劉 普， 王明華， 李慶濤，*

（1.中國礦業(yè)大學江蘇省土木工程環(huán)境災變與結構可靠性重點實驗室，江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇徐州 221116）

隨著混凝土天然原材料的不斷減少［1］及固廢資 源再利用的興起，越來越多的固體廢料被用作天然骨料的替代品來制備混凝土，以此來緩解天然資源短缺及環(huán)境污染的困境.花崗巖［2-5］、陶瓷［6-7］及煤矸石［8］已經(jīng)被用作粗骨料來制備混凝土，此外廢棄玻璃也被嘗試用于制作細骨料砂漿［9］.這些研究都表明，采用固廢骨料取代天然骨料來制備低強度混凝土是可行的.隨著中國石材產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，花崗巖石料加工時會產(chǎn)生將近一半的花崗巖廢料［10］，道路的改、擴建也會產(chǎn)生大量的花崗巖路緣石廢棄物.由于其主要成分與混凝土的骨料類似，因此路緣石廢料作為混凝土骨料存在較大的利用空間，也可以實現(xiàn)變“廢”為寶.

在實際工程中，混凝土結構如果遭受高溫的影響，其高溫后的力學性能如何變化，能否滿足使用要求，結論尚不明確.以路緣石為骨料的混凝土若用于建材中，也存在受火災高溫威脅的可能性.部分學者開展了花崗巖［11］、煤矸石［12］及瓷磚［13］等再生骨料混凝土高溫后的性能試驗，對再生骨料混凝土高溫后的強度進行了一定的探索.目前，對廢棄路緣石再生骨料混凝土高溫后力學性能的研究有待深入，有必要對其開展高溫后性能的研究.

基于此，本文采用花崗巖路緣石再生骨料等體積取代天然骨料的方式來制備路緣石再生骨料混凝土，將混凝土加熱到目標溫度后再對其進行力學性能測試，同時結合熱重-差示掃描量熱（TGA-DSC）分析，研究取代骨料粗細類別、取代率及溫度對路緣石再生骨料混凝土質(zhì)量損失、抗壓強度、劈裂抗拉強度和彈性模量的影響，以期為廢棄花崗巖路緣石在高溫復雜環(huán)境下的再利用提供一定的參考.

1 試驗

1.1 原材料

廢棄路緣石屬花崗巖材質(zhì)，經(jīng)顎式破碎機破碎后，通過方孔篩篩分得到0.15～4.75 mm的連續(xù)級配用作路緣石細骨料（GFA），4.75～19 mm的連續(xù)級配用作路緣石粗骨料（GCA）.天然粗骨料（NCA）為石灰石碎石，天然細骨料（NFA）為河砂，細度模數(shù)為2.34；路緣石細骨料的細度模數(shù)為2.76，與天然河砂接近，屬于2級配區(qū)中砂.水泥為徐州淮海中聯(lián)牌P·O 42.5R水泥，水為自來水.骨料的X射線衍射（XRD）圖 譜 如 圖1所 示.減 水 劑（SP）為Sika viscocrete 3301C型聚羧酸高性能減水劑，減水率（質(zhì)量分數(shù)）為38%.

圖1 骨料的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of aggregates

1.2 配合比設計及試件制備

路緣石骨料的吸水率與天然骨料相比可能會有所差別，為了保證混凝土的性能，將路緣石骨料提前用附加用水進行預濕［14］，在攪拌時不再考慮附加用水.試驗選用的取代率（體積分數(shù)）為0%和50%，以天然骨料為對照組，分別取50%路緣石粗骨料和50%路緣石細骨料取代天然粗骨料和天然細骨料為參數(shù)組，水灰比（質(zhì)量比）為0.5.不同骨料混凝土的配合比如表1所示.

表1 混凝土的配合比Table 1 Mix proportions of concretes

攪拌前，需要將路緣石骨料用附加用水進行預濕.澆筑完成后，在自然環(huán)境下保濕靜置養(yǎng)護24 h后拆模，然后置于Ca（OH）2飽和溶液中進行水養(yǎng)護，溫度控制在（20±2）℃，試件養(yǎng)護28 d后開展各項試驗.對不同配合比的混凝土分別制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體和100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件，每組3個.

1.3 試驗方法

1.3.1 高溫試驗

高溫試驗采用10℃/min的升溫速率，將混凝土加熱到指定溫度（T，200、400、600、800℃），然后恒溫直至試件的中心溫度達到目標溫度后關閉電爐，打開爐罩，使爐腔內(nèi)的試件自然冷卻至室溫.

1.3.2 熱重-差示掃描熱分析

在高溫作用下，路緣石骨料及其硬化砂漿中組成相的物理化學變化和水分的蒸發(fā)逸出均會導致一定的熱流變化或質(zhì)量損失，TGA-DSC分析可以很好地表征路緣石骨料及其砂漿在高溫下的熱穩(wěn)定性，為路緣石再生骨料混凝土在高溫復雜環(huán)境下的應用提供參考.TGA-DSC分析試驗設備采用STA449F3型同步熱分析儀，以15℃/min的升溫速率從40℃升溫至1 000℃.

1.3.3 質(zhì)量損失測定

使用電子天平對未經(jīng)高溫試件的原始質(zhì)量進行稱量并記錄，經(jīng)歷高溫后對其進行二次稱量，采用3個試件的平均質(zhì)量差值來代表高溫后該組混凝土試件的質(zhì)量損失（M）.

1.3.4 力學性能試驗

混凝土養(yǎng)護28 d后，根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，對混凝土的力學性能進行測試.加載設備使用YAW-3000型電液伺服壓力試驗機，抗壓強度試驗和彈性模量試驗的加載速率為0.5 MPa/s，劈裂抗拉強度試驗的加載速率為0.05 MPa/s.

2 結果與分析

2.1 綜合熱分析

不同骨料及細骨料砂漿的TGA-DSC曲線如圖2、3所示.由圖2可見：不同骨料的質(zhì)量損失和吸熱的程度有所不同；NCA在700～845℃之間出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，質(zhì)量損失率為36.8%左右，與此同時在821℃時出現(xiàn)較大的吸熱峰，這是因為CaCO3和MgCO3等碳酸鹽受熱脫碳分解所致［15］；GCA的質(zhì)量損失率較小，在573℃時出現(xiàn)明顯的吸熱峰，這是由于花崗巖中石英受熱由α型轉變?yōu)棣滦臀鼰崴拢?6］.

圖2 不同骨料的TGA-DSC曲線Fig.2 TGA-DSC curves of different aggregates

由圖3可見：不同細骨料砂漿的TGA-DSC曲線變化趨勢相差不大，不同砂漿的質(zhì)量在整個升溫范圍內(nèi)逐漸減?。辉跍囟刃∮?00℃時，砂漿的質(zhì)量損失率約為2.0%～3.0%，在90℃左右出現(xiàn)吸熱峰，這是因為自由水分的蒸發(fā)逸出以及鈣礬石中的吸附水脫去所致；在430℃左右，砂漿的質(zhì)量損失率約為0.3%，此時出現(xiàn)明顯的吸熱峰，這是由于水化產(chǎn)物Ca（OH）2吸熱脫羥基失去結晶水以及部分CSH凝膠吸熱分解所致；在573℃時出現(xiàn)較小的吸熱峰，這是因為細骨料中的石英吸熱晶型轉變所致；隨著溫度的繼續(xù)升高，在750～850℃之間，不同砂漿的質(zhì)量損失率約為13.7%～25.1%，質(zhì)量損失較大，出現(xiàn)明顯的吸熱峰，這是由于CaCO3和MgCO3等碳酸鹽受熱脫碳分解所致［15-16］.

2.2 質(zhì)量損失

路緣石再生骨料混凝土質(zhì)量損失隨溫度的變化如圖4所示.由圖4可見：

圖4 路緣石再生骨料混凝土質(zhì)量損失隨溫度的變化Fig.4 Changes of mass loss of curb recycled aggregate concrete with temperature

（1）不同粗骨料混凝土的質(zhì)量損失隨著溫度的升高逐漸增大.在經(jīng)歷200、400、600、800℃處理后，普通混凝土的質(zhì)量損失率依次為2.4%、4.7%、5.0%和7.9%，路緣石粗骨料混凝土的質(zhì)量損失率分別為2.4%、4.9%、5.4%和7.4%.在相同溫度條件下，路緣石粗骨料混凝土的質(zhì)量損失較普通混凝土分別增加了-2.3%、5.7%、8.4%和-7.6%.

（2）不同細骨料混凝土在經(jīng)歷高溫處理后質(zhì)量損失的變化趨勢與粗骨料混凝土相同，都是隨著溫度的升高逐漸增大，路緣石細骨料混凝土的質(zhì)量損失始終大于普通混凝土.在經(jīng)歷200、400、600、800℃處理后，普通混凝土的質(zhì)量損失率分別為2.4%、4.7%、5.0%和7.9%，路緣石細骨料混凝土的質(zhì)量損失率分別為3.0%、4.9%、5.6%和8.3%.在相同溫度條件下，路緣石細骨料混凝土的質(zhì)量損失較普通混凝土分別增加了22.9%、8.4%、13.8%和5.8%.

混凝土的質(zhì)量損失與受熱溫度和骨料種類有一定聯(lián)系.從圖3還可以看出：在200℃時，質(zhì)量損失主要是因為自由水受熱揮發(fā)及鈣礬石中吸附水的脫去；在400℃時，混凝土內(nèi)部部分CSH凝膠中的吸附水蒸發(fā)以及Ca（OH）2受熱分解也會導致質(zhì)量損失；在600℃時，質(zhì)量損失主要因為混凝土內(nèi)部Ca（OH）2在430℃左右大量受熱分解，在600℃時分解基本完成；當溫度達到800℃時，混凝土內(nèi)部水分全部蒸發(fā)，此時CaCO3受熱脫碳分解是混凝土質(zhì)量損失的主要原因，而CO2氣體的揮發(fā)導致其內(nèi)部結構的損傷加?。?5，17］.

圖3 不同細骨料砂漿的TGA-DSC曲線Fig.3 TGA-DSC curves of different fine aggregate mortars

根據(jù)試驗結果分析，可以得到路緣石再生骨料混凝土質(zhì)量損失隨溫度變化的表達式.

路緣石粗骨料混凝土：

路緣石細骨料混凝土：

2.3 抗壓強度

路緣石再生骨料混凝土抗壓強度（fcu）隨溫度的變化如圖5所示.由圖5可見：

圖5 路緣石再生骨料混凝土抗壓強度隨溫度的變化Fig.5 Changes of the compressive strength of curb recycled aggregate concrete with temperature

（1）不同于普通混凝土，路緣石粗骨料混凝土的抗壓強度隨著溫度的升高逐漸下降，在不同溫度區(qū)段內(nèi)其降低幅度不同.在400℃內(nèi)，其抗壓強度始終大于普通混凝土.相較于常溫條件下，普通混凝土的抗壓強度在200℃時提高了4.0%，之后隨著溫度的繼續(xù)升高分別降低了8.5%、10.1%和50.2%.路緣石粗骨料混凝土在經(jīng)歷200、400、600、800℃處理后，其抗壓強度較常溫條件下分別降低了3.4%、7.2%、25.8%和60.1%.在相同溫度條件下，路緣石粗骨料混凝土的抗壓強度相比普通混凝土分別增加了9.8%、1.9%、11.2%、-9.4%和-12.1%.

在400℃之前，不同粗骨料混凝土內(nèi)部水分的揮發(fā)逸出，導致微孔隙和裂縫不斷發(fā)展，相互貫通，使孔隙率增大，影響混凝土的性能.但此時固廢骨料均處于放熱階段，熱穩(wěn)定性較好.當溫度大于400℃時，混凝土路緣石粗骨料中的石英晶型由α型轉變?yōu)棣滦?，轉變是由混凝土表面向內(nèi)部進行的，轉變過程中伴隨著體積的膨脹，熱應力的增加，使混凝土內(nèi)部的結構損傷變大，強度明顯降低.

（2）路緣石細骨料混凝土的抗壓強度隨著溫度的升高也呈下降趨勢，400℃之前的強度降低幅度低于400℃之后.在經(jīng)歷200、400、600、800℃處理后，路緣石細骨料混凝土的抗壓強度較常溫條件下分別降低了1.8%、4.6%、31.3%和55.1%.在相同溫度條件下，路緣石細骨料混凝土的抗壓強度與普通混凝土相比，分別增加了3.5%、-2.3%、7.8%、-20.9%和-6.7%.

3)沖擊地壓的發(fā)生，是開采設計、地質(zhì)條件與地下應力場、裂隙場、震動場等多因素耦合作用的結果，具有極強的隱蔽性、漸變性和難以預知性，其前兆信息也往往具有異常復雜性和多樣性，難以通過單一的手段進行準確的預測，需要采用具有互補性的多種手段進行聯(lián)合監(jiān)測。同時，面對大量前兆信息出現(xiàn)的各種復雜現(xiàn)象，如何綜合利用各種信息進行聯(lián)合處理，最終建立沖擊地壓綜合預警理論和模型，是沖擊地壓預測預報進一步發(fā)展的方向。

在200℃時，不同細骨料混凝土內(nèi)部自由水的蒸發(fā)會導致強度有所降低，但降低幅度較小.在400℃時，隨著自由水分的完全蒸發(fā)，相較于表面光滑圓潤的天然骨料，路緣石細骨料因其粗糙的表面及較大的比表面積，使混凝土具有更高的致密性，其強度較普通混凝土有所提高，對混凝土耐高溫性能有一定的促進作用.但隨著溫度的繼續(xù)升高，骨料熱分解引起的混凝土內(nèi)部結構的損傷逐漸明顯，導致強度明顯降低.

根據(jù)試驗結果分析，可以得到路緣石再生骨料混凝土抗壓強度隨溫度變化的表達式.

路緣石粗骨料混凝土：

路緣石細骨料混凝土：

2.4 劈裂抗拉強度

路緣石骨料混凝土劈裂抗拉強度（ft）隨溫度的變化如圖6所示.由圖6可見：

圖6 路緣石再生骨料混凝土劈裂抗拉強度隨溫度的變化Fig.6 Changes of splitting tensile strength of curbs recycled aggregate concrete with temperature

（1）不同粗骨料混凝土的劈裂抗拉強度均隨著溫度的升高逐漸降低，但由于粗骨料不同，其高溫后劈裂抗拉強度的降低幅度有所不同.在常溫條件下，普通混凝土的劈裂抗拉強度為3.75 MPa；在經(jīng)歷200、400、600、800℃處理后，其劈裂抗拉強度較常溫下分別降低了11.0%、38.3%、59.8%和79.0%.路緣石粗骨料混凝土的劈裂抗拉強度與常溫條件下相比，在200℃時降低幅度較小，為2.4%；隨著溫度的升高，強度降低比較明顯，在400、600℃時依次降低了35.4%和74.6%，在800℃時強度降低減緩，降低了82.1%.在相同溫度條件下，路緣石粗骨料混凝土的劈裂抗拉強度較普通混凝土下降了10.3%、1.6%、6.0%、43.2%和23.7%.

在200～400℃時，混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)會加劇微裂縫的開展，使孔隙率增大.在劈裂荷載作用下，拉應力會使高溫產(chǎn)生的裂縫不斷擴大，導致其劈裂抗拉強度明顯降低.當溫度大于400℃時，受骨料本身熱分解的影響，混凝土內(nèi)部結構損傷更為嚴重，導致其劈裂抗拉強度降低.

（2）隨著溫度的升高，不同細骨料混凝土的劈裂抗拉強度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢.在不同溫度區(qū)段內(nèi)，強度降低的幅度有所不同.路緣石細骨料混凝土的劈裂抗拉強度在400℃范圍內(nèi)降低緩慢，在600℃時降低比較明顯，在800℃時降低幅度減小.與常溫條件相比，經(jīng)歷高溫作用后路緣石細骨料混凝土的劈裂抗拉強度依次下降了12.0%、29.5%、70.4%和82.8%.在相同溫度條件下，路緣石細骨料混凝土的劈裂抗拉強度較普通混凝土增加了-8.3%、-9.3%、4.8%、-32.4%和-25.1%.

與細骨料對混凝土高溫后抗壓強度的影響類似，在200℃時的自由水分蒸發(fā)導致混凝土內(nèi)部裂縫增大，在劈裂拉應力作用下會加快混凝土的劈裂破壞，導致其強度降低.在400℃時，路緣石細骨料對混凝土內(nèi)部致密性的提高，在一定程度上增強了混凝土的劈裂抗拉強度.當溫度大于600℃時，骨料本身的高溫劣化分解會加重混凝土的熱損傷，導致其強度明顯降低.

根據(jù)試驗結果分析，可以得到路緣石再生骨料混凝土劈裂抗拉強度隨溫度變化的表達式.

路緣石粗骨料混凝土：

路緣石細骨料混凝土：

2.5 彈性模量

路緣石再生骨料混凝土彈性模量（EC）隨溫度的變化如圖7所示.由圖7可見：

圖7 路緣石再生骨料混凝土彈性模量隨溫度的變化Fig.7 Changes of elastic modulus of curbs recycled aggregate concrete with temperature

（1）不同粗骨料混凝土高溫后彈性模量的變化趨勢基本相同，都是隨著加熱溫度的升高逐漸降低.在200～600℃區(qū)間內(nèi)彈性模量下降比較明顯，在600～800℃時降低幅度趨于平緩.在經(jīng)歷200、400、600、800℃處理后，普通混凝土彈性模量與常溫下相比分別降低了14.8%、61.0%、87.3%和93.7%，路緣石粗骨料混凝土較常溫下分別降低了19.0%、57.2%、89.8%和97.2%.在相同溫度條件下，路緣石粗骨料混凝土的彈性模量較普通混凝土降低了8.8%、13.2%、0、26.4%和60.0%.

高溫后混凝土彈性模量的變化受內(nèi)部孔隙發(fā)展的影響.在400℃之前，自由水蒸發(fā)逸出，使得孔隙增大，而Ca（OH）2分解導致完整的片狀晶體結構有所損壞，使得混凝土的彈性模量明顯降低.隨著溫度的持續(xù)升高，骨料本身的劣化分解導致界面過渡區(qū)裂縫增多，加劇了混凝土內(nèi)部的破壞，不斷累積的高溫損傷使得不同骨料混凝土的抗變形能力顯著降低，彈性模量減小.

（2）隨著溫度的升高，不同細骨料混凝土的彈性模量都是降低的.在經(jīng)歷200、400、600、800℃處理后，普通混凝土的彈性模量較常溫下依次下降了14.8%、61.0%、87.3%和93.7%，路緣石細骨料混凝土的彈性模量較常溫下分別降低了24.1%、52.2%、90.9%和96.2%.在相同溫度條件下，路緣石細骨料混凝土的彈性模量較普通混凝土分別增加了8.5%、-3.2%、33.1%、-22.1%和-34.8%.

在400℃之前，雖然水分的蒸發(fā)使混凝土內(nèi)部孔隙增大，但相較于表面光滑圓潤的天然河砂，路緣石細骨料因其粗糙多棱角的顆粒形貌使其與水泥基結合更加緊密，同時路緣石細骨料因其較大的比表面積使顆粒之間結合面增大，可以有效地提高混凝土組成部分的膠結力及整體性，從而增強路緣石細骨料混凝土高溫后的抗變形能力，彈性模量略有提高.在400℃之后，由于骨料的高溫劣化導致這種增強作用下降明顯，混凝土抵抗變形的能力降低，彈性模量降低.

根據(jù)試驗結果，可以得到路緣石再生骨料混凝土彈性模量隨溫度變化的表達式.

路緣石粗骨料混凝土：

路緣石細骨料混凝土：

3 結論

（1）在整個升溫過程中，路緣石粗骨料的質(zhì)量損失率較小，在573℃時出現(xiàn)明顯的吸熱峰.路緣石細骨料砂漿分別在430℃左右和750～850℃之間出現(xiàn)明顯的吸熱峰，并伴隨著較大的質(zhì)量損失.

（2）隨著溫度的升高，路緣石粗、細骨料混凝土的抗壓強度逐漸降低.在200℃高溫后路緣石再生骨料混凝土的抗壓強度降低幅度較小，在400℃高溫后分別較常溫下降低了7.2%和4.6%，在600℃高溫后降低幅度比較明顯，在800℃高溫后較常溫條件分別降低60.1%和55.1%，且較同溫度下普通混凝土的抗壓強度下降了12.1%和6.7%.

（3）隨著溫度的升高，路緣石粗、細骨料混凝土的劈裂抗拉強度逐漸降低.在200℃高溫后，路緣石再生骨料混凝土的劈裂抗拉強度降低幅度相對緩慢；在600℃高溫后，其劈裂抗拉強度分別較常溫條件下降低了74.6%和70.4%，且較普通混凝土分別降低了43.2%和32.4%；在600℃高溫后，其劈裂抗拉強度降低幅度放緩.

（4）隨著溫度的升高，路緣石粗、細骨料混凝土的彈性模量逐漸降低.在高溫溫度低于600℃時，路緣石再生骨料混凝土的彈性模量降低幅度明顯；在600℃高溫后，其彈性模量較常溫下分別降低了89.8%和90.9%，且較相同溫度下普通混凝土降低了26.4%和22.1%；在800℃高溫后，其彈性模量降低幅度減緩，路緣石再生骨料混凝土的彈性模量較普通混凝土下降了60.0%和34.8%.