紀(jì)泳丞， 張弘銳， 杜任杰， 張小慶， 李 微

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，推動了全國城市化進(jìn)程，建筑業(yè)也隨之飛速發(fā)展。由于國內(nèi)城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，產(chǎn)生了大量的建筑垃圾，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，目前我國建筑垃圾總量占比已超過城市垃圾總量的40%[1]。產(chǎn)生的建筑垃圾隨意堆棄，不僅占用土地，還對環(huán)境造成了巨大的影響。因此，推廣以建筑垃圾為主要原材料的再生混凝土循環(huán)利用便顯得尤為重要。

國內(nèi)外的專家學(xué)者對再生混凝土的研究大致分為兩個方向，其一是以再生混凝土抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)等為主要研究方向的力學(xué)性能研究，其二是以再生混凝土抗凍性能等耐久性能指標(biāo)為主要研究方向的耐久性能研究。目前，大多數(shù)研究都是以再生骨料取代率為參數(shù)，通過改變再生骨料在混凝土配合比中的占比來測試其力學(xué)或耐久性能[2-4]，各試驗結(jié)果存在一定差異，但取代率的取值范圍主要集中在30%～50%；再者，考慮到再生骨料其本身物理特性的局限性，部分學(xué)者在研究再生混凝土性能時開始摻入一定量的纖維來提升其力學(xué)和耐久性能[5]，摻入纖維大多以鋼纖維和聚丙烯纖維為主。部分學(xué)者通過改變再生混凝土水灰比，骨料含水率，外加劑摻量或者通過對再生骨料改性處理的方式來研究再生混凝土的力學(xué)及耐久性能[6-7]。除以上所總結(jié)的關(guān)于再生混凝土的部分研究方向外，還有部分學(xué)者對再生混凝土的本構(gòu)模型，化學(xué)侵蝕等方面展開了研究，劉瑋輝[8]等發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行凍融循環(huán)試驗后再生混凝土的質(zhì)量損失率與強(qiáng)度損失率隨著細(xì)骨料含量的增長而增長，隨抗壓強(qiáng)度的增長而降低，且細(xì)骨料含量90%，磚骨料含量75%時具有較好的抗凍性；盛朝輝[9]等的試驗證明了可以通過摻入鋼纖維來改善再生骨料混凝土抗凍融的性能；白亞東[10]等發(fā)現(xiàn)可以通過加強(qiáng)再生混凝土的前期預(yù)養(yǎng)護(hù)，選擇合適的水灰比，選擇合適的礦物摻合料，添加高效外加劑如引氣劑、減水劑等，選擇半飽和面干的再生骨料等方法來加強(qiáng)混凝土抗凍融性能；Syed等[11]的研究表明，經(jīng)過處理后的再生骨料制成的再生混凝土的力學(xué)性能和耐久性能有了明顯的提高；Meng[12]等利用改進(jìn)的經(jīng)驗公式，提出了一種基于強(qiáng)度的再生骨料混凝土配合比設(shè)計方法，結(jié)果表明，再生粗骨料用量的增加會降低混凝土的抗凍融性能、干燥收縮性能、氯離子滲透性能和碳化性能； Zhu[13]等的研究表明，凍害對氯化物的滲透有明顯的促進(jìn)作用。盡管隨著F-T循環(huán)次數(shù)和替換率的增加，RAC的物理力學(xué)性能逐漸下降，但在F-T循環(huán)和氯離子侵蝕的復(fù)合環(huán)境下，RAC仍然可以達(dá)到至少50年的使用壽命。Zhang等[14]通過改變纖維的種類與含量對再生磚骨料混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)纖維對再生混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度有顯著影響。

上述研究大多集中在以廢棄混凝土作為再生骨料制備再生混凝土，進(jìn)而研究其力學(xué)性能和耐久性能；對以廢棄紅磚骨料為原材料的再生混凝土的研究相對較少。故本文以鋼纖維摻量，再生紅磚骨料取代率和凍融循環(huán)次數(shù)作為試驗變量，結(jié)合有限元軟件建立模型進(jìn)行擬合分析，研究在上述試驗變量影響下再生混凝土的抗壓強(qiáng)度變化以及凍融循環(huán)完成后試件的抗壓強(qiáng)度變化和質(zhì)量損失。探究磚骨料再生混凝土的凍融損傷和力學(xué)性能變化規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 試驗材料及再生混凝土配合比設(shè)計

粗骨料：試驗所用再生磚骨料為哈爾濱市香坊區(qū)某建筑拆遷工地內(nèi)經(jīng)隨機(jī)取樣后所得。經(jīng)過顎式破碎機(jī)破碎處理后的紅磚骨料如圖1所示。試驗前將粗骨料中10～20 mm粒徑和5～10 mm粒徑的骨料以質(zhì)量比3∶7進(jìn)行復(fù)配，使其滿足5～20 mm連續(xù)級配要求，粗骨料粒徑級配滿足JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]的要求。天然粗骨料（NA）性能滿足GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》[16]中的各項指標(biāo)要求。天然粗骨料（NA）、紅磚再生粗骨料（CCB）的主要性能指標(biāo)如表1所示，紅磚骨料的顆粒級配如表2所示。

表1 粗骨料性能指標(biāo)

表2 紅磚粗骨料顆粒級配

圖1 紅磚粗骨料

天然細(xì)骨料：本次試驗制備的混凝土試件所采用的天然細(xì)骨料是河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，符合JGJ52—2006《普通混凝土砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

水：選用哈爾濱市當(dāng)?shù)刈詠硭?，其各項指?biāo)符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》[17]的要求。

鋼纖維：端鉤型鋼纖維，長度32.0 mm±2.0 mm,寬度 2.6 mm±1.2 mm，抗拉強(qiáng)度≥700 MPa，密度7 850 kg/m3。詳情見圖2。

圖2 鋼纖維

水泥：水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[18]規(guī)范要求。

以鋼纖維摻量和紅磚粗骨料取代率為試驗變量，制備 15組 45個立方體試件（150 mm×150 mm×150 mm）用于測試立方體抗壓強(qiáng)度。具體配合比見表3。以再生骨料取代率以及凍融循環(huán)次數(shù)為試驗變量，制備15組60個圓柱體試件（底面直徑100 mm，高200 mm）用于測試其質(zhì)量損失和在凍融完成后的抗壓強(qiáng)度。具體配合比見表4。

表3 立方體試件配合比 kg/m3

表4 圓柱體試件配合比1)

上述混凝土試件均采用普通混凝土C40強(qiáng)度配合比作為基準(zhǔn)配合比，其中紅磚粗骨料取代率為0，50%，100%；鋼纖維體積摻量為 0，1%，2%；凍融循環(huán)次數(shù)為0次，50次，100次。

1.2 試驗器材與試驗方法

本試驗根據(jù)GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[19]所規(guī)定的方法進(jìn)行，采用強(qiáng)制攪拌機(jī)先將處理好的粗、細(xì)骨料干拌半分鐘，隨后加入水泥再次攪拌半分鐘，然后逐漸加入水進(jìn)行攪拌，最后分散地加入鋼纖維并攪拌均勻。攪拌完成后，將混凝土澆筑于試模內(nèi)并放置于機(jī)械振動臺上振搗，除去試件表面的浮漿并抹平。在試件澆筑后24～36 h內(nèi)拆模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。其中，立方體試件每組配合比制備三個試塊，養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行抗壓試驗，試驗參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[20]規(guī)范要求，在2 000 kN液壓試驗機(jī)上進(jìn)行，取平均值作為試驗值，如圖3所示?？焖賰鋈谘h(huán)試驗參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]。圓柱體試件養(yǎng)護(hù)完成后置于凍融循環(huán)箱中，凍融循環(huán)完成后置于壓力機(jī)上測試其抗壓強(qiáng)度。其中，圓柱體試件每組配合比制備四個試塊，取平均值作為試驗值，如圖4所示。

圖3 MTS壓力機(jī)

圖4 凍融循環(huán)箱

養(yǎng)護(hù)完成后將立方體試件及時從養(yǎng)護(hù)室取出，進(jìn)行立方體抗壓力學(xué)試驗，如圖5(a)所示，圓柱體試件在凍融循環(huán)完成后進(jìn)行抗壓試驗，如圖5(b)所示。

圖5 抗壓試驗

2 試驗結(jié)果及破壞形態(tài)分析

2.1 再生混凝土破壞形態(tài)及破壞機(jī)理分析

試驗結(jié)束時不同摻量的立方體試件的破壞形態(tài)如圖6所示，由圖可知，隨著紅磚取代率的增加，立方體試件的破壞形態(tài)逐漸不規(guī)則，隨著荷載的增加，試件的裂縫逐漸增多并開始向兩端擴(kuò)展，試件完全破壞時出現(xiàn)貫穿裂縫且外層混凝土塊剝落逐漸增多。通過觀測被壓碎的混凝土碎塊發(fā)現(xiàn)部分紅磚骨料出現(xiàn)了被壓壞的情況，紅磚骨料出現(xiàn)了貫穿裂縫，結(jié)合紅磚骨料本身壓碎指標(biāo)低，孔隙率高的特性，因此存在裂縫穿過骨料造成骨料被劈裂破壞的情況，導(dǎo)致了試件強(qiáng)度的進(jìn)一步降低。隨著鋼纖維的摻入，混凝土試件破壞時的形態(tài)逐漸規(guī)整，且隨著鋼纖維摻量的增加，試件破壞時沒有發(fā)生大面積的混凝土塊剝落。

圖6 立方體試件破壞形態(tài)

如圖7所示，通過對比不同紅磚骨料摻量和不同凍融循環(huán)次數(shù)下的圓柱體試件，可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加混凝土試件的外表面砂漿的脫落愈發(fā)嚴(yán)重，且當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到100次時，混凝土外表面的粗骨料已基本完全暴露，且試件形狀已開始變得不規(guī)整。通過橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，隨著紅磚粗骨料取代率的增加，混凝土試件外表面的砂漿層脫落得越明顯，當(dāng)再生骨料取代率達(dá)到100%時，混凝土試件的外表面粗骨料幾乎已完全暴露。

圖7 圓柱體試件凍融破壞形態(tài)

2.2 立方體試件試驗數(shù)據(jù)分析

立方體試件受壓后的試驗數(shù)據(jù)如圖8所示，從曲線圖可以看出，隨著再生骨料取代率的增加，不同鋼纖維摻量的混凝土試件的立方體抗壓強(qiáng)度均有所降低，其中以纖維含量為1%的試件抗壓強(qiáng)度下降幅度最大，降幅為50.3%，與此同時可以說明，當(dāng)鋼纖維摻量為1%時，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度提高最為明顯，可以得出在此配合比，鋼纖維和再生混凝土骨料間銜接較為良好，顯著提高了試件的抗壓強(qiáng)度。另一方面，當(dāng)再生骨料取代率接近100%時，三組試件的強(qiáng)度趨于相同，此時鋼纖維強(qiáng)度對試件強(qiáng)度的影響并不明顯。

圖8 立方體抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

2.3 圓柱體試件試驗數(shù)據(jù)分析

圓柱體試件凍融循環(huán)完成后的質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表5所示，圓柱體試件質(zhì)量測試和其質(zhì)量損失率如圖9和圖10所示，由圖中數(shù)據(jù)可知，隨著試件凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同取代率下的試件的質(zhì)量損失均有所提高，且通過相同凍融次數(shù)下的試件橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，隨著再生骨料取代率的提高，試件的質(zhì)量損失愈發(fā)明顯。這正好與試件凍融循環(huán)后的外觀形態(tài)相互印證。

圖9 圓柱體試件質(zhì)量測試

圖10 圓柱體試件質(zhì)量損失率

表5 圓柱體試件試驗數(shù)據(jù)

圓柱體試件凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)如圖11所示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)和再生骨料取代率的增加，各種摻量下的試件強(qiáng)度均有所下降，且當(dāng)凍融次數(shù)低于50次，各組試件抗壓強(qiáng)度的降幅高于凍融次數(shù)大于50次時的降幅，說明隨著凍融次數(shù)的逐漸增高，試件外表面的砂漿層已幾乎全部脫落，試件內(nèi)部骨料的吸水率已趨于飽和，故此時凍融次數(shù)對強(qiáng)度的影響幅度減小。

圖11 圓柱體試件抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)

3 有限元模型模擬分析

3.1 有限元軟件介紹

Abaqus是一款以有限元分析方法為基礎(chǔ)的工程模擬軟件，能夠被用來求解大量的工程實際問題，其適用范圍由簡單的線性問題到復(fù)雜的非線性問題。利用Abaqus進(jìn)行有限元分析主要分為以下三個步驟：首先根據(jù)實際工況進(jìn)行模型的建立，定義好相應(yīng)的截面參數(shù)和材料屬性，并設(shè)置好相應(yīng)的邊界條件從而按要求進(jìn)行網(wǎng)格的劃分；接著對所定義好的數(shù)值模型進(jìn)行分析和計算；最后，當(dāng)所定義的模型分析完成后，使用 Abaqus/CAE中的Visualization模塊對模型進(jìn)行后處理，主要用它來讀入分析結(jié)果數(shù)據(jù)，并且還可以將分析結(jié)果以多種方式顯示出來，例如用戶可畫出彩色云紋圖、變形圖、X-Y曲線圖等等；通過對這些分析結(jié)果的分析，能夠更有效地對結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性進(jìn)行評估，并作相應(yīng)的優(yōu)化或改進(jìn)。

3.2 隨機(jī)纖維模型與隨機(jī)骨料模型

使用Python編寫的隨機(jī)纖維腳本代碼如圖12(a)所示。圖中通過定義混凝土長、寬、高和纖維尺寸換算出纖維摻量，得到相互之間的換算式。最后通過區(qū)域限定函數(shù)和隨機(jī)函數(shù)定義纖維產(chǎn)生的范圍和數(shù)量，以此達(dá)到隨機(jī)纖維的效果。用Python編寫三維隨機(jī)骨料程序(圖12(b))，通過建立的隨機(jī)骨料模型可以在三維層次上對混凝土材料進(jìn)行模擬分析[22]，編寫算法生成隨機(jī)骨料模型之后，通過有限元軟件對混凝土內(nèi)部不同組分的材料定義相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，施加荷載就可以模擬構(gòu)件受力破壞。

圖12 材料模型

3.3 材料本構(gòu)關(guān)系及單元類型

Abaqus有限元分析軟件中提供了三種用于描述混凝土材料性能的力學(xué)模型：脆性開裂模型，彌散開裂模型和混凝土塑性損傷模型（CDP）。其中混凝土塑性損傷模型能較為準(zhǔn)確地描述混凝土整個受力過程，故本文采用CDP模型。

試件底部約束三個方向的位移，試件頂部約束平面外位移，軸向采用位移加載。試件的邊界條件設(shè)置如下，在模型的固定端，通過設(shè)置三個方向的位移約束，并釋放轉(zhuǎn)動約束；在加載端釋放轉(zhuǎn)動約束以及x和z方向的位移約束，并在y方向施加位移荷載，以此實現(xiàn)試驗中的加載特性。

溫度場的模擬中，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為2.141 W/(m·K)，比熱容為 1.25×103 J/(kg·K)。有限元模型如圖13所示。

圖13 進(jìn)行網(wǎng)格劃分后混凝土模型

立方體試件與圓柱頭試件模型受力后的云圖如圖14和圖15所示，圖14（b）中的點狀物代表鋼纖維。通過將試驗數(shù)據(jù)與有限元模型擬合分析，在有限元模型的抗壓模擬中，得到抗壓強(qiáng)度的模擬數(shù)據(jù)。

圖14 立方體受力模型

圖15 圓柱體受力模型

3.4 有限元模型數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)擬合分析

通過將試驗數(shù)據(jù)與有限元模型擬合分析，如表6，表7所示，在仿真試件模型的抗壓模擬中，試件模型在受壓后所計算出的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)相差在10%以內(nèi)，所得到的抗壓強(qiáng)度與實際試驗中所得到的試件的抗壓強(qiáng)度基本吻合，與試驗時情況相符，證明試驗結(jié)論的正確

表6 圓柱體抗壓強(qiáng)度擬合數(shù)據(jù)

表7 立方體抗壓強(qiáng)度擬合數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

通過進(jìn)行上述試驗并與有限元模型分析，可以得出以下結(jié)論：

1）紅磚粗骨料壓碎指標(biāo)高，吸水率高，其本身物理力學(xué)性能較天然粗骨料低，再生骨料混凝土在加入鋼纖維后可以顯著提高其力學(xué)性能，鋼纖維摻量為1%時，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度提高最為明顯，當(dāng)再生骨料取代率接近100%時，各配比下的試件強(qiáng)度趨于相同，此時鋼纖維強(qiáng)度對試件強(qiáng)度的影響并不明顯。

2）隨著磚骨料再生混凝土試件凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同取代率下的試件的質(zhì)量損失均有所提高，且通過與相同凍融次數(shù)下的不同再生粗骨料取代率試件橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)，隨著再生骨料取代率的提高，試件的質(zhì)量損失愈發(fā)明顯。

3）隨著凍融循環(huán)次數(shù)和再生骨料取代率的增加，各種摻量下的試件強(qiáng)度均有所下降，且當(dāng)凍融次數(shù)低于50次，各組試件抗壓強(qiáng)度的降幅高于凍融次數(shù)大于50次時的降幅，說明隨著凍融次數(shù)的逐漸增高，試件外表面的砂漿層已幾乎全部脫落，試件內(nèi)部骨料的吸水率已趨于飽和，故此時凍融次數(shù)對強(qiáng)度的影響幅度減小。