谢静静， 朱平华
（常州大学土木工程系，常州213164）
[摘要] 对采用废弃混凝土经过破碎得到的再生粗骨料，分别以30%，40%，50%，60%，70%取代率制备再生混凝土进行抗冻试验。结果表明，经过100次冻融循环后，各种再生粗骨料取代率的试件均满足抗冻性指标的要求。通过对数据的分析处理，并综合考虑质量损失率和相对动弹性模量两个指标后认为，再生粗骨料的最优取代率在50%左右。
0 前言
采用再生粗骨料替代天然骨料制备再生混凝土既合理利用了再生材料，又有效地保护了天然骨料资源。一般环境中的混凝土结构，随着年份的增大，结构功能性丧失的标志往往是由外界自然环境温度的变化引起的冻融损伤所造成的混凝土的耐久性破坏，所以再生混凝土要在工程中得以应用，除了要满足强度要求外，耐久性能也是重要的指标。本文通过冻融试验，研究再生粗骨料掺配量的不同对再生混凝土冻融损伤的影响规律，以便为再生混凝土在实际工程使用中的损伤程度分析提供依据。
1 试验概况
1.1试验材料
再生粗骨料来源于实验室大量废弃的混凝土试块，抗压强度在40MPa左右。通过机械破碎、人工筛分、清洗、烘干，得到粒径为5~ 20mm的再生粗骨料，粗骨料的基本性能见表1。
采用P．0 42.5级普通硅酸盐水泥作为胶凝材料，同时掺加一定量的粉煤灰和矿渣，掺量分别为胶凝材料总质量的20%。细骨料为天然砂。同时在混凝土中添加新型混凝土增强纤维——聚丙烯纤维。聚丙烯纤维为束状单丝，自分散性好，本次试验的掺量为胶凝材料总重量的0. 1%。采用的减水剂为JK-PCA（A型）聚羧酸缓凝减水剂，其外观表现为土黄色微粘液体，减水率为20%，密度为(1.09±0. 02) g/ml，pH值为6.3，本次试验掺量为胶凝材料总重量的0.5 qo。采用的引气剂掺量为胶凝材料总重量的0. 1%。制备的再生混凝土的坍落度为100～150mm。
1.2试验方案
本次试验采用的再生粗骨料取代率分别为0%，30%，40%，50%，60%，70%，其中再生粗骨料取代率为0%的为完全天然混凝土，作为试验对比。根据再生粗骨料取代率的不同，分为6组试件，试件尺寸均为100mm×100mm×400mm。然后通过冻融试验分析不同再生粗骨料取代率对再生混凝土抗冻性能的影响。再生混凝土配合比见表2。
1.3试验方法
再生混凝土抗冻性试验参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(CB/T 50082-2009)进行。采用快速冻融法，试件在试验过程中均处于饱水状态。每25次冻融循环后停机，测试1次试件的横向基频fni和饱和面干质量，分析相对动弹性模量变化趋势和质量损失率与再生粗骨料取代率、冻融循环次数的关系，绘制关系曲线，得出结论。当试件的相对动弹性模量下降到60%或质量损失率超过5%时，即认为试件已发生冻融破坏。
2 试验结果与分析
2.1试验现象
试验发现，再生混凝土的冻融破坏是一个渐进的过程，即由表及里逐渐破坏。不同再生粗骨料取代率的再生混凝土试件经过25次冻融循环后，都基本表现为表面的水泥浆已经开始脱落，表层出现了一些微小的孔洞。说明在冻融循环次数较少时，再生粗骨料取代率对再生混凝土的抗冻融性能影响不是很明显。
经过50次冻融循环后，再生混凝土试件表面的水泥浆已经成片脱落，表层的孔洞已经逐渐贯通至试件的整个表面，试件表面开始不平整，并有轻微的细骨料外露、脱落现象出现。而再生粗骨料取代率为30%的再生混凝土试件表面冻融破坏效果较其他组试件更为明显，在试件表面某些位置已经出现较为严重的细骨料外露、脱落现象，而再生粗骨料取代率为50%的再生混凝土试件的冻融破坏效果相对最不明显。
经过75~100次冻融循环后，试件表面都出现了较为严重的细骨料外露、脱落现象，个别试件甚至出现了粗骨料外露的现象。其中，再生粗骨料取代率为30%的再生混凝土试件破坏现象最为明显，而再生粗骨料取代率为50%的再生混凝土试件的冻融破坏效果相对最轻微。
2.2试验结果分析
2.2.1再生混凝土冻融循环后的质量比较
质量损失率与再生粗骨料取代率的关系如图1所示。由图1可以看出，再生混凝土在冻融循环次数低于100次时，质量损失率随着再生粗骨料取代率的增加而呈现先下降后上升的趋势，且再生混凝土的质量损失率都低于天然粗骨料混凝土的。
造成此现象的原因是再生粗骨料在破碎过程中会形成细微的裂缝，且表面有部分硬化水泥砂浆，孔隙率较大，故吸水率高于天然骨料，在冻融循环时会吸收较多的水，较大程度地抵消混凝土表面砂浆剥落引起的质量损失，故使得质量损失率下降。随着再生粗骨料取代率的进一步提高，混凝土内部吸收的水进一步增多，在经过反复冻融循环后，冻胀效果愈加明显，内应力积聚，导致混凝土内部损伤较大及试件表层剥落，质量突降。虽然从质量损失率这一指标来看，再生混凝土均远远小于冻融循环抗冻性指标5%的要求，抗冻性能够满足要求，但是考虑到再生粗骨料吸水率大，会弥补由于冻融所造成的剥蚀，对再生混凝土抗冻性能的衡量仅依靠质量损失率这一指标就有些不太合理。
2.2.2再生混凝土冻融循环后的动弹性模量比较
相对动弹性模量与再生粗骨料取代率的关系如图2所示。可以看出，再生混凝土在冻融循环次数低于100次时，相对动弹性模量随着再生粗骨料取代率的增加而呈现先增大后减小的趋势。相比之下，天然混凝土的相对动弹性模量下降幅度最大，而在冻融循环100次时，再生粗骨料取代率为50%的再生混凝土试件的相对动弹性模量最大。出现上述现象有两方面原因：
一方面是因为试验采用的再生粗骨料是由实验室制备的废弃混凝土试块破碎得到的，其强度等级高于所配制的再生混凝土的强度等级( C30)，所以随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的相对动弹性模量增大。但由于再生粗骨料在破碎过程中表面有部分水泥浆包裹，导致其在制备再生混凝土的过程中与新的水泥砂浆之间的粘结力会有一定程度的下降，所以随着再生粗骨料取代率的进一步增大，相对动弹性模量有减小趋势。
另一方面是随着再生粗骨料取代率的提高，混凝土内部孔隙率增大，在一定程度上缓解了水的冻胀力，而且再生粗骨料表面不平整，混凝土在冻融循环时吸收较多的水，促进了胶凝材料的水化反应，增加了水泥石及水泥石与骨料的粘结界面的强度，从而起到了提高相对动弹性模量的作用。随着再生粗骨料取代率的进一步提高，混凝土内部明显偏多的孔隙在冻胀过程中的膨胀破坏起了很大作用，空隙内部的水在冻结时体积膨胀，经过反复冻融循环后，混凝土内部裂隙发展越加明显，最终导致结构整体性降低，使得相对动弹性模量降低。总体上来说，再生混凝土试件的相对动弹性模量均满足冻融循环抗冻性指标60%的要求。
3 进行数据处理以选取最优取代率
3.1质量损失率和相对动弹性模量的数据拟合
选择再生混凝土经过100次冻融循环后的试验数据，对质量损失率数据进行曲线拟合（图3），得到再生粗骨料取代率X与质量损失率AWx间的函数关系：
上式的相关性系数R2=0. 93。
对相对动弹性模量数据进行曲线拟合（图4），得到再生粗骨料取代率X与相对动弹性模量Px间的函数关系：
上式的相关性系数R2=0.89。
3.2最优取代率选取
3.2.1耐久性（抗冻性）
由试验现象及数据可知，随着冻融循环次数的增加，再生混凝土的抗冻性能逐渐降低。通过图3，4曲线关系图可以看出，再生粗骨料取代率在45%~55%之间时，质量损失率最低；再生粗骨料取代率在50%~60%之间时，相对动弹性模量最高。由函数方程可以求解得出，当再生粗骨料取代率为49%时，质量损失率最低；当再生粗骨料取代率为56%时，相对动弹性模量最高。综合考虑这两个指标，冻融循环次数在100次以内时，就再生混凝土的抗冻性而言，再生粗骨料的最优取代率在50%~60%之间。
3.2.2力学性能（抗压强度）
对采用同样配比配制的天然混凝土和不同再生粗骨料取代率再生混凝土立方体试块进行了常温下及不同次数冻融循环后抗压强度的测定，结果如表3所示。由表3可以发现：
不经过温度变化的常温下的再生混凝土的主要力学性能（抗压强度）随着再生粗骨料取代率的增大而降低，到再生粗骨料取代率达到50%左右时有小段突变，抗压强度会增大，但随后随着取代率的增大而降低。可知，当再生粗骨料取代率为50%时，再生混凝土抗压强度达到最大。其原因可能是再生粗骨料在破碎再利用过程中产生很多类似微管、微孔隙的人为“瑕疵”，导致再生粗骨料比天然骨料具有更大的吸水率，从而会减少混凝土硬化过程中由于泌水而在骨料与水泥界面上形成的薄弱环节（即内部孔隙），同时提高了骨料与水泥界面的粘结强度。另外，再生粗骨料充分吸收的水分可以进一步水化再生粗骨料所粘附的水泥颗粒，更加强了骨料与水泥界面处水泥石的密实度。但造成再生粗骨料取代率50%左右的再生混凝土强度有明显提高的微观机理仍需继续研究。
对于不同再生粗骨料取代率的再生混凝土，当冻融循环次数较少时（不超出50次），抗压强度有所增长，其原因可能是因为再生粗骨料内部有损伤，使水有进入的通道，从而使未水化的水泥颗粒产生进一步水化，增加了骨料与水泥界面粘结的强度及水泥石本身的强度，提高了混凝土的整体强度。而随着类似疲劳作用的冻融循环次数的增多，内应力也累积增大，本身存在较多杂质及缺陷的再生粗骨料会造成再生混凝土内部损伤更加严重，微观上可以说是增多了骨料和水泥石的粘结界面，而粘结界面往往是混凝土最容易破坏之处，骨料损伤造成的弊端远远超出水泥新水化所带来的弥补作用，使再生混凝土抗压强度下降幅度较大。对于再生粗骨料取代率为50%的再生混凝土试块而言，当冻融循环次数到100次的时候，抗压强度只为初始的60%左右。
另外，由表3也可发现，随着再生粗骨料取代率的增加，冻融循环次数较少时，再生混凝土抗压强度所提高的幅度越来越小。同样，冻融循环次数增多时，再生混凝土抗压强度相对于常温下再生混凝土的损失也越大。由于再生粗骨料是吸水性骨料，而混凝土又处于连续潮湿的环境中，当粗骨料饱和时，骨料颗粒在冻结时排出水分所产生的压力使骨料和水泥砂浆破坏。如果受破坏的骨料接近混凝土表面，就会产生剥落。这也和冻融循环次数较多后骨
料出现裸露的试验现象相吻合。由此看来，再生混凝土的再生粗骨料用量可能对再生混凝土抗冻能力起主导作用。
随着冻融次数的增加，再生混凝土抗压强度下降的幅度也越来越大。冻融循环100次后，R-50，R-60，R-70抗压强度分别为初始抗压强度的60%，54.9%，53.5%。但是抗压强度损失率和再生粗骨料取代率的关系及与冻融循环次数的关系尚还需要大量的试验数据来确定。
4 结论
(1)通过选取适当的再生粗骨料取代率，可以配制出满足相关耐久性要求的混凝土。
(2)随着再生粗骨料取代率的提高，再生混凝土的质量损失率先降低后上升，相对动弹性模量先上升后降低。
(3)当冻融循环次数低于100次时，质量损失率在再生粗骨料取代率为49%时最低，而相对动弹性模量在再生粗骨料取代率为56%时最高。综合考虑，再生粗骨料的最优取代率在50%~60%之间。
(4)再生混凝土的质量损失率和相对动弹性模量下降幅值均小于天然混凝土，但都受再生粗骨料吸水率大影响，所以对再生混凝土抗冻性能的评价仅采用质量损失率和相对动弹性模量这两项指标不够合理，应考虑引入强度指标。
(5)常温下仅考虑混凝土的主要力学性能指标（抗压强度），也是再生粗骨料取代率为50%
左右时再生混凝土抗压强度值最大。不同再生粗骨料取代率的再生混凝土的抗压强度在冻融循环次数较少（不大于50次）时都略有增长，但随冻融循环次数的增多，抗压强度值衰减很快。如果引入强度损失率作为衡量再生混凝土抗冻性能的指标的话，其数值的确定需要进行大量的试验同时也要参照不同工程对混凝土的具体使用要求。
