路面用再生骨料混凝土靜態(tài)與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

梁俊煒，涂桂榮

（1、廣州市番禺區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站 廣州 511400；2、廣東工業(yè)大學(xué) 廣州 510620）

0 前言

由于老舊的建筑拆遷、升級(jí)改擴(kuò)建，道路升級(jí)改造及自然災(zāi)害等原因，每年都會(huì)產(chǎn)生巨量的建筑固體廢棄物，而其中廢棄混凝土占比達(dá)50%～60%。大量的廢棄混凝土需要占用大量的土地堆放，統(tǒng)計(jì)顯示每堆積10 000 t 建筑廢棄物約占用土地67 m2，每年因堆填建筑廢棄物破壞的良田達(dá)70 km2［1］。我國(guó)目前仍在大量新建基礎(chǔ)設(shè)施、道路、橋梁、房屋，消耗著大量的混凝土，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)消耗約27 t 的骨料，16～19 億 t 的粗骨料［2］。若能利用廢棄混凝土生產(chǎn)再生骨料，再作為新建混凝土中部分或全部的粗骨料，這樣既可以解決處理廢棄混凝土的難題，又可節(jié)約大量的原生骨料，達(dá)到綠色節(jié)能經(jīng)濟(jì)的目的。

水泥混凝土路面具有剛度大、強(qiáng)度高、耐久性好、有利于夜間行車、整體性與穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于公路建設(shè)中。國(guó)內(nèi)早期修建的水泥混凝土路面在行車荷載和環(huán)境因素作用下，路面破損嚴(yán)重急需修補(bǔ)，路面修補(bǔ)后產(chǎn)生大量的廢棄混凝土，如不對(duì)其妥善處理，不但會(huì)增加養(yǎng)護(hù)成本，而且對(duì)周邊環(huán)境也將造成負(fù)面影響，并且對(duì)資源也是一種浪費(fèi)［3-5］。

現(xiàn)有研究指出再生骨料的堆積密度和表觀密度低于天然骨料，壓碎指標(biāo)和吸水率則高于天然骨料［6-10］。在耐久性方面，再生骨料混凝土在疲勞性能方面與天然骨料混凝土無明顯的差異［11-12］，再生骨料混凝土的抗凍性略差于天然骨料混凝土；再生骨料混凝土各個(gè)齡期的碳化深度均較天然骨料混凝土有所增加［13］，抗?jié)B性能滿足工程要求，再生骨料的引入并未給抗?jié)B性帶來顯著的影響［14］。在力學(xué)性能方面，不同的學(xué)者得出的結(jié)論有一定的差異，有學(xué)者指出再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料替代率的增加而增加［15］，而也有學(xué)者得出抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料替代率的增加卻是呈總體下降趨勢(shì)［16-17］。而對(duì)于再生骨料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究則較少，研究指出再生骨料混凝土和天然骨料混凝土一樣，其動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度具有應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)［18-20］。

本文研究路面用再生骨料混凝土的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及溫度變化的影響，為再生骨料大規(guī)模應(yīng)用到道路建設(shè)中提供技術(shù)支持和參考依據(jù)。再生骨料的應(yīng)用符合國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，其兼具經(jīng)濟(jì)和環(huán)保綠色材料雙重特性，有較好的經(jīng)濟(jì)效益以及長(zhǎng)遠(yuǎn)的社會(huì)效益。

1 試驗(yàn)原材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原材料

⑴水泥：采用廣州某品牌強(qiáng)度等級(jí)為P.O 42.5R的普通硅酸鹽水泥。

⑵細(xì)集料：選用普通河沙，最大粒徑為5 mm 的中砂，連續(xù)級(jí)配。

⑶粗骨料：天然粗骨料為5～15 mm 連續(xù)級(jí)配麻石；再生粗骨料由深圳市某公司提供，粒徑5～15 mm，連續(xù)級(jí)配，半小時(shí)吸水率為3.77%；

⑷水：采用普通自來水。

⑸外加劑：采用江門市某公司生產(chǎn)的QL 系列混凝土聚羧酸高效減水劑，添加量為膠合材料的1.5%。

1.2 試驗(yàn)配合比和試件設(shè)計(jì)

基準(zhǔn)配合比為：水灰比∶水∶水泥∶砂∶碎石∶減水劑=0.44∶165∶375∶642∶1193∶5.625。

對(duì)于再生骨料混凝土，配合比中的砂率、粒徑、級(jí)配等方面的影響和原生骨料基本一致，最大的不同點(diǎn)是水灰比的影響，這歸因于再生骨料較高的吸水率，相同的水灰比下，再生骨料混凝土的工作性能較差，不過可以通過添加一定量的減水劑來改善。本文將引進(jìn)有關(guān)研究者凈水灰比和附加水的概念，凈水灰比是指實(shí)際用水量減去再生骨料的吸水量后和膠凝材料的比值［21］。

本文常規(guī)實(shí)驗(yàn)中共設(shè)置3 組不同的用水量，分別為基準(zhǔn)用水量（ω基）、添加 50%附加水（即ω基+0.5△ω）、添加100%附加水（即ω基+△ω）；和不同的再生骨料替換率。再生骨料替換采用等質(zhì)量替換法，即攪拌時(shí)把相應(yīng)的原生骨料按替換率等質(zhì)量替換為再生骨料［22］。

⑴靜態(tài)抗壓強(qiáng)度：由150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊得到，每組3 個(gè)試件。

⑵靜態(tài)抗折強(qiáng)度：由于循環(huán)加熱箱的容積原因，并沒有采用150 mm×150 mm×550 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，而是制作了100 mm×100 mm×400 mm 的非標(biāo)準(zhǔn)棱柱體測(cè)得，每組3 個(gè)試件；

⑶動(dòng)態(tài)沖擊強(qiáng)度：為了減少誤差，可以通過設(shè)計(jì)試件的尺寸使ls2/6-vs·d2/8=0（其中，ls為長(zhǎng)度，vs為泊松比，d 為直徑），這樣可以使誤差減到最少，當(dāng)要求誤差在5%以內(nèi)時(shí)，試樣直徑和壓桿直徑的比值應(yīng)當(dāng)大于0.7［23-24］。本實(shí)驗(yàn)制作長(zhǎng)度為 50 mm、直徑為 100 mm 的大直徑圓柱體作為沖擊用試件，長(zhǎng)徑比為0.5，試件和壓桿的直徑的比值為1.0。

1.3 試件的制作與養(yǎng)護(hù)

按替換率和配合比稱量好再生骨料等實(shí)驗(yàn)材料；首先把沙和粗骨料倒入攪拌機(jī)攪拌均勻，然后加入水泥攪拌1 min，直至集料和膠凝材料混合均勻，接下來把減水劑加到水中，最后均勻倒入攪拌機(jī)中攪拌2 min，至攪拌均勻。把攪拌好的混凝土澆筑到模具中，然后放到振動(dòng)臺(tái)振搗2 次，每次20 s，至振搗均勻，抹平后養(yǎng)護(hù)。在養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 再生骨料混凝土靜態(tài)力學(xué)性能

各試驗(yàn)組再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 RAC 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度Tab.1 The Compressive Strength and Flexural Strength of RAC

由表1可以看出：試件的抗壓強(qiáng)度約為50～60 MPa，達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度目標(biāo)。所有試件受壓破壞過程相似，并沒有因?yàn)樵偕橇虾亢透郊铀砑恿康牟煌憩F(xiàn)出較大的差異。破壞過程均是試件四周先出現(xiàn)微小裂縫，隨后裂縫不斷擴(kuò)大和延伸，最終導(dǎo)致試件的整體破壞。

2.1 抗壓強(qiáng)度

2.1.1 抗壓強(qiáng)度與再生骨料替換率的關(guān)系

天然骨料混凝土的強(qiáng)度為53.6 MPa，而再生骨料混凝土與天然骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度相比，并不簡(jiǎn)單的表現(xiàn)為隨著再生骨料替換率的增加而上升或是下降，而是會(huì)受到附加水添加量的影響。在附加水一定的前提下，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料替換率的增加表現(xiàn)出較有規(guī)律的變化（見圖1a）。

當(dāng)添加的附加水在0%或50%時(shí)，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料的替換率增加而提高，而當(dāng)添加附加水為100%時(shí)，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度卻隨著再生骨料的替換率增加而降低。這表面，再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度除跟替換率有關(guān)外，還和附加水的添加量密切相關(guān)。

在附加水為100%時(shí)，此時(shí)添加的附加水作用使再生骨料處于吸水飽和狀態(tài)，不再額外吸取基準(zhǔn)配合比的水量，此時(shí)可以認(rèn)為各替換率的試件的水灰比是一樣的，這可以用凈水灰比體現(xiàn)出來，此時(shí)各替換率試件的凈水灰比均為0.44（見表1）。這反映出在凈水灰比相同的情況下，隨著再生骨料替換率的增加，抗壓強(qiáng)度是下降的，不過降幅并不大，說明再生骨料的加入一定程度上使抗壓強(qiáng)度下降。這可以從2 個(gè)方面解釋：①再生骨料因經(jīng)過二次破碎加工，且難免含有少許舊水泥石，所以其強(qiáng)度是低于天然骨料的，導(dǎo)致在其他條件相同的情況下，用其制備的混凝土的強(qiáng)度要低于天然骨料制備的混凝土；②再生骨料表面有一定的舊水泥石粘結(jié)，然后舊水泥石再與新的砂漿形成新的粘結(jié)面，這導(dǎo)致此粘結(jié)面是一個(gè)薄弱處，在受到外力的作用下容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而更容易產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致破壞。這與文獻(xiàn)［25］的結(jié)論基本一致，其實(shí)驗(yàn)也添加了100%附加水。

在附加水為0%、50%時(shí)，強(qiáng)度隨著替換率的增加而提高，此時(shí)影響強(qiáng)度的因素主要是有效水，即除掉被再生骨料吸收的水的用水量。由于再生骨料高吸水性的特點(diǎn)，使得用水量在攪拌的時(shí)候有一部分被吸進(jìn)骨料內(nèi)，從而使水灰比下降，這可以從凈水灰比隨替換率的增加而降低看出（見表1），凈水灰比的降低直接導(dǎo)致了強(qiáng)度的提高，這與普通的天然混凝土的規(guī)律是一致的。還有因?yàn)樵偕橇衔螅喈?dāng)于在內(nèi)部增加了一個(gè)慢慢釋放的水源，起到了內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用，眾多文獻(xiàn)和實(shí)際工程證明，內(nèi)養(yǎng)護(hù)可以有效地提高混凝土的強(qiáng)度和減少其收縮［25］。所以當(dāng)再生骨料本身導(dǎo)致的強(qiáng)度下降幅度小，而再生骨料吸水后凈水灰比下降和內(nèi)養(yǎng)護(hù)帶來的強(qiáng)度提高幅度大，二者綜合作用結(jié)果就是隨著再生骨料用量的增多，強(qiáng)度卻是提高的。

2.2 抗折強(qiáng)度

再生骨料混凝土的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，根據(jù)各交通荷載等級(jí)要求，抗折強(qiáng)度不得低于如下要求：極重、特重、重≥5.0 MPa；中等4.5 MPa；輕4.0 MPa?？梢?，除了 RAC-C-75 和 RAC-C-100 不符合要求外，其余的再生骨料混凝土可以滿足不同交通荷載等級(jí)道路的要求。

隨著再生骨料替換率的增加，抗折強(qiáng)度不斷下降（見圖1b）。當(dāng)附加水為0%，除替換率為25%的與天然骨料混凝土相近外，50%、75%、100%替換率的抗折強(qiáng)度降幅分別為3.98%、5.57%、5.77%。在添加50%的附加水時(shí)，隨著再生骨料替換率的增加，再生骨料混凝土的抗折強(qiáng)度大幅降低，25%、50%、75%、100%替換率的抗折強(qiáng)度降幅分別為8.35%、13.72%、15.90%、18.49%。而在添加100%附加水時(shí)，隨著再生骨料替換率的增加，再生骨料混凝土的抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出更大幅度的下降，25%、50%、75%、100%替換率的抗折強(qiáng)度降幅分別為8.95%、15.11%、22.27%、26.84%。

圖1 RAC 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與再生骨料替換率之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between Compressive Strength of RAC，F(xiàn)lexural Strength of RAC and Regenerative Aggregate Replacement Rate

3 再生骨料混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

混凝土是重要的工程建設(shè)材料，廣泛應(yīng)用于民生和軍事工程當(dāng)中。雖然大部分工程建筑絕多數(shù)時(shí)間都是承受準(zhǔn)靜態(tài)的荷載，但也可能遭受低概率的短時(shí)沖擊荷載的作用，所以除需研究其靜態(tài)的力學(xué)行為，也要研究其動(dòng)態(tài)下的力學(xué)行為?；炷恋撵o態(tài)力學(xué)性能已經(jīng)得到了廣泛而深入的研究，其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究也隨著對(duì)抗震、爆炸等自然和人為災(zāi)害的重視，而得到更多的關(guān)注和系統(tǒng)的研究，動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)得到的成果也已應(yīng)用于道路、機(jī)場(chǎng)跑道、房屋抗震、人防和軍事等工程中。對(duì)混凝土材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究主要采用的是落錘試驗(yàn)機(jī)和霍普金森壓桿（SHPB）。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

各試件在不同沖擊速度試驗(yàn)下得到的應(yīng)變率、峰值應(yīng)力、極限應(yīng)變、動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子DIF、破壞形式等試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出，再生骨料混凝土的應(yīng)力應(yīng)變和天然骨料的基本相似，且與附加水添加量和再生骨料替換率關(guān)系不大。開始為線彈性階段，這是由于試件的變形首先是混凝土骨料的彈性變形，然后發(fā)展到非線性變形階段，當(dāng)應(yīng)力超過峰值應(yīng)力時(shí)，應(yīng)變急劇增大，應(yīng)力下降，直至試件完全破壞。

3.2 應(yīng)變率對(duì)再生骨料混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響

相對(duì)于峰值應(yīng)力和極限應(yīng)變的唯一值，應(yīng)變率在沖擊過程中很難維持一個(gè)恒值，且變化范圍也較大，所以有必要明確應(yīng)變率的取值標(biāo)準(zhǔn)，這樣不同的實(shí)驗(yàn)才能進(jìn)行對(duì)比。Bischoff 等人［26］對(duì)前人做的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，指出加載過程中材料應(yīng)變率并不是常數(shù)，而是隨著加載過程而變化，大量的文獻(xiàn)是選取加載過程中的平均應(yīng)變率作為代表值。而Li 等人［27］和Al-Salloum 等人［28］則認(rèn)為相對(duì)于平均應(yīng)變率，在峰值應(yīng)力時(shí)材料處于承載的極限，這時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率更能表征材料的力學(xué)性能，所以取最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變率更具有意義。本文選取的應(yīng)變率為平均應(yīng)變率。

表2 再生骨料混凝土SHPB 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The SHPB Test Results of RAC

由圖2可以看出，RAC 的DIF 與應(yīng)變率在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)大致呈線性的關(guān)系，這與CEB 總結(jié)的NAC 的DIF 與應(yīng)變率的規(guī)律是相似的。圖3是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)DIF與CEB 的DIF 和本文擬合的DIF 對(duì)比，可以看出，CEB 的公式估算在應(yīng)變率30 s-1附近，DIF 的增長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在應(yīng)變率小于30 s-1時(shí)，DIF 的增長(zhǎng)是緩慢的，而在大于30 s-1時(shí)則會(huì)快速增長(zhǎng)。RAC 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在10 s-1～100 s-1附近范圍內(nèi)并沒有出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而更多的表現(xiàn)為在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的線性增長(zhǎng)。觀察實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的走勢(shì)，本文在CEB 推薦經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上重新擬合，得到了比較好的效果（見圖3）。

表3對(duì)CEB 推薦公式和本文擬合公式的擬合度進(jìn)行了比較，可以發(fā)現(xiàn)：CEB 在對(duì)NAC 的擬合效果還是較好的，擬合優(yōu)度Rnew=0.9204；而對(duì)于RAC，本文重新修改擬合的公式則有更好的擬合效果，相對(duì)于CEB的擬合結(jié)果，Rnew有4%～11%的提高。

圖2 再生骨料混凝土動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子（DIF）與應(yīng)變率的關(guān)系Fig.2 Relationship between DIF and Strain Rate of RAC

圖3 再生骨料混凝土動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子（DIF）與應(yīng)變率的關(guān)系擬合Fig.3 The Fitting Relationship between DIF and Strain Rate of RAC

表3 本文擬合與CEB 擬合效果的比較Tab.3 Comparison of the Results of this Paper Fitting and CEB Fitting

3.3 破壞形態(tài)

圖4為試件的破壞形態(tài)，RAC 和NAC 的破壞形態(tài)是相似的，隨著應(yīng)變率的增加，依次表現(xiàn)為裂紋-破碎-粉碎三種破壞形態(tài)，各個(gè)試件的破壞形態(tài)如表2所示。當(dāng)應(yīng)變率較低時(shí)，試件出現(xiàn)輕微裂縫，此時(shí)裂縫一般出現(xiàn)在骨料和水泥基的界面處；隨著應(yīng)變率的增大，裂縫變多變寬，此時(shí)部分骨料也已經(jīng)開裂；當(dāng)應(yīng)變率增長(zhǎng)到一定程度，試件將會(huì)開裂為幾部分，可以看出部分骨料剝離部分骨料開裂斷開；應(yīng)變率再增大將會(huì)破碎為小塊，比較多的骨料破碎為多塊；當(dāng)應(yīng)變率比較高時(shí)，試件將會(huì)完全粉碎，此時(shí)大多數(shù)骨料也成為粉粒狀。這主要是因?yàn)殡S著應(yīng)變率的增加，沖擊能量不斷提高，試件需要吸收消耗的能量增加。由表2就可以看出，隨著應(yīng)變率的增加，試件消耗的能量即應(yīng)力應(yīng)變曲線下圍的面積也在不斷變大，這與試件的破壞形態(tài)是對(duì)應(yīng)的。

圖4 SHPB 試驗(yàn)試件破壞形態(tài)Fig.4 SHPB Test Specimen Failure Mode

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)較為系統(tǒng)地研究了再生骨料混凝土的的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，為把再生骨料混凝土應(yīng)用到路面的建設(shè)中提供一定的參考。實(shí)驗(yàn)證明，在力學(xué)性能方面，不同替代率和不同附加水添加量的再生骨料混凝土，可以滿足不同荷載等級(jí)道路的要求，可視具體情況選用不同的組合。主要得出的結(jié)論如下：

⑴在凈水灰比相同的前提下，隨著替換率的增大抗壓強(qiáng)度小幅下降，但幅度不大，這是替換率對(duì)抗壓強(qiáng)度的本質(zhì)影響。而替換率對(duì)抗壓強(qiáng)度的直觀影響則是通過其吸水導(dǎo)致凈水灰比下降產(chǎn)生的，凈水灰比是決定強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。在替換率相同的情況下，抗壓強(qiáng)度均隨著附加水添加量的增多而降低。綜合替換率、附加水和水灰比與抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出以下規(guī)律：在附加水為0%和50%時(shí)，隨著替換率的增大，抗壓強(qiáng)度不斷增大，且附加水為0%時(shí)增幅更大；而附加水為100%時(shí)，隨著替換率的增大抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。

⑵對(duì)于抗折強(qiáng)度，替換率和附加水均產(chǎn)生不利影響。隨著替換率的增大和附加水添加量的增加，抗折強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)。附加水為0%時(shí)對(duì)抗折強(qiáng)度的不利影響較小。隨著替換率的增大，脆性系數(shù)k 呈上升趨勢(shì)，即替換率增加韌性是降低的。綜合考慮抗壓和抗折強(qiáng)度，推薦優(yōu)先選用附加水為0%而替換率為25%的再生骨料混凝土作為路面材料。

⑶再生骨料混凝土同樣具有應(yīng)變率增強(qiáng)效應(yīng)，CEB 動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)因子DIF 計(jì)算公式不能直接用于再生骨料混凝土，本文借鑒和修改CEB 公式后取得較好的擬合效果。再生骨料混凝土受動(dòng)態(tài)沖擊壓縮的破壞形態(tài)基本一致，即隨著應(yīng)變率的提高依次表現(xiàn)為開裂-破碎-粉碎3 大破壞形態(tài)。