秦鵬亮　何明勝　袁康　鄧軒　牛景行

摘要：為了研究沙漠砂再生混凝土（DSRC）在凍融環(huán)境下的耐久性能，探明沙漠砂（DS）和再生粗骨料（RCA）替代率對其凍融后力學(xué)性能的影響規(guī)律，并為DSRC在新疆等寒冷地區(qū)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐，對DSRC進(jìn)行凍融后軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析凍融循環(huán)作用下DSRC質(zhì)量損失率、動(dòng)彈性模量損失率和應(yīng)力－應(yīng)變曲線的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，DSRC動(dòng)彈性模量損失率、極限應(yīng)變和彈性模量均小于普通混凝土，峰值應(yīng)力大于普通混凝土；隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，DSRC質(zhì)量損失較小，動(dòng)彈性模量損失率、峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變均增加，峰值應(yīng)力和彈性模量均減小；DS和RCA替代率分別為40%時(shí)，DSRC質(zhì)量損失率和動(dòng)彈性模量損失率分別為0.25%和27.50%，其抗凍性能最優(yōu)；采用普通混凝土本構(gòu)模型對DSRC應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合，相關(guān)控制參數(shù)表明曲線預(yù)測能力良好，可對凍融后DSRC的力學(xué)性能進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；凍融循環(huán)；沙漠砂；軸心抗壓；應(yīng)力－應(yīng)變曲線

中圖分類號：TU528文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)識碼

Experimental study on the axial compressive mechanical properties of

desert sand recycled concrete under freeze－thaw environment

QIN? Pengliang1，HE? Mingsheng1，2*，YUAN? Kang1，2，DENG? Xuan1，NIU? Jinghang1

（1 College of Water Conservancy & Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China;

2 Xinjiang Production&Construction Groups Engineering Laboratory for Seismic and Energy－Saving Building in High

Earthquake Intensity and Cold Zone，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract：? In order to study the durability performance of desert sand recycled concrete （DSRC） in freeze－thaw environments，explore the influence of desert sand （DS） and recycled coarse aggregate （RCA） substitution rate on its mechanical properties after freeze－thaw，and provide data support for the design of components and structures of DSRC in cold regions such as Xinjiang， the axial compression test of DSRC after freeze－thaw was carried out to analyze the change rules of mass loss rate，dynamic modulus loss rate and stress strain curve of DSRC under freeze－thaw cycles.The results show that the loss rate of dynamic elastic modulus，ultimate strain and elastic modulus of DSRC are lower than those of ordinary concrete，and the peak stress is higher than that of ordinary concrete at the same freeze－thaw cycles;With the increase of freeze－thaw cycles，the mass loss of DSRC is small，the loss of dynamic elastic modulus，peak strain and ultimate strain increase，and the peak stress and elastic modulus decrease;When the DS and RCA substitution rate are 40%，the DSRC mass loss rate and dynamic elastic modulus loss rate are 0.25% and 27.50%，respectively，which indicates the optimal frost resistance performance;The ordinary concrete constitutive model is used to fit and analyze the stress strain curve of DSRC，and the relevant control parameters show that the curve has good prediction ability，which can be used to analyze the mechanical properties of DSRC after freezing and thawing.

Key words： recycled concrete;freeze thaw cycle;desert sand;axial compression;stress－strain curve

隨著我國城市化的快速推進(jìn)，每年都會(huì)產(chǎn)生大量建筑廢料，對其進(jìn)行破碎、篩分等工序后可得到再生粗骨料（RCA）。使用再生粗骨料不僅可以緩解環(huán)境污染，還可以縮減實(shí)際工程應(yīng)用對天然粗骨料（NCA）的需求，但由于再生粗骨料表面有砂漿殘留，導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度較普通混凝土有所不足［1-3］；另外，制備混凝土所需的河砂資源因過度利用日益減少，而我國西北地區(qū)沙漠砂（DS）資源豐富，已有學(xué)者對沙漠砂應(yīng)用于混凝土展開研究，得到了沙漠砂混凝土的最佳配合比及其本構(gòu)模型［4-5］，同時(shí)由于我國西北地區(qū)冬季氣候寒冷，對混凝土抵抗凍融破壞能力有一定要求。因此，對沙漠砂再生混凝土（DSRC）凍融性能展開研究是十分必要的。

凍融破壞對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能產(chǎn)生的影響不容忽視［6-8］，學(xué)者們對此進(jìn)行了研究，其中，Yue等［9］研究發(fā)現(xiàn)摻入精細(xì)加工再生骨料的混凝土抗凍性能仍然劣于普通混凝土，楊璐等［10］研究結(jié)果表明所建立的再生混凝土凍融損傷模型的預(yù)測準(zhǔn)確度良好，Liu等［11］研究發(fā)現(xiàn)50%替代率沙漠砂混凝土抗凍性能較為優(yōu)越，王晨霞等［12］研究發(fā)現(xiàn)再生粗骨料替代率對試塊的抗凍性影響高于粉煤灰，Su［13］研究表明防凍混合料對再生混凝土抗凍性能的提升明顯。

關(guān)于DS和RCA替代率對混凝土凍融后軸心抗壓力學(xué)性能影響的研究很少，基于此，本文對不同凍融損傷周期DSRC軸心抗壓力學(xué)性能展開研究，探究DS和RCA摻量對混凝土凍融環(huán)境下力學(xué)性能的影響規(guī)律，旨在為DSRC在西北高寒地區(qū)的推廣和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用新疆天業(yè)水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥。再生粗骨料由廢棄混凝土塊經(jīng)人工破碎、清洗和篩分得到，粒徑為5～20mm，級配連續(xù)；天然粗骨料由連續(xù)級配的卵石組成，粒徑為5～20mm，粗骨料物理性能見表1。細(xì)骨料采用新疆瑪納斯河河砂和古爾班通古特沙漠砂，其中：河砂為中砂，細(xì)度模數(shù)2.85，表觀密度2 610kg/m3，堆積密度1 590kg/m3；沙漠砂為特細(xì)砂，平均粒徑為0.18mm，細(xì)度模數(shù)為0.335，堆積密度為1 615kg/m3；細(xì)骨料級配曲線如圖1所示，主要化學(xué)成分見表2。使用減水率為15%的聚羧酸減水劑作為外加劑，減水劑摻入量取膠凝材料總質(zhì)量的0.5%，攪拌和養(yǎng)護(hù)用水為自來水。

1.2 試驗(yàn)配合比

本次試驗(yàn)共3組試件，試件尺寸均為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，每個(gè)對照組18個(gè)試件，其中DS替代率分別為0%、20%、40%，RCA替代率為0%、40%，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級為C30，配合比見表3。

1.3 試驗(yàn)方法

本研究分別對混凝土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)和軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，這兩種試驗(yàn)規(guī)范要求的試件尺寸并不相同，GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中要求的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，考慮到本試驗(yàn)主要研究混凝土凍融后的軸心抗壓強(qiáng)度，因此本試驗(yàn)采用的試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。

凍融循環(huán)試驗(yàn)參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，采用快凍法，試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24d后取出，隨后放在（20℃±2）℃水中浸泡4d，浸泡時(shí)水面高出試件頂面20～30mm，試件達(dá)到28d齡期后開始分別進(jìn)行凍融循環(huán)次數(shù)為25、50、75、100、125次的凍融循環(huán)試驗(yàn)，并且每隔25次凍融循環(huán)后測量試件的橫向基頻和質(zhì)量變化。當(dāng)凍融試件達(dá)到以下3種情況之一時(shí)停止試驗(yàn)：試件的動(dòng)彈性模量下降到60%、質(zhì)量損失率達(dá)到5%、達(dá)到規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)。

混凝土試件經(jīng)歷凍融循環(huán)后開始進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中均勻施加荷載且不間斷，為防止加載速率過快，導(dǎo)致試件達(dá)到最大承載力時(shí)因脆性而瞬間破壞，無法得到準(zhǔn)確的整體力－位移曲線，故在試件達(dá)到極限承載力前保持0.5MPa/s的加載速率，之后改為0.1mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融后表觀特征

由混凝土試塊凍融后的表觀特征（圖2）可知：凍融循環(huán)25次后，試件表面平整度降低，無明顯破壞，只有輕微水泥漿浮渣；75次凍融循環(huán)后，試件表面的粗糙程度逐漸加重，并有微小孔洞出現(xiàn)，水泥漿部分剝落；125次凍融循環(huán)后，試件表面水泥漿剝落嚴(yán)重，孔洞數(shù)量增加，部分粗骨料開始外漏。

2.2 質(zhì)量損失率

在試驗(yàn)開始前，先對混凝土試塊質(zhì)量進(jìn)行稱量，再依次稱出每隔25次凍融循環(huán)后的混凝土試塊質(zhì)量。從凍融前后試塊的質(zhì)量損失率結(jié)果（圖3）可以看出：

（1）凍融循環(huán)25次時(shí)混凝土試件質(zhì)量均有增加。這是由于混凝土凍融前期表面脫落的質(zhì)量小于混凝土內(nèi)部孔隙吸水的質(zhì)量，隨著凍融損傷次數(shù)的增加，吸水達(dá)到飽和，但表面脫落仍在持續(xù)，導(dǎo)致混凝土質(zhì)量減小，抗凍性能下降。

（2）NA組試件在凍融循環(huán)75、125次后質(zhì)量損失率分別為0.1%、0.35%，DS20－40組試件質(zhì)量損失率分別為0.08%、0.3%，DS40－40組試件質(zhì)量損失率分別為0.06%、0.25%，質(zhì)量損失率最小。由此可知：DS和RCA替代率都為40%時(shí)，沙漠砂再生混凝土的抗凍性能最優(yōu)。

2.3 動(dòng)彈性模量損失率

從圖4可以看出：3組試件的動(dòng)彈性模量損失率隨凍融損傷次數(shù)的增加而增加。25次凍融循環(huán)后不同DS替代率試件的動(dòng)彈性模量分別降低4.0%、3.3%、2.5%，50次凍融循環(huán)后分別降低12.5%、9.8%、7.5%，75次凍融循環(huán)后分別降低18.0%、17.4%、17.0%，100次凍融循環(huán)后分別降低25.0%、24.9%、24.5%，125次凍融循環(huán)后分別降低33.00%、30.04%、27.50%。由此可知：DS、RCA的替代率都為40% 時(shí)，DSRC動(dòng)彈性模量的損失率最小，抵抗凍融損傷破壞的能力最好。

2.4 微觀形貌分析

凍融循環(huán)結(jié)束后，分別對3組配合比試件進(jìn)行凍融前和凍融循環(huán)125次SEM電鏡掃描，結(jié)果見圖5。未經(jīng)歷凍融循環(huán)的普通混凝土和沙漠砂再生混凝土試件的觀察結(jié)果（圖5a、b、c）顯示：內(nèi)部界面均有不同程度的微孔隙和微裂紋，這主要是由于混凝土中水泥水化引起的自生收縮所導(dǎo)致。與NA組 試件相比，沙漠砂的摻入使DS20－40組和DS40－40組混凝土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)程度增加，孔隙和裂縫數(shù)量明顯降低，但由于再生粗骨料表面有舊砂漿殘留，在拌和過程中存在舊砂漿與舊砂漿、舊砂漿與新砂漿、新砂漿與新砂漿3種界面，界面之間粘結(jié)程度較低，因此會(huì)導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。

凍融循環(huán)125次后普通混凝土和沙漠砂再生混凝土試件的觀察結(jié)果（圖5d、e、f）顯示：3組試件內(nèi)部均觀察到有片狀物質(zhì)和針棒狀物質(zhì)存在，主要是水化硅酸鈣和鈣礬石。NA組試件凍融125次后，水泥由于水化產(chǎn)生絮狀膠凝材料，內(nèi)部孔洞數(shù)量大大增加，孔洞逐漸發(fā)展為裂縫并進(jìn)一步延伸和擴(kuò)展，出現(xiàn)砂漿大面積脫落現(xiàn)象，試件整體強(qiáng)度大幅度降低；DS20－40組試件凍融后孔洞和裂縫數(shù)量較少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，主要是因?yàn)樯衬鞍l(fā)揮作用，有效填補(bǔ)混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，使其受破壞程度較??；DS40－40組試件內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有未水化的沙漠砂顆粒，沙漠砂摻量的增加使混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)程度增加，抗凍性能也得到明顯改善。

2.5 應(yīng)力－應(yīng)變曲線分析

不同凍融周期下沙漠砂再生混凝土和普通混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系（圖6）顯示：隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，曲線趨于扁平化，曲線上升段斜率逐漸減小，峰值應(yīng)力也迅速下降。

凍融前后普通混凝土與沙漠砂再生混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線對比結(jié)果（圖7）顯示：隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，試件在加載初期應(yīng)力－應(yīng)變曲線上升段呈下凹狀；在凍融損傷周期相同時(shí)，與普通混凝土試件相比，沙漠砂再生混凝土初期下凹趨勢不明顯，主要是由于摻入沙漠砂后，混凝土內(nèi)部孔洞被填補(bǔ)，密實(shí)程度增加，抵抗凍融損傷能力增強(qiáng)。

2.5.1 峰值應(yīng)力

由圖8可以看出：混凝土試件峰值應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，在經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后，普通混凝土和沙漠砂再生混凝土峰值應(yīng)力分別降低1.94%、2.23%、1.94%，75次凍融循環(huán)后，混凝土峰值應(yīng)力分別降低16.21%、11.50% 、16.57%，125次凍融循環(huán)后，峰值應(yīng)力分別降低35.00%、32.51%、37.38%。在凍融損傷周期相同時(shí)，普通混凝土峰值應(yīng)力劣于DS替代率為20%、RCA替代率40%的沙漠砂再生混凝土，主要是由于混凝土內(nèi)部粘結(jié)界面的孔洞和微裂縫被沙漠砂填補(bǔ)，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而使混凝土強(qiáng)度得到提高。

2.5.2 峰值應(yīng)變

從圖9可以看出：混凝土試件的峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，25次凍融循環(huán)后普通混凝土和沙漠砂再生混凝土峰值應(yīng)變分別為凍融前的1.096、1.016、1.016倍，75次凍融循環(huán)后混凝土峰值應(yīng)變分別為凍融前的1.367、1.255、1.124倍，125次凍融循環(huán)后峰值應(yīng)變分別為凍融前的1.931、1.766、1.917倍。當(dāng)凍融損傷周期一致時(shí)，替代沙漠砂混凝土的峰值應(yīng)變小于普通混凝土，這主要是由于沙漠砂有效填補(bǔ)了混凝土骨料之間的孔隙，使混凝土內(nèi)部骨架強(qiáng)度提高，不易發(fā)生變形。

無論是普通混凝土還是沙漠砂再生混凝土，兩者峰值應(yīng)變與凍融損傷次數(shù)之間存在明顯的相關(guān)性，其相關(guān)方程如下：

以上3個(gè)公式中，εSD為不同凍融損傷次數(shù)下混凝土軸心受壓峰值應(yīng)變，N表示凍融損傷次數(shù)。

2.5.3 極限應(yīng)變

普通混凝土和沙漠砂再生混凝土極限應(yīng)變與凍融損傷次數(shù)關(guān)系（圖10）顯示：極限應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。在經(jīng)歷25、75、125次凍融損傷后，普通混凝土極限應(yīng)變分別是凍融前的1.05、1.31、1.49倍，RCA替代率40%，DS替代率為20%的DSRC極限應(yīng)變分別是凍融前的1.14、1.41、1.87倍。沙漠砂的加入使混凝土極限應(yīng)變略微增加，其主要原因是材料內(nèi)部的孔洞被沙漠砂填補(bǔ)，使混凝土更加致密，隨著凍融損傷次數(shù)的增加，沙漠砂的摻入能夠有效減緩DSRC內(nèi)部的損傷積累，使得DSRC的損壞進(jìn)程較為緩慢。

2.5.4 彈性模量

普通混凝土和沙漠砂再生混凝土的彈性模量與凍融損傷次數(shù)關(guān)系（圖11）顯示：3組混凝土試件的彈性模量隨凍融損傷次數(shù)的增加而減小，隨著沙漠砂摻量的增加混凝土彈性模量下降速度減緩，這是由于沙漠砂屬于特細(xì)砂，能夠填補(bǔ)混凝土內(nèi)部的微小裂縫，減小混凝土在破壞階段由微小裂縫所形成的貫通裂縫，使混凝土彈性模量有所提升。當(dāng)凍融循環(huán)周期相同時(shí)，沙漠砂再生混凝土在彈性模量方面的表現(xiàn)較普通混凝土略差，這是由于再生粗骨料與天然粗骨料相比，其表面有舊砂漿殘留，與混凝土膠凝材料的結(jié)合界面緊密程度較低。

2.5.5 本構(gòu)模型

根據(jù)普通混凝土應(yīng)力－應(yīng)變數(shù)學(xué)模型［14］對沙漠砂再生混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行擬合分析，此模型有形式簡單、可簡化計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)。

混凝土試件凍融前后應(yīng)力－應(yīng)變擬合曲線的控制參數(shù)值見表4，相關(guān)系數(shù)R2整體上水平較好，表明擬合曲線具有良好的預(yù)測能力，在凍融損傷周期固定時(shí)，上升段沙漠砂再生混凝土的參數(shù)A值都略小于普通混凝土，下降段參數(shù)a值基本都大于普通混凝土。

普通混凝土與沙漠砂再生混凝土凍融前后應(yīng)力－應(yīng)變擬合曲線（圖12）顯示：曲線上升階段擬合適配程度較好，下降階段擬合匹配程度稍差。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象分析如下：由于再生粗骨料表面有砂漿殘留，容易在混凝土內(nèi)部形成貫通裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致擬合曲線下降段擬合程度下降，但沙漠砂的摻入對裂縫形成起到一定抑制作用，使混凝土密實(shí)程度增加，對其延性也有一定改善作用。

3 結(jié)論

（1）在凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，DSRC動(dòng)彈性模量損失率、極限應(yīng)變和彈性模量均小于普通混凝土，峰值應(yīng)力大于普通混凝土。當(dāng)DS和RCA替代率為40% 時(shí)，DSRC抵抗凍融破壞能力最佳，微觀形貌分析發(fā)現(xiàn)沙漠砂可以有效填補(bǔ)混凝土內(nèi)部孔洞和裂縫，使混凝土密實(shí)程度增加，抗凍性能得到改善。

（2）隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線趨于扁平化，曲線上升段斜率、峰值應(yīng)力和彈性模量減小，峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變增加。當(dāng)RCA替代率40%時(shí)，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變隨DS替代率的增加而增加，極限應(yīng)變和彈性模量也有略微提升。

（3）混凝土應(yīng)力－應(yīng)變擬合曲線上升段擬合程度良好，下降段擬合程度稍差，相關(guān)系數(shù)R2整體水平較高，具有良好的預(yù)測能力，凍融損傷周期固定時(shí)，沙漠砂再生混凝土上升段參數(shù)A值小于普通混凝土，下降段參數(shù)a值基本都大于普通混凝土。

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（責(zé)任編輯：編輯張忠）

收稿日期：2022-11-19

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51968062），兵團(tuán)中青年領(lǐng)軍人才（2020CB033），兵團(tuán)重點(diǎn)領(lǐng)域科技攻關(guān)（2021AB027），石河子大學(xué)科研計(jì)劃（CXPY202014）

作者簡介：秦鵬亮（1998—），男，碩士研究生，專業(yè)研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用，e－mail：896649750@qq.com。

*通信作者：何明勝（1971—），男，教授，主要從事建筑結(jié)構(gòu)及抗震研究，e－mail：hms1971@163.com。