蘇 捷， 秦紅杰

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410082)

對于處理大量的廢舊混凝土，通常可以將其破碎處理得到再生骨料，用來配制再生混凝土。由于再生骨料在破碎生產(chǎn)的過程中產(chǎn)生了初始損傷且表面殘留有大量附著砂漿，其物理性質(zhì)較天然骨料有所差異；同時(shí)，再生骨料表面的殘余砂漿使得再生混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)更加復(fù)雜，這些因素使得再生混凝土與普通混凝土相比各方面物理力學(xué)性能都存在差異[1]。因此，為確保再生混凝土結(jié)構(gòu)的安全可靠，需對其力學(xué)性能及尺寸效應(yīng)進(jìn)行充分研究。

肖建莊[2]、劉數(shù)華[3]和杜婷[4]等對再生混凝土的試驗(yàn)研究表明：不同取代率下再生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均比普通混凝土低。通過測得再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€發(fā)現(xiàn)：其峰值應(yīng)變比普通混凝土提高約20%，而彈性模量較普通混凝土降低約45%。而陳宗平[5]的研究表明當(dāng)采用適當(dāng)?shù)念A(yù)處理及強(qiáng)化措施時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與普通混凝土相當(dāng)于甚至高于普通混凝土。

楊海濤[6]、張麗[7]和張瑩[8]等測得了不同試件尺寸的再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。分析結(jié)果表明對于各個(gè)取代率下再生混凝土，抗壓強(qiáng)度均存在尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，并得到了邊長100 mm和200 mm試件相對于邊長150 mm標(biāo)準(zhǔn)試件的強(qiáng)度換算系數(shù)范圍可分別取為0.92～0.97和1.08～1.16。

再生混凝土在道路工程中具有廣泛的應(yīng)用前景，而在道路設(shè)計(jì)中抗折強(qiáng)度(彎拉強(qiáng)度)是混凝土的一個(gè)重要力學(xué)性能指標(biāo)。目前，關(guān)于再生混凝土尺寸效應(yīng)的研究較少，對其抗折強(qiáng)度及尺寸效應(yīng)研究尚不充分。因此，本文對再生混凝土抗折強(qiáng)度及尺寸效應(yīng)進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，分析再生骨料取代率對尺寸效應(yīng)的影響，建立再生混凝土的尺寸效應(yīng)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究取代率對再生混凝土抗折強(qiáng)度及尺寸效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)了5組不同再生骨料取代率，依次為0、25%、50%、75%和100%。取代率為0的試件為使用天然粗骨料的普通混凝土，是混凝土配合比設(shè)計(jì)的參照組，強(qiáng)度等級為C30。每一取代率試件制備3個(gè)尺寸，分別為70 mm×70 mm×310 mm、100 mm×100 mm×400 mm和150 mm×150 mm×550 mm，共計(jì)15個(gè)規(guī)格。每一規(guī)格試件制備了10個(gè)，總計(jì)成型150個(gè)試件。

1.2 試驗(yàn)用材料

a.水泥： P.O.42.5級普通水泥。

b.粗骨料：天然粗骨料為最大粒徑20 mm的連續(xù)級配卵石。再生粗骨料為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按表2中P0配合比，采用同規(guī)格原材料制備的混凝土柱養(yǎng)護(hù)28 d破碎后過20 mm篩得到。

c.細(xì)骨料：細(xì)度模數(shù)為2.4的天然河沙。

d.水：自來水。

通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[9]測得粗骨料的各項(xiàng)物理參數(shù)如表1所示。由表1可知再生骨料的表觀密度、堆積密度較天然骨料分別降低了6.1%和7.3%，含水率、吸水率、壓碎指標(biāo)分別為天然骨料的7.3倍、7.1倍和3.7倍。這是因?yàn)樵偕止橇仙险掣接嘘惻f砂漿，試件破碎過程中粗骨料及粘附的砂漿由于受到外力擾動(dòng)產(chǎn)生了微裂紋變得疏松，使得骨料含水率、吸水率、壓碎指標(biāo)增大，而密度有所降低。

表1 粗骨料的基本物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of coarse aggregates骨料粒徑/mm表觀密度/(kg·m-3)堆積密度/(kg·m-3)含水率/%吸水率/%壓碎指標(biāo)/%天然骨料5～202 7901 4800.320.764.63再生骨料5～202 6201 3722.335.3817.25

1.3 配合比設(shè)計(jì)及加載過程

采用附加水法[10]制備再生混凝土試件，各規(guī)格試件混凝土配合比如表2所示。附加水用量為再生骨料質(zhì)量乘以凈吸水率，凈吸水率由表1中實(shí)測的吸水率和含水率綜合確定。表中試件編號(hào)采用P-x的形式，x代表再生骨料取代率。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix Proportion of concretes(kg·m3)編號(hào)水泥砂粗骨料水天然骨料再生骨料基本水附加水P-0 4157041 057—224—P-25 4157047932642247.92P-50 415704528.5528.522415.86P-75 41570426479322423.79P-10041570401 05722431.71

4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法[11]進(jìn)行，加載前試件首先標(biāo)記支撐和加載的位置，然后加載至試件破壞為止，加載速率為0.05 MPa/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

再生混凝土小梁試件在受荷初期無明顯變形。隨著荷載的增加，微裂縫首先在界面過渡區(qū)和砂漿中初始缺陷處產(chǎn)生。隨荷載增大，裂紋迅速發(fā)展，整個(gè)試件瞬間斷成2塊，斷面較為平整，表現(xiàn)為明顯的脆性破壞特征，如圖1所示。

圖1 再生混凝土抗折破壞形態(tài)Figure 1 Flexural failure mode of recycled concrete

2.2 抗折強(qiáng)度結(jié)果

實(shí)測各再生骨料取代率小梁試件抗折強(qiáng)度、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)見表3，表中抗折強(qiáng)度值為同規(guī)格10個(gè)試件抗折強(qiáng)度的平均值。表中試件編號(hào)采用P-x-z的形式，其中，P表示再生混凝土小梁試件，x代表再生骨料取代率，z為小梁試件的截面邊長。

通過分析表3數(shù)據(jù)可知：取代率為25%、50%、75%和100%時(shí)，截面邊長150 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件的抗折強(qiáng)度值較普通混凝土(取代率為0時(shí))分別降低了5.7%、12.7%、24.2%和19.9%。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可從界面過渡區(qū)強(qiáng)度和裂縫發(fā)展兩方面的影響進(jìn)行分析。因再生骨料上附著的陳舊砂漿在水化過程中吸附了一定量拌和水，使得再生骨料周圍界面過渡區(qū)水灰比增加，水化反應(yīng)生成了更多的鈣礬石和氫氧化鈣結(jié)晶，這兩種晶體顆粒較大，且后者具有取向性，削弱了界面過渡區(qū)強(qiáng)度。由表1實(shí)測再生骨料壓碎值可知，受初始損傷影響，再生骨料強(qiáng)度較天然骨料更低，不能有效阻擋微裂縫的發(fā)展，小梁試件內(nèi)部微裂縫發(fā)展時(shí)裂縫通常穿過再生骨料，試件斷裂能低于普通混凝土。

表3 再生混凝土的抗折強(qiáng)度實(shí)測值Table 3 Flexural strengths of recycled concretes 試件ftf/MPaS/ MPaCv/%P-0-705.270.183.42P-25-705.030.122.39P-50-704.740.112.32P-75-704.160.153.61P-100-704.360.184.13P-0-1005.020.173.39P-25-1004.770.183.77P-50-1004.460.173.81P-75-1003.900.102.56P-100-1004.110.153.65P-0-1504.580.132.84P-25-1504.320.163.70P-50-1504.010.133.24P-75-1503.470.092.59P-100-1503.670.102.72

3 尺寸效應(yīng)分析

3.1 再生骨料取代率對抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的影響

參照文獻(xiàn)[12]，引入尺寸效應(yīng)度定量地表征再生混凝土抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)的大小。以短邊尺寸為70 mm的棱柱試件為參考試件，定義另外兩種尺寸試件抗折強(qiáng)度與參考試件抗折強(qiáng)度差值占參考試件抗折強(qiáng)度的百分比，并以此為尺寸效應(yīng)度：

(1)

(2)

式中:γ100、γ150分別為短邊尺寸為100、150 mm試件的尺寸效應(yīng)度；ftf，70、ftf，100和ftf，150分別為3種尺寸試件的抗折強(qiáng)度值，MPa。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算得到各規(guī)格試件抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度列于表4。將尺寸效應(yīng)度γ100和γ150隨再生骨料取代率變化規(guī)律繪于圖2。

表4 抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度Table 4 Scale effect parameter of flexural strength取代率γ100/%γ150/%04.7413.0925%5.1714.1250%5.9115.6175%6.2516.59100%5.7315.83

圖2 尺寸效應(yīng)度隨取代率變化規(guī)律Figure 2 Variation of scale effect parameters

由圖2、表3和表4可知：各個(gè)取代率下小梁試件抗折強(qiáng)度均隨試件尺寸的增加而減小，再生混凝土抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)明顯強(qiáng)于普通混凝土。取代率為25%、50%、75%和100%時(shí)，小梁試件抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度γ100比普通混凝土(取代率為0時(shí))分別提高了9.1%、24.7%、31.9%和20.9%，尺寸效應(yīng)度γ150比普通混凝土分別提高了7.9%、19.3%、26.7%和20.9%。取代率變化對尺寸效應(yīng)的影響呈先增大后降低的趨勢，取代率為75%時(shí)，再生混凝土小梁試件的尺寸效應(yīng)最為顯著，分別是取代率為0和100%小梁試件的1.32倍和1.09倍。

在取代率為0～75%范圍內(nèi)，隨著再生骨料取代率的增加，抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度呈增加趨勢。原因是：部分取代(取代率為25%至75%)再生混凝土由于同時(shí)采用了低強(qiáng)度的再生骨料和高強(qiáng)度的原生骨料，小梁試件內(nèi)部單元強(qiáng)度的離散性增大，且隨著取代率增加，這種離散性的增幅更為顯著，使得尺寸效應(yīng)度更明顯。此外，試件內(nèi)同時(shí)存在原生骨料-新砂漿基體界面和再生骨料-陳舊砂漿-新砂漿基體界面2種界面過渡區(qū)，材料各相組成物理性質(zhì)相差較大，更容易產(chǎn)生引力集中，從而加速了混凝土的破壞。全取代率再生混凝土(取代率為100%)抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)度有所減小。造成這一現(xiàn)象的原因是：全取代率再生混凝土僅含有再生骨料，且界面也僅有再生骨料-陳舊砂漿-新砂漿基體界面，各相材料的均質(zhì)性強(qiáng)于部分取代再生混凝土，降低了小梁試件抗折強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)。

3.2 尺寸效應(yīng)律

美國西北大學(xué)BAZANT教授認(rèn)為混凝土材料存在尺寸效應(yīng)的原因是：在結(jié)構(gòu)達(dá)到最大荷載前，一條主裂縫或含有大量微裂縫的區(qū)域的穩(wěn)定擴(kuò)展，這個(gè)過程中伴隨著斷裂能的釋放，即尺寸效應(yīng)是由裂縫擴(kuò)展時(shí)斷裂能的釋放引起的[13]。基于以上認(rèn)識(shí)，對于無初始切口的試件，他提出了與結(jié)構(gòu)尺寸D和名義強(qiáng)度σN有關(guān)的計(jì)算公式，即BAZANT尺寸效應(yīng)律公式，如下：

(3)

式中:σ∞為幾何尺寸無窮大時(shí)，結(jié)構(gòu)的名義強(qiáng)度值；Db為特征尺寸。

以往的研究[14-15]表明式(3)對普通混凝土抗折強(qiáng)度有較好的適用性，為驗(yàn)證式(3)對于再生混凝土的適用性，用本文中再生混凝土抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)以及收集到的文獻(xiàn)[3，14-17]中試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合上述公式，擬合用到的數(shù)據(jù)來自90組，共計(jì)420個(gè)試件，涵蓋試件短邊尺寸70～200 mm，具有良好的代表性。

通過擬合計(jì)算，得到不同取代率下尺寸效應(yīng)律計(jì)算式(3)中名義強(qiáng)度σ∞和特征尺寸Db的值分別列于表5。本文實(shí)測結(jié)果與式(3)計(jì)算結(jié)果的吻合情況如圖3所示。

表5 尺寸效應(yīng)公式參數(shù)值Table 5 Parameters in the scale effect equation取代率σ∞/MPaDb/mm04.0521.7425%3.7824.5250%3.4327.9175%3.2130.02100%3.1228.52

圖3 抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)律擬合曲線Figure 3 Fitting curves of scale effect law

各取代率下實(shí)測結(jié)果和式(3)計(jì)算結(jié)果相關(guān)系數(shù)約為0.92，表明二者吻合較好，可用式(3)分析計(jì)算不同尺寸再生骨料混凝土試件的抗折強(qiáng)度。

對表5中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到公式(3)中名義強(qiáng)度σ∞、特征尺寸Db與取代率r的關(guān)系式如式(4)和式(5)。采用式(4)和式(5)可對不同取代率的再生混凝土抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)律參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

σ∞=-0.009 7r+4.004

(4)

Db=-0.001 1r2+0.188 7r+21.324 3

(5)

式中:r表示再生骨料取代率。

4 結(jié)論

a.再生混凝土抗折強(qiáng)度有不同程度降低，取代率為25%、50%、75%和100%時(shí)，截面邊長150 mm試件的抗折強(qiáng)度較普通混凝土試件分別減小了5.7%、12.7%、24.2%和19.9%。

b.隨取代率的增加，再生混凝土抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)呈先增大后降低的規(guī)律，取代率為75%小梁試件的抗折強(qiáng)度尺寸效應(yīng)約為取代率為0和100%試件的1.32倍和1.09倍。

c.根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果和收集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到了再生混凝土尺寸效應(yīng)律公式，可以用來預(yù)測任意取代率下的任意尺寸試件的抗折強(qiáng)度。