道路再生骨料混凝土三軸強度及損傷分析

晏方 劉杰 陳宇良 朱玲 吳輝琴 王澤敏

摘? 要：為探究道路再生骨料對混凝土的多軸受壓強度及損傷演變性能的影響，考慮兩種類型粗骨料及6種圍壓值，設計完成了12組混凝土的常規(guī)三軸試驗研究.通過試驗，觀察并對比了試件在單向軸壓與三向軸壓下破壞形態(tài)，獲取了各圍壓荷載下試件的峰值應力、峰值應變，分析了三軸荷載作用下再生混凝土強度影響因素，并揭示了再生混凝土的損傷演變規(guī)律.研究結果表明：在圍壓荷載作用下，試件破壞形態(tài)發(fā)生了較大改變，骨料類型對試件破壞形態(tài)影響不大;圍壓值=0 MPa時，試件發(fā)生劈裂破壞;圍壓值[>]0 MPa時，發(fā)生具有一定延性的剪切斜壓破壞;側向圍壓荷載越大，再生混凝土的強度越大，變形能力越好;側向圍壓荷載可有效約束再生混凝土損傷的發(fā)展，并延遲了初始損傷出現(xiàn)的時間.

關鍵詞：道路工程;再生骨料;常規(guī)三軸;強度;損傷

中圖分類號：U414.18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.006

0? ? 引言

混凝土道路路面運營3～5 a后，在不斷遭受重復車輛荷載后產(chǎn)生損傷與破壞，較為常見的破壞形態(tài)有路面出現(xiàn)的錯臺、斷板，坑洼等，影響了行車的舒適性，給交通安全帶來了潛在危害.混凝土道路路面每隔10 a左右就要進行大規(guī)模的翻新改造，由此，產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土，一方面廢舊混凝土的處理增加了道路改造的成本，另一方面對生態(tài)環(huán)境造成污染.如何處理道路廢棄混凝土對綠色環(huán)保和實現(xiàn)資源的循環(huán)利用具有重要的意義[1-3].

再生混凝土是指使用建筑垃圾為原料加工得到的再生粗骨料，代替天然骨料拌合而成的混凝土.將拆除的道路路面加工為再生粗骨料用于再生混凝土，既能有效解決道路廢棄混凝土的存放與處理等問題，又保護了環(huán)境，實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展.沈建生等[4]對再生混凝土的制備方法進行了研究，研究結果表明，再生混凝土通過合理的配合比設計，可以達到天然混凝土的強度.肖建莊等[5-10]對再生混凝土單軸力學性能、三軸力學性能及對鋼筋銹蝕影響進行了研究，結果表明，再生骨料對混凝土的單軸力學性能、三軸力學性能、鋼筋銹蝕影響不大，多軸受力狀態(tài)下再生混凝土力學性能與單軸受力狀態(tài)下相差甚遠.

由于建筑用混凝土與道路用混凝土功能性要求不一致而導致其性質存在諸多差異.例如，道路用混凝土強度等級普遍在C30以下，一般低于建筑用混凝土，故關于建筑廢棄混凝土的研究對道路再生混凝土的適用性值得探究，且在實際工程中混凝土常為多軸受力狀態(tài)，對三軸受力狀態(tài)下再生混凝土力學性能更值得探究.但目前有關再生混凝土研究中的骨料來源基本為建筑廢棄混凝土，使用路面廢棄混凝土制作的粗骨料來制備再生混凝土的研究較少[11]，針對道路再生骨料混凝土三軸受壓強度的試驗研究未見有相關文獻報道，道路再生骨料的三軸力學性能與單軸力學性能間的差異不得而知.為此，通過單軸和常規(guī)三軸試驗探討道路再生骨料混凝土強度及損傷性能，旨在進一步豐富再生混凝土理論，為實際工程中再生混凝土技術的推廣與應用提供參考.

1? ? 試驗原材料及配合比設計

1.1? ?膠凝材料

水泥采用標號為42.5R的海螺牌普通硅酸鹽水泥，水泥性能測試結果見表1;水為城市自來水.

1.2? ?骨料及細骨料

再生粗骨料來自廣西柳州市城市公路水泥混凝土路面改善工程的廢棄道路混凝土，原生混凝土的標號為C25，服役年限為10 a，經(jīng)過破碎、篩分、清洗、曬干得到再生粗骨料，粒徑5～25 mm，連續(xù)級配，堆積密度為1 375 kg/m3，吸水率為3.200%，含水率為1.820%.

天然骨料的級配與再生粗骨料相同，堆積密度與再生骨料相比偏大，為1 412 kg/m3;吸水率和含水率遠遠低于再生骨料，分別為0.310%、0.098%.

細骨料：中河砂，細度模數(shù)Mμ= 2.49.

1.3? ?配合比設計

普通混凝土配合比設計依據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 55—2011）[12]，目標強度C30.再生混凝土配合比設計時，保證膠凝材料、細骨料用量一致，用道路再生粗骨料等量取代天然骨料.為保證水膠比一致，再生骨料的附加用水不予考慮.配合比設計詳見表2.

2? ?試驗方案

2.1? ?試件設計

以側向圍壓值為變量，共考慮6種圍壓（0～15 MPa，增量為3 MPa），共制作了36個試件，試件尺寸為高200 mm，直徑100 mm的圓柱體.其中天然混凝土試件與道路再生混凝土試件各18個，每種圍壓3個試件，試驗結果取三者均值.

2.2? ?試驗裝置及加載制度

試驗儀器采用RMT-301試驗機，該儀器配備高精度量測系統(tǒng)，能準確記錄試驗全過程中豎向位移、軸壓力、圍壓數(shù)據(jù).三軸加載裝置由高強鋼筒體、聚氨酯套、鋼透蓋及剛度極大的鋼板組成;其中聚氨酯套為柔性材料，保證與試件緊密貼合，使試件側向均勻受壓，模型如圖1（a）所示.

混凝土單軸試驗時，采用位移控制加載制度，加載速率為0.01 mm/s.混凝土常規(guī)三軸試驗時，需預先采用荷載控制加載制度，同步施加軸向力與圍壓到設定圍壓值，此時受力模型如? ? 圖1（b）所示;后續(xù)試驗步驟與單軸試驗一致.常規(guī)三軸試驗加載制度如圖1（c）所示.

（a）試驗加載裝置? ? ? ? ? ? ? （b）試件受力模型示意圖? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （c）加載制度

3? ? 試驗結果及分析

3.1? ?試驗實測結果

各試件的峰值應力、峰值應變列于表3.由表3可知，圍壓值對混凝土的峰值應力、峰值應變影響較大，兩者都隨圍壓值的增大出現(xiàn)增大的趨勢.

注：σw為側向圍壓值;σu為峰值應力;εu為峰值應變;NAC為天然混凝土;LRAC為道路再生混凝土.

3.2? ?試件的破壞形態(tài)

通過對比不同骨料類型與圍壓值下的試件破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，試件的破壞形態(tài)與骨料的來源無關，主要與圍壓值有關.其中單軸受壓時表現(xiàn)為豎向劈裂破壞，三軸受壓時試件表現(xiàn)為斜向剪切破壞.

當側向無圍壓作用時，即為混凝土單軸受壓.再生骨料對混凝土破壞過程影響不大.天然混凝土與再生混凝土都存在彈性極限值（約75%峰值荷載）.荷載超過彈性極限值后，首先試件的中部出現(xiàn)豎向裂縫，并向兩端延伸，與此同時產(chǎn)生新的裂縫;當荷載達到峰值荷載后，試件的承載力急劇下降，最后試件表現(xiàn)為劈裂破壞形態(tài).試件破壞形態(tài)圖及模型圖見圖2（a）、圖2（b）.

三軸受壓作用下，隨著豎向荷載的增大，再生混凝土試件出現(xiàn)斜向裂縫，裂縫數(shù)量少;當荷載達到破壞荷載，試件最終表現(xiàn)為斜截面剪切破壞，且試件的中部“鼓起”，試件破壞時表現(xiàn)出較好的延性性能.試件破壞形態(tài)圖及模型圖見圖2（c）、圖2（d）.觀察破壞面發(fā)現(xiàn)，當圍壓值小于6 MPa時，主要為再生粗骨料與水泥漿體間界面剪斷破壞，粗骨料幾乎沒有被剪斷;當圍壓值大于6 MPa時，再生骨料和再生骨料間的水泥膠體均被剪斷而破壞，且在其表面存在有少量的粉末.

[ （a）單軸破壞 （b）單軸模型破壞 （c）三軸破壞 （d）三軸破壞模型圖 ]

3.3? ?強度對比分析

圖3為各圍壓下試件峰值應力對比圖.由圖3可知，側向圍壓值對混凝土的峰值應力有較大影響，峰值應力隨圍壓值增大而有不同程度提高.當側向圍壓值從0 MPa增大到15 MPa時，天然混凝土和再生混凝土試件的峰值應力分別增大了391.4%、339.7%，可見由于圍壓的約束作用，大大提高了混凝土的承載力.

對比天然混凝土和再生混凝土的峰值應力，發(fā)現(xiàn)在相同加載條件下，再生混凝土的強度均比天然混凝土高.這與再生粗骨料自身特性有關;雖然破碎過程中骨料內(nèi)產(chǎn)生微裂縫降低了骨料自身強度，但是在側向圍壓荷載的存在，較好地約束了內(nèi)部裂縫的發(fā)展，削弱了骨料內(nèi)微裂縫的影響;而再生骨料表面粘附的水泥基體又再次吸水水化，再生混凝土配合比設計時未增加額外用水，造成實際水膠比減小，從而提高了再生混凝土的強度[13].因此，再生混凝土的強度會比天然混凝土高.

為了更直觀描述側向圍壓對再生混凝土強度的影響程度，將實測強度進行歸一化處理，即將不同三軸圍壓作用下試件的峰值應力與單軸作用的峰值應力比值對比，如圖4所示.由圖4可見，天然混凝土和再生混凝土的強度隨著側向圍壓值的增大均呈線性增長趨勢，天然混凝土的增長速率較再生混凝土的高約22.6%，可能是由于再生混凝土骨料中存在微裂縫所致.

3.4? ?損傷性能分析

再生混凝土受力后，隨著荷載的增加，試件的不斷積累損傷，受力性能不斷惡化，主要表現(xiàn)為混凝土裂縫的出現(xiàn)、延伸以及混凝土的壓碎破壞.參考文獻[14]，利用截面損傷度[Ds]作為損傷變量，采用式（1）反映再生混凝土單軸及三軸受力作用下的損傷漸變過程，在此定義：[Ds=0]對應于再生混凝土無損狀態(tài);[Ds=1] 對應于再生混凝土的完全損傷破壞.

3.4.1? ?單軸受力損傷過程分析

圖5為天然混凝土和再生混凝土在不同側向圍壓值下的損傷過程曲線.由圖5可知，在單軸受力作用下，再生骨料的摻入提前了混凝土初始損傷發(fā)生的時間.再生混凝土的損傷演變過程如下：加載初期，再生混凝土試件處于彈性階段，試件截面的損傷度[Ds]接近于0，試件表面沒有可見裂縫，此時再生混凝土內(nèi)部微裂縫已開始萌生;當試件縱向應變達到[ε=2.4×10-3]時，再生混凝土損傷開始，主要表現(xiàn)為試件中部的表面出現(xiàn)可見的細小裂縫，混凝土內(nèi)部微裂縫的緩慢發(fā)展延伸;當試件縱向應變達到[ε=3.0×10-3]后，混凝土損傷迅速發(fā)展，試件截面的損傷度隨著應變的增大，基本呈直線增大，此時試件表現(xiàn)為主裂縫由中部向兩端迅速發(fā)展，不穩(wěn)定裂縫陸續(xù)出現(xiàn);隨著荷載繼續(xù)增大，縱向應變接近[ε=4.0×10-3]，損傷度達到0.5，再生混凝土截面裂縫貫穿，不能繼續(xù)承載，試件破壞.由此可見，單軸受力下，再生混凝土損傷破壞過程較迅速，為脆性破壞.

3.4.2? ?三軸受力損傷過程分析

圖6為天然混凝土和再生混凝土在三軸圍壓作用下的損傷演變曲線.由圖6可知，在圍壓荷載的作用下，天然混凝土和再生混凝土初始損傷出現(xiàn)時間先后差異不明顯.再生混凝土三軸受壓作用下的損傷漸變過程如下：加載初期，所有試件在三軸圍壓下均處于線彈性階段，損傷度? ? Ds=0;繼續(xù)加載，側向圍壓的存在導致混凝土的試件損傷演變過程出現(xiàn)差異，演化出如下兩種主要特征：

1）當側向圍壓值[σw<6 MPa]時，試件縱向應變達到[ε=5.0×10-3]，再生混凝土開始出現(xiàn)損傷，特征表現(xiàn)為再生混凝土內(nèi)部截面微裂縫的發(fā)展;隨著縱向應變的增大，損傷曲線的發(fā)展形狀類似于單軸受力曲線，基本成線性增長，但是其損傷曲線斜率相比單軸損傷曲線小，說明其損傷的發(fā)展速度相對單軸受力減緩了;當損傷度[Ds=0.8]，再生混凝土損傷破壞.

2）當側向圍壓值[σw≥6 MPa]時，損傷出現(xiàn)的時間明顯延遲，同時損傷曲線形狀發(fā)生了顯著的變化，損傷出現(xiàn)后，混凝土截面損傷隨著荷載的增大發(fā)展緩慢，且隨著圍壓值增大，損傷發(fā)展的過程越平緩，這是由于側向圍壓的約束作用，很好的抑制混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，致使內(nèi)部裂縫的發(fā)展路徑發(fā)生了變化，由垂直裂縫轉變?yōu)閮A斜裂縫，增大試件截面的損傷面積，所以才導致了損傷曲線的改變.

綜上可知，隨著側向圍壓值增大，試件損傷出現(xiàn)越晚，損傷曲線斜率越小，損傷的發(fā)展速度越緩慢.

3.4.3? ?試件單軸與三軸受力損傷對比分析

圖7給出了天然混凝土和再生混凝土單軸和三軸受力初始損傷出現(xiàn)及損傷破壞時的應變值.由圖7可知，側向圍壓值越大，損傷出現(xiàn)的時間越晚，損傷破壞時的應變越大，說明側向圍壓值可以有效抑制再生混凝土內(nèi)部損傷的產(chǎn)生和發(fā)展.

4? ? 結論

1）單軸作用下與三軸作用下再生混凝土的破壞模式發(fā)生了改變，前者為垂直劈裂破壞，后者為斜截面剪切破壞.

2）常規(guī)三軸作用下，再生混凝土的強度與圍壓值有關，其強度隨著圍壓值增大而提高.

3）單軸受壓下，再生混凝土的損傷發(fā)展迅速，損傷曲線基本成直線上升，損傷度為0.5時試件破壞;常規(guī)三軸受壓下，再生混凝土的損傷隨著圍壓增大，損傷出現(xiàn)的時間延遲，損傷破壞時的應變增大.

參考文獻

[1]? ? ?肖建莊. 再生混凝土[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]? ? ?TOPCU I B， SENGEL S. Properties of concretes produced with waste concrete aggregate[J]. Cement and Concrete Research，2004，34（8）：1307-1312.

[3]? ? ?陳宗平，陳宇良，徐金俊，等. 多軸受力狀態(tài)下再生混凝土的破壞準則及應力-應變本構關系研究[J]. 土木工程學報，2015，48（12）：23-33.

[4]? ? ?沈建生，徐亦冬，周士瓊，等. 再生混凝土配合比試驗研究[J]. 新型建筑材料，2007（8）：18-20.

[5]? ? ?肖建莊，杜江濤. 不同再生粗集料混凝土單軸受壓應力-應變?nèi)€[J].建筑材料學報，2008，11（1）：111-115.

[6]? ? ?陳宗平，陳宇良，姚侃. 再生混凝土三軸受壓力學性能試驗及其影響因素[J]. 建筑結構學報， 2014， 35（12）：72-81.

[7]? ? ?陳宗平， 陳宇良， 應武擋， 等. 再生混凝土三向受壓試驗及強度準則[J]. 建筑材料學報， 2016， 19（1）：149-155.

[8]? ? ?董健苗，徐翔波，王凱. 不同強度等級再生混凝土抗折性能的研究[J].廣西科技大學學報，2015，26（2）：83-86，92.

[9]? ? ?朋改非，黃艷竹，張九峰. 骨料缺陷對再生混凝土力學性能的影響[J]. 建筑材料學報，2012，15（1）：80-84.

[10]? ?張椿民，連金明，劉鋒. 再生粗骨料混凝土鋼筋銹蝕試驗研究[J].廣西科技大學學報，2016，27（3）：76-81.

[11]? ?龔先兵，劉朝暉，李九蘇. 道路再生骨料混凝土耐久性試驗研究[J]. 中外公路， 2009，29（3）：200-204.

[12]? ?中國建筑科學研究院. 普通混凝土配合比設計規(guī)程：JGJ 55—2000[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[13]? ?陳宗平，徐金俊，鄭華海，等. 再生混凝土基本力學性能試驗及應力應變本構關系[J].建筑材料學報，2013，16（1）：24-32.

[14]? ?蔡四維，蔡敏. 混凝土的損傷斷裂[M].北京：人民交通出版社，1999.

（責任編輯：羅小芬、黎? ?婭）