再生粗骨料对再生混凝土基本力学及抗冻性能的影响研究

再生粗骨料对再生混凝土基本力学及抗冻性能的影响研究摘要本研究旨在深入探究再生粗骨料对再生混凝土基本力学性能及抗冻性能的影响。通过设计不同再生粗骨料取代率的再生混凝土配合比，进行立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度等基本力学性能试验，以及快冻法抗冻试验。研究结果表明，随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的基本力学性能呈现下降趋势，抗冻性能也有所降低。同时，分析了再生粗骨料影响再生混凝土性能的作用机理，并提出了改善再生混凝土性能的优化措施，为再生混凝土的工程应用提供理论依据和技术支持。关键词再生粗骨料；再生混凝土；力学性能；抗冻性能；影响研究一、引言（一）研究背景随着城市化进程的加速，大量建筑物的拆除与新建产生了数量庞大的建筑垃圾。据统计，我国每年产生的建筑垃圾已达数十亿吨，且呈逐年增长趋势。传统的建筑垃圾处理方式如填埋、露天堆放等，不仅占用大量土地资源，还会对土壤、水体和大气环境造成严重污染。将建筑垃圾中的废弃混凝土加工成再生粗骨料用于制备再生混凝土，是实现建筑垃圾资源化利用的有效途径之一，对于缓解天然骨料资源短缺、减少环境污染、推动可持续发展具有重要意义。（二）研究目的及意义尽管再生混凝土在资源循环利用方面具有显著优势，但其性能与天然骨料混凝土存在一定差异。再生粗骨料的物理力学性能、颗粒形状及级配等特性，会对再生混凝土的基本力学性能和抗冻性能产生重要影响。深入研究再生粗骨料对再生混凝土性能的影响规律，有助于优化再生混凝土配合比设计，提高再生混凝土的质量和工程适用性，推动再生混凝土在实际工程中的广泛应用，进而促进建筑行业的绿色可持续发展。（三）国内外研究现状国外在再生混凝土研究方面起步较早，学者们对再生粗骨料的性能、再生混凝土的力学性能和耐久性等进行了大量研究。例如，[国外学者姓名]研究发现，再生粗骨料的吸水率较高，会影响再生混凝土的工作性和强度发展；[另一国外学者姓名]通过试验表明，再生混凝土的抗冻性能随着再生粗骨料取代率的增加而降低。国内对再生混凝土的研究虽起步相对较晚，但发展迅速。众多学者围绕再生粗骨料的预处理、再生混凝土的配合比优化、性能改善等方面展开研究。[国内学者姓名]提出通过对再生粗骨料进行强化处理，可以有效提高再生混凝土的力学性能；[其他国内学者姓名]研究了不同掺合料对再生混凝土抗冻性能的改善作用。然而，目前关于再生粗骨料对再生混凝土基本力学及抗冻性能影响的研究仍存在一些不足，如不同地区再生粗骨料性能差异对混凝土性能影响的研究较少，再生粗骨料影响混凝土性能的微观机理研究还不够深入等。二、试验材料与方法（一）试验材料水泥：采用P・O42.5普通硅酸盐水泥，其各项性能指标均符合国家标准要求。水泥的强度等级、凝结时间、安定性等参数对混凝土的强度发展和工作性能具有关键影响。再生粗骨料：试验所用再生粗骨料由废弃混凝土经破碎、筛分而成，粒径范围为5-25mm。对再生粗骨料的基本性能进行了测试，其表观密度为[X]kg/m³，堆积密度为[Y]kg/m³，吸水率为[Z]%，压碎指标为[W]%。与天然粗骨料相比，再生粗骨料的表观密度较低，吸水率较高，这主要是由于再生粗骨料表面附着有大量的硬化水泥砂浆，存在较多的孔隙和微裂缝。天然粗骨料：选用连续级配的石灰岩碎石，粒径范围同样为5-25mm，表观密度为[A]kg/m³，堆积密度为[B]kg/m³，吸水率为[C]%，压碎指标为[D]%。细骨料：采用中砂，细度模数为[M]，含泥量不超过[P]%，符合建筑用砂标准要求。外加剂：选用聚羧酸系高效减水剂，减水率为[Q]%，用于改善混凝土的工作性能。掺合料：采用Ⅱ级粉煤灰，其烧失量、需水量比等指标均满足相关规范要求，可在一定程度上改善混凝土的耐久性和工作性能。（二）试验配合比设计试验设计了5组再生混凝土配合比，再生粗骨料取代率分别为0%（基准组，即天然骨料混凝土）、30%、50%、70%和100%。在设计配合比时，保持水胶比（0.45）、砂率（38%）和单位用水量（180kg/m³）不变，通过调整再生粗骨料和天然粗骨料的用量来实现不同的取代率。同时，为保证混凝土的工作性能满足试验要求，根据实际情况适当调整高效减水剂的掺量。具体配合比如下：组别再生粗骨料取代率（%）水泥（kg/m³）砂（kg/m³）天然粗骨料（kg/m³）再生粗骨料（kg/m³）水（kg/m³）减水剂（kg/m³）粉煤灰（kg/m³）10[C1][S1][N1]0180[R1][F1]230[C2][S2][N2][R2]180[R3][F2]350[C3][S3][N3][R3]180[R4][F3]470[C4][S4][N4][R4]180[R5][F4]5100[C5][S5]0[R5]180[R6][F5]（三）试验方法基本力学性能试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）进行立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度试验。立方体抗压强度试验采用150mm×150mm×150mm的立方体试块，每组制作3个试块，在标准养护条件下（温度20±2℃，相对湿度≥95%）养护28d后进行试验；轴心抗压强度试验采用150mm×150mm×300mm的棱柱体试块，每组3个试块，养护条件及龄期同立方体抗压强度试验；劈裂抗拉强度试验采用150mm×150mm×150mm的立方体试块，每组3个试块，养护条件和龄期一致。试验时，采用压力试验机以规定的加载速度进行加载，记录破坏荷载，并计算相应的强度值。抗冻性能试验采用快冻法进行抗冻性能试验，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009）。将尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体试块在标准养护条件下养护28d后，放入快速冻融试验机中进行冻融循环试验。冻融循环过程中，试块中心最低和最高温度分别控制在（-18±2）℃和（5±2）℃，一个冻融循环时间为2-4h。每25次冻融循环后，取出试块称重，测量横向基频，并观察试块表面的损伤情况。当试块的相对动弹模量下降至60%以下或质量损失率达到5%时，停止试验。以相对动弹模量和质量损失率作为评价再生混凝土抗冻性能的指标。三、试验结果与分析（一）再生粗骨料对再生混凝土基本力学性能的影响立方体抗压强度图1展示了不同再生粗骨料取代率下再生混凝土的立方体抗压强度变化情况。可以看出，随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的立方体抗压强度逐渐降低。当再生粗骨料取代率为30%时，立方体抗压强度较基准组下降了[X1]%；当取代率达到100%时，抗压强度下降了[X2]%。这主要是因为再生粗骨料表面附着的硬化水泥砂浆强度较低，且存在较多孔隙和微裂缝，与新拌水泥浆体的粘结性能较差，导致再生混凝土内部结构的密实性降低，受力时容易在骨料与水泥石界面过渡区产生裂缝，从而降低了混凝土的抗压强度。轴心抗压强度从图2中轴心抗压强度的试验结果可知，再生混凝土轴心抗压强度的变化趋势与立方体抗压强度相似。随着再生粗骨料取代率的提高，轴心抗压强度逐渐减小。再生粗骨料取代率为100%时，轴心抗压强度较基准组下降了[Y1]%。轴心抗压强度反映了混凝土在实际工程中承受轴向压力的能力，其下降趋势表明再生粗骨料的掺入对再生混凝土的实际受压性能有不利影响。劈裂抗拉强度如图3所示，再生混凝土的劈裂抗拉强度也随着再生粗骨料取代率的增加而降低。当再生粗骨料取代率从0增加到100%时，劈裂抗拉强度下降了[Z1]%。劈裂抗拉强度主要取决于骨料与水泥石之间的粘结强度以及混凝土内部结构的均匀性。再生粗骨料较差的粘结性能和内部缺陷，使得再生混凝土在受拉时更容易产生裂缝，导致劈裂抗拉强度降低。（二）再生粗骨料对再生混凝土抗冻性能的影响相对动弹模量图4为不同再生粗骨料取代率下再生混凝土在冻融循环过程中相对动弹模量的变化曲线。可以发现，随着冻融循环次数的增加，各试件的相对动弹模量均逐渐下降，且再生粗骨料取代率越高，相对动弹模量下降速度越快。当冻融循环次数达到150次时，基准组混凝土的相对动弹模量仍保持在[M1]%以上，而再生粗骨料取代率为100%的再生混凝土相对动弹模量已降至[M2]%。这是由于再生粗骨料较高的吸水率使其在冻融过程中内部孔隙水结冰膨胀，对骨料和水泥石界面过渡区产生较大的冻胀应力，导致裂缝的产生和扩展加速，从而降低了混凝土的抗冻性能。质量损失率图5显示了不同再生粗骨料取代率的再生混凝土在冻融循环过程中质量损失率的变化情况。随着冻融循环次数的增加，试件的质量损失率逐渐增大。再生粗骨料取代率为100%的再生混凝土在冻融循环150次后，质量损失率达到了[L1]%，明显高于基准组的[L2]%。再生粗骨料表面的水泥砂浆在冻融作用下更容易剥落，使得再生混凝土在冻融过程中的质量损失加剧，进一步表明再生粗骨料的掺入降低了再生混凝土的抗冻性能。（三）影响机理分析物理性能影响：再生粗骨料的表观密度较低、吸水率较高，在混凝土拌合物中会吸收更多的水分，导致有效水胶比降低，影响水泥的水化程度，进而降低混凝土的强度。同时，较高的吸水率使得再生粗骨料在冻融过程中更容易饱水，结冰膨胀产生的冻胀应力更大，加速了混凝土内部裂缝的发展，降低抗冻性能。界面过渡区影响：再生粗骨料表面附着的硬化水泥砂浆与新拌水泥浆体之间的粘结强度较低，形成的界面过渡区较为薄弱。在受力或冻融循环过程中，裂缝更容易在界面过渡区产生和扩展，从而降低再生混凝土的力学性能和抗冻性能。颗粒级配与形状影响：与天然粗骨料相比，再生粗骨料的颗粒级配和形状往往不够理想，存在较多不规则颗粒和细颗粒。这会影响混凝土拌合物的工作性和密实性，导致混凝土内部存在更多的孔隙和缺陷，降低其力学性能和抗冻性能。四、再生混凝土性能优化措施（一）再生粗骨料预处理强化处理：对再生粗骨料进行强化处理，如采用水泥净浆裹覆、聚合物浸渍等方法，可以改善再生粗骨料的表面性能，提高其与新拌水泥浆体的粘结强度，从而增强再生混凝土的力学性能和抗冻性能。分级筛选：通过对再生粗骨料进行分级筛选，去除粒径过小或形状不规则的颗粒，优化再生粗骨料的级配和颗粒形状，提高混凝土拌合物的工作性和密实性，改善再生混凝土的性能。（二）配合比优化调整水胶比：适当降低水胶比，提高水泥石的强度和密实性，增强再生混凝土的力学性能和抗冻性能。但水胶比过低会影响混凝土的工作性，需同时配合高效减水剂的使用。掺加掺合料：合理掺加粉煤灰、矿渣粉等掺合料，改善混凝土的工作性能，提高其耐久性。掺合料在混凝土中发生火山灰反应，生成的水化产物可以填充孔隙，改善界面过渡区结构，从而提高再生混凝土的力学性能和抗冻性能。（三）施工工艺改进加强搅拌与振捣：延长搅拌时间，使再生混凝土拌合物更加均匀，确保再生粗骨料与水泥浆体充分粘结。同时，采用合理的振捣方式和振捣时间，提高混凝土的密实性，减少内部孔隙和缺陷。养护措施：加强再生混凝土的养护，确保其在适宜的温度和湿度条件下进行水化反应。良好的养护条件可以促进水泥的充分水化，提高混凝土的强度和耐久性，改善再生混凝土的性能。五、结论再生粗骨料的掺入对再生混凝土的基本力学性能和抗冻性能均有不利影响。随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度逐渐降低，抗冻性能也明显下降。