冻融环境下沙漠砂再生混凝土的轴心抗压力学性能试验研究

秦鹏亮　何明胜　袁康　邓轩　牛景行

摘要：為了研究沙漠砂再生混凝土（DSRC）在冻融环境下的耐久性能，探明沙漠砂（DS）和再生粗骨料（RCA）替代率对其冻融后力学性能的影响规律，并为DSRC在新疆等寒冷地区构件和结构设计提供数据支撑，对DSRC进行冻融后轴心抗压强度试验，分析冻融循环作用下DSRC质量损失率、动弹性模量损失率和应力－应变曲线的变化规律。结果表明：在冻融循环次数相同时，DSRC动弹性模量损失率、极限应变和弹性模量均小于普通混凝土，峰值应力大于普通混凝土；随着冻融循环次数增加，DSRC质量损失较小，动弹性模量损失率、峰值应变和极限应变均增加，峰值应力和弹性模量均减小；DS和RCA替代率分别为40%时，DSRC质量损失率和动弹性模量损失率分别为0.25%和27.50%，其抗冻性能最优；采用普通混凝土本构模型对DSRC应力－应变曲线进行拟合，相关控制参数表明曲线预测能力良好，可对冻融后DSRC的力学性能进行分析。

关键词：再生混凝土；冻融循环；沙漠砂；轴心抗压；应力－应变曲线

中图分类号：TU528文献标志码：A文献标识码

Experimental study on the axial compressive mechanical properties of

desert sand recycled concrete under freeze－thaw environment

QIN  Pengliang1，HE  Mingsheng1，2*，YUAN  Kang1，2，DENG  Xuan1，NIU  Jinghang1

（1 College of Water Conservancy & Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China;

2 Xinjiang Production&Construction Groups Engineering Laboratory for Seismic and Energy－Saving Building in High

Earthquake Intensity and Cold Zone，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract：  In order to study the durability performance of desert sand recycled concrete （DSRC） in freeze－thaw environments，explore the influence of desert sand （DS） and recycled coarse aggregate （RCA） substitution rate on its mechanical properties after freeze－thaw，and provide data support for the design of components and structures of DSRC in cold regions such as Xinjiang， the axial compression test of DSRC after freeze－thaw was carried out to analyze the change rules of mass loss rate，dynamic modulus loss rate and stress strain curve of DSRC under freeze－thaw cycles.The results show that the loss rate of dynamic elastic modulus，ultimate strain and elastic modulus of DSRC are lower than those of ordinary concrete，and the peak stress is higher than that of ordinary concrete at the same freeze－thaw cycles;With the increase of freeze－thaw cycles，the mass loss of DSRC is small，the loss of dynamic elastic modulus，peak strain and ultimate strain increase，and the peak stress and elastic modulus decrease;When the DS and RCA substitution rate are 40%，the DSRC mass loss rate and dynamic elastic modulus loss rate are 0.25% and 27.50%，respectively，which indicates the optimal frost resistance performance;The ordinary concrete constitutive model is used to fit and analyze the stress strain curve of DSRC，and the relevant control parameters show that the curve has good prediction ability，which can be used to analyze the mechanical properties of DSRC after freezing and thawing.

Key words： recycled concrete;freeze thaw cycle;desert sand;axial compression;stress－strain curve

随着我国城市化的快速推进，每年都会产生大量建筑废料，对其进行破碎、筛分等工序后可得到再生粗骨料（RCA）。使用再生粗骨料不仅可以缓解环境污染，还可以缩减实际工程应用对天然粗骨料（NCA）的需求，但由于再生粗骨料表面有砂浆残留，导致再生混凝土强度较普通混凝土有所不足［1-3］；另外，制备混凝土所需的河砂资源因过度利用日益减少，而我国西北地区沙漠砂（DS）资源丰富，已有学者对沙漠砂应用于混凝土展开研究，得到了沙漠砂混凝土的最佳配合比及其本构模型［4-5］，同时由于我国西北地区冬季气候寒冷，对混凝土抵抗冻融破坏能力有一定要求。因此，对沙漠砂再生混凝土（DSRC）冻融性能展开研究是十分必要的。

冻融破坏对混凝土结构耐久性能产生的影响不容忽视［6-8］，学者们对此进行了研究，其中，Yue等［9］研究发现掺入精细加工再生骨料的混凝土抗冻性能仍然劣于普通混凝土，杨璐等［10］研究结果表明所建立的再生混凝土冻融损伤模型的预测准确度良好，Liu等［11］研究发现50%替代率沙漠砂混凝土抗冻性能较为优越，王晨霞等［12］研究发现再生粗骨料替代率对试块的抗冻性影响高于粉煤灰，Su［13］研究表明防冻混合料对再生混凝土抗冻性能的提升明显。

关于DS和RCA替代率对混凝土冻融后轴心抗压力学性能影响的研究很少，基于此，本文对不同冻融损伤周期DSRC轴心抗压力学性能展开研究，探究DS和RCA掺量对混凝土冻融环境下力学性能的影响规律，旨在为DSRC在西北高寒地区的推广和应用提供数据支撑。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥采用新疆天业水泥厂生产的P·O42.5水泥。再生粗骨料由废弃混凝土块经人工破碎、清洗和筛分得到，粒径为5～20mm，级配连续；天然粗骨料由连续级配的卵石组成，粒径为5～20mm，粗骨料物理性能见表1。细骨料采用新疆玛纳斯河河砂和古尔班通古特沙漠砂，其中：河砂为中砂，细度模数2.85，表观密度2 610kg/m3，堆积密度1 590kg/m3；沙漠砂为特细砂，平均粒径为0.18mm，细度模数为0.335，堆积密度为1 615kg/m3；细骨料级配曲线如图1所示，主要化学成分见表2。使用减水率为15%的聚羧酸减水剂作为外加剂，减水剂掺入量取胶凝材料总质量的0.5%，搅拌和养护用水为自来水。

1.2 试验配合比

本次试验共3组试件，试件尺寸均为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，每个对照组18个试件，其中DS替代率分别为0%、20%、40%，RCA替代率为0%、40%，混凝土强度设计等级为C30，配合比见表3。

1.3 试验方法

本研究分别对混凝土进行冻融循环试验和轴心抗压强度试验，这两种试验规范要求的试件尺寸并不相同，GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中要求的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，考虑到本试验主要研究混凝土冻融后的轴心抗压强度，因此本试验采用的试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。

冻融循环试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，采用快冻法，试件在标准养护室养护24d后取出，隨后放在（20℃±2）℃水中浸泡4d，浸泡时水面高出试件顶面20～30mm，试件达到28d龄期后开始分别进行冻融循环次数为25、50、75、100、125次的冻融循环试验，并且每隔25次冻融循环后测量试件的横向基频和质量变化。当冻融试件达到以下3种情况之一时停止试验：试件的动弹性模量下降到60%、质量损失率达到5%、达到规定的冻融循环次数。

混凝土试件经历冻融循环后开始进行轴心抗压强度试验，在整个试验过程中均匀施加荷载且不间断，为防止加载速率过快，导致试件达到最大承载力时因脆性而瞬间破坏，无法得到准确的整体力－位移曲线，故在试件达到极限承载力前保持0.5MPa/s的加载速率，之后改为0.1mm/min。

2 结果与分析

2.1 冻融后表观特征

由混凝土试块冻融后的表观特征（图2）可知：冻融循环25次后，试件表面平整度降低，无明显破坏，只有轻微水泥浆浮渣；75次冻融循环后，试件表面的粗糙程度逐渐加重，并有微小孔洞出现，水泥浆部分剥落；125次冻融循环后，试件表面水泥浆剥落严重，孔洞数量增加，部分粗骨料开始外漏。

2.2 质量损失率

在试验开始前，先对混凝土试块质量进行称量，再依次称出每隔25次冻融循环后的混凝土试块质量。从冻融前后试块的质量损失率结果（图3）可以看出：

（1）冻融循环25次时混凝土试件质量均有增加。这是由于混凝土冻融前期表面脱落的质量小于混凝土内部孔隙吸水的质量，随着冻融损伤次数的增加，吸水达到饱和，但表面脱落仍在持续，导致混凝土质量减小，抗冻性能下降。

（2）NA组试件在冻融循环75、125次后质量损失率分别为0.1%、0.35%，DS20－40组试件质量损失率分别为0.08%、0.3%，DS40－40组试件质量损失率分别为0.06%、0.25%，质量损失率最小。由此可知：DS和RCA替代率都为40%时，沙漠砂再生混凝土的抗冻性能最优。

2.3 动弹性模量损失率

从图4可以看出：3组试件的动弹性模量损失率随冻融损伤次数的增加而增加。25次冻融循环后不同DS替代率试件的动弹性模量分别降低4.0%、3.3%、2.5%，50次冻融循环后分别降低12.5%、9.8%、7.5%，75次冻融循环后分别降低18.0%、17.4%、17.0%，100次冻融循环后分别降低25.0%、24.9%、24.5%，125次冻融循环后分别降低33.00%、30.04%、27.50%。由此可知：DS、RCA的替代率都为40% 时，DSRC动弹性模量的损失率最小，抵抗冻融损伤破坏的能力最好。

2.4 微观形貌分析

冻融循环结束后，分别对3组配合比试件进行冻融前和冻融循环125次SEM电镜扫描，结果见图5。未经历冻融循环的普通混凝土和沙漠砂再生混凝土试件的观察结果（图5a、b、c）显示：内部界面均有不同程度的微孔隙和微裂纹，这主要是由于混凝土中水泥水化引起的自生收缩所导致。与NA组 试件相比，沙漠砂的掺入使DS20－40组和DS40－40组混凝土试件内部结构密实程度增加，孔隙和裂缝数量明显降低，但由于再生粗骨料表面有旧砂浆残留，在拌和过程中存在旧砂浆与旧砂浆、旧砂浆与新砂浆、新砂浆与新砂浆3种界面，界面之间粘结程度较低，因此会导致裂缝出现。

冻融循环125次后普通混凝土和沙漠砂再生混凝土试件的观察结果（图5d、e、f）显示：3组试件内部均观察到有片状物质和针棒状物质存在，主要是水化硅酸钙和钙矾石。NA组试件冻融125次后，水泥由于水化产生絮状胶凝材料，内部孔洞数量大大增加，孔洞逐渐发展为裂缝并进一步延伸和扩展，出现砂浆大面积脱落现象，试件整体强度大幅度降低；DS20－40组试件冻融后孔洞和裂缝数量较少，内部结构密实，主要是因为沙漠砂发挥作用，有效填补混凝土内部的孔隙结构，使其受破坏程度较小；DS40－40组试件内部发现有未水化的沙漠砂颗粒，沙漠砂掺量的增加使混凝土结构密实程度增加，抗冻性能也得到明显改善。

2.5 应力－应变曲线分析

不同冻融周期下沙漠砂再生混凝土和普通混凝土应力－应变关系（图6）显示：随着冻融循环次数增加，曲线趋于扁平化，曲线上升段斜率逐渐减小，峰值应力也迅速下降。

冻融前后普通混凝土与沙漠砂再生混凝土应力－应变曲线对比结果（图7）显示：随着冻融循环次数增加，试件在加载初期应力－应变曲线上升段呈下凹状；在冻融损伤周期相同时，与普通混凝土试件相比，沙漠砂再生混凝土初期下凹趋势不明显，主要是由于掺入沙漠砂后，混凝土内部孔洞被填补，密实程度增加，抵抗冻融损伤能力增强。

2.5.1 峰值应力

由图8可以看出：混凝土试件峰值应力随冻融循环次数的增加而减小，在经历25次冻融循环后，普通混凝土和沙漠砂再生混凝土峰值应力分别降低1.94%、2.23%、1.94%，75次冻融循环后，混凝土峰值应力分别降低16.21%、11.50% 、16.57%，125次冻融循环后，峰值应力分别降低35.00%、32.51%、37.38%。在冻融损伤周期相同时，普通混凝土峰值应力劣于DS替代率为20%、RCA替代率40%的沙漠砂再生混凝土，主要是由于混凝土内部粘结界面的孔洞和微裂缝被沙漠砂填补，使其内部结构更加密实，从而使混凝土强度得到提高。

2.5.2 峰值应变

从图9可以看出：混凝土试件的峰值应变随冻融循环次数的增加而增加，25次冻融循环后普通混凝土和沙漠砂再生混凝土峰值应变分别为冻融前的1.096、1.016、1.016倍，75次冻融循环后混凝土峰值应变分别为冻融前的1.367、1.255、1.124倍，125次冻融循环后峰值应变分别为冻融前的1.931、1.766、1.917倍。当冻融损伤周期一致时，替代沙漠砂混凝土的峰值应变小于普通混凝土，这主要是由于沙漠砂有效填补了混凝土骨料之间的孔隙，使混凝土内部骨架强度提高，不易发生变形。

无论是普通混凝土还是沙漠砂再生混凝土，两者峰值应变与冻融损伤次数之间存在明显的相关性，其相关方程如下：

以上3个公式中，εSD為不同冻融损伤次数下混凝土轴心受压峰值应变，N表示冻融损伤次数。

2.5.3 极限应变

普通混凝土和沙漠砂再生混凝土极限应变与冻融损伤次数关系（图10）显示：极限应变随冻融循环次数的增加而增加。在经历25、75、125次冻融损伤后，普通混凝土极限应变分别是冻融前的1.05、1.31、1.49倍，RCA替代率40%，DS替代率为20%的DSRC极限应变分别是冻融前的1.14、1.41、1.87倍。沙漠砂的加入使混凝土极限应变略微增加，其主要原因是材料内部的孔洞被沙漠砂填补，使混凝土更加致密，随着冻融损伤次数的增加，沙漠砂的掺入能够有效减缓DSRC内部的损伤积累，使得DSRC的损坏进程较为缓慢。

2.5.4 弹性模量

普通混凝土和沙漠砂再生混凝土的弹性模量与冻融损伤次数关系（图11）显示：3组混凝土试件的弹性模量随冻融损伤次数的增加而减小，随着沙漠砂掺量的增加混凝土弹性模量下降速度减缓，这是由于沙漠砂属于特细砂，能够填补混凝土内部的微小裂缝，减小混凝土在破坏阶段由微小裂缝所形成的贯通裂缝，使混凝土弹性模量有所提升。当冻融循环周期相同时，沙漠砂再生混凝土在弹性模量方面的表现较普通混凝土略差，这是由于再生粗骨料与天然粗骨料相比，其表面有旧砂浆残留，与混凝土胶凝材料的结合界面紧密程度较低。

2.5.5 本构模型

根据普通混凝土应力－应变数学模型［14］对沙漠砂再生混凝土应力应变关系进行拟合分析，此模型有形式简单、可简化计算的优点。

混凝土试件冻融前后应力－应变拟合曲线的控制参数值见表4，相关系数R2整体上水平较好，表明拟合曲线具有良好的预测能力，在冻融损伤周期固定时，上升段沙漠砂再生混凝土的参数A值都略小于普通混凝土，下降段参数a值基本都大于普通混凝土。

普通混凝土与沙漠砂再生混凝土冻融前后应力－应变拟合曲线（图12）显示：曲线上升阶段拟合适配程度较好，下降阶段拟合匹配程度稍差。根据试验现象分析如下：由于再生粗骨料表面有砂浆残留，容易在混凝土内部形成贯通裂缝，进而导致拟合曲线下降段拟合程度下降，但沙漠砂的掺入对裂缝形成起到一定抑制作用，使混凝土密实程度增加，对其延性也有一定改善作用。

3 结论

（1）在冻融循环次数相同时，DSRC动弹性模量损失率、极限应变和弹性模量均小于普通混凝土，峰值应力大于普通混凝土。当DS和RCA替代率为40% 时，DSRC抵抗冻融破坏能力最佳，微观形貌分析发现沙漠砂可以有效填补混凝土内部孔洞和裂缝，使混凝土密实程度增加，抗冻性能得到改善。

（2）随着冻融循环次数的增加，混凝土应力－应变曲线趋于扁平化，曲线上升段斜率、峰值应力和弹性模量减小，峰值应变和极限应变增加。当RCA替代率40%时，峰值应力和峰值应变随DS替代率的增加而增加，极限应变和弹性模量也有略微提升。

（3）混凝土应力－应变拟合曲线上升段拟合程度良好，下降段拟合程度稍差，相关系数R2整体水平较高，具有良好的预测能力，冻融损伤周期固定时，沙漠砂再生混凝土上升段参数A值小于普通混凝土，下降段参数a值基本都大于普通混凝土。

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（责任编辑：编辑张忠）

收稿日期：2022-11-19

基金项目：国家自然科学基金（51968062），兵团中青年领军人才（2020CB033），兵团重点领域科技攻关（2021AB027），石河子大学科研计划（CXPY202014）

作者简介：秦鹏亮（1998—），男，硕士研究生，专业研究方向为混凝土结构理论与应用，e－mail：896649750@qq.com。

*通信作者：何明胜（1971—），男，教授，主要从事建筑结构及抗震研究，e－mail：hms1971@163.com。