石晶， 康永生， 李超， 李振海

（黑龙江省寒地建筑科学研究院，哈尔滨 150080）

0 引言

为推动固体废弃物产业高质量发展，贯彻制造强国实施，2017年12月中国工程院正式启动“新材料强国2035战略研究”重大项目［1，2］。达到或超过服役寿命的旧建筑、灾后建筑及不达标的混凝土试件经拆除后会产生大量的建筑固体废弃物，将建筑固体废弃物废为宝不仅可以有效解决建筑垃圾任意堆放和填埋造成的海洋、土地及空气污染，还可以缓解建筑砂石供不应求的问题并推进可持续发展战略［3，4］，从而对智慧城市的建设起到一定的推动作用。因此如何将废弃混凝土循环利用并取代代替天然骨料研究其抗冻性能已经成为建筑工程领域的一个热点问题［5，6］。

目前，国内外专家、学者和研究人员经过不懈探索针对再生混凝土的抗冻融性能取得了大量的研究成果。L Ying等［7］研究了不同品质的再生粗骨料和冻融循环次数对混凝土抗冻性能的影响规律，研究结果表明，冻融循环次数和再生粗骨料取代率的增加对5种混凝土材料的抗冻融性能起到负面作用，表现为质量损失率、弹性模量损失率和抗压强度损失率的上升。Z Wang等［8］研究了再生骨料和釉面空心珠提高混凝土的抗冻性及探究了再生骨料保温混凝土的抗冻劣化机制，研究结果表明，在RAC中添加釉面空心珠可以适当改善混凝土的细观结构，有助于提高其抗冻性，釉面空心珠的最佳含量为90kg/m3。曹新铖等［9］分析了冻融循环条件下再生粗骨料包浆的厚度和有效成分对试件的抗冻融性能的影响规律进行分析。研究结果表明，与未作预处理的混凝土相比，骨料经过包浆处理后150次冻融循环时其相对动弹性模量提高了18.6%，建立冻融损伤模型拟合精度较高，能准确地反映自密实包浆再生骨料混凝土的冻融损伤破坏规律。曹万林等［10］对再生混凝土的抗冻性、抗碳化性、抗氯离子渗透性、徐变性能及再生混凝土构件的耐久性进行了研究。研究结果表明，再生混凝土的工作性能和耐久性能均不同程度的劣于普通混凝土，但通过调整颗粒级配、适量外加剂和掺合料或者优化生产工艺等可以实现其性能与普通混凝土相近，再生混凝土耐久性能研究大多采用单因素分析方法，而实际工程常出现多因素交互影响。王永贵等［11］分析了BF及NS掺量分别对再生混凝土7d、28d及90d抗压强度的影响规律，研究结果表明，在3种龄期下再生混凝土的抗压强度均随再生粗骨料取代率的增大而下降，添加适宜掺量的纤维对再生混凝土早中期抗压强度的提高起到促进作用，但对后期强度贡献不显著。

尽管一些专家和学者对不同品质再生骨料、再生骨料取代率、冻融循环次数、旧骨料包浆厚度的再生混凝土抗冻融性能进行了大量研究，但对冻融循环条件下再生混凝土的力学性能研究相对较少。文中通过开展再生粗骨料混凝土（RC）的抗冻融试验研究，与素混凝土（NC）进行对比试验，以冻融循环次数（N），（即0、50、100和150）和混凝土类型（NC和RC）为研究变量，分析了在冻融循环作用下NC和RC对抗压强度和裂抗拉强度的衰减规律。

1 试验概况

1.1 试验原材料

再生粗骨料混凝土抗冻融性能采用规格100mm×100mm×100mm的立方体试件和100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，制备试件所需原材料包括水泥、再生粗骨料、天然粗骨料、天然细骨料、外加剂及实验室用拌合水。其中水泥采用P.O42.5，再生粗骨料产自包头东方希望铝厂，采用粒径为5～31.5mm的碎石，其性能指标满足GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》的要求。天然粗骨料同粒级的天然碎石，其性能指标满足GB/T 14685-2011《建设用碎石、卵石》的要求。粗骨料主要材性指标见表1。细骨料采用天然河砂，细度模数为2.45，中砂含泥量为2.8%，ρ表=2648kg/m3。外加剂采用引气型减水剂，减水剂的体积掺量为2.6%。

表1 粗骨料性能指标

1.2 混凝土配合比设计

混凝土配合比设计对施工生产的质量保证和工程技术的性能指标至关重要。以再生混凝土为实验组，普通混凝土为对照组，参照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行NC和RC的试验配合比设计，坍落度控制在80～100mm，水灰比为0.5，砂率为42.5%，混凝土含气量为5.5%。预配置C30强度等级的再生混凝土，其抗压强度超过35MPa见表2。

表2 混凝土配合比

1.3 再生混凝土试件制备及养护

相比于天然粗骨料，再生粗骨料内部含有一定原始缺陷，导致其孔隙率大、吸水率高、形成多重界面过渡区及强度较低等缺点。为了解决再生粗骨料吸水率高的问题，试验前对骨料进行预润湿，使骨料内部水接近饱和。再生粗骨料的制备流程如图1所示。

图1 再生粗骨料制备工艺流程

试件种类、规格和数量见表3。

表3 试件参数

试件搅拌设备采用强制式单轴卧式搅拌机，抗压强度试验采用全自动压力试验机，冻融循环试验采用快速冻融循环试验机。冻融试验试件材料制备全过程在青岛理工大学土木工程材料实验室进行，制备时室内温度控制在（23±5）℃，湿度控制在55%～60%。试件成型并覆盖保鲜膜后在实验室环境中静置24～48h，随后对6组试件依次进行编号、记录后拆模，之后迅速放入室温为（20±2）℃，相对湿度大于95%的标准养护室中养护，在标准养护条件下养护24d，随后移至（20±2）℃水中养护，浸泡时间为4d，试件在28d龄期下进行冻融循环试验。

1.4 试验方法及评价指标确定

依据JG/T 243《混凝土抗冻试验设备》、GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》要求，冻融循环试验中冻融机制采用快冻法，采用质量损失率和相对动弹性模量损失率来衡量抗冻融性能的优劣。设定尺寸为100mm×100mm×400mm。冻融循环条件下的力学性能试验设定试件规格为100×100×100（mm×mm×mm）。在冻融试验过程中，水面高于试件上表面5mm以上，试件中心温度的上限7℃，下限控制在-20℃，冷冻和融化之间的切换时间不宜超过600s。当冻融循环试验满足以下3个条件之一时应中止试验：①冻融循环次数N达到300次；②相对动弹性模量Pi下降至60%或相对动弹性模量损失率ΔPi达到40%；③质量损失率ΔWni达到5%。

2 试验结果讨论分析

2.1 再生混凝土的抗冻融性能试验

混凝土的抗冻性能是耐久性能的主要指标之一。对于北方寒冷及温差较大地区，再生混凝土的抵抗冻融性能是极大的挑战［12］，因此，冻融循环疲劳荷载作用下再生混凝土的力学性能的研究具有重要意义。文中采用快冻法分别对普通混凝土和再生混凝土的ΔWni和ΔPi进行测定，测定结果见表4。根据表4的试验结果能分别绘制出冻融循环次数和混凝土种类对混凝土抗冻融性能的影响规律曲线图，如图4所示。

表4 不同冻融循环次数下混凝土抗冻融性能评价指标

混凝土经历150次冻融循环过程中，试块内部较大孔隙中含有自由水，这些自由水最先冻结，产生的冰晶致使孔隙体积发生膨胀。随着冻融循环次数的增加，达到冰点的较小孔隙中自由水也逐渐产生冰晶，试件内部受到了大量冰晶的膨胀作用，当这种作用大于混凝土的抗压承载能力时，混凝土内部结构就会发生破坏。部分破碎的骨料碎渣和细小砂浆颗粒随着自由水的迁移而流失；另一方面，随着冻融循环次数增加骨料与浆体之间的粘结力和握裹力效果降低，骨料剥落率增加，两种作用的综合结果是混凝土的质量降低，表现为质量损失率。相对动弹性模量可以反映混凝土的孔结构分布特征和内部裂纹等损伤情况，因此试件的孔隙率越小，内部结构越致密，其相对动弹性模量也会越大。冻融循环次数的增加，会造成混凝土内部产生很多缺陷，抗压强度降低，相对动弹性模量减小，造成相对动弹性模量损失，表现为相对动弹性模量损失率［14］。

由图4（a）看出，当其他条件不变时，两种混凝土材料的ΔWni随着N的增加而呈现下降后上升的趋势当冻融循环次数不超过50次时，N与ΔWni成反比关系；当50≤N≤150次时，二者成正比关系。由图4（b）表明，两种混凝土材料的ΔPi均随着N的增加而增长，这与刘路等［14］的研究结果较为相似。图4还表明，采用内插法可推算出当N=63时，NC和RC的质量损失率相等，当N＜63次时，NC的ΔWni大于RC；当N＞63次时，RC的ΔWni大于NC。当N=150，NC和RC的ΔWni分别为3.5%和4.1%。此外，RC的ΔPi均高于NC，差值平均为10.4%。尤其是N=100次时，二者的ΔPi的差值高达17%。二者的ΔWni和ΔPi满足GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》中ΔWni不大于5%的要求，ΔPi不超过40%的要求。内蒙古大学的张立也得出相似的研究结果［15］。

图4 冻融循环次数和混凝土种类对其抗冻性能的影响

当N=50时，试件中水泥进行二次水化反应，使得混凝土吸水率增大，并且这种作用大于骨料表面水泥砂浆剥落的质量，试件质量略有增加；当N＞50时，混凝土骨料剥落量逐渐大于水泥水化吸水量，并且伴随着冰晶膨胀作用产生的内部结构破坏，ΔWni出现大幅度提高，并且随着冻融循环次数不断增加，质量损失率增长变快；当N＞100次时，ΔWni增速显著加快；当N=150时，两种混凝土的ΔWni达到最大值。

当N＜100次时，ΔPi增长速率较快。主要因为再生骨料本身含有很多微裂缝和原始缺陷导致吸水率增大，混凝土内部冰晶膨胀产生的冻胀压力和水分迁移的渗透压力使内部的微裂缝不断地延伸和扩展，导致混凝土基体材料性能逐渐劣化。N≥100，其ΔPi的增加更加缓慢，仅提高了8.3%，主要原因是混凝土中加入了引气减水剂，含气量可以在混凝土内部形成膨胀压力缓冲区，有效阻碍了裂缝的开展及延伸，Pi降低速度减缓，有效提高RC的抗冻性能。

通过对试验结果进行回归可以得到再生混凝土的ΔWni和N的关系见式（1）。

式中，ΔWn为质量损失率，%；N为冻融循环次数，次；R2为调整后的拟合度。

式（1）表明，RC的ΔWni与N呈一元二次方程曲线关系，当N=38次时，ΔWni达到最小值，即-0.5%；当N＞38次时，其ΔWni增长幅度加快。ΔWni与N的回归曲线与试验值拟合度较为精准，R2=0.9902。

通过对试验结果进行回归可以得到RC的ΔPi和N的关系见式（2）。

式中，ΔEn为混凝土相对动弹性模量损失率，%；R2为调整后的拟合度。

式（2）表明，RC的ΔWni与N呈一元二次方程曲线关系，且调整后的拟合度较高，可达0.9909。冻融循环每增加25次，其ΔPi平均增加8.9%，ΔPi与N的回归曲线与试验值拟合度较为精准，R2=0.9909。

2.2 冻融循环条件下再生混凝土的力学性能试验

基于3.1RC的抗冻融性能试验，探究冻融循环作用下RC的抗压强度和劈裂抗拉强度的衰减规律，测试结果见表5。根据实验结果可绘制出冻融循环次数和混凝土类型对其抗压强度和劈裂抗拉强度的影响关系曲线，如图5所示。

表5 冻融后混凝土的各项力学性能指标

图5 冻融循环作用下N和混凝土类型对力学性能的影响

图5结果表明，无论是抗压强度还是劈裂抗拉强度，均随着N的增加而降低并且呈接近线性下降趋势。其中150次冻融循环过程中的抗压强度下降了17.2MPa，约53.2%，劈裂抗拉强度同比降低47.4%；冻融循环每增加25次，RC的抗压强度平均下降2.85MPa，劈裂抗拉强度平均降低0.3MPa。当NC的N=150次时，其抗压强度和劈裂抗拉强度下降幅度分别为45.5%和37.5%。当冻融循环次数一定时，RC的抗压强度低于NC，约3～5MPa，两者的劈裂抗拉强度平均相差0.38MPa。

混凝土内部受到冰晶的膨胀作用，内部结构形成渗透压力和膨胀应力，当这种作用超过混凝土能承受的最大应力，结构就会发生破坏，结构由致密变得疏松多孔，孔隙率增加，随着冻融循环次数的增加这种影响也会越来越大。在正负温交替循环作用下，再生混凝土中的细微裂缝不断增多、扩展、延伸，最终形成贯通缝，宏观的表现是抗压强度和劈裂抗拉强度的降低。此外，再生混凝土内部原始缺陷较多，结构更容易被破坏，同时引气减水剂的添加引入了大量的、密闭的、微小的气泡，使得再生混凝土的致密性降低，表观密度下降，抗压强度和劈裂抗拉强度随之降低，因此，RC的抗压强度和劈裂抗拉强度相比NC较差。

通过对RC的冻融循环次数-抗压强度和冻融循环次数-劈裂抗拉强度进行指数回归可得关系如式（3）和式（4）。

式中，fc（n）为混凝土抗压强度，MPa。

式中，ft（n）为混凝土劈裂抗拉强度，MPa。

式（3）和式（4）结果表明，RC的抗压强度、劈裂抗拉强度与冻融次数均呈指数关系，且两个关系式均表现良好的相关性，即相关性高达0.95以上。其中冻融循环次数和劈裂抗拉强度关系式的相关性最为精确，高达0.9996。

3 结语

文中通过开展了再生混凝土的抗冻融试验和冻融循环条件下再生混凝土的力学性能试验，研究了冻融循环次数和混凝土类型对其抗冻融性能的影响规律，得到的主要结论如下：

（1） RC和NC的抗冻融试验表明，当其他条件一定时，二者ΔWni随着N的增加而呈先下降后上升的趋势。当冻融循环达到38次时，ΔWni达到最小值-0.5%。当其他因素不变时，ΔPi随着N的增加而增长。当N=150时，RC和NC的ΔPi分别为33.5%和42.8%。

（2） 通过对比NC和RC的抗冻融能力表明，当N≤63次时，NC的ΔWni略高于RC；当N＞63次时，RC的ΔWni逐渐超过NC。当其他因素一定时，RC的ΔPi一直高于NC；尤其是当N＞100次时，二者的ΔPi差值高达17%。

（3） 在冻融循环条件下再生混凝土的力学性能试验表明，当其他条件一定时，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度随着N的增加而降低且呈线性变化，当N=150时，RC的抗压强度比未冻融时降低了17.2MPa，约53.2%，劈裂抗拉强度同比降低了1.8MPa，下降幅度为47.4%。RC的抗压强度相比于NC低3～5MPa，其劈裂抗拉强度比NC平均低0.38MPa。因此，RC的力学性能和抗冻融性能均劣于NC。

（4） 分别对RC的冻融循环次数-抗压强度和冻融循环次数-劈裂抗拉强度进行指数回归可得，二者的线性回归关系式的相关性均达0.95以上。