姜 銳，張紹松，陳宇良*,，黃芳瑋，徐鴻飛

（1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.柳州東方工程橡膠制品有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

再生混凝土具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境等顯著優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際工程中，為了縮短工期、降低成本往往會(huì)導(dǎo)致混凝土尚未完全硬化就承擔(dān)剪力，對(duì)工程安全造成不利影響。因此，研究早齡期再生混凝土的破壞機(jī)理和力學(xué)性能對(duì)再生混凝土的推廣與應(yīng)用十分重要。

目前，國內(nèi)外已有較多學(xué)者對(duì)早齡期再生混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行了研究。羅素蓉等通過對(duì)早齡期再生混凝土進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究了取代率和礦物摻料對(duì)其徐變性能的影響，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的拉伸徐變性能早期發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢，并建立了適用于再生混凝土的早齡期拉伸徐變度預(yù)測(cè)模型。Revilla-Cuesta等研究了取代率對(duì)高性能混凝土收縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)再生粗骨料的加入能提高其收縮率，并通過修正系數(shù)的方法修正了再生混凝土的早齡期收縮率預(yù)測(cè)模型。Shaikh研究硅粉對(duì)礦渣再生混凝土的早期力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)50%礦渣的加入能顯著降低取代率為50%的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量。張玉棟等研究了再生混凝土早齡期受力對(duì)力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)早齡期受壓剪力低于自身強(qiáng)度的40%時(shí)，由于存在水化作用，再生混凝土自身具有一定的自修復(fù)能力。Ahmed等研究了再生骨料和再生砂對(duì)早齡期再生混凝土塑性收縮率和開裂敏感性的影響，發(fā)現(xiàn)取代率越高對(duì)其早期性能影響越大，并提出了早齡期彈性模量的預(yù)測(cè)模型。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在早齡期再生混凝土方面的研究取得了較多成果，但主要集中在拉伸徐變、壓縮性能以及開裂和修復(fù)性能方面，而在早齡期再生混凝土直剪強(qiáng)度方面卻鮮有研究。為此，本文開展了早齡期再生混凝土的直剪強(qiáng)度研究，以再生粗骨料取代率和養(yǎng)護(hù)齡期為變化參數(shù)，探究再生混凝土在直剪作用下的破壞機(jī)理和力學(xué)性能，以期為完善再生混凝土在早齡期方面的理論研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

粗骨料采用連續(xù)級(jí)配，粒徑為5～20 mm，其中天然粗骨料（NA）采用普通碎石，再生粗骨料（RA）來自于試驗(yàn)后的混凝土塊體，其外觀形貌及物理性能分別見圖1 和表1；試驗(yàn)采用普通河砂（S），粗細(xì)程度為中砂，細(xì)度模數(shù)2.38，表觀密度為2 580 kg/m；水泥采用42.5R 魚峰牌水泥（C）；拌和用水（W）采用城市自來水。

圖1 粗骨料

表1 粗骨料物理性能

1.2 混凝土配合比

天然混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C30，水膠比為0.55。由于再生粗骨料較天然粗骨料的吸水率更大，為保持水膠比不變，進(jìn)行再生混凝土澆筑時(shí)添加附加用水（AW），以再生粗骨料取代率（）100%的配合比為基準(zhǔn)，附加用水量為47.1 kg/m，其他取代率情況按比例添加，詳細(xì)配合比見表2。

表2 混凝土配合比

1.3 試件設(shè)計(jì)及制作

以再生粗骨料取代率（）、養(yǎng)護(hù)齡期（）為變化參數(shù)，取代率取0、50%、100%，養(yǎng)護(hù)齡期取3 d、7 d、28 d，設(shè)計(jì)并制作了9組（27個(gè)）標(biāo)準(zhǔn)立方體試件進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試件編號(hào)RAC--中，“RAC”表示再生混凝土，“”表示取代率，“”表示養(yǎng)護(hù)齡期。采用塑料模具澆筑成型，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)30 s，養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，自然養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期。

1.4 加載裝置及加載原理

使用RMT-301多功能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行直剪試驗(yàn)，水平量程為0～500 kN，加載裝置如圖2（a）所示。試件安裝方式為先固定下剪切盒，然后裝試件，最后裝上剪切盒，上剪切盒質(zhì)量不超過40 kg，通過壓-剪計(jì)算公式計(jì)算得出，對(duì)剪切力的影響小于0.005 MPa，僅為試件最小抗剪強(qiáng)度的1/300，因此可忽略不計(jì)。試驗(yàn)采用位控勻速加載，速率為0.02 mm/s，時(shí)間與位移相對(duì)應(yīng)，加載至剪力趨于穩(wěn)定（剪力變化不超過2%）時(shí)停止試驗(yàn)。加載原理為：上剪切盒固定試件上部，下剪切盒固定試件下部，通過施加水平荷載，使試件發(fā)生剪切破壞。加載力學(xué)模型示意圖如圖2（b）所示。

圖2 加載裝置及力學(xué)模型示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 直剪破壞形態(tài)

圖3 為試件剪切面破壞形態(tài)。由圖3 可知，當(dāng)=3 d 時(shí)，試件主要為骨料-砂漿的黏結(jié)破壞；當(dāng)=7 d 和=28 d 時(shí)，試件的破壞形態(tài)主要為骨料-砂漿的黏結(jié)破壞以及骨料的剪斷破壞。這是因?yàn)榛炷恋膹?qiáng)度由粗骨料強(qiáng)度、水泥基體強(qiáng)度、水泥基體和粗骨料之間的黏結(jié)界面強(qiáng)度共同決定，養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)程度較低，導(dǎo)致水泥基體與骨料之間的黏結(jié)界面強(qiáng)度低于粗骨料，成為混凝土內(nèi)部的薄弱界面，故混凝土破壞主要以黏結(jié)界面破壞為主。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)程度加大，增大了水泥基體和骨料的黏結(jié)界面強(qiáng)度，表現(xiàn)為混凝土破壞時(shí)存在黏結(jié)界面破壞以及粗骨料被剪斷。當(dāng)=7 d和=28 d時(shí)，隨著取代率的增大，剪切破壞面上粗骨料被剪斷的數(shù)量逐漸增加。這是因?yàn)樵偕止橇蟽?nèi)部存在微裂紋，表面附著有水泥砂漿，強(qiáng)度較天然粗骨料低。

圖3 試件剪切面破壞形態(tài)

2.2 剪力-剪切位移曲線

圖4 為早齡期再生混凝土的剪力-剪切位移全曲線圖。由圖4可知，再生混凝土直剪破壞共存在彈性、彈塑性、破壞、殘余剪力等4個(gè)階段。在試件加載前期，剪力與位移呈線性關(guān)系，剪切面上孔隙被壓縮，試件產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性變形，處于彈性階段；隨著位移繼續(xù)增大，剪力隨位移呈非線性增長，剪力-剪切位移曲線斜率減小，試件內(nèi)部開始產(chǎn)生裂縫并逐漸發(fā)展延伸，此階段由水泥基體的黏結(jié)力抵抗外部剪力，試件處于彈塑性階段；剪力-剪切位移曲線峰值過后，試件內(nèi)部裂縫逐漸發(fā)展成宏觀裂縫并貫穿整個(gè)剪切面，試件被剪切為兩部分，此階段由水泥基體的黏結(jié)力和骨料咬合力共同承擔(dān)外部剪力，試件處于破壞階段；隨著剪切位移持續(xù)增大，剪力逐漸下降最后趨于穩(wěn)定，此階段由骨料咬合力和摩擦力共同承擔(dān)外部剪力，試件處于殘余剪力階段。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，剪力-剪切位移曲線的峰值剪力、初始剪切模量逐漸增大，這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí)，試件的水化程度較低，水泥基體的強(qiáng)度相對(duì)較低，故峰值剪力和初始剪切模量均較小。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間變長時(shí)，試件的水化程度逐漸加深，水泥基體的強(qiáng)度增大，此時(shí)峰值剪力和初始剪切模量逐漸增大；峰值位移在取代率為0 時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變長逐漸減小，在取代率為50%和100%時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間變長整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，這是由于取代率為0 時(shí)，粗骨料吸水率較小，粗骨料附近的水分較多，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間變長，水化反應(yīng)逐漸加深，故其峰值位移逐漸減小，而再生粗骨料存在時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)試件的增加，再生粗骨料吸收的水分增加，骨料附近的水泥基體吸收的水分減少，水灰比隨之減小，從而峰值位移逐漸變大。

圖4 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）剪力-剪切位移曲線

圖4 （續(xù)）

2.3 直剪特征點(diǎn)參數(shù)

由試件的剪力-剪切位移曲線得到混凝土的峰值剪力（）、峰值位移（）、剪切模量（），采用式（1）對(duì)再生混凝土抗剪強(qiáng)度（）進(jìn)行換算，具體數(shù)值見表3。由表3 可知，不同養(yǎng)護(hù)齡期和取代率下的再生混凝土各項(xiàng)參數(shù)變化幅度不大，均表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

表3 特征點(diǎn)參數(shù)

式中：為峰值剪力，為剪切面面積。

2.4 影響因素分析

2.4.1 抗剪強(qiáng)度

1）取代率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

圖5為取代率與歸一化抗剪強(qiáng)度擬合線。由圖5 可知，當(dāng)≤7 d 時(shí)，逐漸增加時(shí)，抗剪強(qiáng)度也隨之變大。當(dāng)=3 d 時(shí)，相較于取代率為0 的試件，取代率為50%和100%的試件抗剪強(qiáng)度分別提高了6.15%、8.94%；當(dāng)=7 d 時(shí)，相較于取代率為0 的試件，取代率為50%和100%的試件抗剪強(qiáng)度分別提高了6.60%、14.62%。原因?yàn)椋涸偕止橇系奈蔬h(yuǎn)大于天然粗骨料，導(dǎo)致骨料四周界面連接區(qū)域水泥基體含水量減少，故其抗剪強(qiáng)度隨取代率的增大而增大。當(dāng)=28 d 時(shí)，隨著取代率的增大，再生混凝土的抗剪強(qiáng)度逐漸減小，與取代率為0 的再生混凝土試件的抗剪強(qiáng)度相比，50%和100%的減小幅度分別為7.47%、8.33%。綜上所述，養(yǎng)護(hù)齡期不同，再生混凝土的抗剪強(qiáng)度隨取代率的增大呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，原因是混凝土抗剪強(qiáng)度主要由骨料強(qiáng)度、水泥基體強(qiáng)度、骨料與水泥基體的黏結(jié)界面強(qiáng)度組成，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，水泥的水化反應(yīng)程度較低，混凝土的強(qiáng)度主要由骨料與水泥基體的黏結(jié)界面強(qiáng)度決定。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí)，水泥基體的水化反應(yīng)基本完成，混凝土的強(qiáng)度主要由骨料強(qiáng)度和黏結(jié)界面強(qiáng)度共同決定。齡期和取代率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律如式（2）—式（4）所示。

圖5 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）取代率與歸一化抗剪強(qiáng)度擬合線

式中：為不同取代率下齡期為3 d時(shí)的抗剪強(qiáng)度；為=0，齡期為3 d 時(shí)的抗剪強(qiáng)度；為不同取代率下齡期為7 d 時(shí)的抗剪強(qiáng)度；為不同取代率下齡期為28 d 時(shí)的抗剪強(qiáng)度；其中，單位為MPa。

2）齡期對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

圖6 為歸一化的抗剪強(qiáng)度隨齡期的變化而變化的曲線擬合圖。由圖6 可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，抗剪強(qiáng)度逐漸增大，前期增大幅度較大，后期增大幅度較小，相較于=3 d 的抗剪強(qiáng)度，=7 d、28 d的抗剪強(qiáng)度提高幅度分別為20.70%和75.40%，抗剪強(qiáng)度隨齡期變化情況的擬合公式如式（5）所示。

圖6 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）齡期與歸一化抗剪強(qiáng)度擬合曲線

3）取代率和齡期對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)式（7）和式（8）繪制出取代率和齡期對(duì)再生混凝土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律圖，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，計(jì)算值與試驗(yàn)值基本重合，說明式（7）與式（8）可用于表示在取代率和養(yǎng)護(hù)齡期的影響下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。

圖7 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）歸一化抗剪強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

2.4.2 直剪峰值位移

圖8為不同影響因素下再生混凝土的直剪峰值位移圖。由圖8可見，當(dāng)=0時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土的峰值位移逐漸減小，相較于=3 d的試件，=7 d、28 d 的試件峰值位移分別降低了25.00%、34.38%，這是由于養(yǎng)護(hù)齡期較長時(shí)，水泥基的水化反應(yīng)加深，從而導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度增大，脆性增加，故峰值位移逐漸減小。當(dāng)=50%、100%時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，再生混凝土的峰值位移逐漸增加。當(dāng)=50%時(shí)，相較于=3 d 的試件，=7 d、28 d 的試件峰值位移分別提高了21.33%、25.33%；當(dāng)=100%時(shí)，相較于=3 d的試件，=7 d、28 d 的試件峰值位移分別提高了20.83%、59.72%。這是由于再生粗骨料吸水率較大，再生粗骨料取代率增加時(shí)，再生粗骨料附近的水泥基中的水分被再生粗骨料吸收，導(dǎo)致水灰比減小，從而再生混凝土的峰值位移隨之增大。

圖8 不同影響因素下再生混凝土的直剪峰值位移

2.4.3 初始剪切模量

圖9 為取代率和齡期對(duì)初始剪切模量的影響情況。由圖9 可知，當(dāng)=0 時(shí)，相較于=28 d的試件，=3 d、7 d的試件初始剪切模量分別減小了66.13%、41.94%；當(dāng)=50%時(shí)，相較于=28 d的試件，=3 d、7 d 的試件剪切模量分別減小了30.00%、28.57%；當(dāng)=100%時(shí)，相較于=28 d的試件，=3 d、7 d的試件初始剪切模量分別減小了45.49%、30.88%。原因?yàn)椋弘S著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)程度不斷增加，水泥基體的強(qiáng)度不斷增大，在剪力作用下齡期較長的混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展更快，初始剪切模量更大。

圖9 取代率和齡期對(duì)初始剪切模量的影響

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期不變時(shí)，隨著取代率的增大，再生混凝土的初始剪切模量表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)=3 d時(shí)，相較于取代率為0的試件，取代率為50%和100%的試件初始剪切模量分別提高了133.33%、76.19%；當(dāng)=7 d 時(shí)，相較于取代率為0 的試件，取代率為50%和100%的試件初始剪切模量分別提高了38.89%、30.56%；當(dāng)=28 d 時(shí)，相較于取代率為0 的試件，取代率為50%和100%的試件初始剪切模量分別提高了12.90%、9.68%。這是由于再生粗骨料中粒徑較小的骨料多于天然粗骨料，當(dāng)二者混合時(shí)，骨料粒徑間的協(xié)同作用更強(qiáng)，從而再生混凝土的初始剪切模量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

2.5 損傷演變分析

由上述剪力-剪切位移曲線分析可知，再生混凝土直剪破壞存在彈性、彈塑性、破壞、殘余剪力等4 個(gè)階段，不同階段試件損傷速度不同，為此，引入損傷變量表征再生混凝土直剪破壞過程中的損傷程度，損傷參數(shù)采用式（9）計(jì)算：

式中：為剪切模量，單位：GPa；為初始剪切模量，單位：GPa。

圖10 為不同齡期和不同取代率下的損傷演變曲線。由圖10（a）可知，齡期為3 d 時(shí)，取代率為50%的試件初始損傷出現(xiàn)最早，損傷發(fā)展速率最快；取代率為0的試件初始損傷出現(xiàn)最晚，損傷發(fā)展速率最慢；取代率為100%的試件初始損傷出現(xiàn)與損傷發(fā)展速率居于二者之間，原因?yàn)椋涸偕止橇衔蚀笥谔烊淮止橇系奈?，?dǎo)致再生粗骨料附近的局部水灰比減小，水泥基體強(qiáng)度增大，故試件剪切強(qiáng)度增大，脆性增大，初始損傷出現(xiàn)變?cè)纾瑩p傷速率變快。由圖10（b）、圖10（c）可知，齡期為7 d 和28 d 時(shí)，3 種取代率的試件初始損傷差幅較齡期為3 d 的小，但仍呈現(xiàn)出取代率較高的試件初始損傷出現(xiàn)更早，損傷發(fā)展速率更快的現(xiàn)象，原因?yàn)椋糊g期較大時(shí)，原來再生粗骨料吸收的水分被水泥基體吸收，水泥基體強(qiáng)度減小，再生粗骨料由于經(jīng)過二次破碎，內(nèi)部微裂紋比天然粗骨料多，骨料強(qiáng)度較小，故試件受剪破壞時(shí)，再生混凝土初始損傷出現(xiàn)更早，損傷發(fā)展速率更快。

圖10 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）不同齡期和不同取代率下的損傷曲線

3 結(jié)論

本文以齡期和再生粗骨料取代率為變化參數(shù)，研究了其在直剪作用下的破壞機(jī)理和力學(xué)性能，得出以下結(jié)論：

1）養(yǎng)護(hù)齡期≤7 d時(shí)，破壞形式為黏結(jié)破壞，隨著取代率的增加，抗剪強(qiáng)度逐漸增大，峰值位移逐漸減??；養(yǎng)護(hù)齡期＞7 d后，剪切面上部分骨料被剪斷，直剪強(qiáng)度逐漸降低，峰值位移逐漸減小，破壞形態(tài)表現(xiàn)為黏結(jié)破壞和骨料剪斷破壞2種破壞形式。

2）再生骨料與天然骨料混合時(shí)，再生混凝土內(nèi)部骨料級(jí)配更好。隨著取代率的增加，剪切模量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)；隨著齡期的增加，剪切模量隨取代率的增加變化幅度減小。