三軸應(yīng)力下再生粗骨料塑性混凝土的力學(xué)性能和破壞準(zhǔn)則

王四巍， 孫逢濤， 吳 華

(1.華北水利水電大學(xué) 巖土工程與水工結(jié)構(gòu)研究院， 河南 鄭州 450046； 2.中國(guó)兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 廈門(mén)分院， 福建 廈門(mén) 361009)

近幾十年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，建筑垃圾迅速増加，其中約1/3為廢棄混凝土．將廢棄混凝破碎、清洗、分級(jí)后制成再生粗骨料，是一種廢物利用的較好方法，但它具有堆積密度小、孔隙率大、吸水率大、壓碎指標(biāo)高等缺陷．研究發(fā)現(xiàn)：再生混凝土強(qiáng)度隨粗骨料替代率增加而降低，當(dāng)粗骨料替代率小于30%時(shí)，對(duì)強(qiáng)度影響不大；當(dāng)大于30%時(shí)，強(qiáng)度隨著粗骨料替代率的升高而逐漸降低[1-2]；再生混凝土彈性模量隨著粗骨料替代率的增加而逐漸降低，同時(shí)其峰值應(yīng)變變大，單軸受壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的形狀與普通混凝土類(lèi)似[3-4]．

塑性混凝土由膨潤(rùn)土(黏土)、水泥、水、石子和砂等原材料經(jīng)攪拌、澆筑、凝結(jié)而成，是一種強(qiáng)度介于土與普通混凝土之間的工程材料，具有極限變形大、彈性模量小、強(qiáng)度較高和滲透系數(shù)小等特點(diǎn)．塑性混凝土的組成材料及比例對(duì)其強(qiáng)度及變形有較大影響[5-6]．高丹盈等[7]在測(cè)試塑性混凝土的彈性模量時(shí)，采用不預(yù)壓和全長(zhǎng)標(biāo)距測(cè)試變形，研究了單軸受壓全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)并建立了單軸受壓本構(gòu)方程．有研究表明塑性混凝土的受壓破壞模式由單軸下脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿S下的延性破壞，且圍壓越高，延性程度越強(qiáng)[8-12]．本課題組前期利用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果研究了常規(guī)三軸作用下破壞準(zhǔn)則[13]、真三軸作用下破壞準(zhǔn)則[14-15]，建立了三軸應(yīng)力下的本構(gòu)方程[16]．雖然再生粗骨料強(qiáng)度低于原生粗骨料，但塑性混凝土對(duì)強(qiáng)度的要求不高，因而利用再生粗骨料制備塑性混凝土是可行的．塑性混凝土一般用于防滲墻工程，主要經(jīng)受三軸應(yīng)力，而對(duì)于再生粗骨料塑性混凝土在三軸作用下的性能研究較少，不能揭示三軸應(yīng)力下其強(qiáng)度和變形破壞規(guī)律．因此，本文開(kāi)展了單軸、側(cè)壓相等常規(guī)三軸和側(cè)壓不等的真三軸壓縮試驗(yàn)，探究了再生粗骨料塑性混凝土的力學(xué)性能和破壞準(zhǔn)則，為其推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)．

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料和配合比

采用新鄉(xiāng)市生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；膨潤(rùn)土為新鄉(xiāng)市生產(chǎn)的鈣基膨潤(rùn)土，粒徑為 48μm；采用天然河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8；原生粗骨料采用連續(xù)級(jí)配為5～20mm的碎石；再生粗骨料主要來(lái)源于建筑工地的廢棄混凝土，經(jīng)機(jī)器破碎、清洗、晾曬、篩分等，制成連續(xù)級(jí)配5～20mm的再生粗骨料．

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2組塑性混凝土，水泥用量均為150kg，膨潤(rùn)土用量為水泥用量的30%，砂率為50%，一組粗骨料為再生粗骨料，另一組為原生粗骨料．由于再生粗骨料的吸水性能較高，實(shí)際用水量較大，為達(dá)到塑性混凝土的工作性能要求，添加了附加水．塑性混凝土配合比及基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1．

表1 塑性混凝土配合比及基本性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

真三軸試驗(yàn)采用LY-C型拉壓真三軸儀，其單軸最大壓力為450kN，荷載精度誤差小于5%，可進(jìn)行單軸拉壓、三軸不等壓的拉壓試驗(yàn)．試件采用 150mm ×150mm×150mm的立方體，齡期為 28d，每組3個(gè)試件．將試件放入壓力室，頂面放置荷載傳感器，在4個(gè)側(cè)面及頂面加載端的壓力觸頭上安裝5個(gè)平行于加載方向的電子位移計(jì)，用來(lái)測(cè)試試件的變形．試驗(yàn)時(shí)，先把表盤(pán)壓力調(diào)整到設(shè)定要求，打開(kāi)壓力控制開(kāi)關(guān)，觀察應(yīng)力變化，待應(yīng)力穩(wěn)定后采集應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，重復(fù)上述步驟，直至試件破壞．試驗(yàn)采用分級(jí)加載，每級(jí)壓力0.1～0.3MPa，同時(shí)施加三向應(yīng)力至側(cè)壓應(yīng)力達(dá)到設(shè)定值后，逐級(jí)增加軸向壓應(yīng)力直至試件破壞．常規(guī)三軸試驗(yàn)圍壓(側(cè)壓相等)設(shè)置為0.2、0.4、0.6、0.8MPa，真三軸試驗(yàn)側(cè)壓設(shè)計(jì)見(jiàn)表2．

表2 真三軸試驗(yàn)側(cè)壓設(shè)計(jì)

2 結(jié)果與討論

2.1 常規(guī)三軸應(yīng)力下塑性混凝土的性能

2.1.1強(qiáng)度特征

塑性混凝土常規(guī)三軸試驗(yàn)強(qiáng)度擬合結(jié)果見(jiàn) 圖1．由圖1可見(jiàn)：RPC和PC的強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增大；在相同的圍壓下，RPC的強(qiáng)度低于PC.PC和RPC的強(qiáng)度與圍壓關(guān)系符合庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，其擬合公式分別為:

σ1=5.18σ3+4.84,SD=0.065

(1)

(2)

圖1 常規(guī)三軸應(yīng)力下抗壓強(qiáng)度擬合曲線(xiàn)Fig.1 Curve of strength and confining pressure under triaxial stresses

經(jīng)計(jì)算PC的黏聚力為1.06MPa，內(nèi)摩擦角為42.6°；RPC的黏聚力為0.84MPa，內(nèi)摩擦角為45.4°.RPC的黏聚力低于PC，內(nèi)摩擦角相差不大．影響塑性混凝土黏聚力的主要因素為用水量、水泥用量等，RPC與PC的水泥用量相同，但RPC用水量較高，因而其黏聚力較小．影響塑性混凝土內(nèi)摩擦角的主要因素為砂和石子等，RPC與PC的細(xì)骨料及粗骨料用量相同，雖然再生骨料強(qiáng)度小于原生骨料，但塑性混凝土破壞時(shí)骨料本身并未壓碎，因而其內(nèi)摩擦角基本不受影響．

2.1.2應(yīng)力-應(yīng)變(體應(yīng)變)曲線(xiàn)特征

單軸及常規(guī)三軸下RPC和PC的應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)?體應(yīng)變?chǔ)舦)曲線(xiàn)結(jié)果見(jiàn)圖2．由圖2可見(jiàn)：RPC的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)由單軸下應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)向三軸應(yīng)力下的應(yīng)變塑化，且隨著圍壓增大，應(yīng)變由近似塑化向理想塑化轉(zhuǎn)變；與單軸曲線(xiàn)相對(duì)比，在圍壓作用下RPC的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的上升段較長(zhǎng)，應(yīng)變峰值點(diǎn)相對(duì)不明顯，且到達(dá)峰值應(yīng)變后軸向應(yīng)力下降較緩慢，曲線(xiàn)趨于平緩，而單軸曲線(xiàn)到達(dá)應(yīng)變峰值點(diǎn)后，應(yīng)力下降較快，曲線(xiàn)急劇下降，PC也表現(xiàn)出類(lèi)似的性質(zhì)；RPC的軸向應(yīng)力-體應(yīng)變曲線(xiàn)均表現(xiàn)為先增大后減小，隨著圍壓的增加，其最大體應(yīng)變的值也增大．

圖2 單軸及常規(guī)三軸下RPC和PC的應(yīng)力-應(yīng)變(體應(yīng)變)曲線(xiàn)Fig.2 Curves of stress-strain(volumetric strain) of RPC and PC under uniaxial and triaxial stresses

2.2 真三軸應(yīng)力下塑性混凝土的性能

2.2.1強(qiáng)度特征

真三軸試驗(yàn)強(qiáng)度擬合結(jié)果見(jiàn)圖3．如圖3可見(jiàn)：第二主應(yīng)力相同時(shí)，再生塑性混凝土的第一主應(yīng)力隨著第三主應(yīng)力的增加而增大；在相同側(cè)壓下，再生塑性混凝土強(qiáng)度低于塑性混凝土的值．再生塑性混凝土和普通塑性混凝土第一主應(yīng)力與第三主應(yīng)力關(guān)系也符合庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，其擬合公式分別為:

σ1,0.6=5.59σ3,0.6+4.84,SD=0.759

(3)

σ1,0.8=6.43σ3,0.8+4.84,SD=1.065

(4)

(5)

(6)

RPC在第二主應(yīng)力分別為0.6、0.8MPa時(shí)，黏聚力分別為0.79、0.71MPa，內(nèi)摩擦角分別為47.6°、51.7°;PC在第二主應(yīng)力分別為0.6、 0.8MPa 時(shí)，黏聚力分別為1.02、 0.95MPa，內(nèi)摩擦角分別為44.1°、47.0°．RPC的黏聚力低于PC，在第二主應(yīng)力為0.8MPa時(shí)，兩者的內(nèi)摩擦角相差最大．隨著第二主應(yīng)力增加，其黏聚力下降而內(nèi)摩擦角增大．

圖3 真三軸應(yīng)力下抗壓強(qiáng)度擬合曲線(xiàn)Fig.3 Curve of strength and pressure under true triaxial stresses

2.2.2應(yīng)力-應(yīng)變(體應(yīng)變)曲線(xiàn)特征

2種塑性混凝土單軸及真三軸下應(yīng)力-應(yīng)變(體應(yīng)變)曲線(xiàn)結(jié)果見(jiàn)圖4、5．應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)中的峰值(拐點(diǎn))表示壓縮過(guò)程中試件體積達(dá)到最小，之后開(kāi)始增加，即由壓縮轉(zhuǎn)為膨脹，該值反映了混凝土的抗裂性能，其值越大，抗裂性能越好.由圖4、5可見(jiàn)：RPC的軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)由單軸下應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)向真三軸下應(yīng)變塑化，且隨著側(cè)壓增大，應(yīng)變由近似塑化向理想塑化轉(zhuǎn)變；RPC的軸向應(yīng)力-體應(yīng)變曲線(xiàn)均表現(xiàn)為先增大，然后減小，當(dāng)?shù)诙鲬?yīng)力相同時(shí)，隨著第三主應(yīng)力的增加，其最大體應(yīng)變的值也增大，當(dāng)?shù)谌鲬?yīng)力相同時(shí)，最大體應(yīng)變也隨第二主應(yīng)力增加而增大，表明其抗裂性能隨側(cè)壓增大而增強(qiáng)；PC也表現(xiàn)出類(lèi)似性能，但其峰值均低于RPC，表明其抗裂性能低于RPC．

圖4 在單軸及真三軸下RPC的應(yīng)力-應(yīng)變(體應(yīng)變)曲線(xiàn)Fig.4 Curves of recycled plastic concrete stress-strain(volumetric strain) under uniaxial and true triaxial stresses

2.3 破壞準(zhǔn)則

在三軸應(yīng)力下采用了Bresler-Pister三參數(shù)準(zhǔn)則來(lái)模擬塑性混凝土的破壞包絡(luò)面效果較好[8,10,13-15]，因而RPC的破壞準(zhǔn)則也采用該方法，其在八面體應(yīng)力空間的表達(dá)式為：

τ0=A+Bσ0+Cσ02

(7)

式中：τ0、σ0分別為八面體剪應(yīng)力和正應(yīng)力計(jì)算值；A、B、C為擬合參數(shù)．τ0、σ0分別按下式計(jì)算：

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：τoct、σoct分別為八面體剪應(yīng)力和正應(yīng)力；fcu為立方體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa．

根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果，用最小二乘法回歸確定 式(7) 中的參數(shù)，在三軸應(yīng)力下PC、RPC的破壞準(zhǔn)則表達(dá)式分別為：

τ0=0.29+0.46σ0+0.33σ02

(12)

(13)

式中：PC的擬合參數(shù)A、B、C的標(biāo)準(zhǔn)方差分別為0.073、0.254、0.218；RPC擬合參數(shù)A、B、C的標(biāo)準(zhǔn)方差分別為0.100、0.300、0.222.擬合結(jié)果見(jiàn) 表3．

表3 八面體剪應(yīng)力的實(shí)際值與計(jì)算值對(duì)比

3 結(jié)論

(1)再生粗骨料塑性混凝土的強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大，建立了強(qiáng)度與圍壓之間的破壞準(zhǔn)則；再生粗骨料塑性混凝土黏聚力低于原生粗骨料塑性混凝土，其內(nèi)摩擦角與塑性混凝土的值相差不大，主要原因在于再生粗骨料塑性混凝土的用水量較大，破壞時(shí)再生粗骨料本身并沒(méi)有被壓碎．

(2)再生粗骨料塑性混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)由單軸下應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)三軸下塑化，且圍壓越大，理想塑化越明顯；最大體應(yīng)變隨圍壓增加而增大，其抗裂性能隨圍壓增大而增強(qiáng)．

(3)再生粗骨料塑性混凝土的強(qiáng)度隨著側(cè)壓的增加而增大，建立了基于空間八面體的強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，與原生粗骨料塑性混凝土強(qiáng)度相比稍有下降．

(4)第二主應(yīng)力影響再生粗骨料塑性混凝土的變形特征，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)由單軸下應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變?yōu)樵谡嫒S下塑化，且側(cè)壓越大，理想塑化越明顯，第三主應(yīng)力影響高于第二主應(yīng)力；最大體應(yīng)變隨著側(cè)壓增加而增大，其抗裂性能隨側(cè)壓加大而增強(qiáng)．在真三軸下再生粗骨料塑性混凝土抗裂性能高于原生粗骨料塑性混凝土．