駱 豪， 韋芳芳， 朱 俞， 華子偉， 于瑋偉

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210000）

再生混凝土是將廢棄的混凝土塊進(jìn)行回收利用，然后再經(jīng)破碎、清洗與分級(jí)后，按一定的比例與級(jí)配混合重新形成的再生骨料，部分或全部代替砂石等天然骨料，再加入水泥、水或部分天然骨料配制而成的新的混凝土，也叫作再生骨料混凝土. 如果能夠有效合理地利用再生骨料或再生混凝土，可很好地節(jié)約天然資源，這對(duì)于保護(hù)環(huán)境和節(jié)約自然資源具有重要意義. 循環(huán)再利用廢棄混凝土是發(fā)展綠色混凝土的重要措施之一，具有很明顯的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益［1-3］.

與天然骨料相比，再生骨料具有孔隙率高、吸水性大、強(qiáng)度低等特性，承受荷載時(shí)再生骨料表面和水泥膠凝材料的黏結(jié)偏弱，容易出現(xiàn)裂縫［4-5］，故可將鋼纖維引入再生混凝土中，形成一種新型復(fù)合材料. 鋼纖維均勻地分布于再生混凝土中，可以有效彌補(bǔ)再生混凝土骨料強(qiáng)度低、微裂紋多等缺陷，改善再生混凝土的力學(xué)性能［6-9］. 另一方面，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，不可避免地要承受動(dòng)荷載，建筑物必須具有良好的抗沖擊性能，才能減少或避免人們的生命財(cái)產(chǎn)蒙受損失. 所以研究混凝土類材料的動(dòng)態(tài)沖擊性能具有一定的指導(dǎo)意義.

李智［10］研究發(fā)現(xiàn)不同的子彈沖擊速度下，混雜纖維混凝土試樣的破壞形態(tài)并非恒定的，不同應(yīng)變率下試樣的破壞形態(tài)及破壞程度存在差別. 當(dāng)子彈沖擊速度較低時(shí)，即在較低的應(yīng)變率下，試樣的破壞程度也較??；子彈沖擊速度較高時(shí)，即在較高的應(yīng)變率下，試樣的破壞程度也較大. Hao等［11］發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土的破壞有較高的應(yīng)變率相關(guān)性. 當(dāng)應(yīng)變率較低時(shí)，破壞模式是因?yàn)榛炷恋钠茐暮屠w維的脫黏碎裂；當(dāng)應(yīng)變率相對(duì)較高時(shí)，可以觀察到集料的破壞，纖維被拉直或折斷. 這也與Hou等［12］的結(jié)論類似.

基于各種混凝土類材料的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與研究方法，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼纖維再生骨料混凝土的動(dòng)態(tài)沖擊破壞形態(tài)與模式研究尚少，故對(duì)鋼纖維再生骨料混凝土展開一系列試驗(yàn)研究.

1 霍普金森桿動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)方案

依據(jù)相關(guān)規(guī)范［13-15］，本試驗(yàn)采用水灰比為0.4，并設(shè)計(jì)了五種鋼纖維體積摻量，分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%，再生粗骨料取代率為50%，同時(shí)制作無鋼纖維的天然粗骨料的素混凝土試件作為對(duì)照. SHPB試驗(yàn)裝置是通過改變沖擊氣壓值控制應(yīng)變率的大小，試驗(yàn)選取的沖擊氣壓值分別為0.4、0.5、0.6 和0.7 MPa.SHPB試驗(yàn)的配合比及試件工況如表1所示，表中各材料用量為單位立方米所需用量，單位kg. 試驗(yàn)使用了強(qiáng)度等級(jí)為42.5 MPa的普通波特蘭水泥和實(shí)驗(yàn)室用水. 在纖維混凝土中，纖維的有效性隨著最大集料尺寸的增加而降低［11］. 因此，在混凝土中使用的粗集料最大尺寸限制在10 mm以內(nèi). 再生粗骨料是經(jīng)過5 mm和10 mm孔徑的篩網(wǎng)過濾篩選清洗的粒徑為5～10 mm的連續(xù)級(jí)配的碎石，見圖1和圖2. 細(xì)骨料為優(yōu)質(zhì)河砂，粒徑小于4.75 mm；減水劑采用萘系減水劑粉劑，推薦用量為膠凝材料質(zhì)量的1%；鋼纖維類型選擇端鉤式切斷弓形，其圖樣見圖3，鋼纖維再生混凝土的沖擊壓縮試驗(yàn)的試件尺寸為?74 mm×32 mm. 試驗(yàn)首先澆筑?150 mm×300 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體作為模型試塊，然后在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后將模型試塊進(jìn)行取芯、切割、打磨得到?jīng)_擊壓縮試驗(yàn)的試件，如圖4.

圖1 天然粗骨料Fig.1 Natural coarse aggregate

圖2 再生粗骨料Fig.2 Recycled coarse aggregate

圖3 鋼纖維Fig.3 Steel fiber

表1 SHPB試驗(yàn)配合比及試件工況Tab.1 Mix proportions of SHPB test and working conditions of test specimens

圖4 SHPB試件Fig.4 Specimens in SHPB

如圖5所示，本研究中的SHPB試驗(yàn)是在河海大學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用74 mm直徑的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)完成的. 引入萬向頭技術(shù)可以改善試件與桿系表面之間的接觸狀態(tài)，從而使試件的沖擊受力狀態(tài)保持良好，見圖6. 試驗(yàn)過程中在入射桿桿端粘貼波形整形器以減小高頻振蕩的影響，進(jìn)而減小橫向慣性效應(yīng)和波形彌散效應(yīng)［16-20］.為此選取黃銅片作為波形整形器，其尺寸為直徑20 mm，厚度1 mm，見圖7. SHPB進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)將氣罐中的氣體壓入充氣閥中，然后調(diào)節(jié)好氣壓設(shè)定值，打開開關(guān)利用壓縮氣體產(chǎn)生的沖擊氣壓撞擊子彈，子彈再撞擊入射桿，傳遞應(yīng)力波，測(cè)速系統(tǒng)是由一對(duì)平行光源和測(cè)速電路組成，通過測(cè)量子彈經(jīng)過兩光源的時(shí)間計(jì)算出子彈的速度.

圖5 SHPB裝置示意圖（單位：mm）Fig.5 Schematic illustration of SHPB apparatus

圖6 萬向頭Fig.6 Universal joint

圖7 波形整形器Fig.7 Pulse shapers

2 破壞形態(tài)與模式分析

通過對(duì)再生骨料類混凝土添加不同摻量鋼纖維進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，由此得出各種破壞模式. 圖8顯示了不同鋼纖維體積摻量的再生混凝土在不同等級(jí)沖擊氣壓下的破壞模式，沖擊氣壓值越高，動(dòng)態(tài)應(yīng)變率越大，明顯可見試件具有較高的應(yīng)變率相關(guān)性［18，21］，試件損傷程度隨沖擊氣壓增大而增大. 從損傷和斷裂力學(xué)角度［8，11，22］分析破壞過程，試件受到?jīng)_擊力形成微裂紋，短時(shí)間釋放能量，然后裂紋穩(wěn)定發(fā)展，隨著裂紋尖端一直發(fā)展到貫通，最終整體發(fā)生破壞.

圖8 破壞形式Fig.8 Failure patterns

通過觀察試驗(yàn)結(jié)果，可以將試件分為四種破壞形態(tài)：①輕微開裂，應(yīng)變率較低或基體靜強(qiáng)度較高時(shí)，試樣保持相對(duì)完整，表面有細(xì)小的裂紋和少量碎屑剝落；②大塊破裂，試件破碎成幾個(gè)無主形態(tài)的大碎片，斷口主要沿砂漿與碎屑的界面處，有少量鋼纖維脫黏；③小塊破裂，隨著應(yīng)變率繼續(xù)增加或者基體靜強(qiáng)度較低時(shí)，試件破壞更嚴(yán)重，裂紋碎塊數(shù)增多，體積更小，鋼纖維出現(xiàn)脫黏失效被拔出；④粉碎性破裂，試件逐漸呈現(xiàn)粉碎性破壞，裂紋貫穿于整個(gè)試件，鋼纖維被拔出更多，破壞最為嚴(yán)重. 觀察對(duì)比圖8（a）和圖8（b），看出再生混凝土較天然混凝土在相同沖擊氣壓下破壞更嚴(yán)重，原因是再生粗骨料本身材料強(qiáng)度較天然粗骨料弱. 從以上分析得出，隨著應(yīng)變率增大，試件破壞形態(tài)越嚴(yán)重，粉碎面積越大，破碎顆粒越小. 隨著鋼纖維體積摻量的增大，試件粉碎性破壞形態(tài)的趨勢(shì)越小，可見鋼纖維充分發(fā)揮出增韌作用，增強(qiáng)了各個(gè)小單元之間的協(xié)調(diào)作用與試件內(nèi)部的約束力，有效增強(qiáng)混凝土類試件抗沖擊性能.

3 結(jié)論

通過對(duì)鋼纖維再生混凝土動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)的破壞形式的研究，得到以下結(jié)論：

1）再生混凝土較天然混凝土在相同沖擊氣壓下破壞更嚴(yán)重，原因是再生粗骨料本身強(qiáng)度低于天然粗骨料.2）隨著氣壓值增大，試件破壞形態(tài)越嚴(yán)重，粉碎面積越大，破碎顆粒越小. 3）隨著鋼纖維體積摻量的增大，試件粉碎性的破壞形態(tài)趨勢(shì)越小. 4）鋼纖維能有效增強(qiáng)混凝土類材料的抗沖擊性能.