再生混凝土冻融循环试验结果分析

1.再生混凝土冻融试验结果分析

（1）从表4.10中16组试验结果可得出如下结论：

1）不掺入再生粗骨料的N1、N2、N3、N4这4组普通混凝土，N4号 （水平组合为A1＝0，B4＝1.0%，C4＝0.6%）试验的抗冻性能最好，相对动弹性模量最高，P250＝91.6%，W250＝0。

2）再生混凝土R7组试验的抗冻性能最好，相对动弹性模量最高，P250＝90.0%，W250＝0。相应的水平组合 （A2＝40%，B3＝0.7%，C4＝0.6%）是当前最好的配合比，但它不一定就是最佳配合比。因为在正交试验中，诸因素对试验结果的影响是有主有次的，这个主次关系可以用正交设计中极差的大小表达。

图4.40　再生粗骨料掺量为0时相对动弹性模量随冻融次数的变化曲线

（2）再生混凝土冻融试验结果表明：

1）再生混凝土抗冻融能力较普通混凝土稍弱些，试验时再生混凝土相对动弹模量下降的稍快些，如图4.40～图4.47所示。当再生粗骨料掺量为0、40%、70%、100%时，相对抗冻融能力最好的组分别是N4、R7、R10、R13组，这4组均达到F250的抗冻等级，冻融循环到250次时，再生混凝土试件相对动弹模量分别为91.6%、90.0%、86.0%、85.1%，即再生骨料掺量为40%、70%、100%的再生混凝土比普通混凝土相对动弹性模量分别降低1.7%、6.1%、7.1%。

图4.41　再生粗骨料掺量为40%相对动弹性模量随冻融次数的变化曲线

图4.42　再生粗骨料掺量为70%相对动弹性模量随冻融次数的变化曲线

图4.43　再生粗骨料掺量为100%相对动弹性模量随冻融次数的变化曲线

图4.44　再生粗骨料掺量为0失重率随冻融次数的变化曲线

图4.45　再生粗骨料掺量为40%失重率随冻融次数的变化曲线

图4.46　再生粗骨料掺量为70%失重率随冻融次数的变化曲线

图4.47　再生粗骨料掺量为100%失重率随冻融次数的变化曲线

2）失重率是再生混凝土抗冻性一个评价指标。失重率为负值，说明混凝土尚未产生剥蚀，试件吸水质量增加所致，质量并不发生损失。对于掺加引气减水剂的再生混凝土，由于再生骨料孔隙多、吸水率大，另外引入大量气泡的原因，随着冻融次数的增加失重率一直保持负值，当试件接近冻融破坏的时候，失重率才开始转变为正值，即混凝土表面已发生明显的剥蚀（图3.4）。因此，对掺加引气减水剂的再生混凝土，用失重率作为破坏的评估指标就不太合适，在冻融的中间过程失重率变化不显著。

3）引气减水剂的掺量对混凝土的抗冻能力影响很大。以上分析抗冻性能良好的N4、R7、R10、R13四组引气减水剂掺量都是0.6%，而掺量为0的N1、R6、R11、R16这4组抗冻性相对较弱，冻融循环到250次时，相对动弹性模量已下降低52.9%、48.1%、63.8%、47.0%，较 N4、R7、R10、R13 组分别降低42.2%、47.7%、25.8%、44.8%。由此可见，加入引气减水剂可明显提高混凝土的抗冻能力。原因是引气减水剂使混凝土在搅拌过程中产生大量的微小气泡降低溶液表面张力，使气泡细腻均匀呈球形。这些微气孔在冰冻过程中能释放毛细管内的冰晶膨胀压力，从而避免生成破坏压力，减少和防止冻融的破坏作用提高混凝土的抗冻性。

4）掺加聚丙烯纤维后，再生混凝土抗冻试件破坏形态和普通混凝土有些差异。普通混凝土试件表面水泥浆剥落较轻，试件破坏属断裂破坏。掺加聚丙烯纤维的再生混凝土，试件表面剥落的水泥浆由纤维粘连，破坏时断裂面的砂石骨料也由纤维连接整体性强。由于聚丙烯纤维有阻止基体中原有缺陷的扩展和提高基体抗变形的能力，因此限制混凝土冻融破坏的进程。再者聚丙烯纤维有个显著的特点是弹性模量随温度的降低而增加，因此在冻结过程中纤维弹性模量的提高，可以更大程度地抵消冰胀力，而在融化的时候纤维弹性模量降低，有助于释放积蓄的膨胀能。纤维弹性模量的变化从整体上增强混凝土对冻融环境的应变能力，有效地抑制混凝土的冻胀开裂。

2.再生混凝土抗冻破坏评定指标

在普通混凝土冻融试验中采用快冻法，试件均处于饱和水状态，用相对动弹性模量（Pn）和失重率（Wn）两个抗冻破坏指标评定抗冻等级，当Pn＜60%或Wn＞5%，即认为试件已冻融破坏；慢冻法是试件处于非饱水状态，采用强度损失率 （Δfc）和失重率（Wn）表示抗冻性能优劣，当Δfc＜25%或Wn＞5%，即可判定试件已破坏。由于试验采用的是快冻法，试件在饱水状态下受冻融破坏更严重，因此强度损失率的评判标准Δfc＜25%显然不合适。

混凝土饱和面干吸水率是混凝土毛细孔隙率的一个间接指标，也是混凝土密实程度的一种标志。一般情况下，混凝土密实度越差，孔隙率越大，则饱和面干吸水率越高；反之密实度越高，孔隙率越小，其吸水率也就越低。再生混凝土由于其内部孔隙多、吸水率大，试件经冻融循环作用后饱和面干吸水率增长很大。所以试验对冻融前后再生混凝土饱和面吸水率的变化进行研究，也是从一个侧面反映混凝土经冻融循环作用后密实度的变化情况，进而也反映出其受冻融破坏的程度。试验16组试件的冻融前后宏观特性试验结果见表4.11。

从表4.11的结果可看出，强度损失率和吸水增长率这两个指标与快冻法中的相对动弹性模量、质量损失率这两个抗冻破坏评判指标是密切相关的。当试件抗冻性较好相对动弹性模量较高，质量损失率低，强度损失率较低，吸水增长率较小；反之亦然。经过相同的冻融循环次数，抗冻较好的混凝土试件内部没有大的裂缝，比较密实，如图4.48所示；抗冻性较弱的试件内部骨料颗粒与其包裹在周围的水泥浆体产生较大的裂缝，内部孔隙增多密实度差，如图4.49所示，说明混凝土内部的在冻融循环过程中损伤较大。

图4.48　抗冻较好的再生混凝土劈裂断面图

图4.49　抗冻较弱的再生混凝土劈裂断面图

将快冻法的强度损失率和饱和面干吸水增长率这两个破坏指标作为再生混凝土抗冻破坏标准，将表4.11中宏观特性数据绘制曲线如图4.50所示。从图4.50中可看出：当相对动弹性模量为60.4%时，强度损失率为36.9%，饱和面干吸水增长率为64.2%；当相对动弹性模量为52.9%时，强度损失率为34.5%，饱和面干吸水增长率为50.2%；当相对动弹性模量为63.8%时，强度损失率为27.9%，饱和面干吸水增长率为63.7%。综上，可取30%～35%作为快冻法强度损失率破坏评定标准；60%～65%作为饱和面干吸水增长率破坏标准，即当强度损失率大于35%、饱和面干吸水增长率大于60%时，试件已破坏。

表4.11　再生混凝土冻融前后宏观特性比较

图4.50　250次冻融后宏观特性试验结果曲线图

3.再生混凝土冻融试验结果正交分析

（1）冻融试验结果极差分析。

根据表4.9和表4.10中的试验数据分别计算出再生混凝土相对动弹性模量、失重率、强度损失率和吸水增长率的极差，见表4.12和表4.13。极差大的因素，说明它在三个水平之间变化时对所测指标造成的影响大，通常认为是影响冻融的重要因素。

表4.12　各因素对冻融试验结果的极差分析%

注 Ki、ki分别表示第i水平每个因素的试验结果总和及平均值；R表示极差。

表4.13　冻融试验结果极差分析表%

由极差表4.12可以看出：影响再生混凝土相对动弹性模量、失重率、强度损失率、吸水增长率因素的主次顺序均是C＞A＞B，即引气减水剂掺量＞再生粗骨料掺量＞聚丙烯纤维掺量。

（2）冻融试验结果方差分析。

现采用方差分析的方法，通过因素显著性检验判别各因素对指标的显著性影响大小，计算结果见表4.14～表4.17。

表4.14　冻融试验结果失重率方差分析表

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表4.15　冻融试验结果相对动弹性模量方差分析表

表4.16　冻融试验结果强度损失率方差分析表

表4.17　冻融试验结果吸水增长率方差分析表

从表4.14可看出：FA＜F0.1，FB＜F0.1，FC＞F0.01。

各因素影响冻融失重率的主次顺序为：引气减水剂掺量＞再生粗骨料掺量＞聚丙烯纤维掺量，这与直观极差分析结果完全一致。

引气减水剂掺量对失重率的影响特别显著，再生粗骨料掺量和聚丙烯纤维掺量对失重率影响较小。

从表4.15可看出：FA＜F0.1，FB＜F0.1，FC＞F0.01。

各因素影响相对动弹性模量的主次顺序为：引气减水剂掺量＞再生粗骨料掺量＞聚丙烯纤维掺量，这与直观极差分析结果完全一致。

引气减水剂掺量对相对动弹性模量的影响特别显著，再生粗骨料掺量和聚丙烯纤维掺量对相对动弹性模量则无显著影响。

从表4.16可看出：F0.1＜FA＜F0.05，FB＜F0.1，FC＞F0.01。

各因素影响强度损失率的主次顺序为：引气减水剂掺量＞再生粗骨料掺量＞聚丙烯纤维掺量，这与直观极差分析结果完全一致。

引气减水剂掺量对强度损失率影响特别显著，再生粗骨料掺量对强度损失率有一定的影响，聚丙烯纤维掺量对强度损失率的影响较小。

从表4.17可看出：F0.05＜FA＜F0.01，FB＜F0.1，FC＞F0.01。

各因素影响吸水增长率主次顺序为：引气减水剂掺量＞再生粗骨料掺量＞聚丙烯纤维掺量，这与直观极差分析结果完全一致。

引气减水剂掺量对吸水增长率影响特别显著，再生粗骨料掺量对吸水增长率有显著影响，聚丙烯纤维掺量对吸水增长率的影响较小。

（3）冻融试验结果点图分析。

为了更直观地分析各因素水平的变化对相对动弹性模量、失重率、强度损失率和吸水率增长率的影响并推荐最佳配合比，分别绘制点图如图4.51～图4.54所示。

根据图4.51～图4.54分析可得如下结论：

图4.51　相对动弹性模量正交分析点图

图4.52　失重率正交分析点图

图4.53　强度损失率正交分析点图

图4.54　吸水增长率正交分析点图

1）失重率随着引气减水剂掺量的增加显著减小，当掺量为0.2%、0.4%、0.6%时，失重率较不掺引气剂时分别降低66.4%、92.1%、100.0%。

2）相对动弹性模量随引气减水剂掺量的增加显著增加，当掺量为0.2%、0.4%、0.6%时，相对动弹性模量分别较不掺加引气减水剂时增加32.3%、54.9%、66.4%；随再生粗骨料掺量的增加相对动弹性模量呈减小趋势，当再生粗骨料掺量为40%、70%、100%时，相对动弹性模量分别较普通混凝土降低3.4%、3.1%、12.5%。

3）再生混凝土强度损失率随着引气减水剂掺量的增加明显减小，当掺量为0.2%、0.4%、0.6%时，强度损失率分别较不掺加引气减水剂时降低2.9%、34.2%、48.2%；随着再生粗骨料掺量的增加强度损失率显著增加，当再生粗骨料掺量为40%、70%、100%时，强度损失率分别为22.5%、28.1%、32.5%。

4）再生混凝土饱和面干吸水增长率随着引气减水剂掺量的增加明显减小，当掺量为0.2%、0.4%、0.6%时，饱和面干吸水增长率分别较不掺加引气减水剂时降低8.3%、26.5%、58.4%；随着再生粗骨料掺量的增加饱和面干吸水增长率显著增加，当再生粗骨料掺量为40%、70%、100%时，饱和面干吸水增长率分别为36.3%、56.8%、58.6%。

5）满足失重率最低的正交组合为A3B4C4；相对动弹性模量最高的正交组合为A3B3C4；强度损失率最低的正交组合为A2B3C4、饱和面干吸水增长率最低的正交组合为A2B3C4。为使再生粗骨料得到更充分的利用，使再生混凝土的应用得到更快的发展，综上所述，再生混凝土抗冻性最佳正交组合为A3B3C4，即再生粗骨料掺量为70%、聚丙烯纤维掺量为0.7%、引气减水剂掺量为0.6%。

（4）冻融试验结果功效系数分析。

首先，计算各指标的功效系数。对失重率、强度损失率和吸水增长率这3个指标，fi要求越小越好，预先给定这些指标一个区间值 （fimin，fimax），分别为失重率（0，5.00%）；强度损失率（11.9%，35.0%）；吸水增长率 （8.9%，65.0%），计算结果见表4.18。

通过比较总的功效系数，对于不同再生粗骨料掺量范围的再生混凝土，可根据总功效系数的大小选出抗冻性能最优的配合比，见表4.19。

从表4.19可看出，对掺加再生粗骨料的R7组总功效系数最高，是再生混凝土组中抗冻性能最优的配合比，这和直观分析得出的结论是一致的。引气减水剂的掺量对抗冻性能影响很大；聚丙烯纤维的掺量对其影响不大；随着再生粗骨料掺量的增加，再生混凝土抗冻性能减弱。

4.纤维和引气减水剂对再生混凝土冻融损伤的影响

（1）聚丙烯纤维。冻融循环损伤可看作是蠕变损伤和疲劳损伤的合成，混凝土中毛细孔的孔径大小及数量是混凝土抗冻能力的主要影响因素，随着混凝土微裂缝的发生和扩展，聚丙烯纤维不仅抑制混凝土早期塑性开裂，还阻止混凝土内部微裂缝的扩展，限制混凝土基体破坏的进程。另外，聚丙烯纤维有个显著的特点是它的弹性模量随温度的降低而增加，因此在冻结过程中纤维弹性模量的提高，可以更大程度地抵消冰胀力，而在融化的时候，纤维弹性模量降低有助于释放积蓄的膨胀能。纤维弹性模量的变化从整体上增强混凝土对冻融环境的应变能力，有效地抑制混凝土的冻胀开裂。

表4.18　冻融试验结果功效系数计算

表4.19　抗冻性能最优配合比参照表

掺入聚丙烯纤维后，再生混凝土抗冻试件破坏形态和普通再生混凝土有些差异，如图4.55所示。普通再生混凝土试件表面水泥浆剥落较轻，试件破坏属断裂破坏。掺加聚丙烯纤维的再生混凝土，试件表面剥落的水泥浆由纤维粘连，破坏时断裂面的砂石骨料也由纤维连接，整体性强。

（2）引气减水剂。随着引气减水剂掺量的增加，混凝土拌合物含气量呈明显增加趋势。引气减水剂掺量为0.2%、0.4%、0.6%时，再生混凝土含气量分别约为2%、3%、6%。根据表4.3的试验结果，绘制出不同再生粗骨料掺量下，混凝土拌合物含气量与引气减水剂掺量的关系如图4.56所示。另外，再生粗骨料较天然碎石孔隙多、吸水率大，在混凝土拌和过程中更易产生气泡。

图4.55　聚丙烯纤维对再生混凝土抗冻性能影响的效果图

图4.56　不同再生粗骨料掺量下，含气量与引气减水剂掺量的关系图

从表4.10冻融试验结果可看出，引气减水剂的掺量对混凝土的抗冻融能力影响很大。引气减水剂掺量为0.6%的N4组抗冻性最好，当冻融循环到250次时，相对动弹性模量下降到91.0%；掺量为0的R6组抗冻性相对较弱，冻融循环到200次时，相对动弹性模量已下降低68.4%，较R6组降低24%。随着再生混凝土内部的含气量的增加，再生混凝土的抗冻性越好。