再生保溫混凝土抗凍性能的細觀研究

王鮮星，劉元珍，趙 雨，戴小偉

(太原理工大學土木工程學院，太原 030024)

0 引 言

再生保溫混凝土(RATIC)是由再生粗骨料(RCA)和玻化微珠保溫骨料(GHBs)部分取代天然骨料(NA)而形成的一種新型綠色建筑材料，在滿足自身承重的同時，既可以實現混凝土結構的自保溫，又可以緩解天然骨料供求緊張、促進建筑垃圾回收利用，在建筑節能領域有著廣闊的發展前景[1-2]。

寒冷地區的混凝土結構長期遭受不同程度的凍融破壞，影響混凝土抗凍性能的因素主要有混凝土內部孔隙率、含水率和骨料種類等。再生粗骨料不但自身內部存在很多細小的裂縫而且其表面還覆蓋著一層舊水泥砂漿，導致再生混凝土的抗凍等級一般比普通混凝土低，且隨著再生粗骨料取代率的提高，再生混凝土抗凍等級逐漸下降[3-4]。研究表明引氣劑的加入使再生混凝土具有良好的抗凍效果，Gokce等[5]通過對比,研究了由加氣再生粗骨料和非加氣再生粗骨料制備的再生混凝土的抗凍性能，結果顯示，加氣再生粗骨料制備的再生混凝土具有較好的抗凍性能。這主要是由于加氣再生粗骨料表面形成的大量氣孔通道，可為因毛細孔中水結冰而產生的水壓力提供有效的逃逸邊界，從而減輕水壓，改善混凝土的抗凍性能。玻化微珠保溫骨料內部是蜂窩狀的封閉式透氣孔結構，它被視為一種“固體引氣劑”[6]。劉元珍等[7]的研究成果表明，玻化微珠的添加極大地改善了混凝土的抗凍性能。魏毅萌等[8]研究了凍融破壞過程中不同再生骨料取代率的再生混凝土內部孔隙結構發生的變化，研究結果表明，在凍融循環過程中，隨再生骨料取代率的增加，再生混凝土內部會產生更多孔隙和微裂縫。Wang等[9]研究發現相同孔隙體積分數下，混凝土內部孔隙迂曲度高,表明孔隙間連通性差，混凝土耐久性好。因此，凍融循環作用引起混凝土損傷的原因與材料的孔結構有關[10-11]。

為了進一步研究具有特定孔隙結構RATIC的凍融破壞機理，本文在宏觀試驗的基礎上，通過CT掃描試驗從細觀層面分析凍融循環作用下RATIC內部裂縫的分布及發展，并通過ImageJ軟件計算試件內部孔洞參數，定量反映凍融作用下RATIC內部孔隙結構的變化情況。本文研究結果可以為再生保溫混凝土抗凍耐久性的相關研究提供理論和技術支持。

1 實 驗

1.1 試驗材料

本次試驗中所采用的再生粗骨料均為經過破碎加工處理的廢舊混凝土，其主要的物理特征見表1。試驗中所使用的保溫骨料為玻化微珠，其主要物理特征見表2(表1和表2中%均表示質量分數)。試驗中所使用的水泥為太原獅頭牌42.5級普通硅酸鹽水泥，減水劑為高效聚羧酸減水劑。

表1 再生粗骨料主要物理性質Table 1 Main physical properties of recycled coarse aggregate

表2 玻化微珠的主要物理性質Table 2 Main physical properties of glazed hollow beads

1.2 試驗設計

以再生粗骨料取代率為變量，試驗設計五種C35強度等級的再生保溫混凝土來研究RATIC的抗凍性能，主要配合比如表3所示。

1.3 試驗方案

本文試驗采用100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件，利用MELD-FC810快速凍融試驗設備進行凍融循環試驗，每間隔25次凍融循環測定試件相對動彈性模量，具體快速凍融循環試驗方法與相對動彈性模量測定方法均參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)執行。

CT試驗采用太原市醫院的SIEMENS16排螺旋CT機，設定掃描電壓為120 kV，掃描電流為100 mA。細觀CT掃描前，在每個試件上進行標記，定位掃描層，以確保每次掃描都在相同橫截面上。每50次凍融循環后，對試件進行CT掃描，掃描層共5層，間隔5 mm，以5 mm的掃描厚度進行掃描，CT掃描示意圖如圖1。

2 結果與討論

2.1 相對動彈性模量分析

相對動彈性模量可以客觀反映凍融作用下再生混凝土內部的損傷程度[8]，圖2為RATIC的相對動彈性模量隨凍融循環次數的變化曲線。可以看出，不同再生粗骨料取代率下的RATIC相對動彈性模量損失曲線變化趨勢相同，差異較小，但也呈現出一定規律：再生粗骨料取代率越高，相對動彈性模量損失越快。

圖1 CT掃描示意圖Fig.1 Schematic diagram of CT scanning process

圖2 相對動彈性模量與凍融循環次數的關系Fig.2 Relationship between relative dynamic elastic modulus and freeze-thaw cycles

2.2 RATIC凍融作用下裂縫的分布及發展

CT掃描圖中灰度難以明確區分，為了更直觀地觀察裂縫位置及寬度，更清晰地反映裂縫發展情況，將五組試件在不同凍融循環次數下的CT掃描圖像進行灰度處理分析，如圖3所示。

CT掃描圖中亮白色部分和灰色部分分別為RATIC試件的再生粗骨料區和砂漿區，黑色部分為孔洞和裂縫區域。在凍融循環之前對試件進行CT掃描，發現五種取代率的RATIC內部均存在一定的孔洞和裂縫，并且這些裂縫和再生粗骨料取代率之間并未形成一定規律。這表明這些裂縫的形成是在混凝土的制作和養護時期，即再生粗骨料取代率并不影響RATIC內部的初始裂縫和孔洞的形成。由圖3可知：凍融循環次數的增加使得混凝土內部原有的微小且不連通的孔洞逐漸加大，且相鄰孔洞逐漸連通，通道面積也逐漸增加，最后試件由于裂縫發展而破壞；再生粗骨料取代率加大，試件內部裂縫和孔洞的發展速度和程度均提高；試件內部的孔洞和裂縫主要存在于混凝土內部新舊砂漿界面過渡區。這表明RATIC抗凍脹破壞能力下降的原因主要是其內部新舊砂漿界面過渡區孔洞的發展貫通,也表明新舊砂漿界面過渡區是凍融循環作用下RATIC的薄弱環節。

為了更明確地揭示RATIC破壞機理，根據CT掃描結果以及相關學者研究[12]繪制RATIC凍融循環破壞示意圖，如圖4所示。

從圖4中可以更清晰地看出，當RATIC構件開始凍融循環時，水中的水分子和Na+會進入到試件內部的孔隙中。當溫度下降到-18 ℃時，試件內部孔隙水結冰而產生靜水壓力。靜水壓力通過試件內部存在的微小裂縫擴散，致使試件產生更多的裂縫。隨著凍融循環次數的不斷增加，靜水壓力和滲透壓力促進試件內部裂縫不斷發展擴大，且隨著再生粗骨料取代率的增加，試件內部裂縫數量增多。與此同時，因為RATIC試件內部新舊水泥砂漿界面過渡區結構薄弱，并且具有一定的難溶性，所以多數裂縫產生于新舊水泥砂漿界面過渡區。再生粗骨料取代率高的RATIC，混凝土內部新舊水泥砂漿界面過渡區多，產生的裂縫也就會多，因此抗凍性能差。

圖3 再生粗骨料摻量對應RATIC的CT掃描圖Fig.3 CT scan images of RATIC with different replacement of recycled coarse aggregate

圖4 RATIC凍融循環破壞原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of freeze-thaw cycles damage principle of RATIC

2.3 RATIC孔隙特征及發展

通過ImageJ圖像處理軟件可將CT掃描圖進行二值化處理，準確有效地得到混凝土內部孔洞有關參數[13-15]。因此，本文借助ImageJ軟件來計算RATIC內部孔洞的有關參數，來定量反映凍融循環作用過程中RATIC內部孔隙結構的變化情況，各孔洞參數有如下變化規律。

2.3.1 RATIC孔洞數量與凍融循環次數的關系

圖5為RATIC孔洞數量與凍融循環次數的關系，由圖5(a)可知，在未發生凍融循環之前，五種取代率的RATIC試件的初始孔洞數量并無明顯規律。這表明再生粗骨料對RATIC抗凍性能的影響并非由于不同取代率下RATIC具有不同的孔洞數量。分析圖5(b)RATIC孔洞相對數量的變化規律：再生粗骨料取代率與試件孔洞相對數量之間有一定的線性關系，凍融循環次數越大，試件孔洞相對數量越大；再生粗骨料取代率越高，孔洞相對數量增加速度也越快。這與五種取代率的RATIC在宏觀下動彈性模量損失和細觀下CT掃描圖中裂縫發展的趨勢是相同的，且相似度較高。這表明RATIC試件孔洞相對數量隨凍融循環的變化規律可以從一定程度上定量地反映凍融循環對試件內部的破壞規律。

圖5 RATIC孔洞數量與凍融循環次數的關系Fig.5 Relationship between RATIC pore number relations and freeze-thaw cycles

2.3.2 RATIC孔洞平均面積與凍融循環次數的關系

圖6為RATIC平均孔洞面積與凍融循環次數的關系，由圖6(a)可知：與孔洞數量類似，不同再生粗骨料取代率的RATIC初始平均孔洞面積同樣無線性關系。這表明再生粗骨料對RATIC抗凍性能的影響也并非由于不同取代率下RATIC具有不同的初始孔洞平均面積。圖6(b)RATIC的相對平均孔洞面積隨凍融循環的變化規律和圖5(b)孔洞相對數量隨凍融循環的變化規律基本相同。但是30%取代率的試件在經過200次凍融循環后，其相對平均孔洞面積的增加速度突然加快，在經過300次凍融循環之后，其相對平均孔洞面積遠遠大于其他取代率下的試件。這與五種取代率的RATIC在宏觀下動彈性模量損失和細觀下CT掃描圖中裂縫發展的趨勢是有一定差異的。

圖6 RATIC平均孔洞面積與凍融循環次數的關系Fig.6 Relationship between RATIC average pore area and freeze-thaw cycles

2.3.3 RATIC孔洞最大面積與凍融循環次數的關系

圖7為RATIC最大孔洞面積與凍融循環次數的關系，分析圖7(a)可知，試件初始最大孔洞面積依然沒有線性規律。圖7(b)五條曲線大體趨勢和圖5(b)孔洞相對數量與凍融循環次數關系曲線相近。但70%取代率的曲線在經過凍融循環200次之后，其斜率突然增加，即該組試件的相對孔洞最大面積增加速度加快，300次凍融循環之后曲線最終值與100%取代率的曲線相近。這是由于再生粗骨料達到一定量時，新舊水泥砂漿界面過渡區的薄弱性已經逐漸占據影響混凝土材料黏結能力的主導地位，從而對RATIC抗凍性能的影響差距逐漸減小。與五種取代率的RATIC在宏觀下動彈性模量損失和細觀下CT掃描圖中裂縫發展的趨勢也是有一定出入的。

圖7 RATIC最大孔洞面積與凍融循環次數的關系Fig.7 Relationship between RATIC maximum pore area and freeze-thaw cycles

2.3.4 孔隙率與凍融循環次數的關系

圖8為RATIC孔隙率(孔隙率為體積分數)與凍融循環次數關系。由圖8(a)可知，再生粗骨料取代率與RATIC初始孔隙率亦無線性關系。所以RATIC隨再生粗骨料取代率的增加抗凍性能下降的原因并非加入再生粗骨料后試件內部孔隙率的不同。圖8(b)五條曲線大體趨勢和圖5(b)相對孔洞數量隨凍融循環變化的曲線相近，并且RATIC相對孔隙率隨凍融循環次數變化的曲線與宏觀下動彈性模量損失和細觀下CT掃描圖中裂縫發展的趨勢是相同的，且相似度很高。可以證明隨凍融循環次數增加，RATIC試件相對孔隙率的變化能更好地反映其抗凍性能的變化。

圖8 RATIC孔隙率與凍融循環次數關系Fig.8 Relationship between RATIC porosity and recycled coarse aggregate content

3 結 論

(1)RATIC中新舊水泥砂漿界面過渡區是影響混凝土抗凍性能的關鍵因素。凍融循環過程中，多數裂縫產生于新舊水泥砂漿界面過渡區，并且隨凍融循環次數的增加，裂縫不斷發展直至貫通，導致再生粗骨料整體剝落，即試件破壞。

(2)分別分析比較RATIC孔洞數量、孔洞相對數量、平均孔洞面積、相對孔洞平均面積、最大孔洞面積、相對最大孔洞面積、孔隙率以及相對孔隙率隨凍融循環次數的變化規律，發現相對孔隙率隨凍融循環次數的變化規律與宏觀下動彈性模量損失和細觀下試件內部裂縫發展規律高度一致，因此相對孔隙率可以作為定量反映RATIC試件內部凍融破壞規律的重要指標。