0 引　言

随着我国城市发展，老旧建筑、公共基础设施的拆除、改造产生大量的建筑垃圾。据统计仅2020年，我国建筑垃圾的生成量即达到30亿吨^[1]。建筑垃圾不仅大量占用土地资源^[2]，其内部含有的有害物质还会造成土地、地下水的污染^[3]。此外，在我国提出的“双碳”目标的大背景下，合理利用建筑垃圾，推进建筑垃圾利用，是促进资源可持续发展的方法^[4]。

近年来国内外学者对再生砌体细集料砂浆的性能展开了大量研究。Dapena^[5]利用再生砌体细集料制备了砂浆，研究了再生砌体细集料对砂浆物理、力学性能的影响。Leite等^[6]通过对比分析再生砌体细集料与天然砂替换率对砂浆性能的影响规律。Mora-Ortiz等^[7]研究了再生砌体细集料替代比例对砂浆性能的影响，明确了再生砌体细集料不影响砂浆力学性能前提下的最高掺量。Kumar等^[8]研究了再生砌体细集料对砂浆流动性和凝结性能的影响规律，发现砂浆的凝结性受流动性和再生砌体细集料的含量影响明显。Lu等^[9]对再生玻璃碎料、再生砌体细集料复合砂浆的性能进行了试验研究，认为复合使用能够有效改善界面过渡区和浆体的硬度，细化孔隙结构。Chinchillas等^[10]研究了聚丙烯腈纤维-再生砌体细集料复合水泥砂浆的相关性能。刘相阳等^[11]研究了再生细骨料取代率、细骨料种类对再生砂浆工作性及力学性的影响。

以上研究表明：再生砌体细集料砂浆的研究集中在室温环境，但对于再生砌体细集料砂浆在恶劣环境中的相关性能的研究相对较少，特别是在冻融环境下的耐久性研究还未见报道，相关研究有待进一步展开。为此，本文对再生砌体细集料砂浆在冻融环境下强度变化进行了试验研究，采用SEM观测了再生砌体细集料在不同冻融循环下的界面特征。并且采用有限元方法分析了再生砌体细集料砂浆在冻融环境中的劣化过程，再现了再生砌体细集料砂浆冻融损伤机理。

1 试验材料及试验方法 1.1 试验材料

水泥为P.O32.5普通硅酸盐水泥，各项性能指标如表1所示。

再生细集料为鑫磊环保科技公司提供的建筑垃圾，经人工筛分，其4.75 mm以下的颗粒用于制作再生砂浆，细度模数为2.67。对再生细集料进行筛分，级配如表2所示。对再生细集料的技术指标进行试验，结果如表3所示。

再生细集料的表观密度和堆积密度低于GB/T 25176 —2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》^[12]的要求；颗粒级配满足级配区II中砂的级配范围。含泥量大，超过规范值11%，制备砂浆时增加用水量。在砂浆凝结硬化过程中，泥浆的存在会阻碍水泥石与骨料之间的粘结，容易形成结构的薄弱区域，导致砂浆耐久性差。同时会降低水泥浆与骨料间的粘附力，使砂浆的强度降低，且随含泥量的增加，砂浆后期的强度降低。再生细集料空隙率及压碎值指标较大，制备再生砂浆时，整体密实度差，导致试件强度低。

天然砂粒径小于4.75 mm，细度模数为2.36。粉煤灰为Ⅱ级。水为自来水。

试验选用3种配合比：全部采用再生砂作为细集料的砂浆；30%再生砂+70%天然砂（天然砂再生砂浆）；全部采用再生砂作为细集料，同时利用20%粉煤灰替代部分水泥的砂浆（粉煤灰再生砂浆）。

1.2 再生细集料砂浆配合比设计

再生细集料与水泥浆体之间容易形成界面薄弱区。参考JGJ/T98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》^[13]，选择M10砂浆进行配合比设计，砂浆拌和物的稠度控制在30~50 mm，砂浆试配强度根据下式计算：

式中： ${f}_{m,0}$ ——砂浆的试配强度，MPa；

$ k $ ——施工质量影响系数，取1.2；

$ {f}_{2} $ ——砂浆强度等级值，MPa。

根据式（1）计算得出再生砌筑砂浆M10的适配强度为12 MPa。按下式确定每立方米砂浆中水泥的用量：

式中： ${Q}_{\rm c}$ ——每立方米砂浆水泥用量，kg；

$ \alpha $ =3.03， $ \,\beta $ =−15.09；

${f}_{\rm ce}$ ——水泥实测强度，MPa。

根据JGJ/T 98—2010^[13]规定，砂浆用水量应控制在270~330 kg/m³，稠度控制在30~50 mm范围内。

1.3 试验方法

砂浆试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。振实后在标准养护条件下养护28 d。

抗冻测试前将试件取出，放在室内环境下静置4 d，检查表面完整情况，随后在温度为15~20 ℃水中浸泡4 d。浸泡完毕后，测试试件初质量。冻结试验温度范围为±18 ℃，冻融循环周期为2~4 h，融化时间占一个冻融循环周期的1/4。

对冻融后的再生砂浆试件进行SEM电镜扫描，根据再生砂浆的质量损失、抗压强度损失，确定选取冻融循环1次、6次的全再生砂浆样品、天然砂再生砂浆样品、粉煤灰再生砂浆样品，放大倍数分别为100、500、2000倍。

2 试验结果及分析 2.1 冻融循环后再生砂浆表面情况变化

图1为全再生砂浆、天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆经不同冻融循环次数后的表面变化。随着冻融循环次数增加，各试件表面的破坏程度均有所加重。经历3次冻融循环后各试件表面的破坏程度并不明显；经历6次冻融循环后所有试件表面均开始出现剥落现象。随着冻融循环次数的增加各试件的表面破坏过程明显加快；在冻融循环19次后各试件表面剥落现象均较为明显，其中全再生砂浆表面破坏最为严重，天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆表面破坏程度接近，均优于全再生砂浆。

2.2 冻融循环后再生砂浆质量损失

由图2冻融循环后砂浆质量变化可知：冻融循环前期，全再生砂浆试件的质量损失最快，3次冻融循环后试件质量损失接近6%；与此同时天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆的质量损失为0.3%左右。在冻融循环9次后，天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆的质量损失加快，而全再生砂浆的质量损失速率虽有所放缓，但仍高于天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆。

以上现象主要与砂浆受冻融循环后微观结构的变化有关。利用扫描电子显微镜（SEM）对经冻融前后的试件进行扫描^[14]。图3为冻融循环1次和冻融循环6次后，3种砂浆的微观形貌。由图3(a)可知：在冻融循环1次后，全再生砂浆内部已经开始出现微裂缝；由图3(c)和图3(e)可知：同样冻融循环1次后，天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆内部依然完好，无微裂缝出现。由图3(b)可知：在冻融循环6次后，全再生砂浆内部已经出现大量裂缝，砂浆内部结构遭受破坏；由图3(d)和图3(f)可知：在冻融循环6次后，天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆内部有少量裂缝出现，但破坏程度明显小于全再生砂浆。以上试验现象说明，天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆的抗冻性能优于全再生砂浆，在经历同样次数的冻融循环后，天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆内部的裂缝相对更少，试件表面及内部的砂浆剥落情况相对较轻，因此，相同冻融循环次数后，天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆的质量损失更小（如图2所示）。

2.3 冻融循环后再生砂浆强度变化

由图4可知：3种砂浆强度随着冻融循环次数的增加，各试件的抗压强度均降低，不同配比再生砂浆的抗压强度下降速率接近，但全再生砂浆的初始抗压强度明显更低（分别约为天然砂再生砂浆、粉煤灰再生砂浆的59%和60%）。经历19次冻融循环后，全再生砂浆的抗压强度约为天然砂再生砂浆、粉煤灰再生砂浆强度的36%和33.7%。

由图1~图4中砂浆在冻融循环后的剩余性能表现可知：全再生砂浆的的抗冻性能最差；天然砂再生砂浆和粉煤灰再生砂浆的抗冻性能接近，并优于全再生砂浆。

这是由于在进行冻融过程中砂浆内部存在着孔隙，水分进入到孔隙当中，温度下降时，孔隙的水分冻结，对砂浆孔隙造成压力，当压力逐渐增加超过砂浆抗压强度时，砂浆内部受损，并产生新的细裂缝。当外部环境温度升高时，砂浆孔隙中的自由水融化，新的细裂缝由于毛细作用吸收更多的水。经过反复冻融循环后，使得砂浆中的孔隙和裂缝不断增加从而造成试件质量损失和强度的下降，而相比较全再生砂浆，掺加天然砂和粉煤灰的抗冻性能更强，这是由于当掺加天然砂可以提升骨料的性能，并且由于天然砂内部孔隙较少吸水量小可以有效避免冻融循环过程中试件内部损伤的积累。而掺加粉煤灰时，粉煤灰中的玻璃态SiO₂和Al₂O₃与水泥水化产生的Ca(OH)₂反应生成大量的C-S-H，其填充在再生颗粒与水泥浆体之间，改善了两者之间的界面过渡区，从而提高了再生砂浆的抗冻性。

3 再生砂浆冻融循环过程的数值分析

为了分析再生砂浆抗冻机理，采用有限元法对再生砂浆在冻融循环中的劣化过程进行数值分析。

3.1 单元选择与网格划分

模型与试验用试件尺寸相同，均为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。网格划长度为0.07，共计1000个单元网格；网格单元类型选择热传递。

3.2 材料参数

温度场模拟中材料的各项性质及热力学参数主要包括传导率、比热容、密度以及热膨胀系数。参照文献[15-16]对粉煤灰再生砂浆的热力学参数进行设置，如表4所示。

3.3 温度场设置

采用热对流和热辐射进行相互作用设置，具体参数设置。一次冻融循环时间为2~4 h，用于融化的时间不小于整个冻融循环时间的1/4。幅值实际试验确定，以3 h为一个冻融循环，幅值设定在−18~18 ℃之间。

3.4 冻融循环过程中试件内部温度变化

图5为一次冻融循环过程中，再生砂浆内部温度变化过程。由图5可以看出，在0.5 h时，外侧最高温度为9 ℃，中心温度为6 ℃；在1 h时，外侧最高温度为0 ℃，中心温度为2.2 ℃，表明外侧首先受到环境温度的影响，并在冻融循环1 h前开始冻结；在2 h，外侧最高温度为−18 ℃，中心温度为−14.3 ℃，此时冻结过程结束；在3 h时，外侧最高温度为18 ℃，中心温度为11 ℃，融化过程结束。

综合以上现象可以看出，立方体模型内部的温度分布呈环形，并逐层过渡，中心温度始终滞后于外侧温度。因立方体模型内部和外侧存在温差，在冻结过程中，砂浆试件的外侧温度始终低于中心温度；在融化过程中，砂浆试件外侧温度始终高于中心点温度。总体上表现为：立方体模型内部的温度分布呈环形，并逐层过渡，中心温度始终滞后于外侧温度。在冻融作用下，在进行冻融循环时，砂浆内部、表层存在温差，砂浆内、外层由于膨胀、收缩作用，引起温度应力的不均匀分布，最终导致砂浆破裂，甚至剥落。

3.5 冻融循环过程中试件内部应力变化

图6中给出了砂浆表面剥落状况与砂浆表面应力分布云图。由图6(a)可以看出，冻融循环后砂浆试件表面出现严重的剥落，且棱角处破坏尤为严重骨料大量缺失；由图6(b)可以看出，在应力云图中，应力集中在立方体模型棱角处，且在棱角处出现了应力最大值。由此可见，数值模拟所得结果与试验现象基本吻合。

4 结束语

1）天然砂、粉煤灰能够改善再生砌体细集料砂浆的抗冻性能。经历冻融循环后，全再生砂浆试件表面破坏最为严重，抗压强度、质量损失明显。天然砂再生砂浆、粉煤灰再生砂浆抗冻性能接近，二者的抗冻性能明显优于全再生砂浆。

2）掺天然砂、粉煤灰能够改善再生砂浆微观结构，抑制冻融循环过程中再生砌体细集料砂浆内部微观裂缝发展，并且即便冻融循环次数增加其内部的微观裂缝数量也明显少于全再生砂浆。

3）数值仿真结果与试验数据吻合较好，在冻融循环过程中，再生砂浆立方体试件内、外部温差较大，试件中心温度变化存在温度梯度。它导致的应力集中在立方体模型棱角处，且在棱角处出现了应力最大值。