羅素蓉,白俊杰
(1.福州大學 土木工程學院,福建 福州 350116;2.福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心,福建 福州 350108)
再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC)指的是將廢棄的混凝土進行裂解、破碎、清洗、篩分、分級后按照一定的比例混合制作成的再生混凝土骨料,用該再生骨料部分或者全部取代天然骨料而拌制成的混凝土[1-2]。由于再生骨料強度并不因普通混凝土的破壞而受到很大影響,因此廢棄混凝土制成的骨料存在再利用的可能[3]。國內(nèi)外對再生混凝土的利用已經(jīng)制定有法律法規(guī)以規(guī)范和促進再生骨料的研究和利用,日本在1991年制定了《資源重新利用促進法》,強制規(guī)定了建筑廢棄物必須送往“再生資源化設施”進行處理;美國制定《超級基金法》,明確規(guī)定生產(chǎn)廢棄物的企業(yè)需將廢棄物進行妥善處理[4-6];在我國,2007年同濟大學制定了上海市地方標準《再生混凝土應用技術規(guī)程》[7],為再生混凝土技術的推廣和應用起到了明確的指導作用;2011年住建部批準并頒布實施了行業(yè)標準《再生骨料應用技術規(guī)程》[8]。目前開展的研究工作已經(jīng)證明了將廢棄混凝土作為新混凝土的一個組成部分對性能是具有有效保證的[9],肖建莊等[2]提出再生混凝土可應用于土木工程的非承重構件和某些承重結構中。在水利工程中,混凝土用量較大,如能將廢混凝土通過一系列加工工藝制成再生骨料后用于混凝土的澆筑,使它成為循環(huán)可利用再生資源,既能減輕廢混凝土對環(huán)境的污染,又能減小大量開采天然骨料對生態(tài)環(huán)境的影響,符合可持續(xù)發(fā)展的要求。但再生骨料和天然骨料相比較,其表層包裹或附著一定數(shù)量的舊水泥砂漿結構疏松,使得再生骨料的堆積密度和表觀密度較天然骨料低。且老砂漿中的水泥石本身空隙率較高,吸水率較大,在破碎的過程中,大量的微裂縫在其內(nèi)部形成,性能上會受到影響[10-11]。
納米SiO2因其優(yōu)秀的性能特點,作為改善混凝土性能的改性材料獲得了越來越多的應用。納米SiO2會與水泥中的Ca(OH)2生成C-S-H凝膠,且納米SiO2在水泥復合結構中起到一個晶核的作用,使C-S-H凝膠在其表面鍵合,改變了結構形式,在水泥硬化漿體原有網(wǎng)絡結構基礎上又出現(xiàn)了鍵合大量納米級的C-S-H凝膠的網(wǎng)絡結點,構成三維網(wǎng)絡結構,穩(wěn)定性、強度和韌性得到了提高。此外,納米SiO2的摻入能夠阻止混凝土內(nèi)部裂縫的開展,提高混凝土的斷裂韌度[12-13]。但納米SiO2因其高活性而容易發(fā)生團聚現(xiàn)象[14]而導致水泥漿稠度急劇增大,不能發(fā)揮納米SiO2的填充效應和晶核效應[15]。
徐世烺等[16-17]提出的用雙K斷裂參數(shù)來表征混凝土斷裂性能的方式已經(jīng)為學界所認可,目前已有許多學者對混凝土的斷裂性能進行了研究。張廷毅等[18]研究了水灰比、相對切口深度、粗骨料最大粒徑等因素對混凝土斷裂韌度的影響。張秀芳等[19]將雙K斷裂計算理論由擬靜態(tài)擴展到動態(tài)斷裂韌度,研究了應變率對混凝土雙K斷裂韌度的影響。近年來,也有學者為了增強混凝土的斷裂性能從材料層面對混凝土斷裂性能進行研究,羅素蓉等[20]研究了自密實混凝土在摻入橡膠后的斷裂性能,王利民等[21]通過試驗研究了鋼纖維混凝土的斷裂過程。
本文通過三點彎曲梁法對再生骨料取代率和納米SiO2摻量不同的再生混凝土進行斷裂試驗,得到再生混凝土的雙K斷裂參數(shù),以及再生骨料取代率和納米SiO2摻量對再生混凝土斷裂性能的影響規(guī)律,為在實際工程中應用再生混凝土提供理論基礎。
2.1試驗材料試驗采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥;再生骨料來源為某路面廢棄混凝土(破碎前對基體混凝土鉆芯取樣測得抗壓強度20 MPa,基體混凝土使用年限11年),經(jīng)破碎、清洗、篩分形成粒徑范圍為5~20 mm連續(xù)級配的骨料;天然骨料為粒徑5~20 mm的連續(xù)級配花崗巖碎石,砂為閩江河砂(細度模數(shù)為2.12);水為自來水;減水劑為聚羧酸系高效減水劑。納米SiO2采用nm-SiO2分散液(SiO2含量15%)。
2.2試驗設計采用固定水膠比和砂率進行配合比設計,膠凝材料總量450 kg/m3,砂率0.38,水膠比0.40??紤]再生骨料取代率和納米SiO2摻量為影響因素,設計了12組試驗:(1)基準組。由天然骨料澆筑的混凝土,編號為NC。(2)取代率變化組。取代率為50%、70%、100%,編號為RC50、RC70、RC100。(3)再生骨料取代率50%下?lián)郊蛹{米SiO2組。摻量為0.5%、1.0%、1.5%,編號為RC50-NS0.5、RC50-NS1.0、RC50-NS1.5。(4)再生骨料取代率100%下?lián)郊蛹{米SiO2組。摻量為0.5%、0.8%、1.0%、1.2%、1.5%,編號為RC100-NS0.5、RC100-NS0.8、RC100-NS1.0、RC100-NS1.2、RC100-NS1.5。
表1 混凝土配合比及力學性能參數(shù)
混凝土配合比設計、立方體28 d抗壓強度(150 mm×150 mm×150 mm)試驗值見表1,表中彈性模量值是通過對三點彎曲梁法求得的P-CMOD曲線上升段進行線性擬合后,得到上升段斜率倒數(shù)ci,進而求得彈性模量E[22]。
由表1可見,再生混凝土28 d抗壓強度隨著再生骨料取代率的增加而降低,降低的幅度在1.4%~19.0%之間,彈性模量整體隨取代率的增加而減??;適量的納米SiO2摻量使再生混凝土的抗壓強度提高,但提高的幅度不大,其中,再生骨料取代率50%、100%時,納米SiO2摻量為1.0%時抗壓強度較未摻加納米SiO2的再生混凝土分別提高5.4%和9.8%,當納米SiO2摻量超過1.0%時,再生混凝土的抗壓強度反而降低,且納米SiO2摻量越多,抗壓強度下降程度越快。這是由于納米SiO2極易團聚,摻量較大時團聚處會成為試件受力的薄弱環(huán)節(jié),使混凝土的抗壓強度降低。
2.3三點彎曲梁法試驗采用三點彎曲梁法測定混凝土的雙K斷裂參數(shù),制作了12組共60根三點彎曲梁試件。試件尺寸為750 mm×150 mm×75 mm(長×高×厚),跨高比為4,跨度S600 mm,縫高比0.3,縫高45 mm。試件尺寸如圖1所示。本文試驗采用MTS疲勞試驗機(250kN)進行斷裂試驗,通過位移控制加載速率,加載速率為0.0005 mm/s,利用量程為1~3 mm的夾式引伸計對試驗過程中試件裂縫張口位移進行測量,從而得到荷載-裂縫張口位移(P-CMOD)曲線。
2.4雙K斷裂參數(shù)計算徐世烺等[16-17]將Hillerborg等[23]虛擬裂縫模型和Jenq等[24]的彈性等效方法進行結合,通過大量的試驗和數(shù)據(jù)分析后提出了雙K斷裂模型,其采用起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度作為控制的參數(shù)。
其中
式中:Fini為起裂荷載,kN;m為試件支座間的質(zhì)量,kg,用試件總質(zhì)量按S/L比折算,S、L分別為試件兩支座間的跨度和試件長度,m;a0為初始裂縫長度,m;t、h分別為試件的厚度和高度,m。
失穩(wěn)斷裂韌度KIcun按下式計算[22]:
其中
其中,ac為有效裂縫長度,m,按下式計算:
式中:h0為固定夾式引伸計刀口的鋼片厚度,m;Vc為裂縫張開位移臨界值,μm;E為計算彈性模量,GPa,按下式計算:
式中:ci為初始柔度,ci=(CMOD)i/Pi,對P-CMOD曲線上升段進行線性擬合,得到上升段的斜率,即可得出初始柔度ci。
2.5起裂荷載的測定本文通過電測法[25]進行混凝土起裂荷載的測定。采用標距10 mm、間距20 mm的應變片進行試驗。在裂縫尖端兩側(cè)各10 mm對稱布置兩枚標距為10 mm的應變片并與兩枚補償應變片組成全橋來測量起裂荷載。除裂縫尖端兩側(cè)外,在其他高度對稱布置4組全橋應變片用來監(jiān)測裂縫擴展的過程,通過32通道IMC動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。電阻應變片布置[26]如圖2所示。
圖2 電阻應變片布置
混凝土起裂之前,在裂縫尖端兩側(cè)會產(chǎn)生拉應變,且伴隨著荷載增加而增大。當預制裂縫尖端處的拉應變達到極限時,混凝土因為應力集中現(xiàn)象而發(fā)生斷裂,此時拉應變不再變化而荷載持續(xù)增大;混凝土發(fā)生斷裂后,預制裂縫尖端兩側(cè)的變形發(fā)生釋放表現(xiàn)為應變值的回縮[28]。各試驗組每組有5根三點彎曲梁試件,電測法測得的部分試驗組P-ε曲線見圖3,各組起裂荷載試驗值見表2。
圖3 部分試件的P-ε曲線
由表2可見,再生混凝土起裂荷載整體隨著再生骨料取代率的增加而降低,再生骨料取代率為50%、70%和100%時,起裂荷載較普通混凝土NC分別降低了29.6%、54.2%和42.3%;納米SiO2的摻入提高了再生混凝土的起裂荷載,其中,再生骨料取代率50%和100%、納米SiO2摻量為1.0%時,起裂荷載較未摻納米SiO2的再生混凝土分別提高了39.9%、27.3%,但納米SiO2摻量超過1%后起裂荷載有所降低。因此,適量的納米SiO2對起裂荷載有提升的作用,但過多的納米SiO2摻量對混凝土的起裂荷載的改善作用不明顯甚至降低。
表2 起裂荷載和最大荷載試驗結果
3.1試驗結果采用三點彎曲梁法進行斷裂試驗得到P-CMOD曲線,每個試驗組5根試件,限于篇幅,圖4僅列出部分試驗組試件的P-CMOD曲線。
圖4 部分試件的P-CMOD曲線
12組試驗組28 d雙K斷裂參數(shù)試驗結果見表3。由表3可見,各試驗組計算得到的變異系數(shù)較小,在0.0106~0.1017之間,說明試驗結果的離散性較小,可信度較高。
表3 三點彎曲試件試驗結果?。▎挝唬篗Pa·m1/2)
3.2再生骨料取代率對雙K斷裂參數(shù)的影響將再生骨料取代率為50%、70%、100%的混凝土(RC50、RC70、RC100)和普通混凝土(NC)的雙K斷裂參數(shù)進行對比,見圖5。
由圖5可見,再生混凝土起裂韌度隨再生骨料取代率的增加而降低,取代率50%、70%和100%的再生混凝土相比于普通混凝土起裂韌度降低了23.6%、42.8%和33.5%。但在取代率100%時,相較取代率70%時有所回升?;厣脑蚩赡苁怯捎谌〈?00%的再生混凝土中參與斷裂路徑擴展的砂漿數(shù)量增加,使得裂縫并不能很快的擴展,從而使起裂韌度提高。再生混凝土失穩(wěn)韌度隨再生骨料取代率的增加而降低,取代率50%、70%和100%的再生混凝土相較普通混凝土失穩(wěn)韌度降低了26.4%、31.3%和32.6%。主要是因為再生骨料空隙較多,內(nèi)部具有較多的裂縫,強度低的特點,使得其失穩(wěn)韌度降低。
3.3納米SiO2摻量對雙K斷裂參數(shù)的影響試驗首先對再生骨料取代率50%和100%下不同納米SiO2摻量(0.5%、1.0%、1.5%)的雙K斷裂參數(shù)進行研究,結果發(fā)現(xiàn),再生骨料取代率50%、納米SiO2摻量為1.0%時其斷裂性能最優(yōu),且趨勢明顯,而再生骨料取代率100%時,其納米SiO2最優(yōu)摻量趨勢并不明顯。因此,對再生骨料取代率100%的再生混凝土增加納米SiO2摻量為0.8%、1.2%的斷裂性能試驗,結果表明,納米SiO2摻量1.0%時,再生混凝土具有較好的斷裂性能。試驗結果見圖6。
圖5 取代率對雙K斷裂參數(shù)的影響
圖6 納米SiO2摻量對雙K斷裂參數(shù)影響
由圖6可見,再生骨料取代率50%的再生混凝土、納米SiO2摻量0.5%時,起裂韌度較無摻加納米SiO2的再生混凝土(RC50)提高了14.0%,失穩(wěn)韌度較RC50提高了2.4%;納米SiO2摻量為1.0%時,起裂韌度和失穩(wěn)韌度同時達到最優(yōu)值,分別較RC50提高了27.7%和4.7%。再生骨料取代率100%時,起裂韌度和失穩(wěn)韌度隨著納米SiO2摻量的增加而提高,在納米SiO2摻量為1.0%時,達到最優(yōu)值,分別較RC100提高了17.6%和8.6%。摻量超過1%后,起裂韌度和失穩(wěn)韌度提高幅度下降;特別是納米SiO2摻量為1.5%時,起裂韌度較RC100降低了0.3%。
3.4相同納米SiO2摻量下不同再生骨料取代率對雙K斷裂參數(shù)的影響試驗在同一納米SiO2摻量(0%、0.5%、1.0%、1.5%)下研究不同再生骨料取代率(50%、100%)對再生混凝土起裂韌度及失穩(wěn)韌度的影響,見圖7。
由圖7可見,在相同納米SiO2摻量下,起裂韌度和斷裂韌度整體隨著再生骨料取代率的增加而降低,但在納米SiO2摻量1.5%時,再生骨料取代率100%的起裂韌度和斷裂韌度反而分別提高了4.9%和4.7%,說明納米SiO2對再生混凝土的改性效果不僅與納米SiO2摻量相關,還與再生骨料取代率有關。
通過分析不同取代率和不同納米SiO2摻量后發(fā)現(xiàn),適量的納米SiO2可以提高混凝土的斷裂韌度,主要是因為納米SiO2可以填充混凝土內(nèi)部空隙,起到“填充效應”,還能細化氫氧化鈣晶粒,有利于界面強度的提高。但納米SiO2摻量不宜過大,對于納米SiO2摻量1.5%來說,在再生骨料取代率50%下,起裂韌度和失穩(wěn)韌度較RC50相比下降的幅度較大,可能是由于納米SiO2比表面積大,拌合后吸附了大量表層水,減少了參與水化的水量,使得水化程度降低,導致水化不完全,影響了再生混凝土斷裂性能。再生骨料取代率100%下,納米SiO2摻量1.5%的再生混凝土較再生混凝土(RC100)相比起裂韌度和失穩(wěn)韌度變化不大,其原因是再生混凝土外圍包裹了較多的老砂漿,雖然納米SiO2摻量較多,但可改善的界面過渡區(qū)也更多,有較多的納米SiO2可以發(fā)揮其效用,但由于納米SiO2摻量較多,可能發(fā)生了團聚現(xiàn)象,水泥漿的稠度大幅度增大,無法發(fā)揮納米SiO2的填充效應和晶核效應,最終并不能有效的改善混凝土的斷裂性能。
圖7 相同納米SiO2摻量下再生骨料取代率對雙K斷裂參數(shù)的影響
(1)再生混凝土的雙K斷裂參數(shù)隨著再生骨料取代率的增加而降低。(2)摻加適量的納米SiO2能有效改善再生混凝土的斷裂性能,再生骨料取代率50%、納米SiO2摻量1.0%時,起裂韌度達0.6929 MPa·m1/2,基本接近普通混凝土的起裂韌度0.7104 MPa·m1/2,且失穩(wěn)韌度較RC50提升幅度最大,達到1.3073 MPa·m1/2;再生骨料取代率100%、納米SiO2摻量1.0%時,混凝土起裂韌度和失穩(wěn)韌度較RC100分別提高了17.6%和8.6%,達到0.5552 MPa·m1/2和1.2410 MPa·m1/2,可以看出納米SiO2摻量1.0%時提升再生混凝土斷裂性能的效果最好,因此1.0%摻量可作為改善再生混凝土斷裂性能的最優(yōu)摻量。(3)過多的摻入納米SiO2對再生混凝土的斷裂性能的改善并不明顯,甚至可能會由于團聚效應使再生混凝土的斷裂性能降低。