循环荷载下冻融后海水养护橡胶再生砖骨料混凝土的包络模型与能量耗散研究

《Journal of Building Engineering》：Research on the Envelope Model and Energy Dissipation of Seawater-Cured Rubber Recycled Brick-Aggregate Concrete after Freeze-Thaw under Cyclic Loading

　　

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  建立了再生橡胶砖混凝土 (RRBC) 的分段包络模型。
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  分析了循环荷载下再生橡胶砖混凝土 (RRBC) 的能量耗散。
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  揭示了海水养护再生橡胶砖混凝土 (RRBC) 的冻融损伤机制。

引言

快速城市化导致大量建筑物拆迁和车辆报废，产生了包括混凝土块、砖块和轮胎在内的巨大数量废物 [1], [2], [3]。这些废物不仅污染环境，而且处理还需要大量的财政资源。在此背景下，利用再生混凝土骨料 (RCA)、再生砖骨料 (RBA) 和由废旧轮胎加工而成的橡胶颗粒铸造再生橡胶砖混凝土 (RRBC)，为废物资源化提供了一条可行的途径 [4]。然而，RRBC 因其材料组成而存在固有缺陷，限制了其整体性能。RCA 和 RBA 中由破碎引起的微裂纹覆盖着旧砂浆，导致孔隙率高、吸水率高且强度低。再生骨料与水泥浆体之间的界面过渡区 (ITZ) 结构疏松，是应力作用下的薄弱区 [5], [6]。同时，橡胶颗粒具有疏水性，与水泥砂浆粘结不足，且弹性模量低于基体，在荷载作用下容易应力集中和界面脱粘 [7]。更重要的是，当 RRBC 长期暴露在海水中等恶劣环境中时，这些缺陷可能会与氯离子和硫酸盐离子产生协同效应 [8], [9]，导致更复杂的劣化，加速 RRBC 性能的退化并限制其使用寿命。因此，探索 RRBC 在海水环境中的性能演化和劣化机制，对于 RRBC 在海洋工程中的应用具有重要价值。

混凝土的耐久性问题不仅限于静态海水侵蚀。在寒冷地区的海洋工程中，结构承受冻融 (F-T) 循环，导致强度和动态弹性模量持续下降，严重影响使用寿命 [10], [11]。为此，现有研究系统综述了冻融循环下混凝土的劣化机制、预防和缓解措施 [12]，为抗冻研究提供了方向。此外，研究人员从添加剂 [13]、养护条件 [14] 和冻融环境 [15] 的角度探讨了提高混凝土抗冻性的方法，取得了良好效果。一些研究还调查了冻融循环中微观尺度下裂纹扩展和孔隙演变的规律，以阐明混凝土的冻融损伤机制 [16]。然而，再生混凝土的固有缺陷影响了冻融损伤的发展。添加橡胶颗粒后，劣化过程变得更加复杂。虽然橡胶的弹性可以缓解冻胀应力，但橡胶引入的弱界面和疏水性特性与再生骨料的固有缺陷相互作用，导致对退化机制存在争议 [17], [18], [19]。一些研究通过损伤模型分析了冻融循环下橡胶再生混凝土的劣化行为。然而，这些研究基于淡水环境 [20], [21], [22]，与海水环境的实际条件不同。因此，盐侵蚀和冻融耦合下 RRBC 的损伤机制尚不清楚，限制了其在寒冷地区的工程应用。

在实际工程中，环境侵蚀与动态荷载的耦合导致非线性材料性能劣化，这超过单一因素的简单叠加 [23], [24]。目前关于循环荷载下再生混凝土性能的研究相对成熟。Hu 和 Yang 等人 [25], [26] 系统地描述了其应力 - 应变关系、滞后特性和损伤演化，并建立了相应的本构模型和数值模拟方法。Liang 等人 [27] 分析了不同循环荷载水平下再生混凝土的能量耗散特性，发现掺入橡胶颗粒可改善其能量耗散能力。然而，基于常规环境的知识外推到海水侵蚀和冻融耦合下的 RRBC 的适用性仍有待研究。这是因为海水成分不仅改变了孔隙溶液的冰点和结晶行为，从而影响冻融损伤机制 [28]，还与再生骨料和橡胶界面发生反应，导致损伤路径和劣化机制与淡水环境不同 [29]。因此，本研究旨在调查海水侵蚀和冻融耦合后 RRBC 的动态力学行为，建立其本构模型，进行能量演化分析，并弥补现有研究的空白。

因此，本研究分析了淡水冻融和海水冻融条件下海水养护 RRBC 的抗冻性和循环荷载性能。揭示了盐侵蚀和冻融耦合下的损伤机制，利用维纳退化过程预测寿命，并从包络模型和能量耗散的角度阐明了循环荷载下的性能演化规律。旨在填补海洋环境与动态荷载耦合下 RRBC 性能分析的空白，为 RRBC 在防波堤、港口和码头的工程应用提供参考，并促进固体废物材料的资源化利用。

章节片段

材料

所用的胶凝材料为 P·C 42.5 普通硅酸盐水泥，比表面积为 336 m²/kg，化学成分见表 1。细度模数为 2.48 的河砂和粒径为 1-3 mm 的橡胶颗粒用作细骨料，橡胶颗粒的物理性能见表 2。粒径为 4.75-31.5 mm 的天然石料 (NA)、RCA 和 RBA 用作粗骨料，其物理性能和化学成分

表面侵蚀

RRBC 的表面侵蚀情况如图 3 所示。当循环次数为 0 时，试件表面完整。当循环次数为 100 时，表面仅出现少量侵蚀点，冻融损伤以微缺陷萌生为主且发展缓慢。当循环次数为 125 时，侵蚀点增多、连通、扩展，损伤发展迅速。此后，损伤持续积累。侵蚀点扩展成大范围的侵蚀区域，表面砂浆剥落

结论

本研究调查了淡水冻融和海水冻融条件下海水养护 RRBC 的抗冻性和循环荷载性能，揭示了海水冻融对性能退化的延缓作用。主要结论如下。

• (1)
  海水养护在 RRBC 内部孔隙溶液与海水冻融环境之间建立了离子平衡，使冰点保持在较低水平并抑制冻胀损伤。经过 200 次冻融循环后，相对

CRediT 作者贡献声明

曾嘉玉: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，软件，资源。 黄琦: 调查，数据整理。 袁书成: 写作 – 审阅与编辑，方法论，经费获取。 李坤鹏: 方法论。 林海峰: 方法论。 车六雨: 方法论。 梁伟: 方法论。 朱战远: 方法论，经费获取

数据可用性声明

本研究期间生成或分析的数据均已包含在文章中。在合理请求条件下，原始数据可从通讯作者处获得。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金 (52278513)、省级大学生创新创业训练计划 (S202510626098) 和西昌科技计划 (JSYJ-2024-03)。

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