劉恩銘，林明強(qiáng)，謝 群

(濟(jì)南大學(xué)土木建筑學(xué)院，濟(jì)南 250022)

0 引 言

隨著我國(guó)城市建設(shè)不斷推進(jìn)，建筑材料的需求量和建筑廢棄物的產(chǎn)生量隨之大幅增加。建材產(chǎn)業(yè)的碳排放在我國(guó)建筑行業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位[1]，在2020年達(dá)到16.5億t[2]，數(shù)量巨大。我國(guó)建筑垃圾產(chǎn)生量早在2013年就已超過(guò)10億t[3]，其中只有10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))被再次利用，絕大多數(shù)仍為填埋處理[4]。2021年，習(xí)近平主席提出了我國(guó)的“雙碳”目標(biāo)，如何促進(jìn)行業(yè)產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展成為社會(huì)各界共同關(guān)注的問(wèn)題。李克強(qiáng)總理在2022年政府工作報(bào)告中也提出，要推進(jìn)建材行業(yè)節(jié)能降碳，加強(qiáng)固體廢棄物治理，推行減量化、資源化，加快形成綠色生產(chǎn)方式?；炷潦钱?dāng)前應(yīng)用最為廣泛的建材之一，全球混凝土消費(fèi)量在2016年達(dá)到145億m3，我國(guó)占比超過(guò)六成[5]。相應(yīng)地，廢棄混凝土是建筑廢棄物的主要組分，在某些地區(qū)占比可達(dá)2/3[6]，其中骨料體積占80%左右[7]。如果將建筑廢棄物進(jìn)行填埋處理，則每萬(wàn)噸廢棄物就需要占據(jù)6 000 m2土地[8]；而如果將其用于生產(chǎn)再生骨料，則每年可節(jié)約至少8億t天然砂石，減少開(kāi)采1/3的天然石材，釋放2.33×108m2的填埋土地[9]?？梢?jiàn)，將廢棄混凝土進(jìn)行再生骨料及其下游產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)極具環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的綠色生產(chǎn)活動(dòng)。因而，再生粗骨料混凝土的研究應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注[10-14]。但相比于天然骨料，再生粗骨料(recycled coarse aggregate, RCA)具有內(nèi)部初始缺陷多、裂縫發(fā)展快、孔隙率大、吸水率高等特點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致其力學(xué)、耐久性能較差[15-16]。因此，亟需進(jìn)一步研究總結(jié)再生粗骨料及其混凝土制品的工作機(jī)理和力學(xué)性能，使其更好地應(yīng)用于實(shí)際工程中。

抗凍性能是評(píng)價(jià)混凝土耐久性能的重要指標(biāo)[17]。寒冷地區(qū)混凝土建筑在凍融循環(huán)作用下發(fā)生的性能劣化和破壞是其使用過(guò)程中的主要病害[18]。因此，開(kāi)展再生粗骨料混凝土抗凍性能的研究對(duì)其在寒冷地區(qū)的推廣和使用尤為重要。本文結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外再生粗骨料混凝土抗凍性能研究現(xiàn)狀，總結(jié)再生粗骨料混凝土的凍融破壞機(jī)理和宏微觀形貌變化，分析其劣化過(guò)程，對(duì)相關(guān)研究中普遍使用的評(píng)價(jià)再生粗骨料混凝土抗凍性能的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)歸納，結(jié)合再生粗骨料摻量和凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)其變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出相關(guān)研究建議，以期為再生粗骨料混凝土抗凍性能的研究和應(yīng)用推廣提供借鑒。

1 凍融破壞機(jī)理

凍融循環(huán)作用下的混凝土結(jié)構(gòu)的破壞是一種復(fù)雜的疲勞破壞，是在正負(fù)溫交替作用下表面顆粒剝落和內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷不斷積累、共同作用的結(jié)果[19]。不同種類的混凝土因其材料性能的差別，在凍融循環(huán)作用下的表現(xiàn)也存在差異，但其成分在此過(guò)程中不發(fā)生改變，因此基本可以認(rèn)為這種損傷破壞主要是一種物理變化過(guò)程[20]。當(dāng)前為多數(shù)學(xué)者所采信的混凝土凍融破壞機(jī)理的理論主要有靜水壓理論、滲透壓理論和微冰晶模型。Powers[21]于1945年提出靜水壓理論。該理論示意圖如圖1所示，低溫下，混凝土最外層先發(fā)生凍結(jié)以阻擋其內(nèi)部水分流失，其后凍結(jié)區(qū)域向內(nèi)擴(kuò)展，液態(tài)水受到擠壓后發(fā)生遷移進(jìn)而對(duì)孔隙壁形成靜水壓力，在凍融過(guò)程中持續(xù)使混凝土產(chǎn)生損傷直至破壞。這一假說(shuō)的成立需要混凝土成冰區(qū)域幾近飽和，外層冰體足夠厚以確保形成封閉空間，凍結(jié)速度足夠快以促使液態(tài)水產(chǎn)生充足的壓力，其條件在實(shí)驗(yàn)室中也較難達(dá)成。1953年，Powers等[22]又提出了滲透壓假說(shuō)，認(rèn)為孔隙水的凍結(jié)順序與孔徑大小有關(guān)。滲透壓理論示意圖如圖2所示，大孔隙中的液體先發(fā)生凍結(jié)，使其離子濃度上升并與小孔隙產(chǎn)生濃度差，從而導(dǎo)致液體發(fā)生遷移，大孔隙內(nèi)液體壓力不斷增加，混凝土產(chǎn)生損傷。Litvan[23]和Fgaerlund[24]進(jìn)一步發(fā)展了上述理論，討論了強(qiáng)度、孔隙結(jié)構(gòu)、飽和度等材料性能以及相對(duì)濕度、溫度、冷凍速度等環(huán)境條件對(duì)凍害的影響。以上兩種理論在一定程度上解釋了混凝土凍融現(xiàn)象，并推動(dòng)了凍融模型和實(shí)驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)化，但仍不能解釋混凝土受凍收縮和凍融過(guò)程中吸水速率提高的現(xiàn)象[25-26]。2001年，Setzer[27]提出了微冰晶模型，該模型示意圖如圖3所示。冷凍時(shí)，孔隙水壓力增大，液態(tài)水被擠出孔隙并吸附凍結(jié)于微冰晶上，混凝土表現(xiàn)出干燥收縮現(xiàn)象；升溫時(shí)，孔隙內(nèi)壓力降低，液態(tài)水被重新吸收回砂漿孔隙中，此時(shí)外部液態(tài)水也會(huì)被吸收，表現(xiàn)為吸水速率增大。當(dāng)混凝土體達(dá)到臨界飽和度后，在凍融過(guò)程中形成累積損傷并最終發(fā)生破壞。

圖1 靜水壓理論示意圖

圖2 滲透壓理論示意圖

圖3 微冰晶模型示意圖

當(dāng)前，有部分學(xué)者[28-31]認(rèn)為再生粗骨料混凝土的抗凍性能與普通混凝土相似甚至優(yōu)于普通混凝土，其原因主要有再生混凝土多孔結(jié)構(gòu)引入大量氣體能夠有效緩沖膨脹應(yīng)力[30-31]以及較高吸水率有助于混凝土內(nèi)部養(yǎng)護(hù)固化[32]等。然而大多數(shù)研究[33-37]指出再生粗骨料混凝土的抗凍性能劣于普通混凝土。普遍認(rèn)為，這種劣化主要是由再生粗骨料因破碎加工導(dǎo)致的較多微裂縫以及再生粗骨料混凝土內(nèi)部疏松薄弱的多重界面過(guò)渡區(qū)(interfacial transition zone，ITZ)造成的[38-42]。由于再生粗骨料外層粘附有老舊砂漿，因此，相較于普通混凝土，再生粗骨料混凝土內(nèi)部的界面構(gòu)造更加復(fù)雜[41]。具體內(nèi)部界面結(jié)構(gòu)如圖4所示，再生粗骨料混凝土中存在著舊砂漿與新砂漿界面(ITZ1)、舊砂漿與舊骨料界面(ITZ2)以及新砂漿與舊骨料界面(ITZ3)。相較于ITZ3，ITZ1和ITZ2更為薄弱，較多的孔隙和裂隙使其結(jié)構(gòu)疏松脆弱(見(jiàn)圖5)，隨著再生粗骨料取代率的增加，這種脆弱的界面不斷增加，使得再生混凝土的性能不斷退化[43]。已有學(xué)者分別采用光學(xué)顯微鏡薄切片法[43]、掃描電鏡[44-45]、X射線微斷層掃描技術(shù)[46]、納米壓痕法[47-48]以及掃描原子力顯微鏡[49]等方法對(duì)再生混凝土內(nèi)部界面性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，ITZ表現(xiàn)出結(jié)晶疏松、孔隙率大的特點(diǎn)[44,49]，特別是新舊砂漿之間形成的ITZ1，其壓痕模量比周邊砂漿體低10%～20%且寬度較ITZ2和ITZ3大15 μm左右[47]，再生混凝土在受力時(shí)產(chǎn)生的微裂縫首先出現(xiàn)在ITZ范圍內(nèi)并不斷擴(kuò)展[45]。

圖4 再生粗骨料混凝土內(nèi)部界面結(jié)構(gòu)

圖5 再生粗骨料混凝土界面過(guò)渡區(qū)SEM照片[56]

結(jié)合以上對(duì)普通混凝土凍融破壞機(jī)理和再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的分析，推測(cè)再生粗骨料混凝土的凍融破壞過(guò)程如下：凍融時(shí)，再生粗骨料混凝土由于多重ITZ的形成造就了更多的微小孔隙，孔隙尺寸越小則吸水速率越大[50]，同時(shí)隨著再生粗骨料摻量的增加其吸水性也在不斷提升[51-52]；再生粗骨料混凝土的臨界飽和度約為81%～83%，低于普通混凝土的臨界飽和度86%～88%，一旦達(dá)到臨界飽和度，則損傷開(kāi)始發(fā)生于近三個(gè)循環(huán)周期[37]。因此，在相同寒冷環(huán)境下，再生粗骨料混凝土先于并更易于普通混凝土發(fā)生內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。接下來(lái)，小孔隙之間的間隔在凍融損傷中不斷崩解，總孔隙率以及孔隙聯(lián)結(jié)形成的裂隙隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，又為水滲入混凝土內(nèi)部建立了通道[53-54]；孔隙不斷生成并且尺寸不斷擴(kuò)大，孔隙尺寸越大則其內(nèi)部水分越早凍結(jié)[55]，進(jìn)一步產(chǎn)生水壓對(duì)再生混凝土產(chǎn)生損傷。最終，在這一系列損傷的循環(huán)積累下，再生粗骨料混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷疏松化發(fā)展，在損傷累積一定程度后，即認(rèn)為再生混凝土不再具有足夠的承載能力，發(fā)生凍融破壞。

2 凍融形貌變化

2.1 宏觀形貌變化

混凝土的宏觀形貌變化是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，是一個(gè)由表層向內(nèi)部逐漸破壞的過(guò)程[57]。Liu等[52]將再生粗骨料混凝土凍融破壞的外觀變化總結(jié)為四個(gè)階段：凍融初期，表面基本無(wú)變化，無(wú)可見(jiàn)損傷，沒(méi)有粗骨料外露；凍融中期，表面砂漿部分剝落，形成少量孔洞，整體完整；凍融后期，表面砂漿剝落量增加，粗骨料逐漸暴露出來(lái)；凍融破壞階段，表面砂漿剝落嚴(yán)重，外層粗骨料粘結(jié)失效、發(fā)生脫落。圖6為普通混凝土(normal concrete, NC)和再生粗骨料摻量為100%的再生混凝土(recycled concrete, RC)凍融循環(huán)200次過(guò)程中的外觀對(duì)比圖片。普通混凝土和再生混凝土在凍融試驗(yàn)中的表面形態(tài)具有相同的變化趨勢(shì)，但是由于再生粗骨料與膠凝材料之間的粘結(jié)弱于普通混凝土，因此當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，再生粗骨料混凝土的損傷程度比普通混凝土更加嚴(yán)重[58]。凍融試驗(yàn)前，兩類混凝土試塊表面光滑平整、邊緣完整有棱角；凍融循環(huán)50次時(shí)，試塊表面變得粗糙，少量砂漿脫落，兩類試件外觀差別不大；凍融循環(huán)100次時(shí)，砂漿脫落增多，棱角有損失，普通混凝土表面部分可見(jiàn)粗骨料，再生混凝土的粗骨料明顯顯露出來(lái)且試塊邊角處不再完整；凍融循環(huán)150次時(shí)，試塊砂漿大量脫落，粗骨料暴露明顯，再生混凝土試塊出現(xiàn)缺邊少角；凍融循環(huán)200次時(shí)，試塊砂漿成片缺失，邊角表現(xiàn)出明顯弧度，表層粗骨料突出，再生混凝土的表面凹陷相較于普通混凝土更寬，更深，范圍更大。有學(xué)者[59-62]對(duì)再生粗骨料混凝土進(jìn)行了300次凍融循環(huán)試驗(yàn)，表面形貌如圖7所示。經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后的再生粗骨料混凝土試件表面砂漿大面積缺失，殘留砂漿疏松脆弱，沿暴露出的粗骨料邊緣形成凹槽，部分粗骨料甚至發(fā)生脫落，凍融損傷極為明顯。

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混凝土試件的外觀形貌[63]

圖7 300次凍融循環(huán)后再生粗骨料混凝土試件的外觀形貌[59-62]

2.2 微觀形貌變化

再生粗骨料混凝土受凍害時(shí)的微觀形貌變化受再生粗骨料的原始缺陷和混凝土內(nèi)部ITZ的影響較大。ITZ處的砂漿體結(jié)構(gòu)因其孔隙率大、比重小、機(jī)械強(qiáng)度低是再生粗骨料混凝土內(nèi)部最為薄弱的環(huán)節(jié)[64]。大量微小孔隙的孔隙壁在內(nèi)部水分凍結(jié)融化的過(guò)程中不斷承受壓力而發(fā)生破裂，導(dǎo)致砂漿體逐漸由密實(shí)變得疏松，同時(shí)孔隙之間相互連通形成裂縫，進(jìn)而在宏觀上表現(xiàn)為再生混凝土力學(xué)性能的下降[41]。再生混凝土與普通混凝土之間的抗凍性能差異主要是ITZ范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)觀察分析可以更加直觀地揭示再生粗骨料混凝土在凍融循環(huán)中的性能退化[65]。圖8為再生粗骨料摻量為100%的再生混凝土以及普通混凝土在200次凍融循環(huán)過(guò)程中的微觀掃描電鏡照片。凍融試驗(yàn)前，再生混凝土中新砂漿與老舊砂漿之間已存在細(xì)微裂縫，砂漿表面比較平整，存在少量獨(dú)立小孔隙；凍融循環(huán)50次時(shí)，裂縫和孔隙進(jìn)一步發(fā)展，砂漿表面變得粗糙，出現(xiàn)少量絮狀膠凝材料；凍融循環(huán)100次時(shí)，ITZ處膠凝材料呈絮狀或網(wǎng)狀，并伴有砂漿剝落，裂縫由界面向兩側(cè)擴(kuò)展；凍融循環(huán)150次時(shí)，再生混凝土中大量孔隙相互聯(lián)結(jié)，裂縫寬度增大，砂漿出現(xiàn)塊狀分層；凍融循環(huán)200次時(shí)，ITZ范圍內(nèi)的裂縫相互貫通，砂漿體開(kāi)裂，孔隙全面發(fā)展，膠凝材料表現(xiàn)出明顯的疏松結(jié)構(gòu)。相較于再生混凝土，普通混凝土在凍融循環(huán)150次和200次時(shí)僅產(chǎn)生少量微裂縫和小孔洞，裂縫孤立未貫通，砂漿體仍表現(xiàn)得較為密實(shí)，保持有一定的粘結(jié)力和微觀結(jié)構(gòu)性能。圖9為300次凍融循環(huán)后再生混凝土的微觀形貌，可見(jiàn)此時(shí)裂縫和孔隙已發(fā)展得較為完全，裂縫相互貫通形成網(wǎng)絡(luò)，大孔隙較多且分布密集，膠凝材料呈塊狀剝離狀態(tài)，ITZ范圍內(nèi)的砂漿表現(xiàn)為松散顆粒堆積，顯然已不再具有任何粘結(jié)作用，可以推斷此時(shí)的再生混凝土即將或已達(dá)到凍融破壞標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土試件的微觀形貌[63]

3 凍融性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

當(dāng)前，已有大量學(xué)者對(duì)再生混凝土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)并取得了有益的研究成果，較為普遍采用的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有質(zhì)量損失、相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度。本文選取了僅以再生混凝土粗骨料為替代粗骨料、未進(jìn)行改性強(qiáng)化的再生混凝土的凍融循環(huán)試驗(yàn)的相關(guān)研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納，以期為再生粗骨料混凝土的抗凍性能研究和應(yīng)用提供支持。

3.1 質(zhì)量損失

在凍融試驗(yàn)過(guò)程中，再生混凝土試件由于砂漿掉渣、骨料剝離等原因造成質(zhì)量降低，與試件表面剝蝕程度總體上表現(xiàn)出一致性[66-67]，因此測(cè)量試件的質(zhì)量損失可以作為衡量再生混凝土凍融損傷水平的一個(gè)較為直觀的方法[68]。王瑞駿[61]將再生混凝土在凍融過(guò)程中質(zhì)量損失率的變化分為三個(gè)階段：(1)下降期(0～25次循環(huán))，凍融損傷連通了更多的混凝土內(nèi)部滲水通道使砂漿體吸水能力得到提升，質(zhì)量損失率出現(xiàn)負(fù)值；(2)緩慢上升期(25～200次循環(huán))，再生混凝土吸水接近飽和，但內(nèi)部孔隙和微裂縫仍在發(fā)展，砂漿剝落不斷增加，質(zhì)量損失表現(xiàn)出上升態(tài)勢(shì)；(3)加速上升期(200～300次循環(huán))，再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)薄弱面不斷增多，表面砂漿大面積剝蝕，個(gè)別粗骨料脫落，質(zhì)量損失速率增大。選取部分文獻(xiàn)[52,68-73]中再生粗骨料混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)質(zhì)量損失的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，如圖10所示。在“再生粗骨料摻量-質(zhì)量損失率”平面上，有一束折線較為集中地出現(xiàn)在質(zhì)量損失率0%線以下，這便是再生粗骨料混凝土在凍融初期出現(xiàn)的質(zhì)量損失負(fù)增長(zhǎng)的情況。曲線幾乎無(wú)斜率，表明再生粗骨料摻量對(duì)這一現(xiàn)象的影響較小，同時(shí)也說(shuō)明了在較為有限的凍融循環(huán)次數(shù)下，難以以質(zhì)量損失率來(lái)衡量不同再生粗骨料摻量的再生混凝土抗凍性能。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的再次增加，再生粗骨料混凝土質(zhì)量損失率曲線依次排列出現(xiàn)，開(kāi)始表現(xiàn)出質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)增長(zhǎng)的規(guī)律。劉傳輝等[56]的研究體現(xiàn)了這一規(guī)律，摻量50%和100%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的再生混凝土經(jīng)過(guò)25次、50次、75次、100次、125次、150次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率分別為-0.21%、-0.38%、0.19%、0.87%、2.33%、3.86%和-0.36%、-0.58%、0.32%、1.27%、2.82%、4.01%。

圖10 再生粗骨料混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)質(zhì)量損失率變化曲線

由圖10“凍融循環(huán)次數(shù)-質(zhì)量損失率”平面上可以看出，再生粗骨料摻量對(duì)再生混凝土在凍融循環(huán)中的質(zhì)量損失率變化的影響也具有一定的規(guī)律性。在再生粗骨料摻量影響方面，摻量50%及以下的再生混凝土質(zhì)量損失率在凍融過(guò)程中的數(shù)據(jù)點(diǎn)較為集中地分布于下側(cè)，與普通混凝土試件性能相近，且呈現(xiàn)出較為均勻的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。再生粗骨料摻量在70%～100%的再生混凝土的質(zhì)量損失則與前者相差較大，數(shù)值較為分散地出現(xiàn)在上側(cè)，并且在凍融過(guò)程中的變化也更加劇烈，表現(xiàn)出較差且較為離散的抗凍性能。Xiao等[53]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻量為0%、33%、66%和100%的再生混凝土在凍融循環(huán)75次時(shí)的質(zhì)量損失率分別為2.34%、2.95%、3.89%和5.45%。范玉輝等[66]研究指出，凍融循環(huán)100次時(shí)，摻量50%和100%的再生混凝土的質(zhì)量損失率為普通混凝土的120%和239%。劉全升[74]研究發(fā)現(xiàn)，摻量25%、50%、75%和100%的再生混凝土的質(zhì)量損失率在凍融循環(huán)120次時(shí)分別為3.2%、4.0%、4.7%和5.6%。鄧祥輝等[68]的試驗(yàn)指出，摻量0%、25%、50%、75%和100%的試件經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率分別為1.90%、1.82%、1.63%、3.55%和5.47%。鄒超英等[75]研究指出，凍融循環(huán)200次時(shí)，摻量33%和66%的再生混凝土的質(zhì)量損失率分別為3.08%和6.35%，此時(shí)摻量100%的試件已發(fā)破壞。El-Hawary等[76]的試驗(yàn)指出，經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，摻量為100%的再生混凝土的質(zhì)量損失損失率相較普通混凝土高67%。Liu等[52]研究表明再生粗骨料摻量對(duì)再生混凝土抗凍性能起到控制作用，凍融循環(huán)300次時(shí)，普通混凝土質(zhì)量損失率為3.71%，摻量20%和40%的再生混凝土的質(zhì)量損失率已超過(guò)5%，而摻量60%的試件在175次時(shí)就已達(dá)到這一數(shù)值。

作為混凝土凍融試驗(yàn)中最普遍使用、最便捷獲取的數(shù)據(jù)，也有學(xué)者[77-78]認(rèn)為，質(zhì)量損失率作為再生混凝土抗凍性能指標(biāo)也有其局限性。凍融初期，試驗(yàn)中普遍出現(xiàn)負(fù)質(zhì)量損失率并非試件本身的質(zhì)量增加，而是前期試件吸水量大于混凝土剝落量，但此時(shí)混凝土表面砂漿的剝蝕仍是質(zhì)量損失的表現(xiàn)[56]。同時(shí)這也使得再生混凝土在凍融初期的質(zhì)量損失并不明顯[63]，甚至?xí)霈F(xiàn)高再生骨料摻量試件的質(zhì)量損失率在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中恒為負(fù)值的情況[79]。此外，質(zhì)量損失率作為衡量指標(biāo)的變化范圍較小[78]，相較于相對(duì)動(dòng)彈性模量60%的最大變化范圍，質(zhì)量損失率的差別有時(shí)只有4%[60]，區(qū)分能力并不明顯。

3.2 相對(duì)動(dòng)彈性模量

混凝土動(dòng)彈性模量通過(guò)彈性波在混凝土內(nèi)傳播速度的變化來(lái)衡量材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)[68]，可在不破壞試件的情況下確定混凝土的凍害情況[56]。相對(duì)于質(zhì)量損失是反應(yīng)混凝土表面損傷程度的指標(biāo)，動(dòng)彈性模量則通過(guò)測(cè)試內(nèi)部密實(shí)程度來(lái)反映混凝土的凍融損傷水平[61,80]。在凍融循環(huán)中，再生粗骨料混凝土的孔隙和微裂縫不斷擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)逐漸疏松，導(dǎo)致動(dòng)彈性模量下降[53,81]。選取部分文獻(xiàn)[52,61,68,71,82-84]中再生粗骨料混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)相對(duì)動(dòng)彈性模量(relative dynamic elastic modulus，RDEM)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，如圖11所示。再生粗骨料混凝土在凍融循環(huán)中的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率受凍融循環(huán)次數(shù)和再生粗骨料摻量影響的變化趨勢(shì)與質(zhì)量損失率相同，均為凍融循環(huán)次數(shù)越多、再生粗骨料摻量越大，損失率越高，同時(shí)再生混凝土本身材料性能的影響也比較大，不同水灰比[85]、不同設(shè)計(jì)強(qiáng)度[62]、不同再生粗骨料來(lái)源[61,86]的再生混凝土在凍融循環(huán)試驗(yàn)中相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化速率均存在較大差異。在“凍融循環(huán)次數(shù)-相對(duì)動(dòng)彈性模量”平面上，可以看到數(shù)據(jù)點(diǎn)在上下兩側(cè)分別集中為兩束，但其區(qū)別并非由再生粗骨料摻量導(dǎo)致的，而是不同研究中的再生混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化趨勢(shì)存在差異。Xiao等[53]研究指出，經(jīng)過(guò)75次凍融循環(huán)，普通混凝土的殘余動(dòng)彈性模量分別為再生粗骨料摻量33%、66%和100%的再生混凝土的1.15倍、1.78倍和5.01倍。而張金喜等[83]研究指出，凍融循環(huán)100次時(shí)，摻量50%和100%的再生混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量損失分別是普通混凝土的3.75倍和6.41倍。鄧祥輝等[60]的試驗(yàn)指出摻量0%、25%、50%、75%、100%的再生混凝土經(jīng)過(guò)150次凍融循環(huán)后的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別降至58.5%、50.9%、53.85%、45.5%和41.35%。覃源等[80]研究發(fā)現(xiàn)，在100次和200次凍融循環(huán)時(shí)，摻量0%、50%、100%的混凝土試件的殘余相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為93.7%、92.7%、90.1%和91.0%、89.0%、77.5%?？梢?jiàn)，不同研究中的再生粗骨料混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量的變化范圍和敏感程度是不同的。

圖11 再生粗骨料混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)相對(duì)動(dòng)彈性模量損失率變化曲線

在“再生粗骨料摻量-相對(duì)動(dòng)彈性模量”平面上也能清晰地看到變化趨勢(shì)差異較大的多種折線的存在。曹萬(wàn)林等[77]試驗(yàn)指出各再生粗骨料摻量的再生混凝土試件在凍融循環(huán)25次、50次、75次、100次時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化均值分別為4.4%、5.5%、7.9%和12.5%。劉傳輝等[56]研究指出再生粗骨料摻量為50%的再生混凝土在凍融循環(huán)25次、50次、75次、100次、125次、150次時(shí)的相對(duì)動(dòng)彈性模量分別為6.13%、13.95%、21.18%、28.96%、33.85%和38.76%；摻量100%的試件在凍融循環(huán)100次時(shí)的損失率就已達(dá)到34.53%，凍融150次時(shí)為42.87%。Liu等[52]研究表明，相較于摻量20%和40%的再生混凝土，摻量60%的試件相對(duì)動(dòng)彈性模量在凍融循環(huán)中下降更加迅速；經(jīng)過(guò)300次循環(huán)，摻量為0%、20%、40%的混凝土的殘余相對(duì)動(dòng)彈性模量分別降至83.0%、58.1%和57.9%，而摻量100%的試件在175次凍融循環(huán)時(shí)就降至51.1%。El-Hawary等[76]對(duì)再生混凝土進(jìn)行了300次凍融循環(huán)試驗(yàn)，指出取代率為50%的再生混凝土在210次循環(huán)時(shí)的彈性模量已降至凍融前的60%以下，而取代率0%的混凝土試件在300次凍融循環(huán)后仍大于凍融前數(shù)值的60%。Jain等[36]的研究則指出，經(jīng)過(guò)400次凍融循環(huán)，再生粗骨料摻量為0%、30%和100%的再生混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量則分別降至96%、92%和86%，循環(huán)次數(shù)多但衰減幅度并不大。可見(jiàn)，不同工藝下的再生混凝土內(nèi)部密實(shí)程度和薄弱界面數(shù)量、強(qiáng)度不同，使取得的相對(duì)動(dòng)彈性模量具有不同的變化趨勢(shì)。這使得有的再生混凝土在摻量達(dá)到100%時(shí)仍具有很高的抗凍性能，而部分再生混凝土在50%摻量時(shí)即達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。因此，在寒冷環(huán)境下應(yīng)用再生粗骨料混凝土，從原材料、工藝等各個(gè)環(huán)節(jié)上對(duì)再生混凝土的品質(zhì)進(jìn)行控制顯得尤為重要。

作為通過(guò)材料密實(shí)程度體現(xiàn)再生混凝土抗凍能力的指標(biāo)，相對(duì)動(dòng)彈性模量也有其局限性存在。部分再生混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)[56,61,80,82]出現(xiàn)了相對(duì)動(dòng)彈性模量在試驗(yàn)前半段(100～150次凍融循環(huán))的數(shù)據(jù)變化和曲線差異不明顯的情況。陳德玉等[82]的研究指出，再生粗骨料混凝土在凍融循環(huán)0～150次之間的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化量較小，下降幅度在2.95%～3.65%之間，且性能劣化程度基本與再生粗骨料摻量無(wú)關(guān)。王瑞駿等[61]研究指出:前150次凍融循環(huán)試驗(yàn)中再生混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化緩慢，各組試件變化均值為9.35%；在凍融循環(huán)150～300次時(shí)變化較為明顯，均值達(dá)到18.25%。可見(jiàn)，在凍融開(kāi)始后再生混凝土內(nèi)部孔隙、裂隙發(fā)育不充分的較長(zhǎng)一個(gè)階段中，相對(duì)動(dòng)彈性模量的反應(yīng)并不敏感，可能出現(xiàn)不能較好體現(xiàn)再生混凝土抗凍性能受凍融循環(huán)和再生粗骨料摻量影響而變化的情況。

3.3 抗壓強(qiáng)度

有研究[58,73,87]認(rèn)為，相較于質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量，采用抗壓強(qiáng)度作為再生混凝土抗凍性能指標(biāo)更為合理，指出抗壓強(qiáng)度能夠反映凍融過(guò)程中再生粗骨料混凝土的綜合性能[58]，能夠體現(xiàn)再生粗骨料作為再生混凝土受力骨架的強(qiáng)度劣化趨勢(shì)[73]以及與水泥砂漿之間粘結(jié)性能的變化[87]，并能由其建立準(zhǔn)確度較高的凍融損傷預(yù)測(cè)模型[41,56,88]。選取部分文獻(xiàn)[52,56,68,73,87-89]中再生粗骨料混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，如圖12所示。在“凍融循環(huán)次數(shù)-相對(duì)動(dòng)彈性模量”平面上，可以清楚地看到數(shù)值點(diǎn)較為集中地分布于斜對(duì)角線方向上并且具有統(tǒng)一的變化趨勢(shì)?？梢?jiàn)，在整個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)中，各再生粗骨料摻量的再生混凝土抗壓強(qiáng)度損失率呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的增長(zhǎng)，說(shuō)明抗壓強(qiáng)度這一指標(biāo)能夠較為完整地反映再生粗骨料混凝土在整個(gè)受凍害過(guò)程中的凍融損傷程度。Fiol等[90]的試驗(yàn)指出，經(jīng)過(guò)56次凍融循環(huán)，取代率0%的混凝土試件的抗壓強(qiáng)度損失率為8%，而100%取代率的再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度損失率則達(dá)到了30%，劣化明顯。曹芙波等[58]研究指出：凍融循環(huán)100次以后，再生粗骨料混凝土試件內(nèi)部有大量冰晶產(chǎn)生，抗壓強(qiáng)度損失率大幅增加；經(jīng)過(guò)150次凍融循環(huán)后，再生粗骨料摻量為0%和100%的混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率分別為45.5%和53.3%。肖前慧等[91]對(duì)再生粗骨料混凝土進(jìn)行了300次凍融循環(huán)試驗(yàn)，隨著凍融次數(shù)繼續(xù)增加，凍結(jié)區(qū)域深入試件內(nèi)部，ITZ區(qū)域的微小損傷及孔隙加速擴(kuò)展，再生粗骨料與砂漿的聯(lián)結(jié)被破壞，抗壓強(qiáng)度迅速下降。Santana等[62]配制了強(qiáng)度等級(jí)分別為C35和C60的不同再生粗骨料摻量的再生混凝土，在150次和300次凍融循環(huán)時(shí)，C35組和C60組的再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率分別為7.1%～10.0%、3.4%～6.3% 和15.3%～21.2%、11.9%～15.9%。

圖12 再生粗骨料混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度損失率變化曲線

由圖12“凍融循環(huán)次數(shù)-再生粗骨料摻量”平面可見(jiàn)，各組不同再生粗骨料摻量的再生混凝土抗壓強(qiáng)度損失率在不同凍融循環(huán)周期上也有較為一致的增長(zhǎng)趨勢(shì)且數(shù)據(jù)分布較均勻，說(shuō)明抗壓強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)不同再生粗骨料摻量的再生混凝土抗凍性能的差別也有較好的呈現(xiàn)效果。肖建莊等[87]分別選取原石為碎石和礫石的再生粗骨料配制再生混凝土并對(duì)其進(jìn)行100次凍融循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果表明，普通混凝土在凍融試驗(yàn)中的抗壓強(qiáng)度降低緩慢，而再生混凝土抗壓強(qiáng)度下降較為顯著；再生粗骨料摻量為0%和50%的碎石和礫石粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率分別為19.074%、34.557%和21.017%、36.525%。韓風(fēng)霞等[73]研究表明，當(dāng)再生粗骨料大量取代天然粗骨料作為混凝土骨架時(shí)，骨架缺陷較多，導(dǎo)致再生混凝土在凍融過(guò)程中抗壓強(qiáng)度損失率較高；經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)，摻量0%、25%、50%、75%和100%的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度損失率分別為19.4%、21.4%、22.1%、23.9%和24.3%。從抗壓強(qiáng)度劣化水平來(lái)看，再生粗骨料摻量應(yīng)控制在50%以內(nèi)[64,68,77]。鄧祥輝等[68]研究表明，經(jīng)過(guò)200次凍融循環(huán)，各組試件的抗壓強(qiáng)度損失率在24.8%～38.5%之間，摻量100%的試件的抗壓強(qiáng)度損失率始終最大，摻量50%的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度最接近普通混凝土。劉全升[74]研究指出，凍融循環(huán)240次時(shí)，摻量100%的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度為普通混凝土的61%，劣化明顯。Liu等[51]對(duì)摻量0%、25%、75%、100%的再生混凝土進(jìn)行了300次凍融循環(huán)試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度損失率分別為18.69%、21.21%、27.35%和33.04%。

4 抗凍性能研究的不足

當(dāng)前對(duì)于再生粗骨料混凝土凍融破壞機(jī)理的研究主要集中于ITZ范圍的劣化過(guò)程和內(nèi)部微裂縫、孔隙發(fā)育的影響，對(duì)其凍融損傷成因和力學(xué)基礎(chǔ)的研究較為欠缺。由于再生粗骨料來(lái)源的不確定性和再生粗骨料混凝土內(nèi)部界面的多樣性，再生混凝土的凍融破壞機(jī)理也應(yīng)當(dāng)是更加復(fù)雜的，因此直接套用普通混凝土的凍融破壞機(jī)理的假說(shuō)進(jìn)行解釋可能還不夠準(zhǔn)確。應(yīng)當(dāng)對(duì)再生粗骨料混凝土的凍融破壞機(jī)理進(jìn)行更加系統(tǒng)深入的研究。

再者，應(yīng)當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)化凍融試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際工程環(huán)境對(duì)再生粗骨料混凝土的抗凍性能進(jìn)行研究。Fagerlund[24]認(rèn)為，廣泛使用的混凝土材料冷凍測(cè)試主要集中在選擇何種試驗(yàn)方式以獲得最佳數(shù)據(jù)相關(guān)性，而非針對(duì)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行模擬研究，這就使得實(shí)驗(yàn)室研究數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)用存在著一定出入。李金玉等[20]研究表明，混凝土的凍融破壞不僅與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)，還與凍結(jié)溫度有關(guān)。朱平華等[92]指出，實(shí)際使用中的大部分混凝土并非長(zhǎng)期處于飽水狀態(tài)，而是存在著干濕循環(huán)變化。劉西拉等[93]也指出實(shí)驗(yàn)室環(huán)境所給出的結(jié)冰速率和充水程度較實(shí)際情況更加嚴(yán)苛；同時(shí)試驗(yàn)中所使用的試件是自由變形、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的完整小試件，而現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的混凝土在澆筑后的收縮變形會(huì)受到約束，且抗凍耐久性考察的重點(diǎn)為混凝土構(gòu)件的保護(hù)層部分。因此，還應(yīng)進(jìn)一步針對(duì)相應(yīng)工程中特定的凍害環(huán)境對(duì)再生混凝土的抗凍性能進(jìn)行具體研究，使得再生粗骨料混凝土能更好地服務(wù)于實(shí)際工程。

對(duì)于再生粗骨料混凝土抗凍性能指標(biāo)的選取和抗凍性能試驗(yàn)方法也需要進(jìn)一步研究和創(chuàng)新。質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量在凍融循環(huán)次數(shù)較少時(shí)的反應(yīng)并不敏感，同時(shí)質(zhì)量損失不能體現(xiàn)再生混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷變化[89]，有時(shí)甚至還會(huì)產(chǎn)生偏差[94]，具有一定的局限性?？箟簭?qiáng)度這一指標(biāo)對(duì)再生粗骨料混凝土承受凍害時(shí)的性能劣化體現(xiàn)得較為準(zhǔn)確，但獲取過(guò)程為破壞性試驗(yàn)，在變量較多以及凍融循環(huán)次數(shù)較多、間隔密集時(shí)，會(huì)存在試件數(shù)量較多、試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、成本較高的情況，少有大批量進(jìn)行凍融后抗壓試驗(yàn)的研究，這也阻礙了再生混凝土抗凍性能研究的進(jìn)一步發(fā)展。因此，還需進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)新的非破壞性且效果良好的再生混凝土抗凍性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和測(cè)試方法。當(dāng)前，已有大量學(xué)者[95-99]采用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)再生粗骨料混凝土的損傷過(guò)程進(jìn)行研究。秦?fù)碥姷萚95]研究發(fā)現(xiàn)隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的聲發(fā)射累計(jì)振鈴數(shù)呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)。劉茂軍等[96]指出使用經(jīng)過(guò)物理強(qiáng)化的再生粗骨料制備再生混凝土，試件在聲發(fā)射試驗(yàn)中的高頻信號(hào)增多，其損傷過(guò)程更接近普通混凝土。于江等[97]發(fā)現(xiàn)再生混凝土損傷演化過(guò)程與聲發(fā)射特征聯(lián)系密切，聲發(fā)射特征變化率可用以描述再生混凝土損傷過(guò)程。Kencanawati等[98]指出采用聲發(fā)射技術(shù)所獲數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與其他常用方法的分析結(jié)果具有一致性，認(rèn)為該方法可以用以確定再生混凝土的損傷狀態(tài)。Men等[99]的試驗(yàn)指出聲發(fā)射技術(shù)能較好地監(jiān)測(cè)再生混凝土中ITZ和砂漿區(qū)域裂縫發(fā)展情況，并據(jù)此提出了對(duì)應(yīng)的再生混凝土材料壓縮性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。Li等[100]的研究指出聲發(fā)射的能量值、計(jì)數(shù)的變化與再生混凝土裂縫開(kāi)展速率有關(guān)，可將損傷階段分為初始損傷、穩(wěn)定發(fā)展和內(nèi)部損傷三個(gè)階段。王炳雷等[101]的試驗(yàn)指出再生混凝土聲發(fā)射峰值能量比普通混凝土高，隨著再生骨料取代率的增加，峰值能量的大小和數(shù)量均有所增加。張仕樺等[102]研究發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號(hào)的迅速大量出現(xiàn)可以作為再生混凝土材料即將失穩(wěn)破壞的標(biāo)志。圖13為超聲波波速損失率受凍融循環(huán)次數(shù)和再生粗骨料取代率影響的變化曲線。再生粗骨料混凝土的超聲波波速與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實(shí)，則超聲波波速越快，說(shuō)明再生混凝土在承受凍害后的損傷越小[68]。同時(shí)，超聲波波速測(cè)試不會(huì)對(duì)混凝土體產(chǎn)生破壞，測(cè)量時(shí)也無(wú)需整體激振，適用于實(shí)際工程中的混凝土凍害檢測(cè)[63]。因此，聲發(fā)射技術(shù)是反映寒冷環(huán)境下再生混凝土結(jié)構(gòu)性能及其材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的一種較為準(zhǔn)確方便的測(cè)試方式，凍融損傷檢測(cè)也需要對(duì)諸如此類的指標(biāo)方法進(jìn)行更多更深入的探索與推廣。

圖13 再生粗骨料混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)超聲波波速損失率變化曲線

5 結(jié)語(yǔ)與展望

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)再生粗骨料混凝土的凍融損傷機(jī)理和抗凍性能進(jìn)行了廣泛研究，研究結(jié)果以及存在的問(wèn)題如下：

(1)ITZ是再生粗骨料混凝土承受凍害時(shí)的薄弱環(huán)節(jié)，凍融過(guò)程中微裂縫和孔隙的不斷發(fā)育使得再生粗骨料混凝土的抗凍性能不斷劣化。當(dāng)前對(duì)于再生粗骨料混凝土抗凍性能的研究主要集中于對(duì)ITZ、微裂縫和孔隙的研究，對(duì)損傷成因和力學(xué)基礎(chǔ)的研究較為欠缺。

(2)標(biāo)準(zhǔn)化的凍融循環(huán)試驗(yàn)對(duì)再生粗骨料混凝土抗凍性能的研究提供了有力支撐。但試驗(yàn)在凍結(jié)溫度、飽水程度、變形約束等方面的環(huán)境模擬與具體工程中的再生粗骨料混凝土服役條件還存在一定差異。

(3)再生粗骨料摻量50%以下的再生混凝土的抗凍性能與普通混凝土相似，使用時(shí)需控制再生粗骨料的摻量。質(zhì)量損失以及相對(duì)動(dòng)彈性模量和抗壓強(qiáng)度分別從表觀損傷和內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷的角度反映了再生粗骨料混凝土在凍融過(guò)程中的性能劣化趨勢(shì)，但均存在一定的局限性。質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈性模量在凍融試驗(yàn)前期反應(yīng)不敏感，還會(huì)存在一定偏差；抗壓強(qiáng)度雖能較好體現(xiàn)再生粗骨料混凝土在試驗(yàn)全程的綜合抗凍性能，但其破壞性試驗(yàn)的性質(zhì)并不利于廣泛、大量地開(kāi)展檢測(cè)。

針對(duì)上述當(dāng)前研究中存在的不足，對(duì)未來(lái)再生粗骨料混凝土抗凍性能研究提出了如下研究方向展望：

(1)對(duì)再生粗骨料混凝土的凍融破壞機(jī)理進(jìn)行針對(duì)性研究，從微觀角度具體研究分析再生粗骨料混凝土承受凍害時(shí)的基體損傷過(guò)程，并進(jìn)一步對(duì)再生粗骨料混凝土凍融損傷成因和力學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行研究驗(yàn)證。

(2)在標(biāo)準(zhǔn)化凍融試驗(yàn)的基礎(chǔ)上針對(duì)特定工程環(huán)境對(duì)再生粗骨料混凝土的抗凍性能進(jìn)行研究，使其抗凍性能研究成果能夠更加直接地應(yīng)用于實(shí)際工程和結(jié)構(gòu)服役中去。

(3)創(chuàng)新再生粗骨料混凝土抗凍性能研究指標(biāo)和研究方法，研究開(kāi)發(fā)無(wú)損且表征良好的抗凍性能測(cè)試方法，以利于更廣泛更大量地進(jìn)行再生粗骨料混凝土抗凍性能檢測(cè)。