0 引言

为实现“碳中和，碳达峰”，对废弃混凝土的回收及再利用将成为必然趋势。使再生混凝土广泛应用到道路工程中，已被建设部门视为解决混凝土材料需求量增大与妥善处理废旧混凝土的关键途径^[1]。目前，使用建筑再生骨料铺筑路面面层及基层已有较多研究基础^[2-3]。张金喜等^[4]对建筑垃圾全再生半刚性道路基层路用性能进行了相关研究，结果表明全建筑垃圾再生道路基层材料具有良好的性能，满足相关规范要求。道路混凝土在服役过程中遭受荷载作用的同时，还面临着环境中有害离子的侵蚀作用。硫酸根离子是典型的侵蚀性离子，从混凝土实际服役情况来看，中国西部地区及东部沿海地区环境富含硫酸根离子^[5]。混凝土结构物在盐富集地区易受硫酸根离子侵蚀，严重影响混凝土结构的服役寿命^[6-7]。

再生骨料的自身缺陷及盐富集地区的环境特点，限制了再生混凝土在盐富集地区混凝土结构物中的应用^[8-9]。用再生骨料替代天然骨料制备再生混凝土会引起内部微观结构复杂化，较天然混凝土更容易受到有害离子的侵蚀破坏，导致再生混凝土耐久性大幅度下降^[10]。关于再生混凝土性能劣化方面已有较多研究成果。Xu等^[11]研究了硫酸盐侵蚀与干湿循环共同作用下力学性能损伤。Bao等^[12]分析氯盐侵蚀和单轴拉伸加载耦合作用下的再生骨料混凝土的传输性能。Xiao等^[13]研究了冻融循环和硫酸盐侵蚀的耦合作用对不同骨料替代率的再生混凝土的破坏。部分研究学者根据再生混凝土服役部位特性考虑了荷载的影响。赵翔^[14]进行硫酸盐侵蚀试验、压应力试验及压应力和硫酸盐侵蚀耦合作用试验，对不同再生骨料取代率再生混凝土进行耐久性试验以及单调荷载试验。赵亚松等^[15]弯曲荷载对再生混凝土在硫酸盐侵蚀和干湿循环下劣化进程的影响。鲍玖文等^[16]研究了轴压重复荷载应力水平和再生粗骨料取代率对再生混凝土毛细吸水性能的影响规律。由现有研究内容可知，目前对再生混凝土硫酸盐侵蚀受荷载作用影响的研究主要为压应力、弯曲静荷载和轴压荷载，未考虑水泥混凝土路面、桥面及机场道面等交通基础设施结构承受频繁的交通荷载反复作用。虽然本研究对混凝土在干湿循环-交变荷载作用下普通混凝土性能劣化机制进行了研究，但再生混凝土与普通混凝土微观结构差异性较大，已有成果不能满足硫酸盐环境下应用于交通基础设施的再生混凝土设计需要^[17]。

本研究基于前期对普通道路混凝土所处交变荷载-硫酸盐干湿循环条件下的性能衰退研究成果，对不同应力水平及侵蚀周期的再生混凝土开展性能劣化测试。采用超声无损检测、微观结构测试方法分析再生混凝土受硫酸盐侵蚀损伤宏微观性能劣化规律。通过建立再生混凝土损伤度函数，预测硫酸盐侵蚀条件下，不同干湿循环周期及交变荷载作用下再生混凝土的损伤规律，研究结果为拓宽再生混凝土的应用范围提供了数据支持。

1 试验 1.1 原材料

水泥为P.O 42.5级普通硅酸盐水泥。细集料为中砂，细度模数为2.81，级配曲线如图 1所示。粗集料为天然骨料为石灰岩碎石，连续级配，最大粒径为20 mm。再生骨料来自强度为C30和C40的废旧混凝土，其所用碎石也为石灰岩。使用标准孔筛按照相应粒径顺序对机械破碎后的粗骨料进行筛分，本次试验所使用的再生粗骨料满足规范《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)连续级配的要求，其级配曲线如图 2所示。试验用再生骨料的表观密度、压碎值及吸水率等性能参数按照《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685—2001)进行测试，测试结果如表 1所示。

1.2 配合比设计及试件制备

遵照《普通混凝土配合比设计规程》 (JGJ 55—2000)进行混凝土配合比设计。再生骨料具有吸水性高的特点，若在其干燥状态下进行拌和会出现新拌混凝土工作性下降、混凝土后期强度差等现象出现，因此采用额外加水法调整再生混凝土的拌和用水量，拌和用水量为普通混凝土配合比设计用水量与附加水量之和，实际配合比如表 2所示。试件为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，成型后24 h脱模，放入温度为(20±2) ℃，相对湿度为95%的养护箱内进行养护，28 d后进行交变荷载-硫酸盐干湿循环试验。

1.3 试验方法

混凝土试验工况如表 3所示，其中NAC表示骨料全部为天然骨料的混凝土，RAC表示骨料全部为再生骨料的混凝土。侵蚀溶液选择Na₂SO₄溶液，溶液质量浓度为5%。为研究硫酸盐侵蚀混凝土一维传输规律，将试件包括成型面在内的4个面用环氧树脂密封，留取2个对立面进行硫酸盐侵蚀，如图 3所示。采用自行设计的干湿循环-交变荷载耦合作用混凝土试验设备，试验设备原理图如图 4所示。该装置利用支架、横梁、电机、压头等组成应力加载部分。利用环境箱设置可控可测的硫酸盐侵蚀条件组成腐蚀模拟部分，利用电子传感器实时采集压头的压力和腐蚀环境温度等参数，能够较准确地模拟纯浸泡、干湿循环、不同温度影响的腐蚀条件和不同应力水平、荷载频率的交变荷载环境，提升水泥混凝土交变荷载与干湿循环作用下氯离子侵蚀研究水平。将混凝土试件置于化学介质侵蚀装置中，随后加入Na₂SO₄溶液。设置干湿循环周期为48 h，干燥时间与湿润时间均为24 h，即1个侵蚀周期为48 h。

由于实际工程中的混凝土结构在干燥时处于自然干燥状态，因此采用完全浸泡方式湿润干湿循环制度中的试件，采用自然干燥的方式进行干燥。设置交变荷载最大应力水平为0.5和0.7，最小应力水平为0.2，交变荷载谱如图 5所示。混凝土试件在分别经过15，45，90，180个干湿循环周期后，需要对其宏观性能与微观性能进行测试。

采用超声波无损检测技术对受损混凝土动弹性模量的变化规律进行研究。通过测定超声波在混凝土中的传播速度从而计算得到混凝土动弹模量值，取3个试件的平均值作为测试结果，计算公式^[18]为：

(1)

式中，E为动弹性模量；ρ为密度；ν为泊松比；V为超声波速。

相对动弹性模量是指混凝土在受损伤前后的动弹性模量的比值。测试混凝土的相对动弹性模量从而对混凝土受侵蚀损伤的劣化过程进行分析。相对抗压强度是指再生混凝土在不同侵蚀周期后与未受侵蚀的强度比值。通过切割方式在不同侵蚀条件下的混凝土中心截取100 mm×100mm×100 mm的试件，试验参考规范《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081——2016)，取3个试件的平均值作为测试结果。采用环境扫描电子显微镜对再生混凝土微观进行形貌观察与分析，试件表面进行喷金处理，测试电压为5.0 kV。采用压汞法评估交变荷载-硫酸盐侵蚀作用对再生混凝土孔隙结构的影响，试件为微观形貌测试相同深度的砂浆块，体积约为10 mm×10 mm×10 mm，在105 ℃烘箱中烘干1 d至恒重，然后通过压汞仪测试试件的孔径分布。

2 结果与讨论 2.1 再生混凝土力学特性分析

交变荷载-硫酸盐干湿循环作用对混凝土相对动弹性模量与抗压强度影响的试验结果如图 6所示。可以看出，当天然混凝土与再生混凝土受到硫酸盐侵蚀时，其相对动弹性模量与相对抗压强度在侵蚀周期为45次前呈升高趋势，在侵蚀周期大于45次后呈下降趋势。天然混凝土前期相对动弹性模量与相对抗压强度升高速率低于再生混凝土。受硫酸盐侵蚀的再生混凝土其相对动弹性模量与相对抗压强度后期迅速下降，并且应力水平越高其下降速率越快。

当有交变荷载作用于混凝土时，混凝土性能劣化提前，表现为再生混凝土相对抗压强度下降提前。当再生混凝土的相对动弹性模量下降时，表示混凝土内部出现损伤，微裂缝萌生并随着交变荷载的作用迅速扩展。受最大应力水平为0.7作用的混凝土，其相对动弹性模量要低于受最大应力水平为0.5的混凝土，这是因为应力水平越高，混凝土受损伤程度越大，裂纹开展速率越快，因此应力水平越高再生混凝土的相对动弹性模量越低。

2.2 再生混凝土微观形貌特征分析

为了更加直观分析荷载与干湿循环硫酸盐侵蚀耦合作用对再生混凝土损伤劣化机理，通过扫描电子显微镜对交变荷载与硫酸盐侵蚀45次和90次后的混凝土试件进行观察。测试深度为距再生混凝土表面10 mm，试验结果如图 7所示。由图可见，应力水平为0，0.5，0.7时，受硫酸盐侵蚀后的再生混凝土内部微观形貌特征相似，均不同程度的出现了孔隙及裂缝。相较于应力水平为0的试件，应力水平0.5和0.7时的裂缝宽度更大。这是由于在交变荷载的作用下，混凝土产生泵吸作用^[19]，使硫酸盐侵蚀速率更快，随着应力水平的增加，混凝土材料受力超过屈服强度，产生弹塑性变形，导致初始孔隙及裂缝不断发展，增加了水分及有害离子传输的通道，降低了混凝土的耐久性。

通过图 7对比不同侵蚀周期的再生混凝土微观形貌可以发现，90次侵蚀周期的混凝土内部微观形貌更加密实，但此时的二次钙矾石已对再生混凝土内孔壁产生了较大压力，当有外力作用于结构时再生混凝土性能迅速劣化。

侵蚀周期45次，不同应力水平下荷载与硫酸盐耦合作用对再生混凝土孔结构的影响如图 8所示。由图 8(a)可见，0应力水平再生混凝土孔隙集中在50~1 000 nm，0.5应力水平孔隙集中在50~5 000 nm，10 000~11 000 nm；0.7应力水平孔隙集中在100~500 nm，1 200~10 000 nm^[20]。试验结果表明，交变荷载增大了再生混凝土孔径，孔径大于200 nm的较多有害孔^[21]分布上升。由混凝土累计孔体积曲线图 8(b)可以发现，应力水平0.7的再生混凝土总孔体积最高，再生混凝土0.5应力水平的总孔体积低于0应力水平的再生混凝土总孔体积。虽然荷载增大了再生混凝土的最可几孔径，但当应力水平小于0.5时，轴向压缩荷载与硫酸盐侵蚀作用可以提高再生混凝土的整体密实度^[8]。当超过阈值应力水平时，微裂纹开始集中扩展，扩大了裂纹的开口和连通性，从而导致混凝土的孔隙率增大，降低再生混凝土的抗侵蚀能力。微观测试试验结果说明了轴向压缩荷载对混凝土的微观结构存在正负双效应。

2.3 再生混凝土损伤预测模型

由于轴向压缩与硫酸盐侵蚀对再生混凝土结构具有正负双效应，且再生混凝土结构复杂，使其使用寿命往往低于普通混凝土使用年限。硫酸盐与交变荷载耦合作用下混凝土的失效起点是混凝土内部微缺陷的萌生与扩展，逐渐发展为各层次上的结构破坏。为满足工程实践的需要，合理地预测受损混凝土的宏观性能劣化规律有助于完善受侵蚀混凝土耐久性的研究体系。

在干湿循环与交变荷载耦合作用条件下，混凝土的结构破坏过程较为复杂。为了将不同侵蚀与荷载条件下的微裂纹等微观损伤指标进行转化，从而在宏观上表现为性能的衰退。通常以损伤度作为评价混凝土的性能退化指标，损伤度是指混凝土任意表征参数值的变化值与初始值的比值，计算公式^[22]为：

(2)

式中，d为损伤度；ΔR为表征参数的变化值(超声波速、强度、质量、动弹性模量等的变化值)；R₀为未受到损伤时混凝土的表征参数(超声波速、强度、质量、动弹性模量等初始值)。

2.3.1 损伤度函数的建立

在侵蚀初期，混凝土的孔隙率降低密实度增加，混凝土结构不发生损伤。侵蚀后期混凝土受硫酸盐侵蚀及交变荷载的作用产生裂缝，开始出现损伤。因此定义材料与时间相关的损伤演化关系函数d (t)，可以有效地理解混凝土受硫酸盐侵蚀及交变荷载作用损伤的全过程。根据损伤理论及材料损伤演化相关系数的定义，受硫酸根离子侵蚀与交变荷载耦合作用下混凝土的动弹模量为：

(3)

式中，E₀为混凝土的初始动弹模量；t为侵蚀周期。

根据混凝土动弹模量 ，结合式(2)和式(3)可得基于超声波速度V的损伤度表达式为：

(4)

式中，V₀为侵蚀前试块的脉冲传播速度；V_t为t次侵蚀周期后试块的超声波速度。

通过测试混凝土试件经过荷载与干湿循环侵蚀后的超声声速变化可得到损伤演化系数与时间的曲线变化关系。根据式(4)计算交变荷载与硫酸盐干湿循环侵蚀作用下混凝土的损伤度，结果如图 9所示。混凝土的损伤度随着侵蚀次数的增加先下降后升高，应力水平越高损伤度越大。混凝土受侵蚀周期小于15次时，其损伤度为负值，这说明此时混凝土结构处于密实阶段。相较于天然混凝土，再生混凝土侵蚀后期损伤速率更快，以应力水平0.7为例，再生混凝土经过180次侵蚀周期后的损伤度为0.45，而天然混凝土为0.30。

2.3.2 损伤演化方程建立

根据2.3.1节混凝土损伤度试验结果可以看出，随着侵蚀周期以及干湿循环次数的增加，天然混凝土与再生混凝土的损伤度均呈现先减小后增加的趋势。根据此脉冲传播速度的试验结果，并综合考虑侵蚀周期和应力水平2种因素条件，通过对于天然混凝土及再生混凝土的损伤演化方程的建立，从而探究了这两种因素对混凝土的宏观损伤演变规律。

在干湿循环次数变化的条件下，假设混凝土的损伤度d (t)连续。根据最小二乘拟合法，通过引入拟合函数d (t)=a+bt+ct²(式中a，b，c为拟合参数)对混凝土损伤的变化规律进行拟合，从而得到混凝土损伤演化方程(见表 4)。由表可见，混凝土损伤度均符合演化方程，相关系数R²较大，吻合程度高。本研究的混凝土损伤演化拟合方程适用于硫酸盐侵蚀浓度为5%的天然混凝土与100%再生粗骨料混凝土的损伤度预测。

2.3.3 损伤模型评价

按照混凝土损伤演化方程，测试并计算各组试块侵蚀周期30，60，120，240次的试验值和计算值，如图 10所示。可以看出，预测值与试验值相比，误差小。这表明交变荷载及其干湿循环条件下的混凝土损伤评价模型具有较好的预测能力。然而在混凝土经过240次硫酸盐侵蚀后，损伤模型的预测值与试验值之间的误差逐渐增大，其中，再生混凝土的预测误差尤为明显。这是由于再生骨料之间存在有一定的缺陷与微裂纹，致使再生混凝土在初期对硫酸盐侵蚀的抵抗能力小幅度增加，从而间接延缓了试件的劣化速率。然而，由于再生混凝土本身存在缺陷，使得在侵蚀后期混凝土的性能迅速下降^[23]。侵蚀后期的再生混凝土损伤度试验值低于预测值，且部分损伤度预测数值已超过1，这是由于硫酸盐侵蚀的损伤为由表及里进行，表面损伤后内部的再生骨料仍然能重新容纳新生成的膨胀产物，因此导致侵蚀后期的预测值高于试验测试结果。

3 结论

通过对天然混凝土与再生混凝土在硫酸盐侵蚀及交变荷载作用下的性能劣化规律展开系统研究，研究结果对于深入理解混凝土在复杂环境下的行为特征以及进一步优化再生混凝土的应用具有重要意义。具体得出结论如下。

(1) 天然混凝土与再生混凝土受到硫酸盐侵蚀时，其相对动弹性模量与相对抗压强度在干湿循环前期呈升高趋势，在干湿循环后期呈下降趋势。天然混凝土前期相对动弹性模量与相对抗压强度升高速率低于再生混凝土。

(2) 交变荷载作用于混凝土时，混凝土性能劣化提前。受最大应力水平为0.7作用的混凝土其相对动弹性模量要低于受最大应力水平为0.5的混凝土。

(3) 侵蚀前期再生混凝土0.5应力水平的总孔体积低于0应力水平的再生混凝土总孔体积，适当的轴向压缩荷载可以压实混凝土内的原始孔隙，提高混凝土的密实度。

(4) 建立了交变荷载与硫酸盐干湿循环作用下再生混凝土的损伤演化方程，能够预测再生混凝土损伤度发展规律，但由于再生混凝土结构较复杂，导致侵蚀后期预测误差略增大。