再生混凝土的力学及抗冻性能研究

引言
近年来，我国经济迅猛发展，大规模的城市基础设施建设加快，混凝土作为建筑结构的基础材料，其用量急剧上涨。

据统计，仅2020年我国商品混凝土用量已超20亿m3，这意味着同样消耗了大量的砂石和水泥等原材料。

随着我国基础设施建设的持续推进，我国对这些资源的需求仍然在不断增大，进一步加剧了砂石的供应不足。

仅2019年，我国砂石紧缺约170亿吨[1-2]。

此外，在水泥的生产过程中，燃料燃烧和石灰石煅烧分解会排放大量的CO2，据国际能源署统计，2018年全球CO2排放总量已达331亿吨，其中水泥行业排放的CO2总量占了7%。

如果不控制CO2气体的排放量，到本世纪末全球气温将会在2012年温度的基础上进一步上升1.4～5.8℃。

与此同时，近些年我国每年产生了数以亿吨的建筑垃圾，这些建筑垃圾粗犷的堆放在道路两旁，主要用于路基回填、填充材料，简单粗放，实质上是一种资源浪费，其有效利用率不足5%。

这不仅占用了大量的土地，而且还极大的浪费了资源，同时也对生态环境产生二次污染，导致土壤、水质劣化[3-4]。

针对上述问题，本文系统研究了再生骨料不同取代率对混凝土中力学性能及抗冻性能的影响，建立了再生混凝土累积损伤劣化模型，此外，采用压汞法探究了再生粗骨料不同取代率对混凝土孔结构的影响，为再生骨料在混凝土中的应用提供了理论支撑。

1、试验部分
1.1 原材料水泥：某厂生产的P·O 4
2.5水泥。

细骨料：天然河砂，其细度模数2.7，表观密度2450kg/m3，堆积密度1620kg/m3。

粗骨料：某桥梁破碎后通过筛分得到的粒径5～20mm 骨料，且破碎前原生混凝土的强度等级为C30；天然粗骨料为石灰石；再生粗骨料与天然粗骨料均为连续级配，其物理性能见表1。

减水剂：聚羧酸高效减水剂，其含固量35%，为保证再生混凝土的流动性在150mm左右，要控制减水剂掺量。

表 1 粗骨料的物理性能
1.2 试验方案按照JGJ/T 240—2011《再生骨料应用技术规程》，系统研究不同再生粗骨料取代率、水灰比对混凝土力学和耐久性的影响。

再生粗骨料取代率分别为0、30%、50%、70%、100%，水灰比分别为0.60、0.50、0.40。

具体配合比见表2。

表 2 再生混凝土配合比
按照表2中的配合比制备再生混凝土，调节减水剂掺量保证混凝土坍落度约150mm左右，排除坍落度对测量结果的影响。

试件尺寸分别为100mm×100mm×100mm（力学性能测试）和100mm×100mm×400mm（抗冻性能测试）。

1.3 测定方法按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》测量再生混凝土的抗压强度。

按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》研究再生混凝土的抗冻性能。

2、结果与讨论
2.1 再生粗骨料对混凝土力学性能的影响图1为0.60水灰比下再生粗骨料不同取代率对混凝土28d力学性能的影响。

由图1可以看出：（1）当再生粗骨料的取代率为30%时，混凝土的抗压强度略有增长，由32.2MPa增长到35.7MPa，然而，随着再生粗骨料取代率的继续增加，混凝土的抗压强度逐渐降低，当再生粗骨料取代率为100%时，混凝土的抗压强度降至24.3MPa；（2）再生粗骨料取代率为30%时，混凝土的抗折强度最大，达到4.4MPa，随着再生粗骨料取代率的继续增加，混凝土的抗折强度逐渐降低，当再生粗骨料取代率为100%时，混凝土的抗折强度降至
3.5MPa。

究其原因，废弃混凝土被破碎后，再生粗骨料上附着了水泥浆体，附着的浆体含有未完全水化的水泥颗粒，当再生粗骨料与水混合到一起后，未完全的水泥颗粒发生水化，增加了混凝土的力学强度，这体现为再生粗骨料的“正效应”；然而，因再生粗骨料自身存在缺陷以及混凝土新旧界面强度低等特性，再生粗骨料的掺入导致混凝土内部存在更多缺陷，这体现为再生粗骨料的“负效应”，当再生粗骨料取代率为30%时，再生粗骨料的“正效应”大于其“负效应”，随着再生粗骨料取代率的增加，混凝
土的力学强度体现为再生粗骨料的“负效应”。

图 1 0.60水灰比下再生粗骨料不同取代率对混凝土28d力学
性能的影响
图2为不同水灰比对再生混凝土力学性能的影响。

由图2可以看出，随着水灰比的减小，再生混凝土的抗压强度及抗折强度均呈现增加的趋势，M100、N100和S100试件的抗压强度分别为24.3MPa、38.5MPa和48.7MPa，抗折强度分别为3.5MPa、4.7MPa和5.6MPa。

图 2 不同水灰比对再生混凝土28d力学性能的影响
2.2 再生粗骨料对混凝土抗冻性能的影响图3为再生粗骨料对混凝土抗冻性的影响。

由图3可知：（1）水灰比一定时，混凝土的质量损失率呈现先增大再减小的趋势，且当再生粗骨料取代率为70%时，混凝土的质量损失率最大。

M0、M30、M50、M70和M100在冻融循环150次后的质量损失率分别为6.7%、6.3%、7.3%、7.4%和6.5%。

究其原因，天然粗骨料和再生粗骨料的孔隙率、吸水率不同，通常再生粗骨料大于天然粗骨料，导致在冻融时再生粗骨料和天然粗骨料的膨胀速度不同，试件内部出现较大的应力差，使混凝土抵抗冻融的能力变差，造成质量损失进一步扩大。

（2）随着水灰比的降低，混凝土的质量损失率在逐渐降低，这表明强度等级越高，混凝土的质量损失率越少。

（3）再生粗骨料取代率为30%时，混凝土的相对动弹性模量相差不大，但是其质量损失率变化相对较大。

这说明质量变化率和相对动弹性模量单一指标难以准确评估混凝土的抗冻性，只有将质量变化和相对动弹性模量变化结
合才能更加准确评估再生混凝土的抗冻性。

图 3 不同再生粗骨料取代率对混凝土抗冻性的影响
2.3 累积损失模型在目前的研究中，基于试验结果建立的混凝土数学统计经验模型被广泛应用于分析之中，本文采用相对动弹性模量的损失量作为混凝土累计损伤模型的评价指标，并根据损伤度演变规律拟合累计损伤预测模型，结果如图4所示。

图 4 冻融循环作用下不同再生粗骨料取代率对混凝土损伤度的演变
由图4可以明显看出，不同影响因素下的累计损伤模型均较好的符合二次函数。

公式见式（1），回归系数见表3，相关系数R2为0.99。

表 3 回归系数值
2.4 模型分析为了判定不同影响因素下混凝土损伤速率随侵蚀时间的演变规律，对公式（1）进行一阶求导dD/dt，得到了不同影响因素下混凝土的损伤率与冻融循环次数的关系，如图5所示。

由图5可以看出，随着冻融循环次数的增加，混凝土的损伤率在逐渐增大；此外，
当粗骨料取代率为50%时，混凝土的损伤率最大，随着水灰比的降低，混凝土的损伤率减小。

图 5 冻融循环作用下不同再生粗骨料取代率对混凝土损伤速率的演变
2.5 MIP试验
混凝土的力学性能及抗冻性能与其孔结构密切相关[5-7]。

通过研究养护28d龄期混凝土的孔结构，探究再生粗骨料对混凝土孔结构的影响。

吴中伟院士将混凝土中孔分为四类孔，分别是无害孔（<20nm）、少害孔（20~100nm）、有害孔（100~200nm）和多害孔（>200nm）[8-9]。

图6为再生粗骨料混凝土养护28d后的孔结构分布。

由图6可以看出，随着再生粗骨料取代率的增加，混凝土的孔隙率呈现先降低后增大的趋势，且当再生粗骨料取代率为70%时，混凝土的孔隙率最大，多害孔的孔隙率最大；此外，随着水灰比的减小，混凝土孔隙率在逐渐
降低。

图 6 再生粗骨料混凝土养护28d后孔结构分布
结论
（1）随着再生粗骨料取代率的增加，混凝土的力学强度呈现先增大后降低的趋势。

（2）当再生粗骨料取代率一致时，随着水灰比的降低，混凝土的力学强度增加。

（3）掺加再生粗骨料后，混凝土的抗冻性降低。

（4）随着再生粗骨料取代率的增加，混凝土的孔隙率先减小后增大，当再生粗骨料取代率为70%时，混凝土的孔隙率最大。