納米改性對(duì)再生混凝土雙K斷裂參數(shù)的影響

羅素蓉，白俊杰

（1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州　350116；2.福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心，福建 福州　350108）

1　研究背景

再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）指的是將廢棄的混凝土進(jìn)行裂解、破碎、清洗、篩分、分級(jí)后按照一定的比例混合制作成的再生混凝土骨料，用該再生骨料部分或者全部取代天然骨料而拌制成的混凝土［1-2］。由于再生骨料強(qiáng)度并不因普通混凝土的破壞而受到很大影響，因此廢棄混凝土制成的骨料存在再利用的可能［3］。國(guó)內(nèi)外對(duì)再生混凝土的利用已經(jīng)制定有法律法規(guī)以規(guī)范和促進(jìn)再生骨料的研究和利用，日本在1991年制定了《資源重新利用促進(jìn)法》，強(qiáng)制規(guī)定了建筑廢棄物必須送往“再生資源化設(shè)施”進(jìn)行處理；美國(guó)制定《超級(jí)基金法》，明確規(guī)定生產(chǎn)廢棄物的企業(yè)需將廢棄物進(jìn)行妥善處理［4-6］；在我國(guó)，2007年同濟(jì)大學(xué)制定了上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《再生混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［7］，為再生混凝土技術(shù)的推廣和應(yīng)用起到了明確的指導(dǎo)作用；2011年住建部批準(zhǔn)并頒布實(shí)施了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《再生骨料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》［8］。目前開(kāi)展的研究工作已經(jīng)證明了將廢棄混凝土作為新混凝土的一個(gè)組成部分對(duì)性能是具有有效保證的［9］，肖建莊等［2］提出再生混凝土可應(yīng)用于土木工程的非承重構(gòu)件和某些承重結(jié)構(gòu)中。在水利工程中，混凝土用量較大，如能將廢混凝土通過(guò)一系列加工工藝制成再生骨料后用于混凝土的澆筑，使它成為循環(huán)可利用再生資源，既能減輕廢混凝土對(duì)環(huán)境的污染，又能減小大量開(kāi)采天然骨料對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。但再生骨料和天然骨料相比較，其表層包裹或附著一定數(shù)量的舊水泥砂漿結(jié)構(gòu)疏松，使得再生骨料的堆積密度和表觀密度較天然骨料低。且老砂漿中的水泥石本身空隙率較高，吸水率較大，在破碎的過(guò)程中，大量的微裂縫在其內(nèi)部形成，性能上會(huì)受到影響［10-11］。

納米SiO2因其優(yōu)秀的性能特點(diǎn)，作為改善混凝土性能的改性材料獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。納米SiO2會(huì)與水泥中的Ca（OH）2生成C-S-H凝膠，且納米SiO2在水泥復(fù)合結(jié)構(gòu)中起到一個(gè)晶核的作用，使C-S-H凝膠在其表面鍵合，改變了結(jié)構(gòu)形式，在水泥硬化漿體原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了鍵合大量納米級(jí)的C-S-H凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性、強(qiáng)度和韌性得到了提高。此外，納米SiO2的摻入能夠阻止混凝土內(nèi)部裂縫的開(kāi)展，提高混凝土的斷裂韌度［12-13］。但納米SiO2因其高活性而容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象［14］而導(dǎo)致水泥漿稠度急劇增大，不能發(fā)揮納米SiO2的填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)［15］。

徐世烺等［16-17］提出的用雙K斷裂參數(shù)來(lái)表征混凝土斷裂性能的方式已經(jīng)為學(xué)界所認(rèn)可，目前已有許多學(xué)者對(duì)混凝土的斷裂性能進(jìn)行了研究。張廷毅等［18］研究了水灰比、相對(duì)切口深度、粗骨料最大粒徑等因素對(duì)混凝土斷裂韌度的影響。張秀芳等［19］將雙K斷裂計(jì)算理論由擬靜態(tài)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)斷裂韌度，研究了應(yīng)變率對(duì)混凝土雙K斷裂韌度的影響。近年來(lái)，也有學(xué)者為了增強(qiáng)混凝土的斷裂性能從材料層面對(duì)混凝土斷裂性能進(jìn)行研究，羅素蓉等［20］研究了自密實(shí)混凝土在摻入橡膠后的斷裂性能，王利民等［21］通過(guò)試驗(yàn)研究了鋼纖維混凝土的斷裂過(guò)程。

本文通過(guò)三點(diǎn)彎曲梁法對(duì)再生骨料取代率和納米SiO2摻量不同的再生混凝土進(jìn)行斷裂試驗(yàn)，得到再生混凝土的雙K斷裂參數(shù)，以及再生骨料取代率和納米SiO2摻量對(duì)再生混凝土斷裂性能的影響規(guī)律，為在實(shí)際工程中應(yīng)用再生混凝土提供理論基礎(chǔ)。

2　試驗(yàn)概況

2.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥；再生骨料來(lái)源為某路面廢棄混凝土（破碎前對(duì)基體混凝土鉆芯取樣測(cè)得抗壓強(qiáng)度20 MPa，基體混凝土使用年限11年），經(jīng)破碎、清洗、篩分形成粒徑范圍為5～20 mm連續(xù)級(jí)配的骨料；天然骨料為粒徑5～20 mm的連續(xù)級(jí)配花崗巖碎石，砂為閩江河砂（細(xì)度模數(shù)為2.12）；水為自來(lái)水；減水劑為聚羧酸系高效減水劑。納米SiO2采用nm-SiO2分散液（SiO2含量15%）。

2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用固定水膠比和砂率進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，膠凝材料總量450 kg/m3，砂率0.38，水膠比0.40?？紤]再生骨料取代率和納米SiO2摻量為影響因素，設(shè)計(jì)了12組試驗(yàn)：（1）基準(zhǔn)組。由天然骨料澆筑的混凝土，編號(hào)為NC。（2）取代率變化組。取代率為50%、70%、100%，編號(hào)為RC50、RC70、RC100。（3）再生骨料取代率50%下?lián)郊蛹{米SiO2組。摻量為0.5%、1.0%、1.5%，編號(hào)為RC50-NS0.5、RC50-NS1.0、RC50-NS1.5。（4）再生骨料取代率100%下?lián)郊蛹{米SiO2組。摻量為0.5%、0.8%、1.0%、1.2%、1.5%，編號(hào)為RC100-NS0.5、RC100-NS0.8、RC100-NS1.0、RC100-NS1.2、RC100-NS1.5。

表1　混凝土配合比及力學(xué)性能參數(shù)

混凝土配合比設(shè)計(jì)、立方體28 d抗壓強(qiáng)度（150 mm×150 mm×150 mm）試驗(yàn)值見(jiàn)表1，表中彈性模量值是通過(guò)對(duì)三點(diǎn)彎曲梁法求得的P-CMOD曲線(xiàn)上升段進(jìn)行線(xiàn)性擬合后，得到上升段斜率倒數(shù)ci，進(jìn)而求得彈性模量E［22］。

由表1可見(jiàn)，再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料取代率的增加而降低，降低的幅度在1.4%～19.0%之間，彈性模量整體隨取代率的增加而減??；適量的納米SiO2摻量使再生混凝土的抗壓強(qiáng)度提高，但提高的幅度不大，其中，再生骨料取代率50%、100%時(shí)，納米SiO2摻量為1.0%時(shí)抗壓強(qiáng)度較未摻加納米SiO2的再生混凝土分別提高5.4%和9.8%，當(dāng)納米SiO2摻量超過(guò)1.0%時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度反而降低，且納米SiO2摻量越多，抗壓強(qiáng)度下降程度越快。這是由于納米SiO2極易團(tuán)聚，摻量較大時(shí)團(tuán)聚處會(huì)成為試件受力的薄弱環(huán)節(jié)，使混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。

2.3三點(diǎn)彎曲梁法試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲梁法測(cè)定混凝土的雙K斷裂參數(shù)，制作了12組共60根三點(diǎn)彎曲梁試件。試件尺寸為750 mm×150 mm×75 mm（長(zhǎng)×高×厚），跨高比為4，跨度S600 mm，縫高比0.3，縫高45 mm。試件尺寸如圖1所示。本文試驗(yàn)采用MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)（250kN）進(jìn)行斷裂試驗(yàn)，通過(guò)位移控制加載速率，加載速率為0.0005 mm/s，利用量程為1～3 mm的夾式引伸計(jì)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中試件裂縫張口位移進(jìn)行測(cè)量，從而得到荷載-裂縫張口位移（P-CMOD）曲線(xiàn)。

2.4雙K斷裂參數(shù)計(jì)算徐世烺等［16-17］將Hillerborg等［23］虛擬裂縫模型和Jenq等［24］的彈性等效方法進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)大量的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析后提出了雙K斷裂模型，其采用起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度作為控制的參數(shù)。

其中

式中：Fini為起裂荷載，kN；m為試件支座間的質(zhì)量，kg，用試件總質(zhì)量按S/L比折算，S、L分別為試件兩支座間的跨度和試件長(zhǎng)度，m；a0為初始裂縫長(zhǎng)度，m；t、h分別為試件的厚度和高度，m。

失穩(wěn)斷裂韌度KIcun按下式計(jì)算［22］：

其中

其中，ac為有效裂縫長(zhǎng)度，m，按下式計(jì)算：

式中：h0為固定夾式引伸計(jì)刀口的鋼片厚度，m；Vc為裂縫張開(kāi)位移臨界值，μm；E為計(jì)算彈性模量，GPa，按下式計(jì)算：

式中：ci為初始柔度，ci=(CMOD)i/Pi，對(duì)P-CMOD曲線(xiàn)上升段進(jìn)行線(xiàn)性擬合，得到上升段的斜率，即可得出初始柔度ci。

2.5起裂荷載的測(cè)定本文通過(guò)電測(cè)法［25］進(jìn)行混凝土起裂荷載的測(cè)定。采用標(biāo)距10 mm、間距20 mm的應(yīng)變片進(jìn)行試驗(yàn)。在裂縫尖端兩側(cè)各10 mm對(duì)稱(chēng)布置兩枚標(biāo)距為10 mm的應(yīng)變片并與兩枚補(bǔ)償應(yīng)變片組成全橋來(lái)測(cè)量起裂荷載。除裂縫尖端兩側(cè)外，在其他高度對(duì)稱(chēng)布置4組全橋應(yīng)變片用來(lái)監(jiān)測(cè)裂縫擴(kuò)展的過(guò)程，通過(guò)32通道IMC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)。電阻應(yīng)變片布置［26］如圖2所示。

圖2　電阻應(yīng)變片布置

混凝土起裂之前，在裂縫尖端兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)變，且伴隨著荷載增加而增大。當(dāng)預(yù)制裂縫尖端處的拉應(yīng)變達(dá)到極限時(shí)，混凝土因?yàn)閼?yīng)力集中現(xiàn)象而發(fā)生斷裂，此時(shí)拉應(yīng)變不再變化而荷載持續(xù)增大；混凝土發(fā)生斷裂后，預(yù)制裂縫尖端兩側(cè)的變形發(fā)生釋放表現(xiàn)為應(yīng)變值的回縮［28］。各試驗(yàn)組每組有5根三點(diǎn)彎曲梁試件，電測(cè)法測(cè)得的部分試驗(yàn)組P-ε曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，各組起裂荷載試驗(yàn)值見(jiàn)表2。

圖3　部分試件的P-ε曲線(xiàn)

由表2可見(jiàn)，再生混凝土起裂荷載整體隨著再生骨料取代率的增加而降低，再生骨料取代率為50%、70%和100%時(shí)，起裂荷載較普通混凝土NC分別降低了29.6%、54.2%和42.3%；納米SiO2的摻入提高了再生混凝土的起裂荷載，其中，再生骨料取代率50%和100%、納米SiO2摻量為1.0%時(shí)，起裂荷載較未摻納米SiO2的再生混凝土分別提高了39.9%、27.3%，但納米SiO2摻量超過(guò)1%后起裂荷載有所降低。因此，適量的納米SiO2對(duì)起裂荷載有提升的作用，但過(guò)多的納米SiO2摻量對(duì)混凝土的起裂荷載的改善作用不明顯甚至降低。

表2　起裂荷載和最大荷載試驗(yàn)結(jié)果

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果采用三點(diǎn)彎曲梁法進(jìn)行斷裂試驗(yàn)得到P-CMOD曲線(xiàn)，每個(gè)試驗(yàn)組5根試件，限于篇幅，圖4僅列出部分試驗(yàn)組試件的P-CMOD曲線(xiàn)。

圖4　部分試件的P-CMOD曲線(xiàn)

12組試驗(yàn)組28 d雙K斷裂參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，各試驗(yàn)組計(jì)算得到的變異系數(shù)較小，在0.0106～0.1017之間，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果的離散性較小，可信度較高。

表3　三點(diǎn)彎曲試件試驗(yàn)結(jié)果?。▎挝唬篗Pa·m1/2）

3.2再生骨料取代率對(duì)雙K斷裂參數(shù)的影響將再生骨料取代率為50%、70%、100%的混凝土（RC50、RC70、RC100）和普通混凝土（NC）的雙K斷裂參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn)，再生混凝土起裂韌度隨再生骨料取代率的增加而降低，取代率50%、70%和100%的再生混凝土相比于普通混凝土起裂韌度降低了23.6%、42.8%和33.5%。但在取代率100%時(shí)，相較取代率70%時(shí)有所回升?；厣脑蚩赡苁怯捎谌〈?00%的再生混凝土中參與斷裂路徑擴(kuò)展的砂漿數(shù)量增加，使得裂縫并不能很快的擴(kuò)展，從而使起裂韌度提高。再生混凝土失穩(wěn)韌度隨再生骨料取代率的增加而降低，取代率50%、70%和100%的再生混凝土相較普通混凝土失穩(wěn)韌度降低了26.4%、31.3%和32.6%。主要是因?yàn)樵偕橇峡障遁^多，內(nèi)部具有較多的裂縫，強(qiáng)度低的特點(diǎn)，使得其失穩(wěn)韌度降低。

3.3納米SiO2摻量對(duì)雙K斷裂參數(shù)的影響試驗(yàn)首先對(duì)再生骨料取代率50%和100%下不同納米SiO2摻量（0.5%、1.0%、1.5%）的雙K斷裂參數(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，再生骨料取代率50%、納米SiO2摻量為1.0%時(shí)其斷裂性能最優(yōu)，且趨勢(shì)明顯，而再生骨料取代率100%時(shí)，其納米SiO2最優(yōu)摻量趨勢(shì)并不明顯。因此，對(duì)再生骨料取代率100%的再生混凝土增加納米SiO2摻量為0.8%、1.2%的斷裂性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，納米SiO2摻量1.0%時(shí)，再生混凝土具有較好的斷裂性能。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5　取代率對(duì)雙K斷裂參數(shù)的影響

圖6　納米SiO2摻量對(duì)雙K斷裂參數(shù)影響

由圖6可見(jiàn)，再生骨料取代率50%的再生混凝土、納米SiO2摻量0.5%時(shí)，起裂韌度較無(wú)摻加納米SiO2的再生混凝土（RC50）提高了14.0%，失穩(wěn)韌度較RC50提高了2.4%；納米SiO2摻量為1.0%時(shí)，起裂韌度和失穩(wěn)韌度同時(shí)達(dá)到最優(yōu)值，分別較RC50提高了27.7%和4.7%。再生骨料取代率100%時(shí)，起裂韌度和失穩(wěn)韌度隨著納米SiO2摻量的增加而提高，在納米SiO2摻量為1.0%時(shí)，達(dá)到最優(yōu)值，分別較RC100提高了17.6%和8.6%。摻量超過(guò)1%后，起裂韌度和失穩(wěn)韌度提高幅度下降；特別是納米SiO2摻量為1.5%時(shí)，起裂韌度較RC100降低了0.3%。

3.4相同納米SiO2摻量下不同再生骨料取代率對(duì)雙K斷裂參數(shù)的影響試驗(yàn)在同一納米SiO2摻量（0%、0.5%、1.0%、1.5%）下研究不同再生骨料取代率（50%、100%）對(duì)再生混凝土起裂韌度及失穩(wěn)韌度的影響，見(jiàn)圖7。

由圖7可見(jiàn)，在相同納米SiO2摻量下，起裂韌度和斷裂韌度整體隨著再生骨料取代率的增加而降低，但在納米SiO2摻量1.5%時(shí)，再生骨料取代率100%的起裂韌度和斷裂韌度反而分別提高了4.9%和4.7%，說(shuō)明納米SiO2對(duì)再生混凝土的改性效果不僅與納米SiO2摻量相關(guān)，還與再生骨料取代率有關(guān)。

通過(guò)分析不同取代率和不同納米SiO2摻量后發(fā)現(xiàn)，適量的納米SiO2可以提高混凝土的斷裂韌度，主要是因?yàn)榧{米SiO2可以填充混凝土內(nèi)部空隙，起到“填充效應(yīng)”，還能細(xì)化氫氧化鈣晶粒，有利于界面強(qiáng)度的提高。但納米SiO2摻量不宜過(guò)大，對(duì)于納米SiO2摻量1.5%來(lái)說(shuō)，在再生骨料取代率50%下，起裂韌度和失穩(wěn)韌度較RC50相比下降的幅度較大，可能是由于納米SiO2比表面積大，拌合后吸附了大量表層水，減少了參與水化的水量，使得水化程度降低，導(dǎo)致水化不完全，影響了再生混凝土斷裂性能。再生骨料取代率100%下，納米SiO2摻量1.5%的再生混凝土較再生混凝土（RC100）相比起裂韌度和失穩(wěn)韌度變化不大，其原因是再生混凝土外圍包裹了較多的老砂漿，雖然納米SiO2摻量較多，但可改善的界面過(guò)渡區(qū)也更多，有較多的納米SiO2可以發(fā)揮其效用，但由于納米SiO2摻量較多，可能發(fā)生了團(tuán)聚現(xiàn)象，水泥漿的稠度大幅度增大，無(wú)法發(fā)揮納米SiO2的填充效應(yīng)和晶核效應(yīng)，最終并不能有效的改善混凝土的斷裂性能。

圖7　相同納米SiO2摻量下再生骨料取代率對(duì)雙K斷裂參數(shù)的影響

4　結(jié)論

（1）再生混凝土的雙K斷裂參數(shù)隨著再生骨料取代率的增加而降低。（2）摻加適量的納米SiO2能有效改善再生混凝土的斷裂性能，再生骨料取代率50%、納米SiO2摻量1.0%時(shí)，起裂韌度達(dá)0.6929 MPa·m1/2，基本接近普通混凝土的起裂韌度0.7104 MPa·m1/2，且失穩(wěn)韌度較RC50提升幅度最大，達(dá)到1.3073 MPa·m1/2；再生骨料取代率100%、納米SiO2摻量1.0%時(shí)，混凝土起裂韌度和失穩(wěn)韌度較RC100分別提高了17.6%和8.6%，達(dá)到0.5552 MPa·m1/2和1.2410 MPa·m1/2，可以看出納米SiO2摻量1.0%時(shí)提升再生混凝土斷裂性能的效果最好，因此1.0%摻量可作為改善再生混凝土斷裂性能的最優(yōu)摻量。（3）過(guò)多的摻入納米SiO2對(duì)再生混凝土的斷裂性能的改善并不明顯，甚至可能會(huì)由于團(tuán)聚效應(yīng)使再生混凝土的斷裂性能降低。