再生混凝土砌塊高溫后抗壓強度與微觀結構分析

摘 要：各類建筑與設施拆除過程中產生了大量的建筑垃圾，這些建筑垃圾若不能得到有效處理，將對環境造成巨大壓力。隨著現代社會對可持續發展、環境保護和資源循環利用的日益重視，人們努力將這些廢棄的建筑材料轉化為新的、有價值的資源，再生混凝土砌塊就是其中的一種研發成果。但高溫環境下建筑材料的性能會發生變化，這對建筑的安全性和耐久性提出了更高要求。基于此，本文選擇了一批具有代表性的再生混凝土砌塊，然后對其進行煅燒處理，并分析其高溫后抗壓強度與微觀結構的變化情況，以為再生混凝土的應用提供可靠的依據。

關鍵詞：再生混凝土砌塊；高溫后；抗壓強度；微觀結構；變化

1 研究背景

目前我國對于廢棄混凝土的回收利用已經有了大量的研究，但是由于累積損傷、材性退化等方面原因，再生混凝土的力學與使用性能相較于普通混凝土有著明顯的差距。譬如，廢棄混凝土中的骨料在破碎和篩分過程中可能會受到磨損和破碎，導致骨料尺寸的減小和形狀的改變，對其力學性能也會產生一定的影響。此外，廢棄混凝土中的水泥漿體在經歷長時間的使用后，可能會出現老化、碳化等現象，導致水泥漿體的強度和粘結性降低，這些變化會進一步影響再生混凝土的抗壓強度、抗拉強度、耐久性等力學與使用性能[1]。

再生混凝土磚砌塊是由廢棄混凝土經過破碎、篩分、清洗等工藝處理后得到再生骨料，再與適量的水泥、砂、水等原材料混合攪拌制成。由于再生骨料的存在，再生混凝土磚砌塊在物理和化學性質上與普通混凝土磚砌塊有所不同，致使其耐高溫性能的特殊性。學者們對再生混凝土磚砌塊的耐高溫性能進行了大量的研究，通過實驗室模擬高溫環境，對再生混凝土磚砌塊進行加熱處理，并測試其在不同溫度下的力學性能和微觀結構變化，這些研究揭示了再生混凝土磚砌塊在高溫下的穩定性和耐久性，為其在實際工程中的應用提供了重要的理論依據。下文就針對再生混凝土砌塊高溫后抗壓強度與微觀結構的變化開展分析。

2試驗概況

選擇設計強度為C30的廢棄混凝土作為實驗材料，利用顎式破碎機將廢棄混凝土破碎成粒徑合適的再生骨料，根據實驗目的和要求，科學設計配合比。配合比設計中，要充分考慮再生骨料的特點和性能，以及水泥、砂、水等原材料的比例關系。本項目配合比設計為水泥∶水∶粉煤灰∶再生集料∶減水劑=1∶0.742∶0.25∶4.51∶0.01。然后按照設計要求，將水泥、細集料、粗集料和混凝土添加劑按一定比例混合，加入適量的水進行攪拌，攪拌過程中要注意控制攪拌時間和攪拌速度，確保混凝土攪拌均勻、無顆粒和團塊[2]。之后選擇適當尺寸的試塊模具，清潔并涂抹一定量的防粘劑，以防止混凝土與模具黏住，將攪拌好的混凝土倒入試塊模具中，輕輕壓實并振動，以消除空隙和保證密實度，振動時間應控制在一定范圍內，以確保再生磚質量符合設計標準，再生磚的配合比為集料級配。

將養護完成的混凝土再生磚放置在高溫煅燒設備中，設備內部能夠精確控制溫度。隨著溫度的逐漸升高，再生磚內部的水分開始蒸發，這一過程不僅帶走了部分質量，還導致磚體內部產生微小的孔隙和裂縫，這些變化在初始階段可能并不顯著，但為后續的結構變化奠定了基礎。

煅燒升溫速度為5℃/min，當達到目標溫度后煅燒3h，當溫度達到設定值（如200℃、400℃或600℃）時，煅燒進入關鍵階段。此時，再生磚中的水化產物開始發生分解和相變，這些化學反應導致磚體內部的微觀結構發生顯著變化。骨料與砂漿之間的粘結力逐漸減弱，骨料可能出現脫落現象，而砂漿則可能出現開裂，這些變化使得再生磚的密實度降低，從而影響到其抗壓強度。在中間溫度達到300℃與500℃時，需保持溫度5h后升溫[3]。

整個煅燒過程中，溫度的均勻性和穩定性對再生磚的性能有著重要影響，如果溫度分布不均勻或波動過大，可能導致再生磚內部產生應力集中或局部破壞，進一步加劇其性能劣化。因此，煅燒設備的性能和維護狀態對保證再生磚質量至關重要。試件煅燒完成后打開爐膛，自然降溫至室溫狀態。

3試驗結果及分析

3.1粒徑影響

一般情況下，顆粒直徑越小，抗壓強度越大，因為顆粒直徑越小，顆粒表面和內部的面積就越大，顆粒間的相互作用力就越強，因此抗壓強度也會隨之增加。但是，這個規律并不絕對，因為顆粒的抗壓強度還受到顆粒的形狀、密度和材質等多種因素的影響。本次研究中，經過高溫煅燒后的0～9.5 mm粒徑的磚砌塊抗壓強度均大于0～4.75 mm粒徑的試件。這主要是由于大粒徑再生混凝土骨料吸水率較高，經過養護后，0～9.5 mm粒徑的磚砌塊中自由水較少，而且大粒徑骨料使磚砌塊內部孔隙減少。煅燒過程中，大量水分蒸發導致內部孔隙的增加少于0～4.75 mm粒徑的試件，故該種試件強度高于0～4.75 mm粒徑的磚砌塊[4]。

3.2高溫損傷機理

當煅燒溫度低于200℃時，混凝土再生磚的表面呈現暗灰色。這一溫度范圍內，磚體內部的水分開始逐漸蒸發，但溫度尚不足以引發顯著的化學變化或物理破壞。因此，磚砌塊的內部結構相對完整，破壞面孔洞較少，該階段主要是水分的脫除過程，對磚砌塊的性能影響較小。

隨著煅燒溫度的升高，當達到400℃時，磚砌塊的表面顏色開始變淺，因為溫度的升高加速了水分的蒸發和擴散，導致磚體內部的濕度降低，同時溫度應力在磚砌塊內部逐漸發展，使得磚體內部的孔隙和裂縫開始增大。此外，部分骨料在這個溫度范圍內開始受熱膨脹，由于骨料與砂漿之間的熱膨脹系數不同，骨料膨脹時可能產生應力集中，導致骨料破裂，從而增加了磚體內部的孔隙，這些變化使得磚砌塊的密實度降低，力學性能有所減弱[5]。

當煅燒溫度進一步升高至600℃時，磚砌塊的表面顏色轉變為灰白色，這是因為在這個高溫條件下，磚體內部的水分已經完全蒸發，同時水化產物也發生了顯著的分解和相變，這些化學變化導致磚體內部的微觀結構發生了根本性的改變。在破壞面上可以觀察到大量骨料被燒紅的現象，因為骨料在高溫下發生了氧化反應，釋放出了大量的熱量，這種劇烈的化學反應不僅加劇了磚體內部的破壞，還可能導致磚體表面的剝落和開裂。

4計算分析

4.1應力-應變曲線

應力-應變曲線（圖1）通常分為以下五個階段：

（1）低溫階段。在煅燒的初始階段，溫度逐漸上升，但尚未達到引起顯著化學變化的溫度，此時磚體內部的水分開始蒸發，導致磚體輕微膨脹。由于水分的蒸發和溫度的上升，磚體內部會產生較小的壓應力和相應的應變，這個階段的應力-應變曲線通常表現為平緩上升，表明應力和應變的增加都相對較小。

（2）水分蒸發與松弛階段。隨著溫度的繼續升高，水分蒸發加速，磚體內部的濕度迅速降低，同時磚體內部的結構開始松弛，骨料和砂漿之間的粘結力逐漸減弱。該階段磚體內部會產生一定的拉應力和相應的應變。由于水分的蒸發和結構松弛，應力-應變曲線可能會呈現出一個明顯的上升階段，表示應力和應變的增加速度相對較慢。

（3）化學變化與體積變化階段。當溫度達到一定程度時，磚體內部的水化產物開始發生分解和相變，這些化學變化會導致磚體體積的變化。這個階段磚體內部會產生較大的應力，包括壓應力和拉應力，由于體積的變化和化學變化的影響，應力-應變曲線的斜率會顯著增加，表示應力和應變的增加速度加快。同時曲線可能會出現波動或不平滑的現象，這是化學變化的非均勻性和復雜性所導致的。

（4）高溫階段。當溫度達到一個較高的穩定值時，磚體內部的化學變化逐漸趨于穩定，體積變化也趨于停止，磚體內部的應力會達到一個相對穩定的水平，應變也會相應地趨于穩定，此時的應力-應變曲線通常表現為一條接近水平的直線，表示應力和應變的變化都相對較小。

（5）冷卻階段。煅燒結束后，磚體會逐漸冷卻。冷卻過程中，由于溫度的變化和磚體內部結構的調整，磚體內部可能會產生一定的殘余應力和應變，這些殘余應力和應變可能會對磚體的性能產生一定的影響，但通常不會對磚體的整體性能造成顯著的影響。

4.2溫度-應力曲線

應力-應變曲線（圖2）通常分為以下五個階段：

（1）預熱階段。再生磚從室溫開始被加熱，此時磚體內部的應變變化相對較小，因為溫度變化還不足以引起顯著的物理或化學變化，溫度-應變曲線在這一階段表現為平緩上升或接近水平，表明應變隨溫度的升高而緩慢增加。

（2）水分蒸發階段。隨著溫度的繼續升高，磚體內部的水分開始蒸發，水分的蒸發會導致磚體輕微膨脹，從而在溫度-應變曲線上產生一個相對明顯的上升段，這個階段的應變增加主要是由于水分的蒸發和蒸汽壓力的增加所引起的。

（3）化學反應階段。當溫度達到一定程度時，磚體內部的水化產物開始發生分解和相變等化學反應，這些化學反應通常伴隨著體積的變化，導致磚體內部產生應變。這個階段的溫度-應變曲線的斜率可能會顯著增加，表示應變隨溫度的升高而迅速增加。這是化學反應導致的體積變化和熱應力的共同作用。

（4）高溫穩定階段。隨著溫度的進一步升高，磚體內部的化學反應逐漸趨于穩定，體積變化也趨于停止，溫度-應變曲線通常表現為一個相對平緩的上升段或接近水平的直線段。這表明在高溫下，磚體內部的應變變化相對較小，主要是因為化學反應已經基本完成，且磚體結構已經相對穩定。

（5）冷卻階段。冷卻過程中，由于溫度的變化和磚體內部結構的調整，磚體內部可能會產生一定的殘余應變，這個階段的溫度-應變曲線表現為隨著溫度的降低，應變也逐漸降低，但可能不完全回到初始狀態。

5結論

總而言之，高溫作用導致砌塊內部產生復雜的物理和化學變化，進而顯著影響其抗壓強度。隨著溫度的升高，再生混凝土砌塊的抗壓強度逐漸降低，這與骨料裂紋的增加和界面區的弱化密切相關。同時，微觀結構分析顯示，高溫處理改變了砌塊的內部孔隙結構和骨料間的粘結狀態，進一步印證了抗壓強度的變化。這些研究成果不僅增進了對再生混凝土砌塊高溫后性能的理解，也為優化其應用提供了重要參考。

參考文獻

[1]李承明，孔祥坤，熊宇強，等.基于生命周期理論的再生混凝土空心砌塊環境性能評價[J].新型建筑材料，2021，48（1）：112-115+120.

[2]邢智巖.再生免漿混凝土砌塊力學性能試驗及砌體性能有限元分析[D].太原理工大學，2020.

[3]胡濤.再生混凝土橫孔空心砌塊墻體抗壓性能分析[D].長沙理工大學，2020.

[4]張會芝，劉紀峰，連躍宗，等.自保溫再生混凝土砌塊砌體抗剪性能數值模擬[J].信陽師范學院學報（自然科學版），2020，33（1）：156-161.

[5]何博晗.建筑垃圾制備蒸壓加氣混凝土砌塊性能試驗[D].華北水利水電大學，2019.

基金項目：2021年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目——《火災后再生混凝土砌塊的力學性能和安全評估研究》（課題編號：2021KY1123）

作者簡介：陽利君（1981-），女，漢族，四川資陽人，工程碩士，副教授，研究方向：建筑材料。

王富強（1971-），男，瑤族，廣西平樂人，研究生班，副教授，研究方向：工程管理。

陳鈺婷（1989-），女，漢族，廣西梧州人，研究生，講師，研究方向：安全工程技術。