生态修复混凝土是一种具有特定生态功能和生态效应的混凝土,属于大孔混凝土的一种。主要用于水中改善水生物的生态环境,即利用混凝土内部存在的大量尺度较大的孔洞,为鱼虾幼苗和微生物等提供安全的生存和生长环境,从而改善水中生态环境。生态修复再生混凝土是由再生粗骨料、少量细骨料、胶凝材料、水和外加剂等按一定的组成配比制成的一种多孔混凝土。关于多孔混凝土,很多学者进行了大量研究:同济大学的陈志山 ^[1]研究了大孔混凝土的渗透性,并参照日本混凝土工程协会推荐的渗透系数测定方法 ^[2],针对多孔混凝土,通过渗透系数测定方法得到渗流速度和水力梯度的相关关系。西安科技大学的李来宾 ^[3]针对大孔混凝土的力学性能进行了试验研究,探讨了孔隙率和水灰比对大孔混凝土强度影响。

　　 随着我国城乡一体化的发展,近年来建筑垃圾的产量急剧增加,我国建筑垃圾的年产量已经超过了15亿吨 ^[4],建筑垃圾的资源化利用工作已经成为政府工作重点之一。建筑垃圾资源化利用,不仅可以减少对环境的影响,还能降低建筑业对建筑用砂石骨料资源的过度开采 ^[5],保护绿水青山,是一项符合我国社会可持续发展的战略,此外,也为城市垃圾提供新的解决方法,具有重要的社会、环境和经济意 ^[6]。通过对建筑垃圾中的废弃混凝土进行破碎、强化和筛分,可制备出再生骨料 ^[7,8,9],并进一步制成生态修复混凝土。生态修复混凝土的粗骨料用量较大,利用再生骨料制备的生态修复混凝土可以节约更多的碎石骨料资源,其环境效益将更加显著。目前,国内对生态修复混凝土的耐久性研究工作较少,开展生态修复再生混凝土耐久性相关研究,对于该材料的大范围推广应用具有十分重要的意义。

　　 另外,混凝土的抗冻性是混凝土耐久性能的重要指标之一,尤其是在北方寒冷地区,混凝土的抗冻性直接影响到混凝土的服役寿命 ^[10]。而生态修复再生混凝土经常处于与水接触的环境中,因此研究其抗冻性能对于其推广应用具有重要意义。生态修复再生混凝土内部多为连通的空隙,使得大量的自由水能够快速地进入到混凝土内部,水结冰时体积膨胀产生较大膨胀应力和渗透压力,尤其对混凝土中点接触的部位损伤较大,导致其抗冻性能较差。影响生态修复再生混凝土抗冻性能的因素很多,如再生粗骨料的品质、胶凝材料用量、孔隙率和冻融循环次数等。

　　 本文试验利用再生粗骨料制备不同孔隙率的生态修复混凝土试件,并对其抗冻性能进行研究。主要内容包括生态修复再生混凝土配合比的设计、制备与养护,并采用改进快冻法研究其抗冻性能,探讨孔隙率、胶凝材料用量和冻融循环次数对生态修复混凝土抗冻性的影响规律。

　　 水泥:采用的水泥为P.O 42.5,密度为3 160kg/m³。再生粗骨料:将废弃混凝土首先通过颚式破碎机制成粒径小于31.5mm骨料后,再利用颗粒整型设备进行再生骨料强化,最后筛分出5～25mm连续粒级配再生粗骨料,使其性能符合《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)中的Ⅰ类再生粗骨料的技术要求,其压碎值为10.5%,表观密度为2 490kg/m³,堆积密度为1 480kg/m³。细骨料:细骨料为河砂,细度模数为2.4,含泥量为1.4%,表观密度为2 560kg/m³,堆积密度为1 620kg/m³。粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰,密度为2 380kg/m³。外加剂:聚羧酸高性能减水剂,掺量为胶凝材料总量的1.2%,减水率约为30%。

　　 粗骨料是大孔混凝土的骨架,粗骨料的用量一般取粗骨料自然状态下的堆积密度。本文在再生粗骨料用量不变的条件下,分别选取胶凝材料用量为300,350,400kg/m³,通过控制砂子用量制备出孔隙率分别为15%,20%,25%的生态修复再生混凝土试件。混凝土用水量根据试件成型的实际情况进行调整,要求在试件成型过程中,既不能出现流浆现象,又便于成型。为了降低成本及提高生态修复再生混凝土试件的抗冻性能,粉煤灰掺量占胶凝材料用量的30%。试验研究的生态修复再生混凝土的配合比见表1。

　　 根据表1的试验配合比可制备试验组和对照组各9组试件,每组试件各3个,共制备54个试件,试件尺寸选取100mm×100mm×100mm。加料的方式和搅拌的程度对浆体的包裹效果影响显著。为了使生态修复再生混凝土试件成型时获得良好的包裹状态,提高其密实度,试验使用强制式搅拌机进行搅拌,搅拌时间控制在180s左右;成型过程中选用混凝土振动台进行振动,振动时间控制为8～10s;生态修复再生混凝土试件的养护方式为标准养护。试件的制备工艺见图1。

　　 目前,我国混凝土的冻融试验方法可以分为快冻法和慢冻法。其中快冻法适于测定混凝土在水冻、水融条件下的抗冻性能,以质量损失率和相对动弹模量作为衡量抗冻性能指标;慢冻法适用于测定混凝土在水冻、气融条件下的抗冻性能,以质量损失率和抗压强度损失率作为衡量抗冻性能的指标。由于生态修复再生混凝土一般长期处于水中,应采用快冻法对混凝土的耐久性进行评价,但由于生态修复再生混凝土属于多孔结构,无法准确测定其相对动弹性模量。因此提出了改进的快冻法,并采用该方法研究生态修复再生混凝土的抗冻性能。

　　 所谓改进的快冻法,就是采用尺寸为100mm×100mm×100mm的生态修复再生混凝土试件,利用《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》(GB/T 50082—2009)中的快冻法所规定的试验验装置和冻融制度进行试验,而评价方法则采用慢冻法的质量损失率和抗压强度损失率两项指标。混凝土试件成型后养护至龄期24d,将试件从标准养护室内取出,放在室温水中浸泡4d后,把试件置于快速冻融循环试验箱内进行抗冻试验(图2)。

　　 试验结果表明,生态修复再生混凝土在水冻、水融条件下受冻破坏比普通混凝土严重。冻融循环25次后,生态修复再生混凝土试件外观没有明显的变化;当冻融循环达到50次时,生态修复再生混凝土骨料之间开始出现裂纹,试件表面开始出现局部的破损现象;当冻融循环次数由50次达到75次时,试件外观破损严重,大孔隙率的试件表面出现了骨料散落现象。

　　 图3为胶凝材料用量对生态修复再生混凝土质量损失率的影响。结果表明,胶凝材料用量对生态修复混凝土的抗冻性影响十分显著,生态修复再生混凝土的质量损失率随着胶凝材料用量增加而降低。另外,在孔隙率不变的情况下,冻融循环在50次以内,生态修复再生混凝土的质量损失率与冻融循环次数基本呈线性变化,质量损失率均小于2%;冻融循环从50次增加到75次时,生态修复再生混凝土的质量损失率快速增加;胶凝材料为300kg/m³的大孔生态修复再生混凝土的质量损失率在75次冻融循环后已达到了5%。

　　 图4为胶凝材料用量对生态修复再生混凝土抗压强度损失率的影响。结果表明,生态修复再生混凝土的抗压强度损失率随着胶凝材料用量增加而降低,胶凝材料的增加改善了生态修复混凝土的抗冻性能。在孔隙率一定的情况下,生态修复再生混凝土的抗压强度损失率与冻融循环次数基本呈线性关系。胶凝材料用量为300～400kg/m³的生态修复再生混凝土在孔隙率小于25%条件下,冻融循环50次后其抗压强度损失率均小于25%,表明其抗冻性能满足冻融循环50次的要求;所有试验方案中,只有胶凝材料用量达到400kg/m³,在孔隙率不大于15%时,生态修复再生混凝土抗压强度损失率才小于25%,表明其抗冻性能满足冻融循环75次的要求。

　　 图5、图6分别为孔隙率对生态修复再生混凝土的质量损失率、抗压强度损失率的影响。试验结果表明,无论是质量损失还是抗压强度损失率,均表现为孔隙率越大,其值越大,即生态修复再生混凝土的抗冻性越差。孔隙率对生态修复再生混凝土的质量损失率和抗压强度损失率的影响幅度随着冻融循环次数的增加而快速增加,特别是在50次冻融循环后,表明得更为突出。这是因为大孔生态修复再生混凝土的冻融破坏机理与普通混凝土不同,孔隙水结冰膨胀是其破坏的主要原因,而冷水迁移产生的渗透压是次要原因。一方面,随着孔隙率的增加,生态修复再生混凝土中的细骨料用量逐渐减少,单位质量的骨料比表面积逐渐减小,骨料间的粘结总面积也在减小,大孔生态修复再生混凝土抵抗冰胀破坏的能力降低;另一方面,孔隙率越大,孔隙水结冰产生的膨胀作用越大,对生态修复再生混凝土的破坏作用也越大。

　　 以上研究表明,在实验室参照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》(GB/T 50082—2009)条件进行的快速冻融试验结果表明,生态修复再生混凝土的抗冻性能很差,一般只能经历50次左右的冻融循环。但在实际应用中,生态修复再生混凝土的抗冻性能可能会比试验研究结果好。这是因为在实验室冻融箱中,试件的六个面是同时降温、同时结冰,试件内部的水被封闭在内部无法流动,结冰产生的膨胀压力较大,造成损伤程度也较大。

　　 (1)大孔生态修复再生混凝土一般长期处于水中,适合采用快冻法进行耐久性评价,但由于生态修复再生混凝土多孔无法测定其相对动弹性模量,因此用快冻法进行试验,采用慢冻法的质量损失率和抗压强度损失率作为评价指标。

　　 (2)生态修复再生混凝土经过冻融循环25次时外观没有明显的变化,冻融循环50次时其表面开始出现局部的破损,冻融循环75次时其外观破损严重,出现了骨料散落现象。

　　 (3)生态修复再生混凝土的质量损失率和抗压强度损失率均随着胶凝材料用量增加而降低,在孔隙率一定的情况下,生态修复再生混凝土的抗压强度损失率与冻融循环次数基本呈线性关系。

　　 (4)生态修复再生混凝土的孔隙率越大,其抗冻性越差。孔隙率对生态修复再生混凝土的质量损失率和抗压强度损失率的影响随着冻融循环次数的增加而增大且提高的幅度越来越大。特别是在冻融循环50次后,表明得更为突出。

　　 (5)胶凝材料用量为300～400kg/m³的生态修复再生混凝土,在孔隙率小于25%条件下,其抗冻性能满足冻融循环50次要求;胶凝材料用量达到400kg/m³,在孔隙率不大于15%时,其抗冻性可满足冻融循环75次要求。