鹽凍環境下再生混凝土的耐久性研究

田偉宇 王振凱 柏春林

（中建八局軌道交通建設有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

再生混凝土耐久性的影響因素眾多，其耐久性被破壞的主要原因有三點：鋼筋銹蝕、凍融破壞和化學腐蝕[1]，而硫酸鹽侵蝕是化學腐蝕中最主要的侵蝕類型，由此可見，研究凍融循環和硫酸鹽侵蝕對混凝土耐久性的影響有著重要意義。毛添鈿[2]的試驗表明：再生混凝土的抗凍性隨水灰比的增大而降低，水灰比越大，其抗凍性越低。仝小芳等[3]通過對再生混凝土抗凍性文獻的綜述,得出結論：在滿足工作性的前提條件下，可以通過選用較小水灰比的方法來提高再生混凝土強度，使微結構更為密實,從而使其抗凍性能力提高。薛建陽等[4]研究硫酸鹽溶液中再生混凝土的耐久性和力學性能，結果表明：合理的配合比有利于改善再生混凝土的耐久性及各項力學性能；在5%的硫酸鈉溶液侵蝕中，當再生骨料取代率較大時，再生混凝土抗壓強度提高。

為了研究凍融循環和硫酸鹽耦合作用下再生混凝土的耐久性，本文采用“快凍法”對再生骨料取代率為30%，Na2SO4濃度為5%，水灰比分別為0.35、0.45、0.55的再生混凝土進行凍融試驗，并對不同凍融循環次數下的試件進行質量和抗壓強度損失分析，以抗壓強度表征損傷值，建立損傷模型，進行壽命預測及驗證。

1 實驗內容

1.1 實驗原材料

本試驗選用P·O42.5R水泥，初凝時間65min，終凝時間5h，28d抗壓強度48.5MPa；天然細骨料選用含泥量1.0%的中砂，堆積密度148kg/m3，表觀密度2650kg/m3；天然粗骨料粒徑5～15mm，吸水率1.76%；再生粗骨料粒徑5～15mm，吸水率3.1%，原生強度47.2MPa，外加劑采用GJ-1減水劑和SJ-3引氣劑；水為自來水。

1.2 混凝土配合比

依照普通混凝土配合比設計規程要求，本試驗共設計三組水灰比，水灰比分別為0.35、0.45、0.55，具體配合比見表1。

表1 再生混凝土配合比（單位：kg/m3）

1.3 實驗方法

試塊制作成型后帶模養護24h，拆模后移入標準養護室養護28d，溫度為20±1℃，濕度為95%以上。浸泡試塊溶液為質量分數5%Na2SO4溶液，提前4d將試件浸泡于15～20℃的原溶液中，依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》（GB/T50082—2009）中快凍法進行凍融試驗。凍融箱采用KD R-V9系列混凝土快速凍融試驗機，質量測量采用數顯電子天平，抗壓強度測量采用YES-200B型數顯式壓力試驗機。試件放入凍融箱后，每循環50次擦去表面浮漿觀察并記錄外觀，測定抗壓強度。當測得試塊抗壓強度降低大于25%或凍融循環次數達到300次，實驗停止。

2 試驗結果分析

2.1 質量損失分析

在5%Na2SO4溶液和凍融循環耦合作用下隨凍融循環次數變化，水灰比為0.35、0.45、0.55的再生混凝土試塊質量損失率如圖1所示。

圖1 質量損失率

由試驗數據可知，在凍融前期（0～125次），水灰比為0.35、0.45、0.55時，試件的質量損失率增長緩慢。分析其原因為：硫酸鈉鹽的存在降低了水溶液的冰點，減輕了凍融循環對試件的破壞作用，使質量損失率增長緩慢。在凍融中期（125～225次），三種不同水灰比試件的質量損失率持續增長，平穩增長的是M35、M45組，具有加速增長趨勢的是M55組。隨著凍融循環試驗的進行，Na2SO4溶液隨原始裂縫逐漸侵入試件內部，與試件中的水化產物發生反應生成膨脹性物質并結晶析出，致使試件質量增加，但此過程中由凍鹽破壞造成試件表面漿體及骨料的剝落是質量損失的主導因素。在凍融后期（225～300次），三組試件質量損失率表現出較好的正相關性，其中M45、M55組質量損失率迅速增長，分析其原因為：隨水灰比的增大，混凝土內部孔隙增多，可凍水增多，凍脹力猛增，原始裂縫發展較快，使得性能迅速劣化，質量損失率加速增長。

2.2 抗壓強度分析

水灰比為0.35、0.45、0.55的再生混凝土試塊在鹽凍作用下隨凍融循環次數的抗壓強度變化如圖2所示。

圖2 抗壓強度變化

由圖2可知，隨凍融次數的增多，三組試件的抗壓強度均呈下降趨勢。在凍融循環300次時，M35、M45、M55組的抗壓強度損失率依次為27.11%、33.02%、37.10%。分析原因為：水灰比過大，膠凝材料較少，粘結力下降，導致其自身抗壓強度低于其他混凝土試件。凍融循環200次時，M35組抗壓強度損失率大于M45組，由于水灰比較小的試件存在少量未完全水化膠凝材料，隨著凍融侵蝕進入的水分使得試件形成內部水化作用，水化產物膨脹應力加劇裂縫發展，促使混凝土強度下降。凍融循環后期，三組試件抗壓強度均呈直線趨勢上升，隨著凍融循環的進行，混凝土內部孔隙水凍脹力與侵蝕產物膨脹應力共同作用使裂縫迅速發展，三組試件抗壓強度迅速降低。

3 以抗壓強度建立損傷模型

以損傷力學為基礎，對混凝土遭受硫酸鹽侵蝕與凍融共同作用下抗壓強度變化建立相應的凍融損傷演化方程，來分析混凝土材料的內部損傷程度。

3.1 混凝土凍融損傷變量

（1）基本假設：試驗之前，認為試件不存在初始損傷；損傷僅為凍融循環次數和水灰比的函數，與其他條件無關。

（2）混凝土凍融損傷變量D可以定義為：

式中：

D(n)——不同鹽凍循環次數后混凝土的損傷；

E(n)——不同鹽凍循環次數后動彈性模量；

E0——未經鹽凍循環前的動彈性模量；

n——鹽凍循環次數。

（3）根據混凝土損傷值與凍融循環次數之間的關系，計算并統計不同組別試件的損傷值D()n，具體情況見表2所示。

表2 不同組別試件的損傷值

3.2 二參數Weibull模型

王建新[5]研究發現基于二參數的Weibull概率分布函數建立了普通混凝土凍融損傷演化模型，將混凝土受到凍融破壞而失效的密度函數用p(n)表示，由二參數Weibull分布可知，p(n)可表示為：

對式（2）進行積分，混凝土凍融失效的概率表達式為：

式中：

α——特征壽命參數；

β——Weibull形狀參數。

由式（3）可知，pf(n)隨凍融次數的增大而增大，當pf(n)=1時，結構完全破壞。將概率pf(n)等效為損傷度D(n)，以強度損失率F(n)表征損傷度D(n)，得到基于二參數Weibull分布的損傷方程為：

移項取對數得：

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式中：

a——因變量；

b——自變量；

C,D——常數。

此時，D與n雖然不存在線性關系，但是關于D的函數與關于n的函數之間卻存在線性關系。

由式（6）結合表2中由試驗數據計算所得到的損傷值，計算三組水灰比下的常值參數C、D，C-D回歸擬合曲線如圖3。

圖3 C-D回歸擬合曲線

將C、D值回帶Weibull分布線性回歸計算常值參數α、β，得到不同水灰比下再生混凝土的凍融損傷演化方程：

M35組演化方程：

M55組演化方程：

由于不同水灰比會對再生混凝土的動彈性模量損失產生不同影響，從而導致抗凍性的差異，引入水灰比參數i，對擬合方程α、β進行系數修正，得到包含水灰比i與凍融循環次數的損傷演化方程通式為：

式中：

D——損傷值；

n——凍融循環次數；

i——水灰比。

由Weibull概率分布所得到的損傷演化方程通式（10）計算相應水灰比下不同凍融次數的各個損傷值，并與文獻[5]進行對比驗證，其試驗值、文獻值與擬合曲線對照如圖4所示。

圖4 模型驗證

由二參數Weibull概率分布計算得到不同凍融次數下的試驗值、擬合曲線與文獻值對比可知，試驗值與文獻值相差不大，擬合曲線擬合度較高；凍融循環前期擬合度較高，后期擬合度稍差，分析原因為兩者試驗原材料略有差別，以及引氣劑的使用導致和凍融后期略有差距；從整個凍融循環過程來看，二參數Weibull模型能較好地計算損傷值，反應再生混凝土的凍融損傷演化規律。

3.3 壽命預測

隨著現代建筑的發展，嚴格按照服役環境對建筑物進行安全使用年限設計變得尤為重要。因此通過大量數據積累獲得室內外條件之間的對應關系，從而能較為精確地對實際工程中服役混凝土的壽命進行預測。

3.3.1 壽命預測方法

再生混凝土的損傷失效過程其實質為結構的破壞過程，依據室內外凍融循環次數的對應關系，計算混凝土結構的使用壽命[6]。

式中：

T——使用壽命；

k——比例系數，即室內一次快速凍融循環相當于室外自然凍融循環次數的比例；

F——試驗室中快速凍融次數；

M——實際環境中混凝土一年經受的凍融循環次數。

3.3.2 抗凍耐久性壽命

根據以上所建損傷模型，計算極限凍融循環次數，由李金玉等[7]研究發現：我國東北、華北、西北地區年平均凍融循環次數分別為120、84、118次，室內外的對比關系為1∶15。計算損傷預測模型下不同區域的再生混凝土在鹽凍作用下的耐久性壽命，計算結果如表3。

表3 二參數Weibull模型抗凍耐久性壽命計算

以表3數據結合相對動彈性模量來度量材料損傷程度時，M35組的極限凍融次數最大，M35、M45組相近，M55組最低；隨著水灰比的增大，再生混凝土壽命逐漸減小；M35、M45組再生混凝土的抗凍耐久性壽命依據混凝土抗凍安全性初步的定量化設計，M35、M45組再生混凝土可在華北地區港口工程、工民建以及道路橋梁中使用。

表3 C45、C60高流態特種混凝土經濟效益分析

4 結束語

（1）水灰比不同的再生混凝土的質量、抗壓強度性能變化呈三個階段，依次經過緩慢、平穩、加速下降過程；隨凍融循環的進行，侵蝕產物不斷累積，內部缺陷不斷擴展，不利面逐漸顯露，各項指標急劇下降，其中水灰比0.55試件表現最為明顯。

（2）再生混凝土在凍融循環和硫酸鹽侵蝕共同作用下宏觀表現形式為質量損失和抗壓強度下降，其宏觀性能變化受水灰比影響較大，隨水灰比的增大各項性能劣化越顯著。

（3）在凍融循環次數相同時，隨水灰比的增大，損傷值越大；在相同水灰比情況下，隨凍融次數的增加，損傷值呈加速增長趨勢。

（4）從整個凍融循環過程來看，二參數Weibul模型能較好地計算損傷值，反應再生混凝土的凍融損傷演化規律。

（5）隨著水灰比的增大，再生混凝土壽命逐漸減小，耦合作用下水灰比為0.35的再生混凝土耐久性能最佳。