喬宏霞 蘇 睿 李 瓊 李奧陽 孫 鑫

(1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，蘭州 730050)

隨著現(xiàn)代化城市進(jìn)程的加快，產(chǎn)生了越來越多建筑垃圾。將建筑垃圾回收分類為再生骨料，利用其制備再生骨料混凝土(RAC)，不失為一種有效的處理方式。但再生骨料相對于天然骨料具有一定的缺陷，兩種原料制備的混凝土耐久性也有一定的差異性，故再生骨料的應(yīng)用研究還存在一些亟待解決的問題[1-4]。

國內(nèi)外許多學(xué)者對RAC的性能研究[5-9]做了大量的試驗(yàn)，也取得了一些相應(yīng)的成果。如鄧祥輝等研究表明，凍融循環(huán)條件下再生骨料替代率為50%且加入引氣劑的引氣再生混凝土耐久性優(yōu)于再生骨料替代率為25%、75%、100%引氣再生混凝土的耐久性[10]。Yehia等研究發(fā)現(xiàn)，100%再生骨料替代率的RAC若達(dá)到一定的填充密度時，也可擁有與天然混凝土相差不大的強(qiáng)度和耐久性能[11]。由于再生骨料本身的缺點(diǎn)，有許多學(xué)者嘗試摻入部分礦物摻和料，以此提升RAC的耐久性。馮琦等比較了干濕循環(huán)-抗硫酸鹽侵蝕耦合條件下不同粉煤灰摻量的RAC質(zhì)量損失率，結(jié)果表明粉煤灰摻量達(dá)到15%的RAC質(zhì)量損失率低于其余粉煤灰摻量的RAC質(zhì)量損失率[12]。尹興偉等對比了凍融循環(huán)條件下不同粉煤灰摻量的RAC相對動彈性模量，得出20%粉煤灰摻量的RAC相對動彈性模量高于其余粉煤灰摻量的RAC相對動彈性模量[13]。閆宏生對比了硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)下不同粉煤灰摻量的RAC相對動彈性模量，發(fā)現(xiàn)RAC的抗硫酸鹽侵蝕能力隨著粉煤灰摻量的不斷增加逐漸改善[14]。喬宏霞等結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)并利用Weibull函數(shù)對混凝土試塊進(jìn)行壽命預(yù)測，結(jié)果表明Weibull可靠度函數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果較為一致[15]。路承功等結(jié)合微觀評價指標(biāo)并利用Wiener隨機(jī)過程建模，得出其不同變量混凝土可靠性壽命時間[16]。

由于大部分學(xué)者主要研究了單一影響因素對RAC耐久性能變化規(guī)律的影響，未考慮多因素的影響，故以再生骨料替代率(0、30%、50%、70%)、粉煤灰摻量(10%、20%、30%)、硅灰摻量(5%、8%、12%)和單摻、復(fù)摻等方式為影響因素，對制備的RAC進(jìn)行硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，以質(zhì)量損失率和相對動彈性模量為性能指標(biāo)，研究RAC耐久性能變化規(guī)律，分析不同變量對RAC耐久性的影響，利用一元Wiener方法對試塊建立模型并進(jìn)行可靠度計算及壽命預(yù)測。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 原材料

水泥采用P·O 42.5；粗骨料級配為5～30 mm；細(xì)骨料為天然河沙，細(xì)度模數(shù)為3.11，表觀密度為2 470 kg/m3；再生骨料由已使用20年的建筑所產(chǎn)生的建筑垃圾經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎后清洗，再經(jīng)人工篩分得到，級配為5～30 mm；減水劑的減水率為30%；由生產(chǎn)廠商提供的粉煤灰、硅灰的具體性能指標(biāo)見表1、2。再生骨料和天然骨料的指標(biāo)和級配曲線見表3、圖1。

表1 粉煤灰主要指標(biāo)Table 1 Main indicators of fly ash

表2 硅灰主要指標(biāo)Table 2 Main indicators of silica fume

表3 再生骨料和天然骨料主要指標(biāo)Table 3 Main indicators of recycled aggregate and natural aggregate

圖1 不同骨料級配曲線Fig.1 Gradation curves of different aggregate

1.2 配合比設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊制備方案根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》制定，為深入研究再生骨料替代率、粉煤灰摻量、硅灰摻量對RAC耐久性的影響，相應(yīng)試驗(yàn)方案具體見表4。

表4 試驗(yàn)方案Table 4 Test schemes kg/m3

1.3 試塊制備及試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)共設(shè)計13組試件，每組制備6個尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，共78個試塊，置于(20±2) ℃，濕度95%以上，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。本次試塊制備未進(jìn)行預(yù)制，故制備過程中未改變水泥用量，僅改變減水劑用量以此保證各組混凝土塌落度滿足CJJ/T 253—2016《再生骨料透水混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求。

1.3.1硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17]，當(dāng)試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期，取出3個試塊并擦干其表面水分，用電子稱和超聲波探測儀測取試驗(yàn)前RAC的質(zhì)量及自振頻率。試驗(yàn)采用5%的Na2SO4溶液，每20 h為1次循環(huán)，試驗(yàn)過程中時刻保持溶液pH值在6～8，溶液溫度保持在25～30 ℃，每15次循環(huán)過后用電子稱和超聲波探測儀測取循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的RAC質(zhì)量和自振頻率，依據(jù)式(1)和式(2)分別計算出相應(yīng)循環(huán)次數(shù)對應(yīng)的RAC質(zhì)量損失率和相對動彈性模量。

(1)

式中：Wn為n次試驗(yàn)循環(huán)后RAC的質(zhì)量損失率，%；G0為試驗(yàn)前的RAC的初始質(zhì)量，kg；Gn為n次試驗(yàn)循環(huán)后RAC的質(zhì)量，kg。

(2)

式中：Pn為n次試驗(yàn)循環(huán)后RAC的相對動彈性模量，%；f0為試驗(yàn)前的自振頻率，Hz；fn為RAC經(jīng)歷n次試驗(yàn)循環(huán)后的自振頻率，Hz。

每組試件的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量均取3個試件的算術(shù)平均值作為測定值，若最大值和最小值均與中間值相差超過1%，應(yīng)取中間值作為測定值。當(dāng)試驗(yàn)達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)、質(zhì)量損失率達(dá)到5%或相對動彈性模量達(dá)到60%中任一條件出現(xiàn)，可停止試驗(yàn)。

1.3.2凍融循環(huán)試驗(yàn)

每組配合比取3個試塊放入凍融循環(huán)機(jī)中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，依據(jù)GB/T 50082—2009[17]的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期，取出3個試塊并擦干其表面水分，用電子稱和超聲波探測儀測取試驗(yàn)前RAC的質(zhì)量及自振頻率。設(shè)定冷凍期間凍融儀器內(nèi)空氣溫度保持在-20～-18 ℃，融化區(qū)間凍融儀器內(nèi)浸泡混凝土試塊水溫需保持在18～20 ℃；每4 h為1次循環(huán)，每15次循環(huán)過后，數(shù)據(jù)測定，取值步驟和試驗(yàn)停止條件均與硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對圖2和圖3進(jìn)行綜合分析可知，在硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)過程中，RAC的質(zhì)量損失率在45次循環(huán)前呈現(xiàn)下降趨勢，最低可達(dá)到-0.98%，45次數(shù)循環(huán)過后呈現(xiàn)上升趨勢；RAC的相對動彈性模量在45次循環(huán)前呈現(xiàn)上升趨勢，最高可達(dá)到130.4%，45次循環(huán)后呈現(xiàn)下降趨勢。

對比圖2a和圖3a分析可知，再生骨料替代率30%的RAC質(zhì)量損失率相比于NAC質(zhì)量損失率增加了7.7%，且隨著再生骨料替代率的不斷增加，RAC質(zhì)量損失率持續(xù)增加，最高增加了34.8%。再生骨料替代率為30%的RAC相對動彈性模量相比于NAC相對動彈性模量降低，結(jié)合國內(nèi)學(xué)者研究[18-20]可知：因?yàn)樵偕橇系谋缺砻娣e和吸水量增加，且其外部有一定量的水泥砂漿，內(nèi)部有因加工骨料時產(chǎn)生的微裂縫，導(dǎo)致RAC在循環(huán)試驗(yàn)下的損傷較大，質(zhì)量損失率較快。

對比圖2b與圖3b、圖2c與圖3c可知：試驗(yàn)結(jié)束時，摻入20%粉煤灰的RAC質(zhì)量損失率最低，為4.15%，相對于RAC-30質(zhì)量損失率降低了6.6%，且其相對動彈性模量最高，在硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后達(dá)到62.9%。摻入8%硅灰的RAC質(zhì)量損失率最低，為4.11%，相對RAC-30質(zhì)量損失率降低了7.5%，且其相對動彈性模量較高，在硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后達(dá)到63.2%。這是因?yàn)榉勖夯液凸杌覂煞N膠凝材料均發(fā)揮了火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生水化硅酸鈣凝膠及晶體，使RAC內(nèi)部更加密實(shí)，抗硫酸鹽侵蝕性能得到提升。

對比圖2d和圖3d分析可知，分別采用30%、50%、70%替代率用再生骨料替代天然骨料所制備的20%粉煤灰、8%硅灰RAC質(zhì)量損失率相較于NAC試塊質(zhì)量損失率分別降低了5.9%、-4.8%、-15.7%。這是因?yàn)榉勖夯以谥苽溥^程中主要起火山灰效應(yīng)，而硅灰在制備過程中主要起微集料效應(yīng)，兩種膠凝材料可以相互補(bǔ)足，填充了RAC內(nèi)部更多的孔隙，使RAC內(nèi)部更加密實(shí)，顯著提高了RAC的抗硫酸鹽侵蝕性能。

a—再生骨料替代率的影響；b—粉煤灰摻量的影響；c—硅灰摻量的影響；d—再生骨料替代率對20%粉煤灰、8%硅灰RAC的影響。圖2 硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)中各組RAC試塊的質(zhì)量損失率Fig.2 Mass loss rate of each RAC test block in sulfate dry-wet cycle test

a—再生骨料替代率的影響；b—粉煤灰摻量的影響；c—硅灰摻量的影響；d—再生骨料替代率對20%粉煤灰、8%硅灰RAC的影響。圖3 硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)中各組RAC試塊的相對動彈性模量Fig.3 Relative dynamic elastic modulus of each RAC test block in sulfate dry-wet cycle test

對圖4和圖5進(jìn)行綜合分析可知，在凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中，RAC的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出持續(xù)增加的趨勢，其相對動彈性模量呈現(xiàn)出持續(xù)降低的趨勢。

對比圖4a與圖5a可知，分別采用再生骨料30%、50%、70%替代率所制備的RAC質(zhì)量損失率相較于NAC質(zhì)量損失率分別增加了8.1%、15.8%、33.6%。結(jié)合國內(nèi)學(xué)者的研究[21-22]可知，這是因?yàn)樵偕橇舷噍^于天然骨料具有更高的吸水率，導(dǎo)致RAC內(nèi)部水分增加，由于凍融循環(huán)試驗(yàn)下溫度的不斷變化，水分在固態(tài)與液態(tài)之間不斷切換，對試塊孔隙壁持續(xù)產(chǎn)生較大的抗拉強(qiáng)度，造成孔隙壁上產(chǎn)生較多的細(xì)微裂縫，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫逐漸擴(kuò)大直至試塊破壞。

a—再生骨料替代率的影響；b粉煤灰摻量的影響；c—硅灰摻量的影響；d—再生骨料替代率對20%粉煤灰、8%硅灰RAC的影響。圖4 凍融試驗(yàn)中各組RAC試塊的質(zhì)量損失率Fig.4 Mass loss rate of each RAC test block in freeze-thaw test

a—再生骨料替代率的影響；b—粉煤灰摻量的影響；c—硅灰摻量的影響；d—再生骨料替代率對20%粉煤灰、8%硅灰RAC的影響。圖5 凍融試驗(yàn)中各組RAC試塊的相對動彈性模量Fig.5 Relative dynamic elastic modulus of each RAC test block in freeze-thaw test

對比圖4b與圖5b、圖4c與圖5c可知，摻入20%粉煤灰的RAC質(zhì)量損失率最低，為3.02%，相對于RAC-30質(zhì)量損失率降低了6.2%，且其相對動彈性模量最高，在循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后達(dá)到92.8%；摻入8%硅灰的RAC質(zhì)量損失率最低，為3.04%，相對RAC-30質(zhì)量損失率降低了5.6%，且其相對動彈性模量最高，在循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后達(dá)到91.65%。因?yàn)榉勖夯摇⒐杌揖l(fā)揮了火山灰效應(yīng)和微集料效應(yīng)，產(chǎn)生了二次水化產(chǎn)物，吸收了部分水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，降低了RAC內(nèi)外溫差，降低了RAC發(fā)生開裂的可能性，提高了RAC的穩(wěn)定性；當(dāng)單摻粉煤灰摻量超過20%且隨著摻量的增加，RAC的抗凍融性能明顯降低，這是因?yàn)楫?dāng)粉煤灰摻量過多時，多余的粉煤灰會包裹住部分水分，導(dǎo)致RAC內(nèi)部的水分增多，這也直接導(dǎo)致了在凍融循環(huán)條件下，因溫度變化使水分對RAC孔隙壁產(chǎn)生了逐漸增大的壓力，加速了RAC的破壞；當(dāng)單摻硅灰的摻量超過8%時，硅灰較高的需水量導(dǎo)致RAC內(nèi)部的水分增多，處于凍融循環(huán)條件下過多的水分加速了RAC內(nèi)部的破壞，降低了RAC的控凍融能力。

對比圖4d與圖5d可知，分別采用再生骨料30%、50%、70%替代率所制備的20%粉煤灰、8%硅灰的RAC質(zhì)量損失率相較于NAC試塊分別降低了7.0%、8.1%、18.8%。其性能變化機(jī)理與硫酸鹽干濕循環(huán)試驗(yàn)下的變化機(jī)理相同，這也與眾多研究者的研究結(jié)果較為相似[23-26]。

3 基于Wiener退化過程壽命分析

Wiener 過程也稱為布朗運(yùn)動過程，本次試驗(yàn)以凍融循環(huán)試驗(yàn)中相對動彈性模量為依據(jù)，通過Wiener公式得出其耐久性退化趨勢，公式如下：

X(t)=at+bB(t)

(3)

式中：a為漂移參數(shù)；b為擴(kuò)散參數(shù)；t為為時間；X(t)為混凝土在耐久性退化過程中時刻t下的耐久性退化量；B(t)為標(biāo)準(zhǔn)的Wiener過程。

設(shè)定混凝土的退化指標(biāo)的失效閾值為Z(Z>0),當(dāng)以相對動彈性模量變化量為計算依據(jù)時，Z取0.4即可。即為，當(dāng)試件的相對動彈性模量損失率達(dá)到40%時，達(dá)到破壞要求。則試件的壽命T滿足下式：

T=inf{t|X(t)>Z}

(4)

根據(jù)該公式滿足逆高斯分布的性質(zhì)可得試件耐久性指標(biāo)達(dá)到失效閾值時的概率密度函數(shù)和可靠度函數(shù)如下：

(5a)

(5b)

式中：φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

通過式(5)可得Wiener退化過程的似然函數(shù)：

(6)

式中：ΔXij為第j個試件在t(i-1)j、tij的退化量；Δtij=tij-t(i-1)j。

對式(6)進(jìn)行求解可得a、b的函數(shù)式：

(7)

(8)

式中：Xin為某段時刻內(nèi)試件性能退化量，Xin=第n個試件在第1次所測性能-第n個試件第i次所測性能；Xij=第j個試件在第1次所測性能-第j個試件第i次所測性能；tin=第n個試件第i次測取性能對應(yīng)的試驗(yàn)時間；ΔXij=Xij-X(i-1)j。

根據(jù)式(7)、(8)計算可得出各組試件的參數(shù)，具體數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 基于Wiener模型參數(shù)值Table 5 Parameters based on Wiener model

將各組試件的參數(shù)代入式(5)中分別得到該組試件的可靠度函數(shù)，利用ORIGIN軟件對表達(dá)式進(jìn)行擬合分析和數(shù)據(jù)整理，結(jié)果如圖6所示。

a—再生骨料替代率、粉煤灰摻量、硅灰摻量對RAC可靠度變化規(guī)律的影響；b—再生骨料替代率對20%粉煤灰、8%硅灰RAC可靠度變化規(guī)律的影響。圖6 可靠度曲線Fig.6 Reliability curves

對圖6進(jìn)行綜合分析可知，可靠度變化主要分為兩階段，第一階段保持1.0，中后期持續(xù)降低直至0。第一階段時RAC性能保持較好的一段時間，該階段中各種損傷因素不斷侵蝕著RAC,但并未導(dǎo)致其性能立刻開始降低，說明RAC具備著一定的抗凍融能力，也說明了損傷因素對RAC的侵蝕是一個由量變到質(zhì)變的過程。第二階段RAC可靠度開始降低直至為0，說明RAC雖具備一定的抗凍融能力，但依舊無法抵擋損傷因素的影響，當(dāng)RAC所受侵蝕積累到一定程度后，其可靠度開始持續(xù)下降，即為RAC開始劣化，直至可靠度降為0。

RAC-F20S8-30第一階段持續(xù)時間相較于其他組試塊較長，說明RAC-F20S8-30的抗凍融能力較強(qiáng)，可抵抗損失因素侵蝕的時間長。而其第二階段的持續(xù)時間也相較于其他組試塊較長，說明其抗凍融能力相較于其他組試塊較高。

對比各圖還可得出在凍融循環(huán)試驗(yàn)在凍融循環(huán)加速試驗(yàn)下，各組試塊可靠度變化持續(xù)時間比較：RAC-F20S8-30>RAC-F20-30>RAC-S8-30>RAC-0>RAC-F10-30>RAC-S5-30>RAC-F20S8-50>RAC-30，其中RAC-F20S8-30模型可靠度變化時間最長，說明其加速壽命最長，達(dá)到17 000 h左右。

4 結(jié)束語

通過硫酸鹽干濕循環(huán)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，探究再生骨料替代率、粉煤灰摻量、硅灰摻量和單摻、復(fù)摻等因素對再生骨料混凝土試塊耐久性的影響規(guī)律，并以凍融循環(huán)試驗(yàn)的相對動彈性模量數(shù)據(jù)為依據(jù)，利用Wiener方法對其進(jìn)行可靠度分析及壽命預(yù)測。結(jié)果表明：

1)在硫酸鹽干濕循環(huán)條件下，RAC質(zhì)量損失率和相對動彈性模量損失率隨著再生骨料替代率的增加而增加，隨著單摻粉煤灰、硅灰摻量的增加呈現(xiàn)出先降后增的趨勢。其中，單摻粉煤灰的最優(yōu)摻量為20%，單摻硅灰的最優(yōu)摻量為8%，相比RAC-30再生混凝土，質(zhì)量損失率分別降低6.6%、7.5%,兩組試塊的相對動彈性模量在試驗(yàn)達(dá)到150次時仍高于60%。

2)在凍融循環(huán)條件下，RAC質(zhì)量損失率和相對動彈性模量損失率隨著再生骨料替代率增加而增加，隨著單摻粉煤灰、硅灰摻量增加呈現(xiàn)出先降后增的趨勢。其中，單摻粉煤灰的最優(yōu)摻量為20%，單摻硅灰的最優(yōu)摻量為8%，相比RAC-30再生混凝土，質(zhì)量損失率分別降低6.2%、5.6%，相對動彈性模量分別增長7.0%、5.6%。

3)在硫酸鹽干濕循環(huán)、凍融循環(huán)條件下，粉煤灰20%、硅灰8%進(jìn)行復(fù)摻，RAC的質(zhì)量損失率和相對動彈性模量損失率隨著再生骨料替代率的不斷增加均呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢。再生骨料替代率為30%的RAC質(zhì)量損失率及相對動彈性模量損失率較NAC降幅較小。

4)依據(jù)一元Wiener方法所的可靠度曲線可知在凍融環(huán)境下，摻入30%再生骨料、20%粉煤灰和8%硅灰的RAC加速壽命為17 000 h左右，略優(yōu)于基準(zhǔn)組壽命，說明摻入部分再生骨料、適量粉煤灰、硅灰的RAC性能與基準(zhǔn)組相差不大，這不失為一種合理利用再生骨料的方式。