盐冻环境下再生混凝土的耐久性研究

田伟宇 王振凯 柏春林

（中建八局轨道交通建设有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

再生混凝土耐久性的影响因素众多，其耐久性被破坏的主要原因有三点：钢筋锈蚀、冻融破坏和化学腐蚀[1]，而硫酸盐侵蚀是化学腐蚀中最主要的侵蚀类型，由此可见，研究冻融循环和硫酸盐侵蚀对混凝土耐久性的影响有着重要意义。毛添钿[2]的试验表明：再生混凝土的抗冻性随水灰比的增大而降低，水灰比越大，其抗冻性越低。仝小芳等[3]通过对再生混凝土抗冻性文献的综述,得出结论：在满足工作性的前提条件下，可以通过选用较小水灰比的方法来提高再生混凝土强度，使微结构更为密实,从而使其抗冻性能力提高。薛建阳等[4]研究硫酸盐溶液中再生混凝土的耐久性和力学性能，结果表明：合理的配合比有利于改善再生混凝土的耐久性及各项力学性能；在5%的硫酸钠溶液侵蚀中，当再生骨料取代率较大时，再生混凝土抗压强度提高。

为了研究冻融循环和硫酸盐耦合作用下再生混凝土的耐久性，本文采用“快冻法”对再生骨料取代率为30%，Na2SO4浓度为5%，水灰比分别为0.35、0.45、0.55的再生混凝土进行冻融试验，并对不同冻融循环次数下的试件进行质量和抗压强度损失分析，以抗压强度表征损伤值，建立损伤模型，进行寿命预测及验证。

1 实验内容

1.1 实验原材料

本试验选用P·O42.5R水泥，初凝时间65min，终凝时间5h，28d抗压强度48.5MPa；天然细骨料选用含泥量1.0%的中砂，堆积密度148kg/m3，表观密度2650kg/m3；天然粗骨料粒径5～15mm，吸水率1.76%；再生粗骨料粒径5～15mm，吸水率3.1%，原生强度47.2MPa，外加剂采用GJ-1减水剂和SJ-3引气剂；水为自来水。

1.2 混凝土配合比

依照普通混凝土配合比设计规程要求，本试验共设计三组水灰比，水灰比分别为0.35、0.45、0.55，具体配合比见表1。

表1 再生混凝土配合比（单位：kg/m3）

1.3 实验方法

试块制作成型后带模养护24h，拆模后移入标准养护室养护28d，温度为20±1℃，湿度为95%以上。浸泡试块溶液为质量分数5%Na2SO4溶液，提前4d将试件浸泡于15～20℃的原溶液中，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》（GB/T50082—2009）中快冻法进行冻融试验。冻融箱采用KD R-V9系列混凝土快速冻融试验机，质量测量采用数显电子天平，抗压强度测量采用YES-200B型数显式压力试验机。试件放入冻融箱后，每循环50次擦去表面浮浆观察并记录外观，测定抗压强度。当测得试块抗压强度降低大于25%或冻融循环次数达到300次，实验停止。

2 试验结果分析

2.1 质量损失分析

在5%Na2SO4溶液和冻融循环耦合作用下随冻融循环次数变化，水灰比为0.35、0.45、0.55的再生混凝土试块质量损失率如图1所示。

图1 质量损失率

由试验数据可知，在冻融前期（0～125次），水灰比为0.35、0.45、0.55时，试件的质量损失率增长缓慢。分析其原因为：硫酸钠盐的存在降低了水溶液的冰点，减轻了冻融循环对试件的破坏作用，使质量损失率增长缓慢。在冻融中期（125～225次），三种不同水灰比试件的质量损失率持续增长，平稳增长的是M35、M45组，具有加速增长趋势的是M55组。随着冻融循环试验的进行，Na2SO4溶液随原始裂缝逐渐侵入试件内部，与试件中的水化产物发生反应生成膨胀性物质并结晶析出，致使试件质量增加，但此过程中由冻盐破坏造成试件表面浆体及骨料的剥落是质量损失的主导因素。在冻融后期（225～300次），三组试件质量损失率表现出较好的正相关性，其中M45、M55组质量损失率迅速增长，分析其原因为：随水灰比的增大，混凝土内部孔隙增多，可冻水增多，冻胀力猛增，原始裂缝发展较快，使得性能迅速劣化，质量损失率加速增长。

2.2 抗压强度分析

水灰比为0.35、0.45、0.55的再生混凝土试块在盐冻作用下随冻融循环次数的抗压强度变化如图2所示。

图2 抗压强度变化

由图2可知，随冻融次数的增多，三组试件的抗压强度均呈下降趋势。在冻融循环300次时，M35、M45、M55组的抗压强度损失率依次为27.11%、33.02%、37.10%。分析原因为：水灰比过大，胶凝材料较少，粘结力下降，导致其自身抗压强度低于其他混凝土试件。冻融循环200次时，M35组抗压强度损失率大于M45组，由于水灰比较小的试件存在少量未完全水化胶凝材料，随着冻融侵蚀进入的水分使得试件形成内部水化作用，水化产物膨胀应力加剧裂缝发展，促使混凝土强度下降。冻融循环后期，三组试件抗压强度均呈直线趋势上升，随着冻融循环的进行，混凝土内部孔隙水冻胀力与侵蚀产物膨胀应力共同作用使裂缝迅速发展，三组试件抗压强度迅速降低。

3 以抗压强度建立损伤模型

以损伤力学为基础，对混凝土遭受硫酸盐侵蚀与冻融共同作用下抗压强度变化建立相应的冻融损伤演化方程，来分析混凝土材料的内部损伤程度。

3.1 混凝土冻融损伤变量

（1）基本假设：试验之前，认为试件不存在初始损伤；损伤仅为冻融循环次数和水灰比的函数，与其他条件无关。

（2）混凝土冻融损伤变量D可以定义为：

式中：

D(n)——不同盐冻循环次数后混凝土的损伤；

E(n)——不同盐冻循环次数后动弹性模量；

E0——未经盐冻循环前的动弹性模量；

n——盐冻循环次数。

（3）根据混凝土损伤值与冻融循环次数之间的关系，计算并统计不同组别试件的损伤值D()n，具体情况见表2所示。

表2 不同组别试件的损伤值

3.2 二参数Weibull模型

王建新[5]研究发现基于二参数的Weibull概率分布函数建立了普通混凝土冻融损伤演化模型，将混凝土受到冻融破坏而失效的密度函数用p(n)表示，由二参数Weibull分布可知，p(n)可表示为：

对式（2）进行积分，混凝土冻融失效的概率表达式为：

式中：

α——特征寿命参数；

β——Weibull形状参数。

由式（3）可知，pf(n)随冻融次数的增大而增大，当pf(n)=1时，结构完全破坏。将概率pf(n)等效为损伤度D(n)，以强度损失率F(n)表征损伤度D(n)，得到基于二参数Weibull分布的损伤方程为：

移项取对数得：

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式中：

a——因变量；

b——自变量；

C,D——常数。

此时，D与n虽然不存在线性关系，但是关于D的函数与关于n的函数之间却存在线性关系。

由式（6）结合表2中由试验数据计算所得到的损伤值，计算三组水灰比下的常值参数C、D，C-D回归拟合曲线如图3。

图3 C-D回归拟合曲线

将C、D值回带Weibull分布线性回归计算常值参数α、β，得到不同水灰比下再生混凝土的冻融损伤演化方程：

M35组演化方程：

M55组演化方程：

由于不同水灰比会对再生混凝土的动弹性模量损失产生不同影响，从而导致抗冻性的差异，引入水灰比参数i，对拟合方程α、β进行系数修正，得到包含水灰比i与冻融循环次数的损伤演化方程通式为：

式中：

D——损伤值；

n——冻融循环次数；

i——水灰比。

由Weibull概率分布所得到的损伤演化方程通式（10）计算相应水灰比下不同冻融次数的各个损伤值，并与文献[5]进行对比验证，其试验值、文献值与拟合曲线对照如图4所示。

图4 模型验证

由二参数Weibull概率分布计算得到不同冻融次数下的试验值、拟合曲线与文献值对比可知，试验值与文献值相差不大，拟合曲线拟合度较高；冻融循环前期拟合度较高，后期拟合度稍差，分析原因为两者试验原材料略有差别，以及引气剂的使用导致和冻融后期略有差距；从整个冻融循环过程来看，二参数Weibull模型能较好地计算损伤值，反应再生混凝土的冻融损伤演化规律。

3.3 寿命预测

随着现代建筑的发展，严格按照服役环境对建筑物进行安全使用年限设计变得尤为重要。因此通过大量数据积累获得室内外条件之间的对应关系，从而能较为精确地对实际工程中服役混凝土的寿命进行预测。

3.3.1 寿命预测方法

再生混凝土的损伤失效过程其实质为结构的破坏过程，依据室内外冻融循环次数的对应关系，计算混凝土结构的使用寿命[6]。

式中：

T——使用寿命；

k——比例系数，即室内一次快速冻融循环相当于室外自然冻融循环次数的比例；

F——试验室中快速冻融次数；

M——实际环境中混凝土一年经受的冻融循环次数。

3.3.2 抗冻耐久性寿命

根据以上所建损伤模型，计算极限冻融循环次数，由李金玉等[7]研究发现：我国东北、华北、西北地区年平均冻融循环次数分别为120、84、118次，室内外的对比关系为1∶15。计算损伤预测模型下不同区域的再生混凝土在盐冻作用下的耐久性寿命，计算结果如表3。

表3 二参数Weibull模型抗冻耐久性寿命计算

以表3数据结合相对动弹性模量来度量材料损伤程度时，M35组的极限冻融次数最大，M35、M45组相近，M55组最低；随着水灰比的增大，再生混凝土寿命逐渐减小；M35、M45组再生混凝土的抗冻耐久性寿命依据混凝土抗冻安全性初步的定量化设计，M35、M45组再生混凝土可在华北地区港口工程、工民建以及道路桥梁中使用。

表3 C45、C60高流态特种混凝土经济效益分析

4 结束语

（1）水灰比不同的再生混凝土的质量、抗压强度性能变化呈三个阶段，依次经过缓慢、平稳、加速下降过程；随冻融循环的进行，侵蚀产物不断累积，内部缺陷不断扩展，不利面逐渐显露，各项指标急剧下降，其中水灰比0.55试件表现最为明显。

（2）再生混凝土在冻融循环和硫酸盐侵蚀共同作用下宏观表现形式为质量损失和抗压强度下降，其宏观性能变化受水灰比影响较大，随水灰比的增大各项性能劣化越显著。

（3）在冻融循环次数相同时，随水灰比的增大，损伤值越大；在相同水灰比情况下，随冻融次数的增加，损伤值呈加速增长趋势。

（4）从整个冻融循环过程来看，二参数Weibul模型能较好地计算损伤值，反应再生混凝土的冻融损伤演化规律。

（5）随着水灰比的增大，再生混凝土寿命逐渐减小，耦合作用下水灰比为0.35的再生混凝土耐久性能最佳。