王永貴,李帥鵬,Hughes Peter,范玉輝,高向宇

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 生態(tài)建筑與環(huán)境構(gòu)建河南省工程實驗室，河南 焦作 454000；3.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100122)

再生混凝土(recycled concrete，RC)有利于降低建筑垃圾的污染和自然資源的保護，逐漸成為研究熱點。與普通混凝土相比，再生混凝土含有較多的界面過渡區(qū)，其力學(xué)性能普遍較低，已成為制約再生混凝土工程應(yīng)用的瓶頸。為提升再生混凝土的力學(xué)性能，拓展其應(yīng)用空間，部分學(xué)者對再生混凝土進行改良。主要包括兩種類型：其一，再生粗骨料預(yù)處理[1-2]，常見方法有高溫煅燒法、機械研磨法、酸洗法及裹漿法等，此類方法雖可提升再生粗骨料的力學(xué)性能，但工序較為繁瑣，且含有較大的環(huán)境污染隱患，應(yīng)用前景受限；其二、添加纖維或超細礦物材料[3-7]，纖維類型主要集中于鋼纖維、聚丙烯纖維及玄武巖纖維等。玄武巖纖維不僅強度高，而且還具有電絕緣、耐高溫、污染小，且產(chǎn)品廢棄后可直接在環(huán)境中降解，無任何危害等多種優(yōu)異性能，是一種名副其實的綠色環(huán)保材料。玄武巖纖維可減輕早期原生微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，減少混凝土裂紋間的相互連通，鈍化原生微裂紋尖端應(yīng)力集中的作用，可較明顯地提高混凝土的延性；超細礦物材料主要包括硅灰和納米材料等，借助超細礦物材料的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)增強界面過渡區(qū)的黏結(jié)性能。一般來說，礦物材料粒徑越小，其增強效果越顯著。納米材料因其粒徑較小，更易發(fā)揮礦物材料的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)，更有利于提高界面過渡區(qū)性能和砂漿密實度，進而提高混凝土的宏觀力學(xué)性能?；炷林刑砑拥募{米材料主要包括納米氧化硅、納米氧化鋁[8]、納米二氧化鈦[9]、納米碳酸鈣等，納米氧化硅更具活性，因此被廣泛應(yīng)用于土木工程中。

在實際工程中，混凝土建筑物受到荷載作用的情況非常復(fù)雜，除了承受靜態(tài)荷載作用外，其服役過程中還可能會遭遇爆炸、沖擊等動態(tài)荷載作用。這些動態(tài)荷載一旦出現(xiàn)則會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強烈的破壞作用，通常成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制因素[10]。均勻分布的纖維在混凝土內(nèi)部形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，對混凝土的沖擊性能具有一定的改善效果。研究表明，纖維有利于提高再生混凝土的抗沖擊性能、延性和韌性；隨纖維含量的增大，再生混凝土的峰值應(yīng)力、能量耗散均增大。玄武巖纖維對混凝土的增強、增韌效果總體上優(yōu)于鋼纖維[11]。納米材料有利于提高混凝土的靜態(tài)力學(xué)性能和動態(tài)力學(xué)性能，隨應(yīng)變率的增大，納米材料有利于峰值應(yīng)變的增大；高應(yīng)變率下，納米顆粒更有效發(fā)揮其對混凝土的增韌優(yōu)勢。較之納米碳酸鈣，納米氧化硅更有助于促進水泥水化，產(chǎn)生C-S-H凝膠，進而更有效提高靜動態(tài)抗壓強度及沖擊韌性；隨應(yīng)變率的增大，納米氧化硅對抗壓強度的影響降低，峰值應(yīng)變增大[12]；納米氧化硅的添加可降低動態(tài)增強因子及應(yīng)變率敏感性。

為充分發(fā)揮玄武巖纖維和納米氧化硅的優(yōu)勢，實現(xiàn)纖維在細宏觀上和納米材料在微觀上對再生混凝土的復(fù)合增強作用，部分學(xué)者通過玄武巖纖維和納米氧化硅復(fù)合增強了混凝土。研究表明，玄武巖纖維和納米氧化硅可顯著改善混凝土的力學(xué)性能[13]。由于再生混凝土和普通混凝土的力學(xué)性能有較大差異，因此，需另行研究玄武巖纖維和納米氧化硅對再生混凝土力學(xué)性能的影響。王永貴等的研究表明，玄武巖纖維和納米氧化硅可以改善砂漿內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及玄武巖纖維與砂漿基體的黏結(jié)性能，進而提高再生混凝土的靜態(tài)力學(xué)性能。然而，現(xiàn)有的研究較少涉及玄武巖纖維與納米氧化硅復(fù)合改性再生混凝土的動態(tài)力學(xué)性能。隨著再生混凝土應(yīng)用范圍的擴大，在其生命周期內(nèi)不但承受靜載作用，還有可能遭受爆炸、沖擊等動荷載作用。鑒于此，有必要對玄武巖纖維與納米氧化硅復(fù)合增強再生混凝土的靜動態(tài)性能進行對比研究。本文通過河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院直徑50 mm的分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar ，SHPB)和立方體靜載抗壓試驗，對比分析了玄武巖纖維與納米氧化硅復(fù)合改性再生混凝土靜動態(tài)抗壓性能，初步探索了玄武巖纖維和納米氧化硅對再生混凝土靜動態(tài)抗壓性能影響，以期為拓展再生混凝土的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗概況

1.1 原材料性能

水泥由焦作丹陽水泥公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)，其性能指標見表1。玄武巖纖維(basalt fiber,BF)由海寧安捷復(fù)合材料公司生產(chǎn)，其性能指標見表2(廠家提供)。納米氧化硅(nano-silica,NS)由南宮市銳騰合金材料有限公司提供，其性能指標見表3(廠家提供)。細骨料選取中等粒徑河砂，其細度模數(shù)為2.46，表觀密度為1 996 kg/m3。天然粗骨料(natural aggregate,NA)為連續(xù)級配碎石，其物理性能指標見表4；再生粗骨料(recycled aggregate,RA)由河南理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗室廢棄混凝土構(gòu)件經(jīng)人工破碎而成，其原始設(shè)計強度等級為C30，其物理性能指標見表4。試驗過程用水均為城市自來水。

表1 水泥性能指標Tab.1 Performance indexes of cement

表2 玄武巖纖維性能指標Tab.2 Properties of basalt fiber

表3 納米氧化硅顆粒物理性能指標Tab.3 Physical properties of Nano-SiO2 particles

表4 粗骨料物理性能指標Tab.4 Physical properties of coarse aggregate

1.2 配合比設(shè)計

為探討取代率、BF及NS摻量變化對RC力學(xué)性能的影響，本文以再生骨料取代率(r)、BF及NS摻量為控制參數(shù)進行配合比設(shè)計，其中，再生粗骨料取代率為RA占粗骨料總量的體積比，分別設(shè)計0、50%、100% 3種變化情況；BF質(zhì)量摻量共設(shè)計0、1 kg/m3、2 kg/m33種變化情況；NS摻量為其占水泥質(zhì)量比，分別設(shè)計0、3%、6% 3種情況?；谏鲜鲈O(shè)計變量變化情況，共設(shè)計了27種工況的混凝土配合比，每種工況的配合比對應(yīng)一個編號，編號包含3組數(shù)字，其中:第一組數(shù)字代表取代率;第二組數(shù)字代表BF摻量;最后一組數(shù)字表示NS摻量;比如編號R100-1-6表示取代率為100%、BF摻量為1 kg/m3、NS摻量為6%時的配合比。上述配合比中用水量及水灰比保持不變，僅取代率、BF及NS摻量變化，取R0-0-0為基準混凝土，其配合比如表5所示。為消除因RA與NA吸水率不同所帶來的影響，試驗前將粗骨料均用水浸泡24 h，晾至表干后再及時拌制混凝土。

表5 基準混凝土配合比

Tab.5 Reference mix proportion

(kg·m-3)

為使BF及NS均勻分散于混凝土基體中，在前期研究基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻[14]的建議，采用分段投料法拌制混凝土，主要流程如圖1所示。

圖1 改性再生混凝土拌制流程Fig.1 RAC mixing procedure

將經(jīng)過上述流程所形成的混合料及時裝入塑料試模內(nèi)，經(jīng)過振動臺振動1 min，運至溫度為(20±1)℃的標準養(yǎng)護室內(nèi)，同時覆蓋塑料薄膜，24 h后拆模，而后將試塊放入到恒溫水池內(nèi)進行養(yǎng)護，于試驗前一天取出晾至表干，以進行靜態(tài)抗壓試驗及霍普金森壓桿試驗。靜態(tài)試驗中試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組3塊試塊。為準確反映混凝土材料的動態(tài)力學(xué)性能，霍普金森壓桿試驗時試塊的長徑比L/D=0.4～1.0。因此，將養(yǎng)護后的試塊送到試塊加工廠進行加工，采用SHM-200型雙端面磨石機對試塊進行精細加工打磨，試塊直徑尺寸控制在(50±1)mm，長度控制在(25±1)mm，表面不平整度小于0.02 mm。每組18個試塊，分別測試3種應(yīng)變率下的動態(tài)性能試驗，每種應(yīng)變率下均測試6個試塊。

1.3 力學(xué)性能試驗

力學(xué)性能試驗試驗包括靜態(tài)抗壓性能試驗和沖擊性能試驗。靜態(tài)抗壓性能試驗在量程為1 000 kN的液壓機上進行，加載速率為0.2 MPa·s-1，加載過程按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》要求進行。沖擊試驗在河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗室直徑為50 mm的分離式霍普金森壓桿上進行。分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)主要由壓桿系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)、以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其中數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)采用東華高科公司生產(chǎn)的DHDAS8302動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與處理，試驗加載系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 分離式霍普金森壓桿試驗系統(tǒng)Fig.2 SHPB test system

為降低霍普金森壓桿的“彌散效應(yīng)”，提高試塊中應(yīng)力的均勻程度，減小波形的震蕩，經(jīng)過對比橡膠、鋁片、銅片等材料，試驗中選用黃銅片作為波形整形器對入射波形的形狀進行控制，黃銅片形狀為6 mm×6 mm×1 mm的長方體。同時，為消除試塊端部摩擦力的不利影響，將試塊兩端面涂抹高級潤滑油。試驗過程中，通過調(diào)整氣壓值來設(shè)定不同的子彈沖擊速度，進而實現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)變率測試。經(jīng)過波形整形后的典型波形曲線如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，通過波形整形后，入射波前沿上升時間明顯增加，彌散效應(yīng)降低，有效實現(xiàn)了高頻濾波。

圖3 部分試塊波形曲線Fig.3 Strain waveform of samples

2 結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

從斷裂力學(xué)的角度來看，混凝土材料的破壞主要是由于內(nèi)部微裂紋發(fā)展合并，進而貫通形成宏觀破壞裂紋所致。不同應(yīng)變率、纖維和氧化硅含量下的破壞形態(tài)如圖4～圖7所示。

(a)40.38 s-1

(a)72.59 s-1時的R50-0-0

(a)73.01 s-1時的R50-2-0

(a)側(cè)面

通過對比不同工況下的破壞形態(tài)可發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)受壓時，再生混凝土與普通混凝土破壞結(jié)果相似，整體上表現(xiàn)為粗骨料與水泥膠體之間的黏結(jié)破壞，較少出現(xiàn)粗骨料斷裂，主要是靜態(tài)荷載作用下，加載速率較慢，裂紋有充足時間沿試塊內(nèi)部薄弱區(qū)域擴展。沖擊荷載作用下，隨應(yīng)變率增大，試塊的破壞形態(tài)由完整經(jīng)破裂向粉碎過渡(見圖4)，且應(yīng)變率較高時，試塊破壞時伴有爆裂聲，該試驗現(xiàn)象亦被李文貴等所觀測到。主要是因為不同應(yīng)變率下微裂紋發(fā)展方式略有不同，應(yīng)變率較低時，不能提供足夠能量使微裂紋萌生和擴展，不足以形成數(shù)量較多的宏觀破壞裂紋，僅少數(shù)微裂紋發(fā)展、合并，致使破壞時試塊較為完整；隨應(yīng)變率的增大，外部輸入能量較大，在較短時間內(nèi)大量微裂紋萌生、發(fā)展、合并，迅速形成數(shù)量較多的宏觀破壞裂紋，因此，試塊破碎成較多小塊，無主體形態(tài)。應(yīng)變率較低時(比如應(yīng)變率為75 s-1左右時)，隨著纖維的加入，試塊破碎時的整體性略有增強(見圖5)，主要是由于纖維的橋聯(lián)效應(yīng)得以發(fā)揮，阻止了裂紋的進一步發(fā)展，因此整體性有所增強[15]。應(yīng)變率較低時，氧化硅含量的加入，試塊破碎時的整體性降低(見圖6)，其原因是納米氧化硅顆粒具有較高活性，可充分發(fā)揮填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)[16]，有利于砂漿基體密實度的增加和界面過渡區(qū)性能的改善，使再生混凝土薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)得以改善，砂漿密實度有所增強，降低了微孔隙和微裂紋含量，沖擊荷載下新產(chǎn)生裂紋數(shù)量增大。通過對比不同的破壞狀態(tài)，還可發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變率的增大，玄武巖纖維及納米氧化硅含量的影響逐漸降低，應(yīng)變率較高時，玄武巖纖維及納米氧化硅含量已不產(chǎn)生明顯影響。對比不同取代率下的破壞形態(tài)可發(fā)現(xiàn)，取代率對試塊破壞形態(tài)不產(chǎn)生明顯影響，其主要原因是，雖然取代率增大使再生混凝土內(nèi)部薄弱區(qū)域增多，但是，在沖擊荷載作用下試塊受壓變形至破壞時間較短，裂紋來不及沿薄弱區(qū)發(fā)展，而是萌生大量微裂紋，因此，取代率對破壞形態(tài)不產(chǎn)生明顯影響。

同時，由圖7可以看出，由試塊側(cè)面來看，裂紋主要沿著界面過渡區(qū)發(fā)展，較少有裂紋貫穿粗骨料的情況發(fā)生；由試塊端面來看，裂紋也是主要沿著界面過渡區(qū)擴展，但存在部分粗骨料被裂紋貫穿的情況；就試塊內(nèi)部而言，不少粗骨料出現(xiàn)斷裂破壞，該現(xiàn)象亦被王立聞等[17]所觀測到。應(yīng)力波在傳遞過程中，促使裂紋沿著荷載加載方向擴展，即由泊松效應(yīng)所引起的拉應(yīng)力破壞，表現(xiàn)為沿軸向的劈裂破壞。上述情況表明，界面過渡區(qū)為再生混凝土受力過程中的薄弱環(huán)節(jié)。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力-應(yīng)變曲線全面反映了加載過程中混凝土的應(yīng)力應(yīng)變之間的變化關(guān)系，是進行其他力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)。部分改性再生混凝土試塊的SHPB沖擊荷載下應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖8所示。其中，動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線是通過“三波法”計算公式對入射波、反射波及透射波進行換算而得。

(a)R100-1-6

改性再生混凝土為脆性非均質(zhì)材料，在試塊制作、養(yǎng)護及加工過程中，混凝土內(nèi)部存在尺寸不一的微裂紋和微孔洞等缺陷，裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展是混凝土破壞的直接原因。在沖擊荷載作用下，混凝土受力過程是應(yīng)變硬化和損傷軟化兩種效應(yīng)的綜合。由圖8可以看出，沖擊荷載作用下，表現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化在相應(yīng)的應(yīng)變率下，混凝土內(nèi)部缺陷(指微孔洞與微裂紋)經(jīng)歷了壓密過程，致使混凝土承載力有了相應(yīng)的提升。隨應(yīng)變率增大，材料的彈性變形段變長，峰值應(yīng)力相應(yīng)提高。其原因是裂紋產(chǎn)生所需能量遠大于裂紋擴展所需能量，應(yīng)變率較小時，混凝土經(jīng)歷的壓密時間相對較長，微空洞和微裂紋有充足的時間發(fā)展和匯合，所對應(yīng)的峰值應(yīng)力也就有所降低；應(yīng)變率越大，壓密過程持時越短，混凝土內(nèi)部沒有足夠的時間進行能量的累積，也就是變形緩沖作用小，根據(jù)沖量定量，混凝土只有增大應(yīng)力來平衡外部沖量，所以，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大而增大。由圖8可發(fā)現(xiàn)，隨取代率及玄武巖纖維含量增大，峰值應(yīng)力附近逐漸趨于平緩，即在較大應(yīng)變范圍內(nèi)仍保持強度，峰值應(yīng)力較難辨認，表明玄武巖纖維添加使混凝土表現(xiàn)出較好地變形性能。氧化硅含量對再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀不產(chǎn)生規(guī)律性影響。

由圖8(b)可以看出，沖擊荷載作用下，部分試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生一定的波動，主要是沖擊過程激發(fā)的儀器振動所引起的。

2.2.2 抗壓強度

通過動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得不同應(yīng)變率下的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及比能量吸收等性能指標，靜態(tài)抗壓強度、動態(tài)抗壓強度、峰值應(yīng)變及比能量吸收統(tǒng)計值見表6。

由表6可以看出，靜態(tài)抗壓強度隨取代率的增大而降低，玄武巖纖維和納米氧化硅的加入并不改變該變化趨勢，該情況表明，取代率是影響改性再生混凝土力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。同時，由表6還可以看出，玄武巖纖維有助于再生混凝土抗壓強度的提高，主要是玄武巖纖維有利于改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，降低微裂縫尖端應(yīng)力，進而抑制微裂縫的形成和發(fā)展；玄武巖纖維在混凝土基體中形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于阻止裂紋的擴展。

相同取代率時，隨納米氧化硅含量的增大，抗壓強度總體上增大。納米氧化硅粒子表面具有大量不飽和鍵，其具有較大的比表面積，因此表現(xiàn)出較高的化學(xué)活性。在水泥水化過程中，納米氧化硅粒子與Ca(OH)2晶體產(chǎn)生如式(1)所示的化學(xué)反應(yīng)，將強度較低的Ca(OH)2晶體轉(zhuǎn)化成強度較高的絮狀水化硅酸鈣膠凝(C-S-H)；同時，納米氧化硅顆粒粒徑較小，具有較好的填充效應(yīng)，可填充于混凝土內(nèi)部微孔隙及微裂縫中。上述因素作用下，砂漿密實度和增強界面過渡區(qū)性能得以改善，進而抗壓強度有所提高。

SiO2+mH2O+nCa(OH)2=nCaO·SiO2×

(m+n)H2O

(1)

由表6可以看出，隨納米氧化硅含量的增大，抗壓強度增長幅度降低。比如，取100%取代率和纖維含量2 kg/m3時，納米氧化硅含量由0增至3%以及由3%增至6%時，靜態(tài)抗壓強度分別提高5.77%和3.24%。主要原因是，隨納米氧化硅含量的增大，氧化硅顆粒除與Ca(OH)2晶體產(chǎn)生反應(yīng)生成C-S-H凝膠外，仍有部分氧化硅顆粒未能與Ca(OH)2晶體產(chǎn)生反應(yīng)，而是作為填料填充于砂漿基體內(nèi)。因此，氧化硅含量由3%過渡到6%時，再生混凝土抗壓強度變化幅度較小。

構(gòu)成BF的基本結(jié)構(gòu)是四面體[MO4](M=Si4+,Al3+)單元及八面體[MO6](M=Al3+,Mg2+,Fe2+)單元，在堿性環(huán)境中，硅氧四面體中的橋氧鍵與OH-產(chǎn)生反應(yīng)，橋氧鍵斷裂，纖維表面產(chǎn)生腐蝕，降低纖維與混凝土基體的黏結(jié)效果。納米氧化硅加入后，其先于玄武巖纖維表面與OH-產(chǎn)生反應(yīng)而生成C-S-H膠凝，降低玄武巖纖維表面腐蝕效果。不同氧化硅含量時的玄武巖纖維表面及砂漿基體SEM照片，如圖9所示。

(a)R50-2-0

由圖9可知，不添加納米氧化硅時，砂漿基體松散，纖維表面腐蝕效果嚴重；添加氧化硅后，纖維表面腐蝕情況大為降低，砂漿基體致密性大為提高；與3%氧化硅含量相比，6%氧化硅含量時纖維表面腐蝕情況及砂漿基體致密性能均沒有明顯改變。

動態(tài)抗壓強度是應(yīng)力-應(yīng)變曲線上對應(yīng)的峰值應(yīng)力，體現(xiàn)了材料的強度指標，是衡量混凝土抗沖擊性能的重要指標之一。部分試塊的動態(tài)受壓強度變化率隨應(yīng)變率變化,關(guān)系如圖10所示。由表6及圖10可以看出，隨應(yīng)變率增大，動態(tài)抗壓強度增大。沖擊荷載下，試塊由開始變形至破壞的時間較短，大部分裂紋萌生發(fā)展得不充分，不足以耗散外部沖擊能量，額外的沖擊能量只有依靠應(yīng)力的增加來耗散。應(yīng)變率越大，試塊所需的抵抗應(yīng)力越大，因此，動態(tài)抗壓強度就越大。應(yīng)變率不變時，再生混凝土動態(tài)抗壓強度不再隨取代率的增大而降低。主要原因是雖然隨取代率增大，再生混凝土內(nèi)部微裂紋及微孔洞含量增大，但是由于沖擊荷載作用時間較短，試塊瞬時面臨較大的外部能量輸入，裂紋來不及混凝土內(nèi)部沿薄弱區(qū)域發(fā)展，而是萌生大量新裂紋，因此，取代率對再生混凝土動態(tài)抗壓強度不產(chǎn)生規(guī)律性影響。

表6 抗壓強度、峰值應(yīng)變及比能量吸收統(tǒng)計值Tab.6 Statistics of peak stress,peak strain and specific energy absorption

由表6及圖10還可看出，不同取代率下，不論單摻玄武巖纖維或納米氧化硅，還是復(fù)合添加纖維和氧化硅，動態(tài)抗壓強度均有不同程度的提高。其主要原因是：纖維的橋聯(lián)效應(yīng)阻止了裂紋的進一步發(fā)展；納米氧化硅顆粒有利于砂漿基體密實度的增加和界面過渡區(qū)性能的改善，可鈍化微裂紋尖端處應(yīng)力，進而減緩微裂紋的擴展；同時，納米氧化硅可降低玄武巖纖維表面腐蝕效果。上述因素單獨或共同作用下致使改性再生混凝土動態(tài)抗壓強度較普通再生混凝土動態(tài)抗壓強度有所提高。

(a)

不同應(yīng)變率時的抗壓強度可通過強度增長因子來反映。強度增長因子(dynamic increase factor,DIF)是試塊動態(tài)抗壓強度與靜態(tài)抗壓強度之比值，反映了沖擊荷載下材料抗壓強度變化情況，是衡量混凝土應(yīng)變率效應(yīng)的一個重要指，可由式(2)表示。各應(yīng)變率時的動態(tài)增強因子如表6所示。

(2)

式中，fcd、fcs分別表示再生混凝土的動態(tài)、靜態(tài)抗壓強度。

由表6可以看出，隨應(yīng)變率增大，DIF增大。沖擊荷載下，動態(tài)抗壓強度增大主要歸結(jié)為下述幾點：① 黏性阻力效應(yīng)，沖擊荷載作用下，混凝土強度具有顯著的率敏感性，表現(xiàn)為動態(tài)抗壓強度隨應(yīng)變率增大而增大，此現(xiàn)象為黏性效應(yīng)。沖擊荷載下，水泥基材料所具有的黏性可阻止細微裂紋的進一步發(fā)展，應(yīng)變率越大，黏性效應(yīng)越顯著，動態(tài)抗壓強度越高。② 橫向慣性效應(yīng)，沖擊荷載下，試塊將產(chǎn)生壓縮變形，但慣性力阻止其壓縮變形，慣性力約束下，試塊內(nèi)部處于三向受力狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)變率增大，慣性力亦隨之增大，試塊所需要的破壞荷載就越大，表現(xiàn)為動態(tài)強度增大。③ 裂紋演化效應(yīng)，隨應(yīng)變率的增大，荷載作用時間變短，混凝土用于緩沖變形的時間較短，裂紋來不及擴展，根據(jù)沖量定量，只有通過增加應(yīng)力的辦法來平衡外部沖量，因此，強度隨應(yīng)變率的增大而提高。

2.2.3 峰值應(yīng)變

峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變?yōu)榉逯祽?yīng)變，體現(xiàn)了試塊的變形性能，超過峰值應(yīng)變后試塊將出現(xiàn)破壞而喪失承載能力。沖擊荷載下再生混凝土的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化趨勢并未取得一致的研究結(jié)論。Lu等[18]的研究表明，隨應(yīng)變率的增大，再生混凝土的峰值應(yīng)變增大；但是Xiao等[19]認為，隨應(yīng)變率的增大，再生混凝土的峰值應(yīng)變不具有規(guī)律性變化。本次試驗的峰值應(yīng)變統(tǒng)計值如表6所示?？梢钥闯觯S應(yīng)變率和取代率的增大，峰值應(yīng)變不具有規(guī)律性。同時，由表6可以得出部分試塊的峰值應(yīng)變變化率隨應(yīng)變率的變化情況，如圖11所示。

由表6及圖11可以看出，玄武巖纖維和納米氧化硅有利于提高動態(tài)峰值應(yīng)變。其主要原因是，混凝土的峰值應(yīng)變包括彈性應(yīng)變和黏性應(yīng)變，玄武巖纖維和納米氧化硅的添加有利于黏性應(yīng)變的增加，進而導(dǎo)致再生混凝土的峰值應(yīng)變增大。上述情況表明，在沖擊荷載下，玄武巖纖維和納米氧化硅對再生混凝土變形性能具有一定的增強作用。

2.3 耗能性能

混凝土的耗能性能主要受兩個方面影響，即外部的沖擊能量和內(nèi)部的初始損傷狀態(tài)。外部的沖擊能量主要是導(dǎo)致試塊破壞的直接原因，裂紋的萌生、發(fā)展及貫通等過程均需外部能量；試塊內(nèi)部的初始損傷狀態(tài)主要是試塊經(jīng)澆筑、振搗及養(yǎng)護等一系列過程中內(nèi)部所產(chǎn)生的微裂紋和微孔洞等缺陷，還包括原材料內(nèi)部的初始缺陷，上述初始缺陷導(dǎo)致試塊抵抗沖擊荷載的能力產(chǎn)生改變，進而影響試塊的宏觀耗能性能。試塊耗能性能的可通過比能量吸收(specific energy absorption,SEA)進行衡量，比能量吸收是評判混凝土耗能性能的重要指標。沖擊試驗中試塊吸收的能量Wa主要包括三部分，即裂紋萌生發(fā)展至破壞所耗散的能量Wde，試塊破碎后碎塊飛濺所耗散的動能Wv，通過熱能、聲能及電磁能等形式所耗散的能量Wo。施勁松等的研究表明，Wv和Wo占Wa的含量很小，可忽略，因此可認為Wa與Wde相等。因加載過程中在試塊兩端面上涂抹了高級潤滑油，加載過程中試塊與入射桿和投射桿之間的摩擦力所耗散的能量可忽略。根據(jù)能量守恒定律，比能量吸收可按式(3)表示，比能量吸收統(tǒng)計值如表6所示。

(3)

式中:A及AS分別為桿件和試塊的橫截面積;E為桿件彈性模量;c為桿中波速，LS為試塊初始厚度;εi(t)、εr(t)、εt(t)分別是桿中入射、反射及投射應(yīng)變;T為試塊最終破壞時刻。

(a)

由表6可得出比能量吸收變化率隨應(yīng)變率變化關(guān)系，部分試塊的比能量吸收變化率隨應(yīng)變率變化關(guān)系,如圖12所示。由表6及圖12可以看出，隨應(yīng)變率的增大，比能量吸收增大，表明比能量吸收具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。主要原因是:當(dāng)應(yīng)變率較低時，外部輸入能量部分被試塊破壞所耗散，部分以彈性能方式釋放，耗能性能較低；隨應(yīng)變率增大，外部輸入能量達到或超過試塊破壞所需能量，裂紋來不及沿內(nèi)部薄弱面發(fā)展，而是在較短時間內(nèi)萌生大量微裂紋來平衡沖擊能量，而萌生新裂紋所需要的能量遠大于裂紋擴展所耗散的能量，應(yīng)變率越大，裂紋數(shù)量就越多，能量耗散也就越大；應(yīng)變率較高時，試塊內(nèi)部裂紋充分發(fā)展并產(chǎn)生大量微裂紋，致使試塊變形性能顯著提升，耗能性能也就明顯增大。

(a)

可以看出，玄武巖纖維及納米氧化硅的添加有利于比能量吸收的增大。其原因主要歸結(jié)為,均勻分散于混凝土內(nèi)部的玄武巖纖維，其橋聯(lián)效應(yīng)得以充分發(fā)揮，阻止裂紋的進一步擴展，沖擊荷載作用下，面臨兩種情況：新微裂紋萌生及老裂紋擴展致使纖維拔出，但所需能量均高于裂紋擴展所需能量；納米氧化硅顆粒具有較高活性，可充分發(fā)揮填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，有利于砂漿基體密實度的增加和界面過渡區(qū)性能的改善，使再生混凝土薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)得以改善，降低了微孔隙和微裂紋數(shù)量，沖擊荷載下新產(chǎn)生裂紋數(shù)量增大；同時，砂漿密實度的提高增大了玄武巖纖維拔出和裂紋擴展所需能量。上述因素共同作用下單位體積能耗增多，進而導(dǎo)致再生混凝土的比能量吸收增大。

由表6可以看出，取代率對比能量吸收的影響不具有規(guī)律性。沖擊荷載作用下，試塊由受力直至破壞時程較短，部分裂紋來不及沿混凝土內(nèi)部薄弱區(qū)域擴展，而是在不同區(qū)域萌生大量細微裂紋，因此，比能量吸收隨取代率的增大不產(chǎn)生規(guī)律性變化。該情況趨勢也表明，取代率不是影響比能量吸收的主要因素。

3 結(jié) 論

(1)應(yīng)變率較低時，玄武巖纖維有利于增強試塊破碎時的整體性，納米氧化硅降低試塊破碎時的整體性；隨著應(yīng)變率的增大，玄武巖纖維及納米氧化硅含量的影響逐漸降低；取代率對試塊動態(tài)破壞形態(tài)不產(chǎn)生明顯影響。

(2)再生混凝土靜態(tài)抗壓強度隨取代率的增大而降低，玄武巖纖維和納米氧化硅的添加并不改變該變化趨勢；取代率不變時，玄武巖纖維和納米氧化硅的添加有利于靜態(tài)抗壓強度的增大，隨氧化硅含量增大，再生混凝土靜態(tài)抗壓強度增大。

(3)隨應(yīng)變率增大，再生混凝土動態(tài)抗壓強度增大；玄武巖纖維和納米氧化硅有利于動態(tài)抗壓強度的提高；取代率對動態(tài)抗壓強度不產(chǎn)生規(guī)律性影響。

(4)玄武巖纖維和納米氧化硅有利于動態(tài)峰值應(yīng)變的提高；應(yīng)變率和取代率對再生混凝土動態(tài)峰值應(yīng)變不產(chǎn)生規(guī)律性影響。

(5)隨應(yīng)變率的增大，再生混凝土的耗能性能增大，玄武巖纖維和納米氧化硅有利于再生混凝土耗能性能的提高；取代率對再生混凝土耗能性能不產(chǎn)生規(guī)律性影響。