再生粗骨料取代率對再生混凝土斷裂性能影響★

李宇坤 林凱斌 王志琛 曾煒圣 張云帆 林欣宇

(福建江夏學院工程學院，福建 福州 350108)

0 引言

隨著科技文化的進步，社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市擴張及舊樓重建的需求愈發(fā)迫切，而在城市現(xiàn)代化進程中，由此產(chǎn)生的建筑廢料該如何處置成為一大難題。將這些廢棄混凝土進行一系列加工之后，使之成為再生骨料這種可循環(huán)利用的再生資源，成為最好的處置方法，將再生骨料完全或部分替代混凝土中的天然骨料而制成的混凝土，稱為再生混凝土。再生混凝土與天然骨料制成的混凝土相比，其具有強度較低，吸水性較強，骨料空隙率較大，混凝土孔隙率較高，耐久性較差的特點，再生混凝土這種內(nèi)部的各組成部分的物理力學特性、結(jié)合面和應(yīng)力狀態(tài)等綜合效應(yīng),必然導致其斷裂機理異常復(fù)雜,隨著再生混凝土研究的深入以及工程的應(yīng)用,使我們必須了解其斷裂機理。因此,再生混凝土斷裂特性的研究具有重要的工程價值和現(xiàn)實意義。

斷裂力學是近幾十年才發(fā)展起來的一支新興學科,它從宏觀的連續(xù)介質(zhì)力學角度出發(fā),研究含缺陷或裂紋的物體在外界條件(荷載、溫度、介質(zhì)腐蝕、中子輻射等)作用下宏觀裂紋的擴展、失穩(wěn)開裂、傳播和止裂規(guī)律[1],起源于20世紀初期，并不斷發(fā)展至今，雖然起步較晚，但斷裂力學的相關(guān)研究發(fā)展迅速，因此這是一門十分具有前沿性的學科。

混凝土斷裂力學的研究在我國始于20世紀70年代末，當時湖南柘溪混凝土大頭壩出現(xiàn)了嚴重的斷裂事故，為了給評估大壩安全和修復(fù)提供科學依據(jù)，國內(nèi)學術(shù)界開始了混凝土斷裂力學研究,并發(fā)表了頗具影響的幾篇論文[2]，其中雙K斷裂模型的提出在混凝土斷裂力學的發(fā)展中占有重要地位。

1999年我國學者徐世烺教授與國外學者Reinhardt教授共同提出了混凝土雙K斷裂模型,這使我國學者在國際混凝土斷裂領(lǐng)域也有了一席之地。

1 再生混凝土的制備及性能

1.1 原材料

本文試驗采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，比表面積為327 m2/kg，密度為3 150 kg/m3，細骨料選用中砂，表觀密度為2 719 kg/m3，細度模數(shù)為2.12。天然粗骨料為粒徑范圍5 mm～20 mm的花崗巖碎石，再生粗骨料廢棄混凝土，經(jīng)過破碎處理，最后經(jīng)篩分處理后制作得到粒徑在5 mm～20 mm的粗骨料。外加劑為聚羧酸高效減水劑。

1.2 配合比設(shè)計

本試驗混凝土設(shè)計強度為C40，水膠比為0.4，砂率為38%。減水劑是按取代膠凝材料的質(zhì)量百分比外摻。混凝土拌制過程中，通過調(diào)整減水劑用量，在保證混凝土的工作性能的同時保持水膠比不變。具體配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

由表1可以得出，隨著再生骨料取代率的增加，減水劑用量也增多，這是因為再生骨料的顆粒棱角較多，表面附著一定數(shù)量的舊水泥砂漿，這就使取代率高的混凝土相較于取代率低的混凝土而言具有孔隙率更大，吸水性更強的特性。因此隨著再生骨料取代量的增加，所需要的水量也隨之增長，從而使得減水劑用量增加。

1.3 再生混凝土的力學性能

使用微機控制電液伺服壓力試驗機進行試驗測得28 d混凝土的抗壓強度，如表2所示。

表2 新拌混凝土立方體28 d抗壓強度

分析表2可以得出:取代率對坍落度沒有明顯影響，但整體來看，隨著取代率的增加，混凝土立方體28 d抗壓強度是逐漸減小的，與天然混凝土NC相比再生骨料取代率為30%,50%,70%,100%的再生混凝土的立方體抗壓強度分別降低了2.5%,1.4%,7.1%和19.0%。當取代率為50%時，試樣28 d抗壓強度有所回升，但回升的程度不高，總體仍呈下降趨勢。RC30與NC相比，由于再生骨料中包裹水泥砂漿，其孔隙率高，吸水性好，這使再生混凝土水灰比降低，抗壓強度增強，但由于再生骨料本身性能較差，故整體表現(xiàn)出抗壓強度還是降低，但降低程度不高。RC30與RC100相比，取代率為30%的混凝土由于其抗壓強度主要取決于天然骨料，故強度降低的不多，但高取代率的再生混凝土則不同，由于取代率高，其抗壓強度主要取決于再生骨料，因而水灰比降低的影響不大，抗壓強度降低明顯。對于RC30與RC50，RC50的略微反彈可能由于取代率較低，水灰比對抗壓強度的影響還較明顯，在低取代率下隨著取代率提高，混凝土水灰比降低，混凝土抗壓強度反而略微增強。

2 斷裂力學實驗

2.1 試驗過程

試件采用尺寸為750 mm×150 mm×75 mm(長×高×厚)的標準三點彎曲梁，跨高比為4，支承跨度S=600 mm，試件的切口高度為45 mm，如圖1所示。一組配合比制作5個試件，5組配合比共25根試件。

試驗的加載裝置采用250 kN疲勞試驗機(MTS)，試驗的量測裝置是由荷載量測裝置、位移量測裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。

2.2 雙K斷裂韌度

圖2，圖3為取代率為0%與30%下試件的F—CMOD曲線。

雙K斷裂參數(shù)的起裂韌度和失穩(wěn)韌度按照相應(yīng)計算公式計算。對各組數(shù)據(jù)進行了整理分析，得到在不同再生骨料取代率下混凝土28 d的斷裂韌度，將試驗數(shù)據(jù)列于表3。

表3 取代率變化三點彎曲梁試件斷裂韌度表

2.3 雙K斷裂韌度結(jié)果分析

從圖4可以得出，斷裂韌度整體上隨著再生骨料取代率的增加而降低，相較于天然混凝土，再生骨料取代率為30%,50%,70%,100%的再生混凝土的起裂韌度分別降低了20.0%,23.6%,42.8%和33.5%。但是，當取代率為100%時與取代率為70%的混凝土相比，反而反彈了一些，反彈的原因可能是由于取代率100%的再生混凝土中斷裂路徑擴展所涉及的砂漿數(shù)量增加，因此裂縫發(fā)展減緩，導致起裂韌度提高。隨著再生骨料取代率的提高，再生混凝土失穩(wěn)韌度下降。與天然混凝土NC相比，取代率30%,50%,70%和100%的再生混凝土失穩(wěn)韌度降低了20.9%,26.4%,31.3%和32.6%。主要是因為再生骨料孔隙率高，內(nèi)部裂縫較多，壓碎指標大、強度降低較多，使得其失穩(wěn)韌度降低。

2.4 斷裂能

由于實際試驗過程當中往往不能得到完整的P—δ曲線,公式中δ0的數(shù)值很難直接得到，斷裂能的計算準確性低。本試驗在將試件放置于三點彎曲梁夾具上后，將力手動清零，因此不考慮試件自身重量。本文采用圖5中的計算方法進行斷裂能的計算：

(1)

表4 斷裂能計算結(jié)果

2.5 斷裂能結(jié)果分析

由圖8可以看出：隨著再生骨料取代率的提高，再生混凝土斷裂能整體上下降，相較于天然混凝土NC再生骨料取代率為30%,50%,70%和100%的再生混凝土斷裂能分別降低了31.0%,43.4%,34.4%和51.0%。由于再生骨料性能比天然骨料差，再生骨料壓碎指標大，所以再生骨料的含量越多，配置出的混凝土強度越低。包裹的老砂漿中孔隙多，在裂縫擴展時，空隙間容易形成貫通路徑，并且界面過渡區(qū)薄弱，裂紋容易發(fā)生擴展，導致荷載在下降段下降速率快，與坐標軸圍成的面積小，斷裂能隨之減小。

3 結(jié)語

1)再生混凝土28 d抗壓強度整體隨著再生骨料取代率的增加而減少，再生骨料取代率30%,50%,70%,100%的再生混凝土較天然混凝土28 d抗壓強度分別降低了2.5%,1.4%,7.1%和19.0%。2)再生混凝土起裂韌度整體隨再生骨料取代率的增加而降低，再生骨料取代率30%,50%,70%和100%的再生混凝土起裂韌度相比于天然混凝土NC分別降低了20.0%,23.6%,42.8%和33.5%。再生混凝土失穩(wěn)韌度隨再生骨料取代率的增加而降低，再生骨料取代率30%,50%,70%和100%的再生混凝土失穩(wěn)韌度相較于天然混凝土NC分別降低了20.9%,26.4%,31.3%和32.6%。3)再生混凝土斷裂能整體上隨著再生骨料取代率的增加而降低，再生骨料取代率30%,50%,70%和100%的再生混凝土斷裂能分別較天然混凝土NC降低了31.0%,43.4%,34.4%和51.0%。4)可以通過添加抗裂纖維，如鋼纖維或者聚丙乙烯纖維，或加入礦物摻合料如粉煤灰和礦粉，提高混凝土抗拉強度，加強混凝土斷裂性能。