再生混凝土的冻融破坏可分为大概三个阶段,其破坏过程是一个从表面向内部发展的过程,不同冻融次数下再生混凝土的冻融破坏表观形貌差别较大,如图1所示:

图1 不同冻融次数下再生混凝土表观形貌
Fig.1 Apparent morphology of recycled concrete under different freeze-thaw cycles

(1)冻融破坏初期,再生混凝土表面破坏程度很小,表面仅有少量水泥浆脱落,同时存在微小孔蚀;

(2)随着冻融的进行,再生混凝土表面的水泥浆和细骨料脱落,表面变得疏松多孔,呈蜂窝状;

(3)冻融次数继续增加,再生混凝土表面的粗骨料出现外露,水泥砂浆的脱落现象加剧,粗骨料和细骨料明显发生分离.

如图2所示为再生混凝土在5%硫酸钠溶液浸泡后与冻融条件耦合作用下试件质量损失率随冻融循环次数的变化规律,可以看出冻融循环次数小于100次时,再生混凝土质量损失率呈线性增长,质量损失较小; 当冻融循环次数增加至200～300次时,0.55水灰比的试件质量损失继续加速增长,0.35和0.45水灰比的再生混凝土质量损失持续增长,水灰比越大的试件破坏越大,抗冻性越差.

图2 不同水灰比再生混凝土质量损失率
Fig.2 Mass loss rate of recycled concrete with different water cement ratio

再生混凝土试块在硫酸盐溶液侵蚀作用下以及不同冻融循环次数下相对动弹性模量的变化规律如图3所示.当冻融循环次数从200次增加到300次的过程中,试块相对动弹性模量均出现了急速下降,这是由于在200次冻融循环时,再生混凝土试块内部已经产生了较多的裂缝和孔洞,此时硫酸钠溶液进入孔洞后使内部硫酸盐溶液迅速上升,析出的物质产生的膨胀应力和本身冻融过程中的冻胀应力共同作用使得破坏进一步加速,相对动弹性模量下降继续加快.和普通混凝土相比,再生混凝土的抗冻性同样受到水灰比大小的明显影响.

图3 相对动弹性模量变化
Fig.3 Changes of relative dynamic elastic modulus

如图4所示为再生混凝土试块不同冻融循环次数下的立方体抗压强度变化规律,随着冻融次数的增加,外部水分沿混凝土试块表面微裂缝进入内部继续发生水化反应生成膨胀晶体,使得试块破坏加剧,强度损失增长,冻融循次数从200增长到300的过程,由于孔隙发生破坏,水进入混凝土内部后,在水冻胀力和混凝土内部侵蚀产物的膨胀应力耦合作用下,再生混凝土试块的强度损失进一步增大.

图4 抗压强度变化规律
Fig.4 Variation of compressive strength

通过电镜扫描分别对经过5%硫酸钠溶液浸泡后的再生混凝土0、100、200、300次冻融循环后的结果进行分析,观察内部侵蚀产物的形貌以及相关裂缝开展情况.如图5所示为未经冻融的试块,可以看出其中水泥水化产物水化硅酸钙凝胶分布均匀、紧密,对硫酸盐的侵入有一定抵挡作用,这就解释了再生混凝土试块在冻融循环次数较少时质量损失、强度损失以及损伤程度都比较小.0.45水灰比的再生混凝土电镜照片中可以看到粗骨料与水泥石的界面过渡区粘结性较好,0.55水灰比的再生混凝土电镜照片可以看到由于水灰比较大试块硬化后出现的原始干缩微裂缝,进而导致骨料界面区的粘结性较差,从而使得水灰比大的再生混凝土试块发生的质量损失、强度损失越大.微观图中可以看出此时试块内只有Ca(OH)₂及其结晶,没有发现钙钒石等的析出.

图5 未经冻融循环时各组试块电镜照片
Fig.5 Electron microscope photographs of each test block without freeze-thaw cycle

如图6所示,当冻融循环次数达到100次时,可以看到各水灰比的再生混凝土试块电镜照片上开始出现裂缝,数量和宽度长度较未冻融前都有所增加,0.55水灰比的再生混凝土试块电镜照片上出现了SO^2-₄与水化铝酸钙发生反应生成的水化硫铝酸钙,即钙钒石,0.55水灰比再生混凝土试块中的界面区裂缝发展最明显,这是SO^2-₄的侵蚀产物和孔隙水冻胀应力共同作用的结果.

图6 100次冻融循环各组试块电镜照片
Fig.6 Electron microscope photographs of each test block after 100 freeze-thaw cycles

如图7所示,当冻融循环达到200次时,各水灰比再生混凝土试块电镜照片中均出现了SO^2-₄与水化铝酸钙发生反应生成的水化硫铝酸钙,其形状如图中标注的有方向的针状晶体,试块内部可以看到各水灰比再生混凝土试块的裂缝都进一步扩大. 5%浓度硫酸钠溶液会析出NaSO₄·10H₂O,其体积将膨胀为原来的4.2倍,这对于再生混凝土试块内部的孔隙结构将带来非常大的危害,0.55水灰比的试块由于硫酸钠大量进入试块内部导致试块内硫酸盐溶液浓度快速上升,所以冻融200次时就已经观察到NaSO₄·10H₂O的块状晶体析出,0.35和0.45水灰比试块尚未出现.

图7 200次冻融循环各组试块电镜照片
Fig.7 Electron microscope photographs of each test block after 200 freeze-thaw cycles

如图8所示,当冻融循环达到300次时,试块在内部冻胀应力与硫酸盐溶液与各种膨胀侵蚀物质的共同作用下,孔隙结构开始贯穿.图8(b)可以看出水泥基受到严重侵蚀后发生了脱落,导致粗骨料出现外露.再生混凝土试块在冻融循环300次后,内部孔壁在孔隙水的膨胀应力下产生疲劳荷载与硫酸盐侵蚀下逐渐破坏联通形成贯通通道,裂缝进一步发展.

图8 300次冻融循环各组试块电镜照片
Fig.8 Electron microscopic photographs of each test block after 300 freeze-thaw cycles

冻融循环次数达到100、200、300次后进行取样检测,将样品研成粉末状进行观察,利用每种晶体在X射线照射下的衍射特性,分析在不同水灰比与不同冻融次数下试样侵蚀产物的变化.

由图9可以看出,当冻融循环200次后,三组试样的 衍射峰均较为明显,AFt的衍射峰强度随水灰比的增大逐渐增强.图 10为0.45水灰比的试样在100、200、300次冻融循环后的衍射图谱,由图可见,随着冻融循环的增加,硫酸盐侵蚀作用逐渐明显,混凝土中水化产物 的衍射峰逐渐减弱,同时侵蚀产物AFt率先析出,并随冻融次数的增加其衍射峰强度逐渐增强,随着AFt的逐渐累积,使得原始裂缝不断扩展、延伸,导致大量的 进入混凝土孔隙,当浓度达到一定条件后开始有GYm晶体析出,在冻融循环200次时观察到石膏的衍射峰,且随冻融次数的增加,衍射峰强度呈增长趋势.

综上所述,水灰比对再生混凝土抗冻性及抗硫酸盐侵蚀能力有着非常重要的影响,特别是在冻融循环和硫酸盐侵蚀前期.在冻融循环和硫酸盐侵蚀过程中,伴随 含量逐渐减少,侵蚀产物AFt和GYm依次析出,其含量在冻融后期将增长迅速; 含量的多少直接影响着再生混凝土的抗冻和抗侵蚀能力,因此能否有效降低再生混凝土中的 含量对提高再生混凝土抗冻性及抗硫酸盐侵蚀能力具有重要意义.

图9 200次冻融循环下再生混凝土XRD图谱
Fig.9 XRD pattern of recycled concrete under 200 freeze-thaw cycles

图 10 M45组不同冻融循环次数下再生混凝土XRD图谱
Fig.10 XRD pattern of recycled concrete under different freeze-thaw cycles in M45 group

混凝土的劣化过程通常用相对动弹性模量进行表征,因此引入损伤力学中的损伤度为

D_En=1-(E_n)/(E₀) (1)

式中:D_En为n次冻融循环后试块的损伤度,E_n为n次冻融循环后试块的冻弹性模量,E₀为经过冻融循环试块的动弹性模量.

据相对动弹性模量的实验数据,计算得出再生混凝土在冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下的损伤度结果,如表3所示.

表3 不同水灰比再生混凝土在硫酸盐溶液与冻融循环共同作用下的损伤度
Tab.3 Damage degree of recycled concrete with different water cement ratio under combined action of sulfate solution and freeze-thaw cycle

刘志勇^[12]认为冻融累计损伤值与冻融循环次数之间可以指数型函数来描述,根据相关定义,得到损伤度与冻融循环次数为

D_n=ae^bn (2)

式中:D_n为损伤值; n为冻融循环次数; a、b为常值参数.将实验数据与指数函数关系式进行拟合,得到a、b参数值及相关系数如表4所示.

表4 不同水灰比的a、b参数值及相关系数
Tab.4 a, b parameter values and correlation coefficients of different water-cement ratios

得到不同水灰比下再生混凝土试块的拟合公式为

0.35水灰比的冻融度与冻融循环次数方程为

D_n=4.98×10^-3×e^{1.41×10-2×n} (3)

0.45水灰比的冻融度与冻融循环次数方程为

D_n=2.30×10^-3×e^{1.86×10-2×n} (4)

0.55水灰比的冻融度与冻融循环次数方程为

D_n=2.61×10^-2×e^{1.13×10-2×n} (5)

引入水灰比并进行修正得到式6为

D_n=(0.223-1.086×i+1.324×i²)×e^{(-0.095+0.517×i-0.59×i2)×n} (6)

式中:D_n为损伤值; n为冻融循环次数; i为水灰比.根据GBJ82—85《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法》,当相对动弹性模量下降到60%即认为再生混凝土失去抗冻性能,利用相对动弹性模量对再生混凝土试块进行寿命预测,计算出不同水灰比再生混凝土达到破坏所需要的冻融循环次数如表5所示.

表5 不同水灰比再生混凝土达到破坏所需要的冻融循环次数
Tab.5 Number of freeze-thaw cycles required to achieve failure of recycled concrete with different water cement ratios

曹永康^[13]分析中提出了计算混凝土结构使用寿命的公式如下.

T=KF/M (7)

式中:T为混凝土结构的预测使用寿命; K为比例系数,即室内进行一次快速冻融相当于室外自然冻融次数的比例关系; F为室内混凝土的快速冻融次数; M为室外混凝土一年经受的冻融循环次数.

根据李金玉^[14]的相关研究,我国东北地区一年平均冻融循环次数为120次/a, 华北地区一年平均冻融循环次数为84次/a, 西北地区一年平均冻融循环次数为118次/a.相关文献[15]研究分析得出,室内快速冻融循环次数与室外实际环境冻融循环次数的换算关系在1:10～1:15之间,本实验考虑到硫酸盐溶液对试块的侵蚀,其换算关系取1:15.计算得到各地区不同水灰比再生混凝土的寿命如表6所示.

表6 不同水灰比再生混凝土的寿命
Tab.6 Life span of recycled concrete with different water cement ratio

可以看到,华北地区0.35和0.45水灰比的再生混凝土寿命超过50 a,因此华北地区的工程建设项目运用再生骨料混凝土的水灰比应该控制在0.45或者以下.