC5整體的孔隙率變大。進一步觀察，經凍融后，RAC5的孔隙孔徑達到甚至大于10 μm，這些孔隙為易結冰孔，是導致RAC5抗凍耐久性喪失的主要因素。圖6(c)與6(f)為試件內部骨料與砂漿之間的界面過渡區(qū)(interfacial transition zone,ITZ)，從圖中可以看出RAC1的ITZ較為完整緊密，而RAC5的ITZ寬度明顯更大，且存在大量舊砂漿顆粒。

圖6 300次凍融循環(huán)后再生混凝土的SEM照片Fig.6 SEM images of RAC after 300 freeze-thaw cycles

ITZ是RAC內部最薄弱的環(huán)節(jié)，當附著砂漿含量越多時，RAC內部損傷積累越多，界面過渡區(qū)也越脆弱，這也是試件強度損失、抗凍耐久性變差的根本原因[28]。經對比發(fā)現,凍融循環(huán)后，RAC5比RAC1表現的更加酥松，整體性更差，這從微觀角度驗證了附著砂漿含量越多，RAC的抗凍耐久性越差。

2.6 基于文獻數據的砂漿界限含量分析

一些學者通過研究RDEM與抗凍耐久性指數判斷RAC的抗凍耐久性能，但在100%取代率條件下RAC凍融循環(huán)300次以后的研究結果有限。收集了相關文獻數據用以驗證本研究結果的合理性，如表4所示。

表4 文獻數據[3,9-10,29-32]Table 4 Literature data[3,9-10,29-32]

文獻[30-32]未提供附著砂漿含量,但給出了RCA的吸水率，分別為5.8%、3.1%、6.4%。Juan等[6]通過大量試驗數據(26組)建立了RCA吸水率和附著砂漿含量的關系，如式(1)所示，根據該式計算得到附著砂漿含量,分別為30.2%、15.5%、34.1%。

y=0.18x+0.36，R2=0.50

(1)

RDEM方面，第4組數據的附著砂漿含量為55.7%，比本研究所得砂漿界限含量高6.18%，其對應RDEM為65%。然而，其余組數據均滿足基于RDEM的砂漿界限含量要求。

DF方面，Abbas等[29]使用附著砂漿含量為23%的再生粗骨料制備的再生混凝土的DF為89%，可以在嚴寒高度飽水條件下設計使用100年(DF≥80%)，這滿足本文所得的砂漿界限含量要求。然而，其使用附著砂漿含量為41%的再生粗骨料制備的再生混凝土同樣滿足DF≥80%。Gokce[3]、Zaharieva[30]等使用附著砂漿含量為30%左右的再生粗骨料同樣制備出了抗凍性能優(yōu)良的再生混凝土(DF≥80%)，這超過了本研究得到的砂漿界限含量。出現上述現象的原因如下：一方面，再生粗骨料來源不同，其性能復雜多變，即使某一物理性能指標相接近，但其他物理性能指標可能有較大的差異，進而影響了再生混凝土的抗凍性能；另一方面，本研究結果是在30%極限拉應力水平下獲得的，而拉應力會對再生混凝土抗凍性能產生非常不利的影響[33-34]，本研究凍融條件更加苛刻，符合實際工程中的應用環(huán)境，所以得到的砂漿界限含量更加安全合理。

3 結 論

對比研究了五種不同附著砂漿含量的再生粗骨料在100%取代天然粗骨料條件下制備的C40再生混凝土與天然混凝土的抗凍耐久性，探討了固定拉應力水平下附著砂漿含量對再生混凝土抗凍耐久性的影響，界定了不同抗凍性能指標要求下的附著砂漿界限含量。主要結論如下：

(1)再生混凝土殘余抗壓強度隨再生粗骨料附著砂漿含量增加而降低?？箟簭姸葥p失率與附著砂漿含量存在較強的線性關系，且隨附著砂漿含量增多而增大。

(2)再生粗骨料附著砂漿含量與再生混凝土質量損失率呈二次函數關系，當附著砂漿含量大于30%時，質量損失率迅速增大。

(3)再生粗骨料附著砂漿含量與再生混凝土的相對動彈性模量呈二次函數關系，且相對動彈性模量隨附著砂漿含量的增大而減小。附著砂漿含量對相對動彈性模量影響顯著，基于相對動彈性模量要求的附著砂漿界限含量為49.52%。

(4)再生粗骨料附著砂漿含量與抗凍耐久性指數呈二次函數關系，附著砂漿含量越大，抗凍耐久性指數越小。以不同使用年限及不同凍融工況所規(guī)定的抗凍耐久性指數作為界定條件，得到了再生混凝土在30%拉應力條件下滿足相應抗凍耐久性指數的砂漿界限含量。以嚴寒高度飽水地區(qū)為例，設計使用年限為100年、50年、30年的最低抗凍耐久性指數對應的最大附著砂漿含量分別為24.67%、37.59%、42.81%。

(5)使用SEM從微觀角度驗證了附著砂漿含量越大，再生混凝土抗凍性能越差。再生粗骨料附著砂漿含量越多，經凍融后的再生混凝土內部結構越松散，微裂紋擴展加劇，孔隙結構更差，ITZ寬度更大，且周圍砂漿顆粒脫落更嚴重。

建議建立人工神經網絡仿真模型，在不同取代條件下基于再生粗骨料混凝土耐久性設計使用年限對再生粗骨料物理性能指標進行量化分析，這對再生粗骨料實際工程應用具有一定指導意義。