張凱建，肖建莊，3，張青天

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092；2.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建福州350116；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

由于河砂資源短缺，價(jià)格不斷上漲，因此我國(guó)自20世紀(jì)90年代以來(lái)在沿海地區(qū)開(kāi)始使用海砂［1］。值得注意的是，上述應(yīng)用的海砂基本是淡化海砂，以避免高氯離子（Cl-）含量對(duì)鋼筋的銹蝕。據(jù)調(diào)查，我國(guó)近海5～50 m范圍內(nèi)，有豐富的粒徑大于細(xì)砂的海砂資源儲(chǔ)備（達(dá)到了380億m3），可用作中細(xì)砂［2］?？紤]到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）有較高的強(qiáng)重比以及抗腐蝕性能，Teng等［3］在2011年首次提出FRP-海水海砂混凝土的組合形式，這為原狀海水海砂混凝土的使用創(chuàng)造了條件。另一方面，我國(guó)建筑廢物排放量逐年增加，2019年超過(guò)18.5億噸（不含渣土）［4］，實(shí)現(xiàn)廢混凝土的再生利用是有效處理建筑固廢的科學(xué)方式。將廢混凝土破碎加工成再生粗骨料，部分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%以上）或全部代替天然骨料配制而成的新混凝土，稱為再生混凝土［5］。

將海水海砂與再生骨料組合后制備的混凝土，稱為海水海砂再生混凝土（SSRAC，本研究中再生骨料為再生粗骨料）。海水海砂再生混凝土既可以充分利用豐富的海水海砂資源，也可以消納廢棄混凝土，同時(shí)減少礦山的開(kāi)采，具有顯著的生態(tài)性。海水海砂再生混凝土的力學(xué)性能已經(jīng)引起重視［6］。目前，關(guān)于海水海砂再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的研究還較少。Guo等［7］探究了海水海砂普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)彈性模量和峰值應(yīng)變降低。本研究中將基于試驗(yàn)探究海水海砂再生混凝土單軸受壓的破壞模式，討論不同應(yīng)變率下海水海砂再生混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 材料物理性能指標(biāo)

試驗(yàn)所用的再生粗骨料（RCA）粒徑為5～25 mm，細(xì)骨料為河砂、海砂以及貝殼砂。粗骨料物理指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知，再生粗骨料的堆積密度和表觀密度都低于天然粗骨料（NCA），再生粗骨料的泥塊含量、壓碎指標(biāo)和吸水率都明顯好于天然粗骨料。細(xì)骨料物理指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知，海砂中Cl-含量為0.057%，高于貝殼砂，海砂和貝殼砂中的貝殼含量分別為2.31%和99.43%。試驗(yàn)所用海水依據(jù)美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（D1141―98）［8］關(guān)于海水制備規(guī)程中所給的化學(xué)成分配制得到。

表1 粗骨料物理性能Tab.1 Physical properties of coarse aggregates

表2 海砂、貝殼砂物理性能Tab.2 Physical properties of sea sand and shell sand

河砂、海砂以及貝殼砂的級(jí)配曲線如圖1所示。級(jí)配曲線顯示，不同類別砂的級(jí)配曲線大部分在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［9］規(guī)定的上下限內(nèi)，海砂中小于0.6 mm孔徑的累積篩余率和貝殼砂中小于1.0 mm孔徑的累積篩余率略高于上限值。此外，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［9］相比，ISO標(biāo)準(zhǔn)［10］中的上下限更為嚴(yán)格。

圖1 砂骨料級(jí)配曲線Fig.1 Grading curves of sand aggregates

1.2 配合比設(shè)計(jì)及試塊澆筑

混凝土的水灰比為0.47，依據(jù)貝殼含量及再生粗骨料取代率將試塊分為9組，其中貝殼含量分為純海砂、海砂與貝殼砂含量為4∶1的混合砂2組。再生粗骨料取代率為0、50%和100%。棱柱體試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，每組制作6個(gè)試件。海水海砂再生混凝土配合比如表3所示。試件編號(hào)中RAC表示再生混凝土，其后數(shù)字表示再生粗骨料取代率，%；M表示貝殼含量為2.33%，H表示貝殼含量為21.73%；SSNAC表示海水海砂混凝土。水泥等級(jí)為42.5。根據(jù)表1中再生粗骨料含水率和吸水率確定每組的附加水用量（吸水率和含水率之差與再生粗骨料質(zhì)量的乘積）［11］，附加水與該組的自由水類別相同。減水劑為聚羧酸高效減水劑，用量為3.19 kg·m-3。混凝土試件采用室外養(yǎng)護(hù)的方式，直至達(dá)到預(yù)定齡期。

表3 海水海砂再生混凝土配合比Tab.3 Mix proportions of SSRAC 單位：kg·m-3

1.3 試件加載

所有試件在澆筑120 d后進(jìn)行試驗(yàn)。加載裝置為MTS 815.02電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)［11］。采用位移加載，加載速率分別為0.003 mm·s-1和3.000 mm·s-1，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率分別為10-5s-1和10-2s-1。加載程序分為預(yù)加載和正式加載。在預(yù)加載過(guò)程中采用力控制，預(yù)加載峰值荷載設(shè)置為5 kN；正式加載采用位移控制，加載速率根據(jù)不同的應(yīng)變率要求進(jìn)行設(shè)置，最大位移設(shè)置為3.0 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單軸受壓破壞模式

圖2給出了10-5s-1和10-2s-1應(yīng)變率下試件的破壞模式。在加載初期，棱柱體試件沒(méi)有裂縫產(chǎn)生。隨著荷載的增大，試件端部開(kāi)始出現(xiàn)細(xì)小的豎向裂縫，而且裂縫數(shù)量逐漸增多。達(dá)到峰值應(yīng)力后，荷載緩慢降低，開(kāi)始出現(xiàn)比較明顯的豎向裂縫，之后裂縫貫通，形成試件破環(huán)時(shí)的主裂縫。結(jié)果表明，再生粗骨料取代率、海水海砂含量以及貝殼含量對(duì)試件破壞模式的影響不顯著，試件破壞時(shí)最終形成一條連接試件上部和下部的貫通主裂縫。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€特征指標(biāo)

對(duì)所測(cè)得的相同試件在相同應(yīng)變率下的3條試驗(yàn)曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到曲線的均值，如圖3～5所示。圖3～5中，NAC-2、NAC-5、RAC50-2、RAC50-5、RAC100-2、RAC100-5分別表示應(yīng)變率為10-2s-1和10-5s-1下試件。

圖3 NAC、RAC應(yīng)力-應(yīng)變均值曲線Fig.3 Mean stress-strain curves of NAC and RAC

應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征指標(biāo)包括峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量（0.5%～30.0%峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的割線模量），試驗(yàn)結(jié)果如圖6～8所示。

由圖6可知，10-2s-1應(yīng)變率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征指標(biāo)高于10-5s-1應(yīng)變率下的特征指標(biāo)。在10-2s-1應(yīng)變率下，RAC50峰值應(yīng)力提高了26.80%，峰值應(yīng)變提高了7.41%，彈性模量提高了19.80%；RAC100的峰值應(yīng)力提高了7.54%，峰值應(yīng)變相當(dāng)，彈性模量提高了28.20%。此外，隨著再生粗骨料取代率的增加，不同應(yīng)變率下再生混凝土的峰值應(yīng)力整體呈下降趨勢(shì)（見(jiàn)圖6a），峰值應(yīng)變逐漸增加（見(jiàn)圖6b），彈性模量顯著降低（見(jiàn)圖6c）。

圖6 NAC、RAC應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征指標(biāo)Fig.6 Characteristic indices of stress-strain curves of NAC and RAC

由圖7可知，10-2s-1應(yīng)變率下M-SSRAC的特征指標(biāo)整體上高于10-5s-1應(yīng)變率下的特征指標(biāo)。10-2s-1應(yīng)變率下，M-SSRAC100的峰值應(yīng)力提高了21.70%，M-SSNAC和M-SSRAC100的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率增大而增加，10-2s-1應(yīng)變率下MSSRAC50的彈性模量提高了7.75%，M-SSRAC的峰值應(yīng)力隨再生粗骨料取代率的增加而增大。與M-SSNAC相比，10-5s-1應(yīng)變率下M-SSRAC50的峰值應(yīng)力提高了24.10%，10-2s-1應(yīng)變率下提高了23.10%。M-SSRAC50和M-SSRAC100的彈性模量隨再生粗骨料取代率增加呈下降趨勢(shì)，與MSSNAC相比，2種應(yīng)變率下M-SSRAC50的彈性模量分別降低了11.30%和19.20%，M-SSRAC100的彈性模量分別降低了17.70%和29.60%。

圖7 M-SSNAC、M-SSRAC應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征指標(biāo)Fig.7 Characteristic indices of stress-strain curves of M-SSNAC and M-SSRAC

由圖8可知，H-SSRAC的峰值應(yīng)力和彈性模量隨應(yīng)變率增大而增大，而峰值應(yīng)變呈下降趨勢(shì)。與10-5s-1應(yīng)變率相比，10-2s-1應(yīng)變率下H-SSRAC50和H-SSRAC100的峰值應(yīng)力分別提高了3.04%和6.38%。對(duì)于峰值應(yīng)變，10-2s-1應(yīng)變率下的值顯著低于10-5s-1應(yīng)變率下的值。與10-5s-1應(yīng)變率相比，10-2s-1應(yīng)變率下彈性模量顯著提升，H-SSRAC50和H-SSRAC100的彈性模量分別提升了41.80%和40.40%。峰值應(yīng)力隨再生粗骨料取代率的發(fā)展趨勢(shì)不明顯。峰值應(yīng)變隨再生粗骨料取代率增加而逐漸增大，在10-5s-1應(yīng)變率下，峰值應(yīng)變隨再生粗骨料取代率基本呈線性增長(zhǎng)。隨著再生粗骨料取代率的增加，彈性模量逐漸降低，與H-SSNAC相比，10-5s-1應(yīng)變率下H-SSRAC50的彈性模量降低了19.70%，10-2s-1應(yīng)變率下降低了17.40%，2種應(yīng)變率下H-SSRAC100的彈性模量分別降低了24.70%和23.40%。

圖4 M-SSNAC、M-SSRAC應(yīng)力-應(yīng)變均值曲線Fig.4 Mean stress-strain curves of M-SSNAC and M-SSRAC

圖5 H-SSNAC、H-SSRAC應(yīng)力-應(yīng)變均值曲線Fig.5 Mean stress-strain curves of H-SSNAC and H-SSRAC

圖8 H-SSNAC、H-SSRAC應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征指標(biāo)Fig.8 Characteristic indices of stress-strain curves of H-SSNAC and H-SSRAC

2.3 動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子

特征指標(biāo)的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子定義為動(dòng)態(tài)應(yīng)變率下的特征指標(biāo)與準(zhǔn)靜態(tài)下的特征指標(biāo)的比值。圖9給出了特征指標(biāo)的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子（10-2s-1與10-5s-1應(yīng)變率下特征指標(biāo)的比值）。由圖9a可知，對(duì)于RAC，隨著再生粗骨料取代率的增加，峰值應(yīng)力的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子Dσ逐漸降低，NAC、RAC50和RAC100的Dσ依次為1.41、1.27和1.08；對(duì)于M-SSRAC，當(dāng)再生粗骨料取代率由0增加50%時(shí)，Dσ變化不明顯（1.10變化到1.09），在再生粗骨料取代率為100%時(shí)增加到1.22；H-SSRAC的Dσ變化趨勢(shì)與M-SSRAC不同，呈先降低后增加的趨勢(shì)。此外，當(dāng)再生粗骨料取代率為50%時(shí)，隨著混凝土中貝殼含量的增加，Dσ逐漸降低，而在其他再生粗骨料取代率時(shí)無(wú)明顯發(fā)展趨勢(shì)。

圖9 特征指標(biāo)的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子Fig.9 DIF of characteristic indices

對(duì)于峰值應(yīng)變，由圖9b可知，RAC的峰值應(yīng)變動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子Dε隨再生粗骨料取代率增加逐漸降低，M-SSRAC和H-SSRAC的Dε變化一致，呈先降低后增加趨勢(shì)，M-SSRAC的Dε高于H-SSRAC的Dε。當(dāng)再生粗骨料取代率為0和50%時(shí)，隨著混凝土中貝殼含量的增加，Dε逐漸降低；當(dāng)再生粗骨料取代率為100%時(shí)，Dε隨貝殼含量的增加先增加后降低。

由圖9c可知，RAC彈性模量動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子DE隨再生粗骨料取代率先增加后降低，M-SSRAC的DE隨再生粗骨料取代率增加呈下降趨勢(shì)，依次為1.18、1.08和0.99，而H-SSRAC的DE隨再生粗骨料取代率增加基本不變，為1.40左右。隨著貝殼含量的增加，當(dāng)再生粗骨料取代率為0時(shí)，DE逐漸增加，而當(dāng)再生粗骨料取代率為50%和100%時(shí)，DE都呈先降低后增加的趨勢(shì)，H-SSRAC的DE為所有組中的最大值。

3 海水海砂再生混凝土CT測(cè)試

利用電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)（機(jī)器型號(hào)為NIKON XTH 320/225，旋轉(zhuǎn)速度為120 rpm，電壓和電流分別為300 kV和250 mA，切片厚度為1.0 mm），測(cè)試了海水海砂再生混凝土內(nèi)部的孔隙分布。海水海砂再生混凝土樣品為邊長(zhǎng)78 mm的立方體，將掃描的二維圖像進(jìn)行渲染生成體積圖像，對(duì)海水海砂再生混凝土內(nèi)部的不同相和孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維重建。圖10給出了不同孔徑孔隙的空間分布。

圖10 海水海砂再生混凝土孔結(jié)構(gòu)Fig.10 Pore structures of SSRAC specimens

對(duì)于RAC，隨著再生粗骨料取代率的增加，孔隙率顯著增加，NAC的孔隙率為1.850%，RAC100的孔隙率增加到1.989%，這主要是由于再生粗骨料的加入引入了更多的疏松多孔的界面過(guò)渡區(qū)［12］，導(dǎo)致孔隙率增加。海水海砂加入后，孔隙率降低。M-SSNAC的孔隙率為2.900%，M-SSRAC100的孔隙率降低到1.960%，降低了32.4%；H-SSNAC的孔隙率為2.220%，H-SSRAC100的孔隙率降低到1.945%，降低了12.4%。海水海砂再生混凝土孔隙率的測(cè)試結(jié)果為應(yīng)力-應(yīng)變曲線中峰值應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果提供了解釋，即孔隙率越高，峰值應(yīng)力越低?？紤]到再生粗骨料表面通常附著未水化的水泥，海水海砂加入后，未水化水泥與Cl-發(fā)生反應(yīng)并形成填充再生粗骨料表面孔隙的產(chǎn)物（Friedel鹽［13］）。因此，適量的Cl-可彌補(bǔ)再生粗骨料的缺陷，降低孔隙率。另一方面，海水海砂中含有SO-23，導(dǎo)致水化產(chǎn)物中鈣礬石的含量增加［14］，體積膨脹更為嚴(yán)重。由于SSRAC的彈性模量比SSNAC低，這為鈣礬石的體積膨脹提供了緩沖作用，減少了內(nèi)部膨脹孔隙的產(chǎn)生，因此再生粗骨料的加入降低了孔隙率。

加入海水海砂后，貝殼含量的增加可以降低再生混凝土的孔隙率。RAC100、M-SSRAC100和HSSRAC100的貝殼含量依次增加，孔隙率逐漸降低。實(shí)際上，現(xiàn)有文獻(xiàn)［1］的研究顯示，貝殼含量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響趨勢(shì)不明顯，還需要更多相關(guān)的研究進(jìn)行深入分析。

4 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€預(yù)測(cè)

4.1 預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

利用現(xiàn)有的3種模型來(lái)預(yù)測(cè)再生混凝土本構(gòu)曲線，分別來(lái)自歐洲規(guī)范［15］、肖建莊等［16］研究和中國(guó)規(guī)范［17］。利用上述模型計(jì)算10-5s-1應(yīng)變率下海水海砂再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，與相同應(yīng)變率下試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖11～12所示。

由模型預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)曲線的對(duì)比可知，對(duì)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段，3種模型的預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。對(duì)于下降段，不同模型的預(yù)測(cè)效果不同。對(duì)于M-SSRAC，由圖11可知，中國(guó)規(guī)范模型［17］與試驗(yàn)曲線更為吻合。對(duì)于H-SSRAC，當(dāng)再生粗骨料取代率為零時(shí)（H-SSNAC），圖12a顯示中國(guó)規(guī)范模型［17］與試驗(yàn)曲線更為吻合；肖建莊等模型［16］的預(yù)測(cè)曲線與H-SSRAC50和H-SSRAC100的試驗(yàn)曲線更為吻合，如圖12 b和c所示。

4.2 動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)參考現(xiàn)有文獻(xiàn)［18］，暫不考慮峰值應(yīng)變的變化［18］，在式（1）和（2）確定動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力σd，cp和動(dòng)態(tài)彈性模量Ed，c后，代入準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變模型用來(lái)描述海水海砂再生混凝土的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。

選取中國(guó)規(guī)范模型［17］描述海水海砂再生混凝土的動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系，確定動(dòng)態(tài)應(yīng)變率下的峰值應(yīng)力和彈性模量后，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到下降段系數(shù)。下降段修正系數(shù)如表4所示。將修正后的下降段系數(shù)代入中國(guó)規(guī)范模型［17］，預(yù)測(cè)曲線和試驗(yàn)測(cè)試曲線對(duì)比如圖13～14所示。

圖13 M-SSNAC、M-SSRAC修正模型預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison between predicted curves from modified model and tested results for M-SSNAC and MSSRAC

圖14 H-SSNAC、H-SSRAC模型預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比Fig.14 Comparison between predicted curves from modified model and tested results for H-SSNAC and HSSRAC

表4 下降段修正系數(shù)（應(yīng)變率=10-2 s-1）Tab.4 Modified factor of descending branch（stain rate=10-2 s-1）

在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變模型的基礎(chǔ)上，考慮特征指標(biāo)的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子后，通過(guò)修正模型下降段形狀系數(shù)，可以很好地描述海水海砂再生混凝土在10-2s-1應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。

5 結(jié)論

（1）海水海砂再生混凝土的峰值應(yīng)力和彈性模量整體上隨著應(yīng)變率的增大而提高。再生粗骨料取代率對(duì)不同組的海水海砂再生混凝土峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變影響不同，但彈性模量隨著再生粗骨料取代率提高顯著降低。

（2）隨著再生粗骨料取代率的增加，M-SSRAC和H-SSRAC的Dσ呈先降低后增加的趨勢(shì)；MSSRAC和H-SSRAC的Dε變化一致，呈先降低后增加趨勢(shì)；M-SSRAC的DE隨再生粗骨料取代率增加呈下降趨勢(shì)，而H-SSRAC的DE隨再生粗骨料取代率增加基本不變。

（3）隨著再生粗骨料取代率的增加，RAC孔隙率顯著增加，而海水海砂的加入會(huì)降低孔隙率，貝殼含量的增加也可以降低再生混凝土的孔隙率。

（4）現(xiàn)有3種本構(gòu)模型的預(yù)測(cè)曲線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。考慮峰值應(yīng)力和彈性模量的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子后，在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)修正模型下降段形狀系數(shù)，得到了海水海砂再生混凝土的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變預(yù)測(cè)曲線。