粉煤灰是目前国内排放量较多的废渣,粉煤灰的排放会产生扬尘,污染大气,将粉煤灰作为矿物掺合料加入到混凝土中是目前粉煤灰的主要处理方法之一;虽然粉煤灰的利用率逐年增加, 但总体来说仍然不高, 且以贮灰场储存为主。而这种方式也面临着一系列环境污染问题 ^[1],因此对粉煤灰再生混凝土的研究显得尤为重要。部分学者研究了冻融作用下粉煤灰混凝土的性能,潘钢华等 ^[2]研究表明粉煤灰混凝土在冻融循环作用下的退化是由于饱和状态下的结冰压力破坏,并认为得到充分早期养护后的粉煤灰混凝土具有良好的抗冻性;丁向群等 ^[3]认为大掺量的粉煤灰会导致干湿冻融循环后混凝土的强度和质量损失增加;牛荻涛等 ^[4]认为有抗冻性要求的混凝土中粉煤灰掺量不宜超过30%;刘明辉等 ^[5]研究表明随冻融次数的增加,粉煤灰混凝土的相对动弹性模量、抗压强度和弹性模量的数值均不断降低。还有学者研究了粉煤灰混凝土的抗碳化性能,Cengiz、刘海峰等 ^[6,7]研究表明混凝土抗碳化性能随着粉煤灰掺量增加而下降;而张成中 ^[8]则认为粉煤灰掺量小于15%时混凝土的碳化深度略有减小,但掺量超过15%后碳化深度随粉煤灰掺量的增加而增加;Khan等 ^[9]研究表明双掺粉煤灰、硅灰混凝土碳化深度高于单掺粉煤灰混凝土;牛建刚等 ^[10]研究了冻融-碳化耦合作用下粉煤灰混凝土的性能,表明冻融会促进混凝土的碳化,且冻融次数越多促进作用越强。

　　 以上研究均针对于普通混凝土,目前对粉煤灰和矿渣复掺下的再生混凝土抗冻性能和抗碳化性能研究较少,因此本文通过改变粉煤灰的取代率并与矿渣掺和,研究冻融、碳化、冻融-碳化耦合作用下的矿渣-粉煤灰再生混凝土的耐久性,并建立冻融-碳化耦合作用下再生混凝土的抗压强度模型。

　　 将粉煤灰掺量为0,15%,30%的再生混凝土试件分别命名为RC-0,RC-15,RC-30,将试件分别在上述3种不同环境下进行试验研究。首先将试件进行冻融循环次数为0,50,100,150次的单一冻融循环试验;然后将试件进行碳化时间为0,7,14,21,28d的单一碳化试验;最后进行冻融-碳化耦合试验。共设计33组尺寸为100mm×100mm×100mm的试件来测定3种不同环境下不同掺量再生混凝土的抗压强度和碳化深度,每组试件均为3块;设计9个尺寸为100mm×100mm×400mm的试件来测定再生混凝土的质量损失、动弹性模量损失。

　　 试验方法如下:1)冻融试验,试件先在标准养护室养护56d,然后放入水中浸泡4d,之后采用快冻法进行试验,冻融循环次数为0,50,100,150次;2)碳化试验,试件在标准养护条件下养护58d,取出后在60℃下烘干48h,之后在混凝土碳化箱中进行碳化试验,碳化龄期为0,7,14,21,28d;3)冻融-碳化耦合试验,试件先在标准养护室养护56d,取出后放入水中浸泡4d,然后进行冻融和碳化试验。试验以F代表冻融,C代表碳化,形成了先冻融后碳化交替循环试验模式,F0C表示先冻融循环0次然后碳化7d;F50C表示先冻融50次,测定动弹性模量和质量损失,而后晾干2d,放入烘箱内干燥1d后,放入碳化箱碳化7d,测其抗压强度和碳化深度;nF50C表示F50C试验模式为n个循环。

　　 水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥;砂为天然河砂,细度模数为2.6,含泥量为2.96%;试验用水取自普通生活用水;外加剂采用减水率为25%的GL-F4高效引气减水剂;再生粗骨料采用某厂拆迁经过破碎而成的废弃混凝土,并随机取样切割出3个100mm×100mm×100mm立方体试块,推定原生混凝土强度为30MPa。再生粗骨料性能指标见表1,矿物掺合料中粉煤灰和矿渣性能指标见表2。

　　 参照国家标准 ^[11,12],对再生混凝土进行配合比设计。其中再生粗骨料取代率均为100%;各组试件矿渣掺量均为20%,等级为Ⅱ级;粉煤灰掺量为0,15%,30%,等级为Ⅱ级,最终试验配合比与混凝土28d的抗压强度见表3。

　　 再生混凝土经冻融后表面变化很大,粉煤灰掺量对再生混凝土表面变化有一定的影响,首先观察粉煤灰掺量为0的试件在经过不同冻融循环后表面的变化,然后观察同为50次冻融循环时,随着粉煤灰掺量的增加试件表面形态的变化情况,如图1所示。

　　 比较图1(a)～(c)中粉煤灰掺量为0试件的表面变化形态可以发现:随着冻融循环次数的增加,试件表面变得越来越粗糙,当冻融循环为50次时,试件表面水泥砂浆脱落;当冻融循环次数达到150次时,再生粗骨料已裸露在外面,但粗骨料并未发生脱落现象。比较图1(a),(d),(e)可以发现,在冻融次数均为50次时,试件表面的变化随粉煤灰掺量的不同而呈不同的情况,当粉煤灰掺量为0时,试件表面水泥砂浆基本全部脱落;而当粉煤灰掺量为15%时,试件表面水泥砂浆部分脱落,部分表面基本保持不变;当粉煤灰掺量为30%时,试件表面水泥砂浆基本全部脱落,出现了少许的小坑,且在试件两端出现了粗骨料外露,表明粉煤灰掺量为15%时,再生混凝土的抗冻性能最好。

　　 再生混凝土在冻融-碳化耦合作用下,其表面形态发生了明显的变化,见图2。由图2可知,试件表面形态变化过程大致可以分为4个阶段:1)未发生耦合作用时,再生混凝土表面完整、无损伤,骨料与砂浆连接紧密;2)随着试验的进行,在再生混凝土的外表面开始出现许多小坑;3)随着试验的继续,再生混凝土外表面的胶凝材料开始脱落,小坑逐渐变大,使得其表面细骨料出现外露,且随着冻融-碳化循环的不断进行细骨料开始剥落;4)当试验进行到尾声时,试件表面凹凸不平情况加剧,其表层细骨料的不断脱落最终导致了再生混凝土的粗骨料裸露。

　　 不同粉煤灰掺量的矿渣-粉煤灰再生混凝土试件在3种不同环境作用下的抗压强度损失率有所不同,根据试验绘制如图3所示的抗压强度损失曲线。

　　 由图3可知:1)单一冻融作用下再生混凝土抗压强度损失率均随冻融循环次数的增加而增大,其中粉煤灰掺量为15%的再生混凝土抗压强度损失率最小,抗冻性能最好,这是因为粉煤灰二次水化的产物增加了再生混凝土的密实性,且粉煤灰掺量为15%的试件比掺量为30%的试件水化反应程度高,试件的密实性更好;当冻融循环次数大于100次时,粉煤灰掺量为15%与粉煤灰掺量为0的再生混凝土的抗压强度损失率曲线开始逐渐靠近,且掺量为30%的再生混凝土的抗压强度损失率高于粉煤灰掺量为0的抗压强度损失率,说明冻融循环次数大于100次时,粉煤灰对再生混凝土抗冻性的促进作用开始减弱,且粉煤灰掺量为30%时,还会降低其抗冻性能。2)单一碳化作用下,再生混凝土的抗压强度增长率在21d前随碳化时间增加而增大,21d后由于混凝土收缩且脆性增大,均呈下降趋势,当粉煤灰掺量为15%时,其抗压强度增长率最大。3)冻融-碳化耦合作用下,冻融作用产生的裂缝加速了再生混凝土的碳化,虽然碳化产物碳酸钙填充了试件内部孔隙,但其具有极强的冻胀敏感性,同时可碳化物质的消耗会形成新的非封闭孔隙,加速冻融破坏,形成恶性循环,造成了冻融-碳化耦合作用下再生混凝土的抗压强度损失率明显高于单一冻融作用下的抗压强度损失率,且在2F50模式下,粉煤灰掺量为30%的再生混凝土试件损伤严重,已无法进行抗压强度测试。

　　 分别在单一冻融作用与冻融-碳化耦合作用下进行矿渣-粉煤灰再生混凝土试验,改变粉煤灰的掺量并测量再生混凝土的质量损失率,绘制质量变化曲线图,见图4。

　　 由图4可知:再生混凝土在冻融-碳化耦合作用下质量损失率变化趋势与单一冻融作用下的变化趋势基本相同。再生混凝土质量损失率均随冻融循环次数的增加而增大,且粉煤灰掺量为15%时的试件质量损失率最小,掺量为0的最大;50次冻融循环前,粉煤灰掺量为15%的试件质量损失率与掺量30%的相差不大;50～100次冻融循环过程中,粉煤灰掺量为30%的再生混凝土质量损失率迅速增大,且两种环境中粉煤灰掺量为30%的再生混凝土质量损失率均比粉煤灰掺量为15%的再生混凝土质量损失率高出1.3倍以上,这是由于粉煤灰掺量较大时,水泥用量减少,水胶比变大,同时大量粉煤灰未进行二次水化,更容易发生冻胀破坏;100次冻融循环后,粉煤灰掺量为15%,30%的质量损失率曲线与粉煤灰掺量为0的质量损失率曲线相互靠近,表明粉煤灰对再生混凝土抗冻性的促进作用开始减弱;冻融-碳化耦合作用下的质量损失率高于单一冻融作用下的质量损失率,原因是冻融产生裂缝,加快了碳化作用,同时碳化提高了再生混凝土的脆性,在冻胀作用下,增加了混凝土的剥落量,使质量损失率变大。

　　 分别在单一冻融作用与冻融-碳化耦合作用下进行矿渣-粉煤灰再生混凝土动弹性模量试验,改变粉煤灰的掺量并测量计算再生混凝土的相对动弹性模量,绘制的相对动弹性模量变化曲线见图5。

　　 由图5知:再生混凝土动弹性模量随冻融循环次数的增加而降低,100次冻融循环前,粉煤灰掺量为15%的再生混凝土由于二次水化产物和碳化产物填充了内部孔隙,提高了其抗冻性能,导致其动弹模损失低于未掺粉煤灰的试件;100次冻融循环后,冻融-碳化耦合作用中粉煤灰掺量为15%的试件的动弹性模量损失率逐渐超过掺量为0的试件,主要是因为粉煤灰的二次水化消耗了Ca(OH)₂,加速了试件碳化,导致混凝土收缩产生裂缝变多,且脆性变大,使其抗冻性能变弱,动弹性模量损失在此阶段逐渐超过粉煤灰掺量为0的试件;两种环境中,粉煤灰掺量为30%的试件由于粉煤灰未完全水化,且水泥用量较少,导致其动弹性模量均下降最快,150次冻融循环时,试件损坏严重,不宜测量动弹性模量。

　　 分别在单一碳化作用与冻融-碳化耦合作用下进行矿渣-粉煤灰再生混凝土碳化试验,改变粉煤灰的掺量并测量再生混凝土的碳化深度,绘制的碳化深度变化曲线见图6。

　　 由图6可知:单一碳化与冻融-碳化耦合作用下再生混凝土的碳化深度均随碳化龄期增加而加大,且同一碳化龄期下,碳化深度随着粉煤灰掺量的增加而加大,当粉煤灰掺量为30%时,其碳化深度均为粉煤灰掺量为0时的2倍以上。这是由于粉煤灰的二次水化导致混凝土中Ca(OH)₂的含量减少,加快了混凝土碳化速度,同时当粉煤灰掺量为30%时,由于粉煤灰掺量最多,导致水泥用量最少,抗碳化能力最低;冻融-碳化耦合作用下碳化深度近似线性增长,是单一碳化作用下再生混凝土碳化深度的1.5倍,说明冻融循环削弱了粉煤灰-矿渣混凝土的抗碳化能力,究其原因是耦合作用下冻融循环破坏了再生混凝土的内部结构,使得其内部孔隙增大,裂缝变多,为再生混凝土碳化提供了有利的条件,加快了CO₂进入混凝土内部的速率。

　　 基于粉煤灰再生混凝土在单一冻融作用下抗压强度与冻融次数的关系和单一碳化作用下抗压强度与碳化时间的关系,建立冻融-碳化耦合作用下的模型。其相互之间函数关系见式(1)、式(2):

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{c}\text{u},\text{c}}=a{}_{1}t{}^2+b{}_{1}t+c{}_1(1)\\ f{}_{\text{c}\text{u},\text{f}}=a{}_{2}n{}^2+b{}_{2}n+c{}_2(2)\end{array}$

　　 式中:f_cu,c为单一碳化作用下的抗压强度,MPa;f_cu,f为单一冻融作用下的抗压强度,MPa;t为碳化的时间,d;n为冻融作用下的冻融次数,次;a₁,b₁,c₁和a₂,b₂,c₂为待标定系数。

　　 在本研究中,t取值为7,14,21,28d,与之相对应的n的取值为0,50,100,150次。通过线性回归可得到标定系数a₁,b₁,c₁和a₂,b₂,c₂,见表4。

　　 由表4可知:冻融-碳化耦合作用下粉煤灰再生混凝土的抗压强度模型与单一冻融作用下和单一碳化作用下的抗压强度线性拟合度较高,这充分说明冻融-碳化耦合作用下再生混凝土抗压强度可以由单一碳化作用和单一冻融作用的抗压强度来表示。将单一冻融作用下与单一碳化作用下抗压强度f_cu,c和f_cu,f作为自变量,将冻融-碳化耦合作用下抗压强度F_cu,c&f作为因变量,通过回归分析,拟定多元函数,见式(3):

　　 $F{}_{\text{c}\text{u},\text{c}\&\text{f}}=\mu {}_{1}f{}_{\text{c}\text{u},\text{c}}+\mu {}_{2}f{}_{\text{c}\text{u},\text{f}}+\mu {}_3(3)$

　　 式中:F_cu,c&f为冻融-碳化耦合作用下的抗压强度,MPa;μ₁为碳化系数;μ₂为冻融系数;μ₃为常数。

　　 根据试验得到的抗压强度数据,对其进行模型拟合,可得到试验各参数,见表5。

　　 利用表5分别计算试件RC-0,RC-15,RC-30在冻融-碳化耦合作用下再生混凝土的抗压强度,并将拟合计算结果与试验实测值进行对比,结果见图7。由图7可知,再生混凝土在冻融-碳化试验模型下的计算值与试验值较为吻合,两者误差介于0.1%～3.8%之间,这充分说明式(3)冻融-碳化耦合作用下的再生混凝土的抗压强度,与碳化时间t和冻融次数n具有很好的相关性。

　　 (1)再生混凝土内部加入适量的矿渣-粉煤灰后可以减少其内部的孔隙率,增强混凝土密实性,改善其抗冻性能和力学性能。粉煤灰掺量为15%的再生混凝土抗冻性能最好,当冻融次数大于100次时,粉煤灰对抗冻性能的促进作用减弱。

　　 (2)粉煤灰掺量越多,再生混凝土的抗碳化性能越弱,当粉煤灰掺量为30%时,其碳化深度是不掺粉煤灰的2倍以上。冻融-碳化耦合作用下的碳化深度近似线性增长,是单一碳化作用碳化深度的1.5倍,说明冻融循环削弱了粉煤灰-矿渣混凝土的抗碳化能力。

　　 (3)冻融-碳化耦合作用下,对矿渣-粉煤灰再生混凝土产生的收缩裂缝和脆性作用在冻融-碳化耦合作用下起主导作用,加剧了冻融破坏。

　　 (4)建立的矿渣-粉煤灰再生混凝土冻融-碳化耦合模型所拟合的混凝土抗压强度值与试验值吻合较好,说明在冻融-碳化耦合作用下的再生混凝土抗压强度与碳化时间和冻融次数具有很好的相关性。