摘要
利用多孔水泥基材料在冻融循环中的孔隙水结晶劈裂原理，开展了不同工况下再生粗骨料的冻融改性试验，以部分或全部去除再生粗骨料表面附着的旧砂浆.结果表明：冻融最低温度越低，附着砂浆的剥除速率越快；经过一定次数的冻融循环后，附着砂浆几乎全部剥离，且改性后的再生粗骨料各项物理力学性能接近天然骨料；高温干燥预处理对后续冻融改性有较好的促进作用.最后，基于孔隙水相变的热力学原理以及冻胀开裂的孔隙介质力学机理，对再生粗骨料的冻融改性进行了理论分析，构建了再生粗骨料细观模型，从细观尺度解释了附着砂浆冻胀开裂及剥离的全过程.
使用建筑固废制备再生混凝土是建筑垃圾资源化利用的重要方面.然而，采用未经特殊处理的再生混凝土骨料（RCA）浇筑的再生混凝土往往在施工性能、力学性能和耐久性等方面劣于普通天然骨料混凝土.再生混凝土劣于天然骨料混凝土的原因之一在于其骨料表面附着有旧砂浆，使孔隙率增大，从而导致再生骨料的物理力学性能低于天然骨料，对再生混凝土的力学性能和耐久性等均有不利的影
基于多孔水泥基材料在冻融循环中的孔隙水结晶劈裂原理，本文提出纯水冻融循环改性工艺，并引入高温干燥处理再生混凝土骨料以达到最优、高效的工艺流程.在试验的基础上，根据孔隙水相变的热力学原理以及冻胀开裂的孔隙介质力学机理，从理论角度对再生混凝土骨料的冻融改性过程进行分析，并构建再生混凝土骨料细观模型，以期从细观尺度解释附着砂浆冻胀开裂及剥离的全过程.
再生混凝土骨料来自于建筑固废处理厂.对再生混凝土骨料进行筛分，剔除小于10.0 mm和大于37.5 mm的颗粒.将再生混凝土骨料按照不同粒径由小到大以5%、15%、40%、25%和15%的质量比进行重新组合，得到每组质量约为1.5 kg的再生混凝土骨料试样（见
图1 不同粒径的再生混凝土骨料
Fig.1 Recycled concrete aggregates of different particle sizes
冻融改性试验采用HC‑HDK型混凝土快速冻融试验机进行，试件筒尺寸为110 mm×110 mm×500 mm.在试验过程中，温度传感器被放置在骨料的中心，以确保精确可靠的温度控制.再生混凝土骨料试样及温度传感器布置如
图2 再生混凝土骨料试样及温度传感器布置
Fig.2 Recycled concrete aggregate sample and temperature sensor distribution
为了研究冻融循环最低温度（t）对附着砂浆剥落效果的影响，设置了2种温度历程.两者的最高温度均设置为15 ℃，最低温度分别设置为-10、-20 ℃，冻融循环过程中试样中心的温度变化如
图3 冻融循环过程中试样中心的温度历程
Fig.3 Temperature history of sample center during freezeing‑thawing cycle
本文采用80、200 ℃ 2种高温干燥工艺对再生混凝土骨料进行处理.在冻融循环开始前，将再生混凝土骨料分别置于80、200 ℃的环境中进行高温干燥处 理，控制两者加热速率一致，高温干燥持续时间为72 h，而后自然冷却至室温.
高温干燥方案：（1）冻融改性前对再生混凝土骨料分别进行高温干燥1次80 ℃或200 ℃的处理.（2）在冻融改性前对再生混凝土骨料进行1次200 ℃高温干燥，随后在第10个冻融循环结束后对再生混凝土骨料进行二次200 ℃高温干燥处理.同时，探究不同含水状态再生混凝土骨料在高温干燥中的劣化效果.
在本试验中，每经过5个冻融循环后，将每组试样的一半取出，对其进行机械振捣处理.振筛机的电机功率0.75 kW，振动频率221 次/min，每次持续约10 s.
最后，综合考虑冻融循环最低温度、骨料含水状态、高温干燥工艺、机械振捣等控制参数的各组试样名称及其处理工艺如
| Sample ID | t/℃ | Drying method | Saturation of recycled aggregate before drying | Vibrating |
|---|---|---|---|---|
| NHD20 | -20 | Non | Non | |
| NHD20‑V | -20 | Non | Vibrating | |
| HD10‑N80‑1 | -10 | 1 times at 80 ℃ | Natural dry | Non |
| HD10‑N80‑1-V | -10 | 1 times at 80 ℃ | Natural dry | Vibrating |
| HD20‑N80‑1 | -20 | 1 times at 80 ℃ | Natural dry | Non |
| HD20‑N80‑1-V | -20 | 1 times at 80 ℃ | Natural dry | Vibrating |
| HD20‑S80‑1 | -20 | 1 times at 80 ℃ | Saturated | Non |
| HD20‑S80‑1‑V | -20 | 1 times at 80 ℃ | Saturated | Vibrating |
| HD20‑S200‑1 | -20 | 1 times at 200 ℃ | Saturated | Non |
| HD20‑S200‑1‑V | -20 | 1 times at 200 ℃ | Saturated | Vibrating |
| HD20‑S200‑2 | -20 | 2 times at 200 ℃ | Saturated | Non |
| HD20‑S200‑2‑V | -20 | 2 times at 200 ℃ | Saturated | Vibrating |
再生混凝土骨料吸水率和砂浆剥落率随冻融循环次数（N）的变化如
图4 再生混凝土骨料吸水率和砂浆剥落率随冻融循环次数的变化
Fig.4 Absorption and spalling ratio of recycled concrete aggregate with different freezing‑thawing cycles
（1）随着冻融循环次数的增加，各组再生混凝土骨料试样的吸水率呈下降趋势，附着砂浆的剥落率则呈上升趋势，两者共同反映了随着附着砂浆的脱落，再生混凝土骨料逐渐接近天然骨料的过程.在前10个冻融循环内，再生混凝土骨料的吸水率略有上升，原因可能是大量附着砂浆尚未剥落而内部损伤逐渐累积，导致试样的孔隙率增大，吸水率增加.在经过10个冻融循环后，再生混凝土骨料的吸水率迅速降低.-20 ℃冻融条件下的附着砂浆剥落速率显著高于-10 ℃冻融条件下的剥落速率.经过40个冻融循环后，-10 ℃冻融条件下再生混凝土骨料的吸水率由7.31%下降到5.75%，-20 ℃条件下再生混凝土骨料的吸水率则下降到3.21%；附着砂浆剥落率从-10 ℃时的31.16%增加到-20 ℃时的51.81%，附着砂浆基本剥落完全.
（2）经过高温干燥处理的再生混凝土骨料吸水率降低速率和砂浆剥落速率均比未进行高温干燥处理的再生混凝土骨料更快.主要原因可能是在高温干燥过程中存在由于材料热胀系数差异引起的温度应力，导致附着砂浆和界面过渡区（ITZ）中可能会出现微裂
经过机械振捣处理的再生混凝土骨料吸水率在冻融改性过程中下降更快，砂浆剥落程度更高.这主要是因为机械振捣进一步加剧了仍附着在天然骨料上的老砂浆以及ITZ的内部损伤，使得附着砂浆在随后的冻融循环中更容易被冻结力剥落.随着冻融循环次数的增加，附着砂浆被完全剥落，从而从再生混凝土骨料中回收得到天然骨料，如
图5 冻融改性试验前后的再生骨料和剥落附着砂浆
Fig.5 Recycled aggregate before and after freezing‑thawing cycles and attached mortar
图6 冻融改性再生骨料附着砂浆完全剥落后的压碎指标及吸水率
Fig.6 Crushing index and absorption of freezing‑thawing modified recycled aggregate without attached mortar
在冻融循环的降温过程中，孔隙水经历了液态到固态的相变，产生体积膨胀，并在此过程中产生了孔隙压力.根据热力学平衡原
| （1） |
式中：γCL≈0.04 J/
根据热力学原理，考虑其中最重要的静水压力（ph）、渗透压力（pl）和结晶压力（pc）这3种孔隙压力，分别进行量化计算，如式（
| （2） |
| （3） |
| （4） |
式中：KC（≈8.8 GPa）和KL（≈2.2 GPa）分别是冰和水的体积模量；ψC和ψL分别是结冰孔和含水孔的体积分数；0≤f（Sr，ϕair，k0，εp，…）≤1是考虑多因素影响的折减系数；λ是孔隙形状因
根据Powers的气泡间距模
| （5） |
式中：fcem是砂浆中水泥净浆的体积分数. 最后，根据孔隙力学理论，孔隙压力平均施加于材料的整体骨架
| （6） |
式中：σ0是骨架发生变形前产生的孔隙压力（最大孔隙压力），随着骨架膨胀变形，孔隙压力逐渐被释放；b是Biot系
孔隙水结冰的应力-应变关系如
| （7） |
图7 孔隙水结冰的应力-应变关系
Fig.7 Stress‑strain relationship during the freezing of pore water
现实情况下材料多处于水环境中，即在冻融循环中有充足的水分补给，可以填满孔隙和产生的裂缝（见
| （8） |
式中：α是裂缝完全饱和的可能性，即随着冻融过程中水分的不断补充，每次循环中可结冰孔隙水增加的概率.冻融应变损伤积累的过程，即为裂缝产生和发展的过程，在此过程中，旧砂浆与骨料之间的黏结力逐渐减小，直至剥离.
图8 冻融循环中水分吸收与损伤积累
Fig.8 Continuous water uptake and damage accumulation during freeze‑thaw cycle
RBSM是一种离散数值分析方法.与其他离散数值方法相比，RBSM的优点在于对静态和小变形问题的模拟，例如混凝土材料的开
图9 细观RBSM模型示意图
Fig.9 Schematic diagram of the mesoscale RBSM
砂浆抗压强度、抗拉强度和弹性模量以及ITZ的抗拉强度等宏观材料特性根据已有研究确定.Nagai
| （9） |
式中：fcm 是砂浆的抗压强度，MPa；Em 是砂浆的弹性模量，MPa；ftp 是砂浆的拉伸强度，MPa；fti 是ITZ的抗拉强度，MPa；mW/mC 是水灰比.
为了分析冻融改性对再生混凝土骨料性能的影响，使用RBSM对再生混凝土骨料试样进行建模（见
图10 冻融循环再生骨料模型
Fig.10 Simulation of RCA under freeze‑thaw cycles
模型各参数根据水灰比确定.对于不同水灰比，根据
| mW/mC | ϕmot | Emot/GPa | fc_mot/MPa | ft_mot/MPa | ft_ITZ/MPa | φair/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0.35 | 0.16 | 24.7 | 50.26 | 3.98 | 1.80 | 1.8 |
| 0.50 | 0.22 | 21.2 | 32.00 | 3.35 | 1.58 | 1.8 |
| 0.65 | 0.28 | 18.4 | 22.17 | 2.84 | 1.37 | 1.8 |
对模型进行40次冻融循环模拟.由于2次冻融循环之间水分得到补充，因此模型在下一次循环开始前处于饱和状态.记录整个过程中的应变变化，在冻融循环结束后进行了模拟拉伸试验，并记录了砂浆、ITZ和粗骨料各自的变形.
在冻融过程中，通过应变计同步记录了砂浆、天然骨料和ITZ的应变（见
图11 ITZ裂缝宽度与砂浆、骨料应变的关系
Fig.11 Correlation between ITZ crack width and strain of mortar and aggregate
40次冻融循环前后各个模型的单轴抗拉曲线如
图12 40次冻融循环前后各个模型的单轴抗拉曲线
Fig.12 Uniaxial tensile behaviors of models before and after 40 freezing‑thawing cycles
（1）冻融改性对去除再生混凝土骨料上的附着砂浆效果显著.冻融改性工艺中的最低温度越低，冻融改性效率越高；冻融改性前对再生混凝土骨料进行高温干燥处理能提高改性效率.高温干燥前再生混凝土骨料的含水量对后续冻融剥落效率的影响不大，在冻融改性过程中对骨料进行机械振捣能够进一步提升冻融改性效率.
（2）当再生混凝土骨料尺寸一定时，内部的天然骨料尺寸越大，再生混凝土骨料的整体应变越大，界面过渡区的应变也越大，天然骨料的尺寸效应随着水灰比的降低而减弱.当水灰比较小时，冻融循环过程中砂浆的应变相对于界面过渡区的变形更小，此时界面过渡区的变形对试件的整体变形起主导作用.在水灰比较大的情况下，骨料的整体应变由附着砂浆控制.
（3）本文初步探索了冻融改性的实验室工艺及其影响因素，旧砂浆去除率接近100%，具有良好的应用前景.然而目前实验室内处置的能耗较高，后续研究将进一步优化改性效率，降低能耗.
参考文献
CHINZORIGT G， LIM M K， YU M， et al. Strength， shrinkage and creep and durability aspects of concrete including CO2 treated recycled fine aggregate［J］. Cement and Concrete Research， 2020， 136：106062. [百度学术]
DANG J T， ZHAO J， PANG S D， et al. Durability and microstructural properties of concrete with recycled brick as fine aggregates［J］. Construction and Building Materials， 2020， 262：120032. [百度学术]
马昆林， 黄新宇， 胡明文， 等. 砖混再生粗骨料混凝土损伤本构关系［J］. 建筑材料学报， 2022， 25（2）：131‑141. [百度学术]
MA Kunlin， HUANG Xinyu， HU Mingwen， et al. Damage constitutive model of brick‑concrete recycled coarse aggregates concrete［J］. Journal of Building Materials， 2022， 25（2）：131‑141. （in Chinese） [百度学术]
陈春红， 刘荣桂， 朱平华， 等. 黏附砂浆含量对再生混凝土抗氯离子侵蚀性能影响［J］. 建筑材料学报， 2021， 24（6）：1216‑1223. [百度学术]
CHEN Chunhong， LIU Ronggui， ZHU Pinghua， et al. Effect of attached mortar content on chloride ion erosion resistance of recycled concrete［J］. Journal of Building Materials， 2021， 24（6）：1216‑1223. （in Chinese） [百度学术]
KATZ A. Treatments for the improvement of recycled aggregate［J］. Journal of Materials in Civil Engineering， 2004， 16（6）：597‑603. [百度学术]
叶哲. 再生粗骨料改性及其对混凝土性能的影响［D］. 合肥：安徽建筑大学， 2020. [百度学术]
YE Zhe. Modification of recycled coarse aggregate and its effect on concrete properties［D］. Hefei：Anhui Jianzhu University， 2020. （in Chinese） [百度学术]
SHAIKH F， CHAVDA V， MINHAJ N， et al. Effect of mixing methods of nano silica on properties of recycled aggregate concrete［J］. Structural Concrete， 2018， 19（2）：387‑399. [百度学术]
ZENG W L， ZHAO Y X， POON C S， et al. Using microbial carbonate precipitation to improve the properties of recycled aggregate［J］. Construction and Building Materials， 2019， 228：116743. [百度学术]
SUI Y W， MUELLER A. Development of thermo‑mechanical treatment for recycling of used concrete［J］. Materials and Structures/Materiaux et Constructions， 2012， 45（10）：1487‑1495. [百度学术]
NAWA T， OGAWA H. Improving the quality of recycled fine aggregates by selective removal of brittleness defects. Legislation， technology and practice of mine land reclamation［C］//Proceedings of the Beijing International Symposium Land Reclamation and Ecological Restoration（LRER 2014）. Beijing：CRC Press/Balkema， 2014：384‑392. [百度学术]
水中和， 玄东兴， 曹蓓蓓. 热-机械力分离制备高品质再生骨料的研究［J］. 混凝土， 2006（12）：60‑62. [百度学术]
SHUI Zhonghe， XUAN Dongxing， CAO Beibei. Preparation of high‑quality recycling aggregate by thermal‑ mechanical separation from waste concrete［J］. Concrete， 2006（12）：60‑62. （in Chinese） [百度学术]
PIASTA J. Heat deformations of cement paste phases and the microstructure of cement paste［J］. Materials and Structures/Matériaux et Constructions， 1984， 17（6）：415‑420. [百度学术]
SCHERER G W， VALENZA J J. Mechanisms of frost damage［J］. Materials Science of Concrete， 2005， 7（1）：209‑246. [百度学术]
GONG F Y， SICAT E， ZHANG D W， et al. Stress analysis for concrete materials under multiple freeze‑thaw cycles［J］. Journal of Advanced Concrete Technology， 2015， 13（3）：124‑134. [百度学术]
SUN Z H， SCHERER G W. Effect of air voids on salt scaling and internal freezing［J］. Cement and Concrete Research， 2010， 40（2）：260‑270. [百度学术]
POWERS T C. A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete［J］. Journal of the American Concrete Institute， 1945， 16（4）：245‑272. [百度学术]
PROMENTILLA M A B， SUGIYAMA T. X‑ray microtomography of mortars exposed to freezing‑thawing action［J］. Journal of Advanced Concrete Technology， 2010， 8（2）：97‑111. [百度学术]
COUSSY O. Poromechanics of freezing materials［J］. Journal of the Mechanics and Physics of Solids， 2005， 53（8）：1689‑1718. [百度学术]
BIOT M A. General theory of three‐dimensional consolidation［J］. Journal of Applied Physics， 1941， 12（2）：155‑164. [百度学术]
GONG F Y， UEDA T， WANG Y， et al. Mesoscale simulation of fatigue behavior of concrete materials damaged by freeze‑thaw cycles［J］. Construction and Building Materials， 2017， 144：702‑716. [百度学术]
WANG Z， GONG F Y， ZHANG D W， et al. Mesoscale simulation of concrete behavior with non‑uniform frost damage with verification by CT imaging［J］. Construction and Building Materials， 2017， 157：203‑213. [百度学术]
NAGAI K， SATO Y， UEDA T. Mesoscopic simulation of failure of mortar and concrete by 2D RBSM［J］. Journal of Advanced Concrete Technology， 2004， 2（3）：359‑374. [百度学术]
UEDA T， HASAN M， NAGAI K， et al. Mesoscale simulation of influence of frost damage on mechanical properties of concrete［J］. Journal of Materials in Civil Engineering， 2009， 21（6）：244‑252. [百度学术]