張愷 尹志剛 陳晨 董思健 周晶

摘要：

為研究不同凍融介質(zhì)（清水、3.5%NaCl溶液）對再生混凝土凍融損傷和聲發(fā)射特性的影響，對再生粗骨料替代率為50%的混凝土開展快速凍融試驗。利用聲發(fā)射技術(shù)對凍融后的再生混凝土受壓全過程進(jìn)行監(jiān)測，以聲發(fā)射特性參數(shù)作為損傷變量，分析不同凍融介質(zhì)下再生混凝土的凍融損傷劣化特征。結(jié)果表明：在3.5%（質(zhì)量比）NaCl溶液中的再生骨料混凝土的凍融破壞程度要遠(yuǎn)大于清水組中混凝土的凍融破壞程度，且兩者之間的差異隨凍融次數(shù)的增加而增大；聲發(fā)射能量釋放率的峰值隨凍融次數(shù)呈逐漸降低的趨勢，不同凍融次數(shù)后聲發(fā)射相對累積能量隨相對應(yīng)力水平的增加而逐漸增大，曲線的拐點逐漸右移。建立的聲發(fā)射相對累積能量-應(yīng)力曲線能夠較好地反映再生骨料混凝土凍融后受壓破壞的全過程。研究成果可為研究再生混凝土凍融損傷演化規(guī)律提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

再生混凝土； 凍融介質(zhì)； 聲發(fā)射技術(shù)； 損傷

中圖法分類號： TU528.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.08.031

0 引 言

將拆除廢棄建筑物的混凝土機(jī)械破碎、篩分后制成再生骨料替代部分天然骨料制備再生混凝土，不僅能在一定程度上緩解自然資源緊缺的局面，還可以解決建筑垃圾粗放性回填或露天堆放引起的環(huán)境污染問題，對降低碳排放、實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義［1-3］。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對再生骨料混凝土開展了大量研究。王晨霞等［4］研究了不同強(qiáng)度等級再生混凝土和普通混凝土凍融后力學(xué)性能、動彈性模量和超聲波損失率的變化規(guī)律。牛海成等［5］認(rèn)為再生混凝土的抗凍性能隨再生骨料替代率的增加而降低。Roumiana等［6］認(rèn)為再生骨料表面附著老砂漿，自身多孔且吸水率高是導(dǎo)致其抗凍性能明顯低于普通混凝土的主要原因。Júnior等［7］研究了不同再生骨料替代率（15%，25%，50%）下的混凝土表觀密度、孔隙率、毛細(xì)吸水率、抗壓強(qiáng)度和相對動彈性模量隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律。楊陽等［8］研究了不同粗骨料替代率和微珠摻量對再生混凝土力學(xué)性能、自收縮性能以及抗氯離子滲透性能的影響?？梢?，目前關(guān)于再生骨料混凝土的研究主要集中在配合比設(shè)計、力學(xué)性能和耐久性等方面，但是有關(guān)再生骨料混凝土在不同凍融介質(zhì)中的力學(xué)性能及其凍融損傷規(guī)律方面的研究還比較少見。

聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）技術(shù)是一種新型動態(tài)無損檢測技術(shù)，可實時捕捉混凝土在加載作用下砂漿開裂、骨料位錯的位置，并可對內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行動態(tài)追蹤［9-10］。聶瑞［11］詳細(xì)探討了AE檢測技術(shù)的相關(guān)特性參數(shù)在再生混凝土受壓全過程中的合理取值范圍。Men等［12］利用AE對受壓條件下再生骨料混凝土失效過程和損傷進(jìn)行評估。彭竹君等［13］基于AE研究了不同加載速率和凍融循環(huán)對混凝土凍融損傷破壞過程。

本文對再生粗骨料替代率為50%的混凝土開展快速凍融循環(huán)試驗，分析比較不同凍融介質(zhì)（清水、3.5%NaCl溶液）條件下再生混凝土質(zhì)量損失率、相對動彈性模量、抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律，并結(jié)合聲發(fā)射參數(shù)建立了不同凍融介質(zhì)中再生混凝土的凍融損傷演化模型，能夠較好地反映凍融后再生骨料混凝土受壓破壞的過程。試驗結(jié)果可為研究再生混凝土凍融損傷演化規(guī)律提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及配合比設(shè)計

試驗選用鼎鹿牌P·O42.5級普通硅酸鹽水泥；天然粗骨料選用4.75～31.50 mm的連續(xù)級配碎石；再生粗骨料來源于實驗室自制C30鋼筋混凝土梁，經(jīng)機(jī)械破碎后，再人工敲除骨料表面的舊砂漿，篩分后獲得4.75～35.00 mm的再生粗骨料。表1列出了天然粗骨料與再生粗骨料的基本物理性能。細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為2.85的天然河砂；減水劑選用遼寧某化工公司生產(chǎn)的（萘系）FDN型高效減水劑。試驗用水為普通自來水。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［14］要求，再生粗骨料的摻量為50%，試驗具體配合比設(shè)計如表2所列。

1.2 試驗方法與主要試驗設(shè)備

采用二次投料法的順序，分別在實驗室內(nèi)澆筑100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊。澆筑完成后在室溫下靜置24 h拆模，然后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至24 d，隨后將試塊分別放入（20±2）℃的清水和3.5%NaCl溶液中浸泡4 d?？箖鲈囼瀰⒄誈B/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［15］進(jìn)行。

試驗設(shè)備：采用SKDR-28S型凍融試驗機(jī)進(jìn)行快速凍融循環(huán)試驗；采用DT-18型動彈儀測定凍融后混凝土棱柱體試塊的相對動彈性模量；采用WAW-2000 kN電液伺服微機(jī)控制萬能試驗機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試，以負(fù)荷形式控制加載，加載速度為3.0～5.0 kN/s；采用北京某公司生產(chǎn)的DS2-16B型聲發(fā)射裝置測定混凝土經(jīng)受不同凍融循環(huán)次數(shù)后的聲發(fā)射特性。試驗過程中相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：采樣速率為1 MHz，門檻值設(shè)置為10 mV（40 db），峰值鑒別時間（PDT）、撞擊鑒別時間（HDT）和撞擊閉鎖時間（HLT）分別設(shè)置為150，350，1000 μs，硬件濾波器設(shè)置為20～100 kHz，采用凡士林作為耦合劑。聲發(fā)射試驗加載裝置示意如圖1所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量損失率與相對動彈性模量

圖2（a）為再生骨料混凝土分別在清水、3.5%NaCl溶液下質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的變化曲線?？梢钥闯觯S著凍融次數(shù)的增加，兩種不同凍融介質(zhì)下的混凝土試塊的質(zhì)量損失率呈現(xiàn)出先降低后逐漸增大的趨勢。在凍融循環(huán)初期（0～25次）質(zhì)量損失率呈負(fù)增長，這是由于再生骨料自身含有的微裂隙數(shù)量較多，在周期性的凍脹壓力和滲透壓力作用下，內(nèi)部微裂隙會逐漸累積擴(kuò)展，使得試塊吸收的水量大于試塊表面水泥漿皮剝落的程度，故質(zhì)量損失率出現(xiàn)負(fù)增長。在3.5%NaCl溶液中的棱柱體試塊，50次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率急劇增大，經(jīng)歷75次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率已超過5%，按照規(guī)范要求已達(dá)到破壞狀態(tài)；而在對照組清水中的棱柱體試塊質(zhì)量損失程度變化速率明顯低于在3.5%NaCl凍融介質(zhì)中的質(zhì)量損失速率。隨著凍融次數(shù)增加，試塊的表面水泥砂漿剝離基體，質(zhì)量損失程度也在不斷增加，在經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率也接近5%。值得注意的是，再生骨料混凝土質(zhì)量損失率增長很快，可能是由于再生粗骨料經(jīng)機(jī)械破碎后，又人工用鐵錘再次敲擊骨料表面附著砂漿，致使再生骨料品質(zhì)降低。

圖2（b）為再生骨料混凝土在清水、3.5%NaCl溶液兩種凍融介質(zhì)中相對動彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系。由圖可知，不同凍融介質(zhì)下再生骨料混凝土相對動彈性模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低。50次凍融循環(huán)以前，兩種凍融介質(zhì)中相對動彈性模量的差異并不明顯；但75次凍融循環(huán)后，在3.5%NaCl溶液中的混凝土相對動彈性模量降低到70.1%，100次凍融循環(huán)后，相對動彈性模量已降低至41.86%。而在清水中試件的相對動彈性模量大致呈拋物線下降的趨勢，在經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后降至63.1%。分析兩者的關(guān)系及斜線下降的速率可知，再生骨料混凝土試件在3.5%NaCl溶液中的損傷劣化程度要明顯大于清水。

3 結(jié) 論

（1） 不同凍融次數(shù)后，聲發(fā)射相對累積能量與單軸加載下的累積損傷程度密切相關(guān)；聲發(fā)射相對累積能量與應(yīng)力曲線能夠較好地反映不同介質(zhì)作用下再生骨料混凝土凍融后受壓破壞的全過程。在相同凍融次數(shù)下，氯鹽環(huán)境會顯著改變再生混凝土凍融損傷破壞的演化路徑。

（2） 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，再生混凝土的損傷程度逐漸變大。在清水、3.5%NaCl溶液中再生骨料混凝土試塊的峰值抗壓強(qiáng)度均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸降低，峰值點明顯下降并右移，受壓破壞的脆性特征愈發(fā)明顯，且曲線上升段逐漸變得越來越凹；在3.5%NaCl溶液中的立方體試塊峰值抗壓強(qiáng)度損失率普遍大于清水中的立方體試塊峰值抗壓強(qiáng)度損失率，且兩者之間的差異隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而越來越明顯。

（3） 聲發(fā)射能量釋放率的峰值隨凍融次數(shù)的增加呈逐漸降低的趨勢；基于聲發(fā)射累計事件數(shù)所建立的損傷變量與相對應(yīng)力水平之間的關(guān)系，可以用來定量描述再生骨料混凝土凍融后的損傷特性。

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：

In order to study the effect of different freeze-thaw media （water，35wt%NaCl solution） on the freeze-thaw damage and acoustic emission （AE） characteristics of recycled aggregate concrete （RAC），a series of experiments have been carried out by using concrete with 50% recycled coarse aggregate.AE technology was utilized to monitor the whole process of compression of RAC after freeze-thaw cycles，and the frost damage characteristics of RAC under different mediawas represented by AE parameter.The results indicated that the freeze-thaw deterioration of RAC in 35wt%NaCl solution was much worse than that in water，and the deterioration difference in the two media increased with the increasing of freeze-thaw cycles.Besides，the peak value of AE energy release rate gradually decreased with the increasing of freeze-thaw cycles.The relative cumulative energy of AE increased with the increasing of relative stress level，and inflection point of the curve moved to the right gradually.The curve of AE relative cumulative energy and stress obtained by experiments can reflect the whole process of compressive failure of RAC after frost damage effectively.This work can provide a reference for the study of freeze-thaw damage evolution of RAC.

Key words：

recycled aggregate concrete；freeze-thaw media；acoustic emission technology；damage