李文貴,羅智予,龍初,黃靚

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410082； 2.澳大利亞蒙納士大學(xué)(Monash University) 土木工程系 澳大利亞 墨爾本 3800)

納米再生骨料混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

李文貴1,2?,羅智予1,龍初1,黃靚1

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410082； 2.澳大利亞蒙納士大學(xué)(Monash University) 土木工程系 澳大利亞 墨爾本 3800)

對(duì)再生混凝土以及經(jīng)過(guò)1%～2%的納米SiO2或納米CaCO3改性的再生混凝土進(jìn)行了霍普金森壓桿(SHPB)的沖擊對(duì)比試驗(yàn)研究.試驗(yàn)研究不同納米顆粒及其不同摻量對(duì)再生混凝土高應(yīng)變率作用下動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子(DIF)，峰值應(yīng)變，沖擊韌性等力學(xué)性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)沖擊荷載下納米改性再生混凝土普遍具有比未添加納米顆粒的再生混凝土更高的沖擊強(qiáng)度，然而當(dāng)納米顆粒含量從1%增加到2%時(shí)，納米SiO2及納米CaCO3改性的再生混凝土受沖擊強(qiáng)度均有所降低.相同摻量時(shí)，納米SiO2對(duì)受沖擊強(qiáng)度的提高效果比納米CaCO3更為明顯，摻入1%納米SiO2的再生混凝土具有最高的受沖擊強(qiáng)度.納米CaCO3則表現(xiàn)為更有效地提高了再生混凝土的沖擊韌性和變形能力.納米改性再生混凝土均呈現(xiàn)出比未添加納米材料的再生混凝土低的應(yīng)變率敏感性.

沖擊實(shí)驗(yàn)；納米SiO2;納米CaCO3;再生混凝土;霍普金森壓桿

Abstract：The dynamic mechanical performances of recycled aggregate concrete (RAC) incorporating with 1% to 2% nano-SiO2or nano-CaCO3were tested by Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB).The effects of different kind is of nanoparticles and different dosages on the mechanical performances of RAC were investigated.The results revealed that RACs with nano-SiO2and nano-CaCO3all zhowed higher dynamic compressive strength than the control RAC,and the nano-SiO2was more effectire than nano-CaCO3in enhancing the dynamic compressive strength of RAC.But RACs with high dosage of nano-SiO2or nano-CaCO3usually showed lower dynamic compressive strength than that of low dosage one,and the RAC incorporating with 1% nano-SiO2achieved the highest dynamic compressive strength.Nano-CaCO3exhibited more advantage in improving the deformation performance and energy absorption capacity of RAC.Both nano-SiO2modified RAC and nano-CaCO3modified RAC showed lower dynamic increase factor than control RAC.

Keywords：impact testing;nano-SiO2;nano-CaCO3;recycled aggregate concrete;Split Hopkinson pressure bar (SHPB)

在城市建造過(guò)程中，不斷有舊建筑的拆除，拆除過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄混凝土是一種總量巨大的建筑垃圾.對(duì)廢棄混凝土處理不當(dāng)將導(dǎo)致環(huán)境污染.將廢棄的混凝土經(jīng)回收，破碎，分級(jí)等處理加工成骨料，再用來(lái)配置混凝土即所謂的再生混凝土.此舉可以實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的再次利用，既解決了垃圾問(wèn)題又節(jié)約了骨料資源，可謂一舉兩得.然而，研究[1-2]普遍表明，由于老砂漿及多界面過(guò)渡區(qū)等的影響，再生混凝土的性能較差，再生混凝土較差的性能大大制約了其推廣運(yùn)用.

不少學(xué)者曾嘗試對(duì)再生混凝土進(jìn)行改性處理以期改善再生混凝土的性能,推廣再生骨料混凝土這一綠色材料的運(yùn)用.如李文貴等[3]提出顆粒整形強(qiáng)化法，即通過(guò)再生骨料的高速自擊與摩擦來(lái)去除再生骨料表面附著的砂漿.Tam等[4]利用HCl、H2S04、H3P04溶液預(yù)浸泡骨料來(lái)進(jìn)行改性處理.Zhan[5]和Zhang等[6]采用CO2強(qiáng)化再生骨料.但是每一種處理都有不足之處，例如機(jī)械研磨類(lèi)的方法常會(huì)造成骨料損傷，化學(xué)浸泡類(lèi)則可能會(huì)對(duì)骨料的某些成分造成破壞.至今仍沒(méi)有哪一種方法的滿(mǎn)足工序簡(jiǎn)單，成本合理，結(jié)果良好等要求，更多的研究需要被投入.近些年納米材料的發(fā)展給土木工程領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展思路，已有的研究表明納米SiO2及納米CaCO3具有填充效應(yīng)以及晶核效應(yīng)，同時(shí)納米SiO2還具備火山灰活性，故納米SiO2及納米CaCO3能改善水泥砂漿及混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化界面區(qū)，提高強(qiáng)度并改善耐久性[7-9].雖然納米材料對(duì)再生混凝土的改性研究并不多見(jiàn)，但是易于推知納米材料對(duì)水泥基和界面區(qū)的改善作用依然會(huì)存在于再生混凝土中，從現(xiàn)有的研究結(jié)果來(lái)看，納米材料對(duì)改善再生混凝土的性能有很大的潛力.Hosseini等[10]及Mukharjee等[11-12]的研究表明，摻3%的納米SiO2的再生混凝土能達(dá)到與普通混凝土相似的強(qiáng)度.隨著生產(chǎn)工藝的改善納米材料高成本的劣勢(shì)將逐步減小，這也暗示著納米材料在推廣再生混凝土的運(yùn)用上有著廣闊前景.

現(xiàn)如今沖擊現(xiàn)象日益頻繁，特別是天津大爆炸的爆發(fā)，使得建筑物承受沖擊爆炸作用的現(xiàn)象受到更廣泛的關(guān)注.鑒于納米材料對(duì)推廣使用再生混凝土的巨大潛力，有必要對(duì)納米改性再生混凝土的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究，本文采用湖南大學(xué)直徑100 mm的分離式霍普金森壓桿對(duì)再生混凝土摻入納米顆粒后的受沖擊力學(xué)性能進(jìn)行了初步研究，探索不同納米顆粒的改性效果以及相應(yīng)的適宜摻量以完備相關(guān)理論并探索實(shí)際運(yùn)用的可行性.

1 試驗(yàn)概況

1.1 材 料

水泥采用湖南寧鄉(xiāng)南方水泥有限公司產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，砂為普通河沙(中砂)，再生粗骨料由地面廢棄混凝土破碎而來(lái)，骨料具體性能見(jiàn)表1，水采用自來(lái)水.青島虹廈產(chǎn)的HSN萘系高效減水劑用作減水劑并兼用作納米材料的分散劑.試驗(yàn)用納米材料為納米SiO2分散液及納米CaCO3粉末，購(gòu)自杭州萬(wàn)景新材料公司.其主要性能指標(biāo)如表2及表3所示.

表1 再生骨料的物理性質(zhì)

表2 納米SiO2性能指標(biāo)

表3 納米CaCO3性能指標(biāo)

1.2 試件制作

為了制作SHPB沖擊試件及相應(yīng)的靜壓試件，購(gòu)買(mǎi)了內(nèi)徑94 mm長(zhǎng)度約500 mm的PVC管，管的一端用AB膠與小木板固定密實(shí)防止漏漿，以此作為澆筑試件的模具.

考慮到再生混凝土的吸水率大于普通混凝土，所以在配置再生混凝土?xí)r添加再生骨料10 Min吸水量作為配制再生混凝土?xí)r的附加用水量，以確保配制的再生混凝土與普通混凝土能獲得相同的有效水灰比.為了試驗(yàn)方便，附加用水量在攪拌時(shí)一起添加.共設(shè)置5組試件：再生混凝土，以及添加了納米SiO2或納米CaCO3的再生混凝土.其中納米材料摻量為水泥質(zhì)量的1%或2%.再生混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30.各組試件配合比如表4所示，其中納米材料以取代水泥的方式摻入.

表4 納米改性再生混凝土配合比

注：RNS和RNC分別代表添加納米SiO2和納米CaCO3的再生混凝土.RNS與RNC后的1或2代表納米材料的摻量為水泥質(zhì)量的1%或2%.NS為分散液質(zhì)量.

由于納米材料易因高范德華力而聚團(tuán)，因此在添加納米材料前先將減水劑與水混合，再在減水劑混合液中加入納米材料并高速攪拌1 min以使納米材料能夠分散均勻.將水泥，砂，骨料放入攪拌機(jī)攪拌2 min后將混合液倒入，再攪拌2 min.攪拌均勻后將混凝土倒入模具中，置于振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)密實(shí)，并在20 ℃溫度，相對(duì)濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù).

將養(yǎng)護(hù)完的試件送到機(jī)械切割廠進(jìn)行切割，并剝?nèi)ネ鈱覲VC管.切割成直徑為94 mm長(zhǎng)度為47 mm，長(zhǎng)徑比0.5的試件，將試件兩端面用雙面磨石機(jī)打磨平整用于沖擊試驗(yàn)；切割成直徑為94 mm長(zhǎng)度為188 mm，長(zhǎng)徑比為2的試件，將試件兩端面打磨平整用于進(jìn)行靜壓試驗(yàn).試驗(yàn)于大約28 d時(shí)進(jìn)行.

1.3 試驗(yàn)方法

沖擊試驗(yàn)在湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，工程結(jié)構(gòu)綜合防護(hù)中心的100 mm直徑分離式霍普金森壓桿裝置上進(jìn)行.如圖1所示，霍普金森桿主要由壓桿系統(tǒng)，數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成.試驗(yàn)時(shí)，將沖擊試件夾在入射桿與透射桿之間，并在試件與兩端桿件接觸面間涂有凡士林以減小端部摩擦.試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)指定不同氣壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的沖擊速度，此次試驗(yàn)采用氣壓分別為0.8 MPa，1.0 MPa及1.2 MPa，光電測(cè)速儀測(cè)取對(duì)應(yīng)沖擊速度分別約為7.7 m/s，9.8 m/s以及11.6 m/s.當(dāng)加載氣壓達(dá)到指定的氣壓時(shí)，壓縮的氮?dú)獗会尫磐苿?dòng)撞擊桿撞擊入射桿，并產(chǎn)生入射波εi，由于壓桿與試件的波阻抗不同，當(dāng)入射波到達(dá)入射桿與試件交界面時(shí)部分波反射回入射桿形成反射波εr，另一部分則進(jìn)入透射桿形成透射波εt.入射波，反射波及透射波信號(hào)由布置于入射桿及透射桿上的應(yīng)變片測(cè)得，將動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集的脈沖信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)按基于一維彈性波理論以及應(yīng)力沿試件軸向均勻分布假定的二波法[13]計(jì)算即可獲取沖擊過(guò)程試件的應(yīng)力，應(yīng)變以及應(yīng)變率等時(shí)程曲線.

圖1 霍普金森桿裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 失效模型

各組試件破壞形態(tài)如圖2所示，此次試驗(yàn)中，沖擊速度分別為7.7 m/s,9.8 m/s和11.6 m/s.5組試件在同一沖擊速度下的破壞形態(tài)并無(wú)明顯差異，相對(duì)于試驗(yàn)中極大的沖擊荷載，納米顆粒對(duì)試件的改性作用過(guò)于微小，不足以對(duì)破壞模式造成影響.由于大直徑霍普金森桿對(duì)應(yīng)大的桿件質(zhì)量，即使沖擊速度不大，其巨大的動(dòng)能仍使得各組試件在3種沖擊速度下均被撞碎，且隨沖擊速度的增大，試件破壞越發(fā)嚴(yán)重.在沖擊速度為7.7 m/s時(shí)，大多數(shù)水泥砂漿以及少量的骨料被撞碎，破壞后的試件呈現(xiàn)很多顆粒狀的碎塊.而在沖擊速度為11.6 m/s時(shí)有大量的骨料被撞碎，試件破壞后大部分呈粉末狀.

圖2 破壞形態(tài)

2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

沖擊荷載作用下納米改性再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示，從圖中可知，除了在沖擊速度為7.7 m/s時(shí)摻了2%納米CaCO3的再生混凝土外，再生混凝土與添加不同納米材料的再生混凝土的各沖擊速度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線外形上無(wú)明顯差異，均呈現(xiàn)出明顯的上升段，峰值與快速下降段.在7.7 m/s這一相對(duì)較低的沖擊速度時(shí)，2%的納米CaCO3改性再生混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出了比其他組試件明顯要高的延性.在各個(gè)沖擊速度下，納米CaCO3改性再生混凝土普遍有較大的峰值應(yīng)變，且在峰值點(diǎn)附近，應(yīng)力應(yīng)變曲線比納米SiO2改性再生混凝土以及未加納米材料的再生混凝土更為圓潤(rùn)平滑.即納米CaCO3能改善再生混凝土沖擊荷載下的變形性能和延性.李文貴等[14]關(guān)于納米CaCO3改性普通混凝土的沖擊試驗(yàn)，以及Yeilmen等[15]關(guān)于納米CaCO3改性水泥基的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)中均得出了相似的研究結(jié)論.在同一沖擊速度下，各組試件的上升段的初始部分基本重合，這表明加入不同納米顆粒并不會(huì)顯著改變?cè)偕炷恋臎_擊下的彈性模量.納米改性再生混凝土普遍表現(xiàn)出了比未添加納米材料的再生混凝土更高的峰值應(yīng)力，然而這種差距隨沖擊速度的增大而減小.

(a) 7.7 m/s

(b) 9.8 m/s

(c) 11.6 m/s 圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 結(jié)果討論

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)受壓強(qiáng)度

RAC標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 150 mm ×150 mm×150 mm立方體受壓強(qiáng)度為31.9 MPa.94 mm×188 mm試件所測(cè)得的5組準(zhǔn)靜態(tài)受壓強(qiáng)度如圖4所示，由圖可知，摻入納米顆粒的再生混凝土試件均表現(xiàn)出了比未摻納米顆粒的再生混凝土試件更高的強(qiáng)度.納米SiO2比納米CaCO3提高強(qiáng)度的效果更為顯著.隨著納米顆粒含量的增加，摻納米SiO2的再生混凝土的受壓強(qiáng)度依然呈上升趨勢(shì)，2%的納米SiO2表現(xiàn)出了最高的受壓強(qiáng)度，而納米CaCO3隨著劑量增加其受壓強(qiáng)度有稍微的下降，這可能是由于納米CaCO3顆粒發(fā)生了聚團(tuán).由于納米材料是以取代水泥的方式加入，當(dāng)納米CaCO3超過(guò)一定劑量后新添加的納米顆粒沒(méi)有充分發(fā)揮其對(duì)微結(jié)構(gòu)的改善作用，不能彌補(bǔ)水泥含量減少帶來(lái)的對(duì)強(qiáng)度的不利影響，故隨納米顆粒增多試件強(qiáng)度反而降低.

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)受壓強(qiáng)度

3.2 動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子

取試件的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力作為其動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度.納米改性再生混凝土的動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化的情況如圖5所示.圖中應(yīng)變率可分為3組，3組平均值分別約為136/s,178/s和213/s，對(duì)應(yīng)沖擊速度分別為7.7 m/s,9.8 m/s和11.6 m/s.考慮到試驗(yàn)誤差，由圖中可得知，摻入納米顆粒并不會(huì)明顯改變?cè)嚰軟_擊下的應(yīng)變率.

從圖中可知，再生混凝土摻入納米CaCO3和納米SiO2后普遍呈現(xiàn)出更高的動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度.然而再生混凝土的動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度隨著納米顆粒含量的增多呈下降趨勢(shì).這與Wang等[16]關(guān)于納米CaCO3改性普通混凝土及納米SiO2改性普通混凝土受沖擊下的研究結(jié)論相一致.

圖5 動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度

隨著沖擊速度的增加，摻入不同納米顆粒改性的再生混凝土與未摻納米材料的再生混凝土的受壓強(qiáng)度的差異越來(lái)越小.從圖2可以看出，隨著沖擊速度的增加， 越來(lái)越多的再生骨料被壓碎，骨料具有遠(yuǎn)高于砂漿的強(qiáng)度，然而骨料的強(qiáng)度基本不會(huì)被納米顆粒所改變，所以納米顆粒對(duì)試件強(qiáng)度的影響被削弱.

圖6展示了試件的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子(DIF)，即動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與相應(yīng)準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度的比值.由圖可知，所有的納米改性再生混凝土的DIF值均低于未添加納米顆粒的再生混凝土的DIF值，但在不同組應(yīng)變率下不同納米材料改性的再生混凝土其相對(duì)DIF值呈現(xiàn)出了不同的規(guī)律.

圖6 動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子

在第一組應(yīng)變率，即沖擊強(qiáng)度為7.7 m/s時(shí)，試件中僅少量骨料開(kāi)裂，破壞主要起源于砂漿.該組DIF能反映出納米材料對(duì)砂漿的影響.在第一組中，由圖可知，納米SiO2和納米CaCO3改性的再生混凝土均表現(xiàn)出比未添加納米材料的再生混凝土更低的DIF，且隨著納米顆粒數(shù)量的增多，下降程度更加明顯.這表明加入納米SiO2和納米CaCO3均將降低再生混凝土內(nèi)砂漿的應(yīng)變率敏感性.其中納米CaCO3降低應(yīng)變率的作用更加顯著.

混凝土的應(yīng)變率敏感性可歸結(jié)為3個(gè)方面[17-18]：黏性效應(yīng)，裂紋演變效應(yīng)和慣性效應(yīng).納米SiO2和納米CaCO3減小率敏感性可能部分因?yàn)榧{米顆粒的高吸水性.小尺寸的納米顆粒具有較大的比表面積，這會(huì)吸附較多的水從而減小砂漿中的自由水的含量.由于沖擊下裂紋中的自由水會(huì)引發(fā)較大的黏聚力，所以自由水含量越多，黏性效應(yīng)越顯著[19-20]，孔隙里面的自由水會(huì)延緩高應(yīng)變率下裂紋的發(fā)展[21]，同時(shí)水分還有放大慣性效應(yīng)的傾向[22].故隨著納米顆粒的摻入，自由水含量下降，再生混凝土中砂漿的應(yīng)變率敏感性也隨之下降.但是，高吸水性可能并非是納米顆粒減小應(yīng)變率敏感性的唯一原因.諸如隨納米顆粒增多，水泥含量有所減小，以及納米顆粒的其他特殊性質(zhì)等的影響值得進(jìn)一步研究.

在第三組應(yīng)變率下，裂紋演變效應(yīng)變得更加明顯，此時(shí)試件的破壞穿過(guò)了大量的骨料，因?yàn)榧{米顆粒并不會(huì)明顯改變骨料的強(qiáng)度，各組試件呈現(xiàn)出相似的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度.在準(zhǔn)靜態(tài)下，試件破壞主要沿著新舊界面區(qū)域以及砂漿.由于納米顆?？梢愿纳菩陆缑鎱^(qū)并增加砂漿強(qiáng)度，故在適量范圍內(nèi)，納米顆?？梢蕴岣咴偕炷恋臏?zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度.由于具有相似的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度，故在第三組應(yīng)變率下試件的DIF更多的取決于試件的準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度，試件的準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度被納米顆粒提高得越多，其DIF值相對(duì)就越小.第二組應(yīng)變率下的DIF值即受納米顆粒減小砂漿應(yīng)變率效應(yīng)的影響，又受納米顆粒無(wú)法提高骨料強(qiáng)度導(dǎo)致DIF隨靜壓強(qiáng)度增大而降低的影響，兼具第一組DIF與第三組DIF的特征.研究表明[18,23]，混凝土類(lèi)材料的DIF與log10的應(yīng)變率間呈線性關(guān)系，在本次試驗(yàn)應(yīng)變率范圍內(nèi)，納米改性再生混凝土的DIF與應(yīng)變率間的擬合關(guān)系如表5所示.

表5 擬合公式參數(shù)

注：擬合公式為DIF=axlog10()+b

納米SiO2和納米CaCO3摻入再生混凝土后，一方面它們將改善再生混凝土中砂漿的微結(jié)構(gòu)并強(qiáng)化新界面區(qū)[9]，另一方面它們將降低再生混凝土砂漿的應(yīng)變率敏感性.納米改性再生混凝土的動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度同時(shí)受這兩個(gè)方面的影響.當(dāng)納米顆粒超過(guò)一定摻量時(shí)，隨摻量的增多，其對(duì)再生混凝土微結(jié)構(gòu)的改善作用將減弱，從圖4可以看出，納米SiO2含量從1%增加到2%時(shí)，其準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度的增長(zhǎng)小于其含量從0%增加到1%時(shí)的增長(zhǎng).納米CaCO3從1%增加到2%時(shí)，其準(zhǔn)靜態(tài)受壓強(qiáng)度甚至稍微有所下降.新增的納米顆粒對(duì)砂漿的和界面區(qū)的改善作用無(wú)法抵消其對(duì)應(yīng)變率的降低作用，故摻2%的納米SiO2和納米CaCO3的再生混凝土均呈現(xiàn)出了相比1%摻量時(shí)更低的動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度.

3.3 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變

關(guān)于沖擊下再生混凝土峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率變化的研究并未取得一致的結(jié)論.Lu等[24]對(duì)再生混凝土進(jìn)行SHPB沖擊試驗(yàn)得出峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率增加而變大的結(jié)論.然而Xiao等[17,25]與Li等[26]研究表明，再生混凝土峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率上升沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性.如圖7所示，就納米改性再生混凝土而言，其峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì).其中摻入納米CaCO3的再生混凝土表現(xiàn)出了明顯要大的峰值應(yīng)變.即再生混凝土中摻入納米CaCO3能改善其變形性能.對(duì)于摻入納米SiO2的試件而言，摻入1%的納米SiO2時(shí)表現(xiàn)出略大于未添加納米材料的再生混凝土的峰值應(yīng)變值.而摻入2%的納米SiO2后，峰值應(yīng)變時(shí)常會(huì)略小于未添加納米材料的再生混凝土.摻入納米SiO2的再生混凝土與未添加納米材料的再生混凝土的峰值應(yīng)變的差異并不顯著.

圖7 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變

3.4 沖擊韌性

沖擊韌性是混凝土受到動(dòng)荷載吸收能量的能力，是混凝土強(qiáng)度和延性的綜合[27].可用全應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積—比吸能來(lái)反映[24].如圖8所示，隨著沖擊速度的增加各組試件的比吸能均呈上升趨勢(shì).由于混凝土類(lèi)材料的應(yīng)變率效應(yīng)，試件的強(qiáng)度有所提升，同時(shí)高應(yīng)變率下試件的極限應(yīng)變亦有所增加，故試件高應(yīng)變率下表現(xiàn)出更大的吸能能力.對(duì)比各組試件可知，摻入納米CaCO3的再生混凝土均表現(xiàn)出了比未添加納米顆粒的再生混凝土更高的沖擊韌性，且大多情況下高摻量納米CaCO3的再生混凝土對(duì)應(yīng)著更高的沖擊韌性.雖然摻入2%的納米CaCO3相比摻入1%的納米CaCO3時(shí)的沖擊強(qiáng)度有所下降，但是由于摻入2%的納米CaCO3時(shí)試件有更好的延性，故摻入2%的納米CaCO3時(shí)試件仍具有更高的吸能能力.對(duì)于摻入納米SiO2的再生混凝土，摻量為1%時(shí)，此時(shí)的試件具有最高的動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度，試件的延性并未有顯著降低，因此其具有較好的吸能能力，吸能能力介于1%與2%的摻量的納米CaCO3之間.當(dāng)納米SiO2摻量為2%時(shí)，由于過(guò)多的納米顆粒明顯減小了應(yīng)變率效應(yīng)，其動(dòng)態(tài)強(qiáng)度并不是很高，同時(shí)從圖3可看出，試件延性相對(duì)其他組試件而言明顯要差，故其吸能能力較差，甚至低于未添加納米材料的再生混凝土的吸能能力.這與李文貴等[14]關(guān)于納米SiO2和納米CaCO3改性普通混凝土的研究結(jié)論相類(lèi)似，其研究結(jié)果表明，納米CaCO3能提高再生混凝土的沖擊韌性，而納米SiO2在改善沖擊韌性方面并不具備優(yōu)勢(shì).

圖8 耗能比

4 結(jié) 論

1)再生混凝土摻入不同劑量的納米SiO2和納米CaCO3后其準(zhǔn)靜態(tài)受壓強(qiáng)度均有不同程度的提高.其中摻入2%納米SiO2的再生混凝土達(dá)到了最大的準(zhǔn)靜態(tài)受壓強(qiáng)度.相同摻量時(shí)，較之納米CaCO3，納米SiO2能更有效的提高再生混凝土準(zhǔn)靜態(tài)下的受壓強(qiáng)度.

2)納米SiO2和納米CaCO3均能有效的提高再生混凝土的動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度，其中納米SiO2對(duì)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度的提高效果比納米CaCO3更加明顯.當(dāng)納米顆粒從1%上升到2%時(shí)，納米SiO2和納米CaCO3改性再生混凝土的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度均隨著納米顆粒摻量的增多而降低.隨著應(yīng)變率的增大，摻不同納米顆粒的再生混凝土與未添加納米顆粒的再生混凝土間的受壓強(qiáng)度差異變小.

3)摻入納米SiO2和納米CaCO3后的再生混凝土均具有比未添加納米顆粒的再生混凝土要低的DIF值.納米SiO2和納米CaCO3均會(huì)減小再生混凝土的應(yīng)變率敏感性.在較低應(yīng)變率下可能是由于納米顆粒的大吸水性減少了砂漿的應(yīng)變率敏感性；在較高應(yīng)變率下，則更主要是由于納米顆粒無(wú)法有效提高骨料強(qiáng)度因而對(duì)沖擊強(qiáng)度提高有限，而納米顆粒會(huì)明顯提高準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)度，因而導(dǎo)致了納米改性再生混凝土應(yīng)變率敏感性降低的現(xiàn)象.

4)摻入不同納米顆粒的再生混凝土的峰值應(yīng)變均隨著應(yīng)變率的增加而提高，摻入納米CaCO3后的再生混凝土表現(xiàn)出了比其他組更高的峰值應(yīng)變，即納米CaCO3能改善再生混凝土的變形能力.而摻入納米SiO2的再生混凝土與未摻納米顆粒的再生混凝土的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變沒(méi)有很顯著的差異.

5)隨應(yīng)變率的增加，各組試件均呈現(xiàn)出更大的沖擊韌性值.其中摻入納米CaCO3的試件的吸能能力強(qiáng)于未摻納米顆粒的試件，而對(duì)于納米SiO2，1%的摻量時(shí)能提高試件的沖擊韌性，其比吸能介于1%和2%的納米CaCO3再生混凝土間.當(dāng)納米顆粒摻量上升到2%時(shí)，其吸能能力反而下降，甚至低于了未摻納米顆粒的再生混凝土的吸能能力.

6)綜合本文對(duì)C30設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土的研究表明，再生混凝土的受壓強(qiáng)度，沖擊下變形能力及沖擊韌性等性能均可由相應(yīng)的納米材料進(jìn)行改善.納米材料推廣的不利因素在于其過(guò)高的成本，但是由于較小的使用量以及納米技術(shù)的不斷進(jìn)步，成本的劣勢(shì)將會(huì)日益削弱，納米材料將會(huì)在水泥基材料領(lǐng)域得到更好的運(yùn)用.

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Experimental Study on the Dynamical Mechanical Performance of Nanomodified Recycled Aggregate Concrete

LI Wengui1,2?,LUO Zhiyu1,LONG Chu1,HUANG Liang1

(1.College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China; 2.Department of Civil Engineering,Monash University,VIC 3800,Australia)

1674-2974(2017)09-0092-08

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.09.011

2016-07-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51408210),National Natural Science Foundation of China(51408210)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(531107040800),The Fundamental Research Funds for the Central Universities(531107040800)

李文貴(1982—)，男，湖南安仁人，湖南大學(xué)助理教授，博士，博士生導(dǎo)師

?通訊聯(lián)系人,E-mail：wengui_li1021@126.com

TU502.6

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