改性再生混凝土動(dòng)力性能研究

王永貴,李帥鵬,Hughes Peter,范玉輝,高向宇

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 生態(tài)建筑與環(huán)境構(gòu)建河南省工程實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000；3.北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京 100122)

再生混凝土(recycled concrete，RC)有利于降低建筑垃圾的污染和自然資源的保護(hù)，逐漸成為研究熱點(diǎn)。與普通混凝土相比，再生混凝土含有較多的界面過(guò)渡區(qū)，其力學(xué)性能普遍較低，已成為制約再生混凝土工程應(yīng)用的瓶頸。為提升再生混凝土的力學(xué)性能，拓展其應(yīng)用空間，部分學(xué)者對(duì)再生混凝土進(jìn)行改良。主要包括兩種類型：其一，再生粗骨料預(yù)處理[1-2]，常見(jiàn)方法有高溫煅燒法、機(jī)械研磨法、酸洗法及裹漿法等，此類方法雖可提升再生粗骨料的力學(xué)性能，但工序較為繁瑣，且含有較大的環(huán)境污染隱患，應(yīng)用前景受限；其二、添加纖維或超細(xì)礦物材料[3-7]，纖維類型主要集中于鋼纖維、聚丙烯纖維及玄武巖纖維等。玄武巖纖維不僅強(qiáng)度高，而且還具有電絕緣、耐高溫、污染小，且產(chǎn)品廢棄后可直接在環(huán)境中降解，無(wú)任何危害等多種優(yōu)異性能，是一種名副其實(shí)的綠色環(huán)保材料。玄武巖纖維可減輕早期原生微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，減少混凝土裂紋間的相互連通，鈍化原生微裂紋尖端應(yīng)力集中的作用，可較明顯地提高混凝土的延性；超細(xì)礦物材料主要包括硅灰和納米材料等，借助超細(xì)礦物材料的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)增強(qiáng)界面過(guò)渡區(qū)的黏結(jié)性能。一般來(lái)說(shuō)，礦物材料粒徑越小，其增強(qiáng)效果越顯著。納米材料因其粒徑較小，更易發(fā)揮礦物材料的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)，更有利于提高界面過(guò)渡區(qū)性能和砂漿密實(shí)度，進(jìn)而提高混凝土的宏觀力學(xué)性能?；炷林刑砑拥募{米材料主要包括納米氧化硅、納米氧化鋁[8]、納米二氧化鈦[9]、納米碳酸鈣等，納米氧化硅更具活性，因此被廣泛應(yīng)用于土木工程中。

在實(shí)際工程中，混凝土建筑物受到荷載作用的情況非常復(fù)雜，除了承受靜態(tài)荷載作用外，其服役過(guò)程中還可能會(huì)遭遇爆炸、沖擊等動(dòng)態(tài)荷載作用。這些動(dòng)態(tài)荷載一旦出現(xiàn)則會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞作用，通常成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素[10]。均勻分布的纖維在混凝土內(nèi)部形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，限制了混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，對(duì)混凝土的沖擊性能具有一定的改善效果。研究表明，纖維有利于提高再生混凝土的抗沖擊性能、延性和韌性；隨纖維含量的增大，再生混凝土的峰值應(yīng)力、能量耗散均增大。玄武巖纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌效果總體上優(yōu)于鋼纖維[11]。納米材料有利于提高混凝土的靜態(tài)力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，隨應(yīng)變率的增大，納米材料有利于峰值應(yīng)變的增大；高應(yīng)變率下，納米顆粒更有效發(fā)揮其對(duì)混凝土的增韌優(yōu)勢(shì)。較之納米碳酸鈣，納米氧化硅更有助于促進(jìn)水泥水化，產(chǎn)生C-S-H凝膠，進(jìn)而更有效提高靜動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度及沖擊韌性；隨應(yīng)變率的增大，納米氧化硅對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響降低，峰值應(yīng)變?cè)龃骩12]；納米氧化硅的添加可降低動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子及應(yīng)變率敏感性。

為充分發(fā)揮玄武巖纖維和納米氧化硅的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)纖維在細(xì)宏觀上和納米材料在微觀上對(duì)再生混凝土的復(fù)合增強(qiáng)作用，部分學(xué)者通過(guò)玄武巖纖維和納米氧化硅復(fù)合增強(qiáng)了混凝土。研究表明，玄武巖纖維和納米氧化硅可顯著改善混凝土的力學(xué)性能[13]。由于再生混凝土和普通混凝土的力學(xué)性能有較大差異，因此，需另行研究玄武巖纖維和納米氧化硅對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響。王永貴等的研究表明，玄武巖纖維和納米氧化硅可以改善砂漿內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及玄武巖纖維與砂漿基體的黏結(jié)性能，進(jìn)而提高再生混凝土的靜態(tài)力學(xué)性能。然而，現(xiàn)有的研究較少涉及玄武巖纖維與納米氧化硅復(fù)合改性再生混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。隨著再生混凝土應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，在其生命周期內(nèi)不但承受靜載作用，還有可能遭受爆炸、沖擊等動(dòng)荷載作用。鑒于此，有必要對(duì)玄武巖纖維與納米氧化硅復(fù)合增強(qiáng)再生混凝土的靜動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行對(duì)比研究。本文通過(guò)河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院直徑50 mm的分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar ，SHPB)和立方體靜載抗壓試驗(yàn)，對(duì)比分析了玄武巖纖維與納米氧化硅復(fù)合改性再生混凝土靜動(dòng)態(tài)抗壓性能，初步探索了玄武巖纖維和納米氧化硅對(duì)再生混凝土靜動(dòng)態(tài)抗壓性能影響，以期為拓展再生混凝土的工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料性能

水泥由焦作丹陽(yáng)水泥公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。玄武巖纖維(basalt fiber,BF)由海寧安捷復(fù)合材料公司生產(chǎn)，其性能指標(biāo)見(jiàn)表2(廠家提供)。納米氧化硅(nano-silica,NS)由南宮市銳騰合金材料有限公司提供，其性能指標(biāo)見(jiàn)表3(廠家提供)。細(xì)骨料選取中等粒徑河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.46，表觀密度為1 996 kg/m3。天然粗骨料(natural aggregate,NA)為連續(xù)級(jí)配碎石，其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表4；再生粗骨料(recycled aggregate,RA)由河南理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室廢棄混凝土構(gòu)件經(jīng)人工破碎而成，其原始設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表4。試驗(yàn)過(guò)程用水均為城市自來(lái)水。

表1 水泥性能指標(biāo)Tab.1 Performance indexes of cement

表2 玄武巖纖維性能指標(biāo)Tab.2 Properties of basalt fiber

表3 納米氧化硅顆粒物理性能指標(biāo)Tab.3 Physical properties of Nano-SiO2 particles

表4 粗骨料物理性能指標(biāo)Tab.4 Physical properties of coarse aggregate

1.2 配合比設(shè)計(jì)

為探討取代率、BF及NS摻量變化對(duì)RC力學(xué)性能的影響，本文以再生骨料取代率(r)、BF及NS摻量為控制參數(shù)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其中，再生粗骨料取代率為RA占粗骨料總量的體積比，分別設(shè)計(jì)0、50%、100% 3種變化情況；BF質(zhì)量摻量共設(shè)計(jì)0、1 kg/m3、2 kg/m33種變化情況；NS摻量為其占水泥質(zhì)量比，分別設(shè)計(jì)0、3%、6% 3種情況?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)變量變化情況，共設(shè)計(jì)了27種工況的混凝土配合比，每種工況的配合比對(duì)應(yīng)一個(gè)編號(hào)，編號(hào)包含3組數(shù)字，其中:第一組數(shù)字代表取代率;第二組數(shù)字代表BF摻量;最后一組數(shù)字表示NS摻量;比如編號(hào)R100-1-6表示取代率為100%、BF摻量為1 kg/m3、NS摻量為6%時(shí)的配合比。上述配合比中用水量及水灰比保持不變，僅取代率、BF及NS摻量變化，取R0-0-0為基準(zhǔn)混凝土，其配合比如表5所示。為消除因RA與NA吸水率不同所帶來(lái)的影響，試驗(yàn)前將粗骨料均用水浸泡24 h，晾至表干后再及時(shí)拌制混凝土。

表5 基準(zhǔn)混凝土配合比

Tab.5 Reference mix proportion

(kg·m-3)

為使BF及NS均勻分散于混凝土基體中，在前期研究基礎(chǔ)上，根據(jù)文獻(xiàn)[14]的建議，采用分段投料法拌制混凝土，主要流程如圖1所示。

圖1 改性再生混凝土拌制流程Fig.1 RAC mixing procedure

將經(jīng)過(guò)上述流程所形成的混合料及時(shí)裝入塑料試模內(nèi)，經(jīng)過(guò)振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)1 min，運(yùn)至溫度為(20±1)℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，同時(shí)覆蓋塑料薄膜，24 h后拆模，而后將試塊放入到恒溫水池內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，于試驗(yàn)前一天取出晾至表干，以進(jìn)行靜態(tài)抗壓試驗(yàn)及霍普金森壓桿試驗(yàn)。靜態(tài)試驗(yàn)中試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，每組3塊試塊。為準(zhǔn)確反映混凝土材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，霍普金森壓桿試驗(yàn)時(shí)試塊的長(zhǎng)徑比L/D=0.4～1.0。因此，將養(yǎng)護(hù)后的試塊送到試塊加工廠進(jìn)行加工，采用SHM-200型雙端面磨石機(jī)對(duì)試塊進(jìn)行精細(xì)加工打磨，試塊直徑尺寸控制在(50±1)mm，長(zhǎng)度控制在(25±1)mm，表面不平整度小于0.02 mm。每組18個(gè)試塊，分別測(cè)試3種應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)，每種應(yīng)變率下均測(cè)試6個(gè)試塊。

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

力學(xué)性能試驗(yàn)試驗(yàn)包括靜態(tài)抗壓性能試驗(yàn)和沖擊性能試驗(yàn)。靜態(tài)抗壓性能試驗(yàn)在量程為1 000 kN的液壓機(jī)上進(jìn)行，加載速率為0.2 MPa·s-1，加載過(guò)程按照GB/T 50081—2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求進(jìn)行。沖擊試驗(yàn)在河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室直徑為50 mm的分離式霍普金森壓桿上進(jìn)行。分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)主要由壓桿系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)、以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其中數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)采用東華高科公司生產(chǎn)的DHDAS8302動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，試驗(yàn)加載系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 SHPB test system

為降低霍普金森壓桿的“彌散效應(yīng)”，提高試塊中應(yīng)力的均勻程度，減小波形的震蕩，經(jīng)過(guò)對(duì)比橡膠、鋁片、銅片等材料，試驗(yàn)中選用黃銅片作為波形整形器對(duì)入射波形的形狀進(jìn)行控制，黃銅片形狀為6 mm×6 mm×1 mm的長(zhǎng)方體。同時(shí)，為消除試塊端部摩擦力的不利影響，將試塊兩端面涂抹高級(jí)潤(rùn)滑油。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整氣壓值來(lái)設(shè)定不同的子彈沖擊速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)變率測(cè)試。經(jīng)過(guò)波形整形后的典型波形曲線如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，通過(guò)波形整形后，入射波前沿上升時(shí)間明顯增加，彌散效應(yīng)降低，有效實(shí)現(xiàn)了高頻濾波。

圖3 部分試塊波形曲線Fig.3 Strain waveform of samples

2 結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

從斷裂力學(xué)的角度來(lái)看，混凝土材料的破壞主要是由于內(nèi)部微裂紋發(fā)展合并，進(jìn)而貫通形成宏觀破壞裂紋所致。不同應(yīng)變率、纖維和氧化硅含量下的破壞形態(tài)如圖4～圖7所示。

(a)40.38 s-1

(a)72.59 s-1時(shí)的R50-0-0

(a)73.01 s-1時(shí)的R50-2-0

(a)側(cè)面

通過(guò)對(duì)比不同工況下的破壞形態(tài)可發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)受壓時(shí)，再生混凝土與普通混凝土破壞結(jié)果相似，整體上表現(xiàn)為粗骨料與水泥膠體之間的黏結(jié)破壞，較少出現(xiàn)粗骨料斷裂，主要是靜態(tài)荷載作用下，加載速率較慢，裂紋有充足時(shí)間沿試塊內(nèi)部薄弱區(qū)域擴(kuò)展。沖擊荷載作用下，隨應(yīng)變率增大，試塊的破壞形態(tài)由完整經(jīng)破裂向粉碎過(guò)渡(見(jiàn)圖4)，且應(yīng)變率較高時(shí)，試塊破壞時(shí)伴有爆裂聲，該試驗(yàn)現(xiàn)象亦被李文貴等所觀測(cè)到。主要是因?yàn)椴煌瑧?yīng)變率下微裂紋發(fā)展方式略有不同，應(yīng)變率較低時(shí)，不能提供足夠能量使微裂紋萌生和擴(kuò)展，不足以形成數(shù)量較多的宏觀破壞裂紋，僅少數(shù)微裂紋發(fā)展、合并，致使破壞時(shí)試塊較為完整；隨應(yīng)變率的增大，外部輸入能量較大，在較短時(shí)間內(nèi)大量微裂紋萌生、發(fā)展、合并，迅速形成數(shù)量較多的宏觀破壞裂紋，因此，試塊破碎成較多小塊，無(wú)主體形態(tài)。應(yīng)變率較低時(shí)(比如應(yīng)變率為75 s-1左右時(shí))，隨著纖維的加入，試塊破碎時(shí)的整體性略有增強(qiáng)(見(jiàn)圖5)，主要是由于纖維的橋聯(lián)效應(yīng)得以發(fā)揮，阻止了裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，因此整體性有所增強(qiáng)[15]。應(yīng)變率較低時(shí)，氧化硅含量的加入，試塊破碎時(shí)的整體性降低(見(jiàn)圖6)，其原因是納米氧化硅顆粒具有較高活性，可充分發(fā)揮填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)[16]，有利于砂漿基體密實(shí)度的增加和界面過(guò)渡區(qū)性能的改善，使再生混凝土薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)得以改善，砂漿密實(shí)度有所增強(qiáng)，降低了微孔隙和微裂紋含量，沖擊荷載下新產(chǎn)生裂紋數(shù)量增大。通過(guò)對(duì)比不同的破壞狀態(tài)，還可發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)變率的增大，玄武巖纖維及納米氧化硅含量的影響逐漸降低，應(yīng)變率較高時(shí)，玄武巖纖維及納米氧化硅含量已不產(chǎn)生明顯影響。對(duì)比不同取代率下的破壞形態(tài)可發(fā)現(xiàn)，取代率對(duì)試塊破壞形態(tài)不產(chǎn)生明顯影響，其主要原因是，雖然取代率增大使再生混凝土內(nèi)部薄弱區(qū)域增多，但是，在沖擊荷載作用下試塊受壓變形至破壞時(shí)間較短，裂紋來(lái)不及沿薄弱區(qū)發(fā)展，而是萌生大量微裂紋，因此，取代率對(duì)破壞形態(tài)不產(chǎn)生明顯影響。

同時(shí)，由圖7可以看出，由試塊側(cè)面來(lái)看，裂紋主要沿著界面過(guò)渡區(qū)發(fā)展，較少有裂紋貫穿粗骨料的情況發(fā)生；由試塊端面來(lái)看，裂紋也是主要沿著界面過(guò)渡區(qū)擴(kuò)展，但存在部分粗骨料被裂紋貫穿的情況；就試塊內(nèi)部而言，不少粗骨料出現(xiàn)斷裂破壞，該現(xiàn)象亦被王立聞等[17]所觀測(cè)到。應(yīng)力波在傳遞過(guò)程中，促使裂紋沿著荷載加載方向擴(kuò)展，即由泊松效應(yīng)所引起的拉應(yīng)力破壞，表現(xiàn)為沿軸向的劈裂破壞。上述情況表明，界面過(guò)渡區(qū)為再生混凝土受力過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

應(yīng)力-應(yīng)變曲線全面反映了加載過(guò)程中混凝土的應(yīng)力應(yīng)變之間的變化關(guān)系，是進(jìn)行其他力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)。部分改性再生混凝土試塊的SHPB沖擊荷載下應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖8所示。其中，動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線是通過(guò)“三波法”計(jì)算公式對(duì)入射波、反射波及透射波進(jìn)行換算而得。

(a)R100-1-6

改性再生混凝土為脆性非均質(zhì)材料，在試塊制作、養(yǎng)護(hù)及加工過(guò)程中，混凝土內(nèi)部存在尺寸不一的微裂紋和微孔洞等缺陷，裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展是混凝土破壞的直接原因。在沖擊荷載作用下，混凝土受力過(guò)程是應(yīng)變硬化和損傷軟化兩種效應(yīng)的綜合。由圖8可以看出，沖擊荷載作用下，表現(xiàn)出一定的應(yīng)變硬化在相應(yīng)的應(yīng)變率下，混凝土內(nèi)部缺陷(指微孔洞與微裂紋)經(jīng)歷了壓密過(guò)程，致使混凝土承載力有了相應(yīng)的提升。隨應(yīng)變率增大，材料的彈性變形段變長(zhǎng)，峰值應(yīng)力相應(yīng)提高。其原因是裂紋產(chǎn)生所需能量遠(yuǎn)大于裂紋擴(kuò)展所需能量，應(yīng)變率較小時(shí)，混凝土經(jīng)歷的壓密時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，微空洞和微裂紋有充足的時(shí)間發(fā)展和匯合，所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力也就有所降低；應(yīng)變率越大，壓密過(guò)程持時(shí)越短，混凝土內(nèi)部沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行能量的累積，也就是變形緩沖作用小，根據(jù)沖量定量，混凝土只有增大應(yīng)力來(lái)平衡外部沖量，所以，峰值應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大而增大。由圖8可發(fā)現(xiàn)，隨取代率及玄武巖纖維含量增大，峰值應(yīng)力附近逐漸趨于平緩，即在較大應(yīng)變范圍內(nèi)仍保持強(qiáng)度，峰值應(yīng)力較難辨認(rèn)，表明玄武巖纖維添加使混凝土表現(xiàn)出較好地變形性能。氧化硅含量對(duì)再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀不產(chǎn)生規(guī)律性影響。

由圖8(b)可以看出，沖擊荷載作用下，部分試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線產(chǎn)生一定的波動(dòng)，主要是沖擊過(guò)程激發(fā)的儀器振動(dòng)所引起的。

2.2.2 抗壓強(qiáng)度

通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得不同應(yīng)變率下的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及比能量吸收等性能指標(biāo)，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及比能量吸收統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表6。

由表6可以看出，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度隨取代率的增大而降低，玄武巖纖維和納米氧化硅的加入并不改變?cè)撟兓厔?shì)，該情況表明，取代率是影響改性再生混凝土力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。同時(shí)，由表6還可以看出，玄武巖纖維有助于再生混凝土抗壓強(qiáng)度的提高，主要是玄武巖纖維有利于改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，降低微裂縫尖端應(yīng)力，進(jìn)而抑制微裂縫的形成和發(fā)展；玄武巖纖維在混凝土基體中形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有利于阻止裂紋的擴(kuò)展。

相同取代率時(shí)，隨納米氧化硅含量的增大，抗壓強(qiáng)度總體上增大。納米氧化硅粒子表面具有大量不飽和鍵，其具有較大的比表面積，因此表現(xiàn)出較高的化學(xué)活性。在水泥水化過(guò)程中，納米氧化硅粒子與Ca(OH)2晶體產(chǎn)生如式(1)所示的化學(xué)反應(yīng)，將強(qiáng)度較低的Ca(OH)2晶體轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度較高的絮狀水化硅酸鈣膠凝(C-S-H)；同時(shí)，納米氧化硅顆粒粒徑較小，具有較好的填充效應(yīng)，可填充于混凝土內(nèi)部微孔隙及微裂縫中。上述因素作用下，砂漿密實(shí)度和增強(qiáng)界面過(guò)渡區(qū)性能得以改善，進(jìn)而抗壓強(qiáng)度有所提高。

SiO2+mH2O+nCa(OH)2=nCaO·SiO2×

(m+n)H2O

(1)

由表6可以看出，隨納米氧化硅含量的增大，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度降低。比如，取100%取代率和纖維含量2 kg/m3時(shí)，納米氧化硅含量由0增至3%以及由3%增至6%時(shí)，靜態(tài)抗壓強(qiáng)度分別提高5.77%和3.24%。主要原因是，隨納米氧化硅含量的增大，氧化硅顆粒除與Ca(OH)2晶體產(chǎn)生反應(yīng)生成C-S-H凝膠外，仍有部分氧化硅顆粒未能與Ca(OH)2晶體產(chǎn)生反應(yīng)，而是作為填料填充于砂漿基體內(nèi)。因此，氧化硅含量由3%過(guò)渡到6%時(shí)，再生混凝土抗壓強(qiáng)度變化幅度較小。

構(gòu)成BF的基本結(jié)構(gòu)是四面體[MO4](M=Si4+,Al3+)單元及八面體[MO6](M=Al3+,Mg2+,Fe2+)單元，在堿性環(huán)境中，硅氧四面體中的橋氧鍵與OH-產(chǎn)生反應(yīng)，橋氧鍵斷裂，纖維表面產(chǎn)生腐蝕，降低纖維與混凝土基體的黏結(jié)效果。納米氧化硅加入后，其先于玄武巖纖維表面與OH-產(chǎn)生反應(yīng)而生成C-S-H膠凝，降低玄武巖纖維表面腐蝕效果。不同氧化硅含量時(shí)的玄武巖纖維表面及砂漿基體SEM照片，如圖9所示。

(a)R50-2-0

由圖9可知，不添加納米氧化硅時(shí)，砂漿基體松散，纖維表面腐蝕效果嚴(yán)重；添加氧化硅后，纖維表面腐蝕情況大為降低，砂漿基體致密性大為提高；與3%氧化硅含量相比，6%氧化硅含量時(shí)纖維表面腐蝕情況及砂漿基體致密性能均沒(méi)有明顯改變。

動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度是應(yīng)力-應(yīng)變曲線上對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)力，體現(xiàn)了材料的強(qiáng)度指標(biāo)，是衡量混凝土抗沖擊性能的重要指標(biāo)之一。部分試塊的動(dòng)態(tài)受壓強(qiáng)度變化率隨應(yīng)變率變化,關(guān)系如圖10所示。由表6及圖10可以看出，隨應(yīng)變率增大，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增大。沖擊荷載下，試塊由開(kāi)始變形至破壞的時(shí)間較短，大部分裂紋萌生發(fā)展得不充分，不足以耗散外部沖擊能量，額外的沖擊能量只有依靠應(yīng)力的增加來(lái)耗散。應(yīng)變率越大，試塊所需的抵抗應(yīng)力越大，因此，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度就越大。應(yīng)變率不變時(shí)，再生混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度不再隨取代率的增大而降低。主要原因是雖然隨取代率增大，再生混凝土內(nèi)部微裂紋及微孔洞含量增大，但是由于沖擊荷載作用時(shí)間較短，試塊瞬時(shí)面臨較大的外部能量輸入，裂紋來(lái)不及混凝土內(nèi)部沿薄弱區(qū)域發(fā)展，而是萌生大量新裂紋，因此，取代率對(duì)再生混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度不產(chǎn)生規(guī)律性影響。

表6 抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及比能量吸收統(tǒng)計(jì)值Tab.6 Statistics of peak stress,peak strain and specific energy absorption

由表6及圖10還可看出，不同取代率下，不論單摻玄武巖纖維或納米氧化硅，還是復(fù)合添加纖維和氧化硅，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均有不同程度的提高。其主要原因是：纖維的橋聯(lián)效應(yīng)阻止了裂紋的進(jìn)一步發(fā)展；納米氧化硅顆粒有利于砂漿基體密實(shí)度的增加和界面過(guò)渡區(qū)性能的改善，可鈍化微裂紋尖端處應(yīng)力，進(jìn)而減緩微裂紋的擴(kuò)展；同時(shí)，納米氧化硅可降低玄武巖纖維表面腐蝕效果。上述因素單獨(dú)或共同作用下致使改性再生混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較普通再生混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度有所提高。

(a)

不同應(yīng)變率時(shí)的抗壓強(qiáng)度可通過(guò)強(qiáng)度增長(zhǎng)因子來(lái)反映。強(qiáng)度增長(zhǎng)因子(dynamic increase factor,DIF)是試塊動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與靜態(tài)抗壓強(qiáng)度之比值，反映了沖擊荷載下材料抗壓強(qiáng)度變化情況，是衡量混凝土應(yīng)變率效應(yīng)的一個(gè)重要指，可由式(2)表示。各應(yīng)變率時(shí)的動(dòng)態(tài)增強(qiáng)因子如表6所示。

(2)

式中，fcd、fcs分別表示再生混凝土的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。

由表6可以看出，隨應(yīng)變率增大，DIF增大。沖擊荷載下，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增大主要?dú)w結(jié)為下述幾點(diǎn)：① 黏性阻力效應(yīng)，沖擊荷載作用下，混凝土強(qiáng)度具有顯著的率敏感性，表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率增大而增大，此現(xiàn)象為黏性效應(yīng)。沖擊荷載下，水泥基材料所具有的黏性可阻止細(xì)微裂紋的進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)變率越大，黏性效應(yīng)越顯著，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度越高。② 橫向慣性效應(yīng)，沖擊荷載下，試塊將產(chǎn)生壓縮變形，但慣性力阻止其壓縮變形，慣性力約束下，試塊內(nèi)部處于三向受力狀態(tài)，當(dāng)應(yīng)變率增大，慣性力亦隨之增大，試塊所需要的破壞荷載就越大，表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)強(qiáng)度增大。③ 裂紋演化效應(yīng)，隨應(yīng)變率的增大，荷載作用時(shí)間變短，混凝土用于緩沖變形的時(shí)間較短，裂紋來(lái)不及擴(kuò)展，根據(jù)沖量定量，只有通過(guò)增加應(yīng)力的辦法來(lái)平衡外部沖量，因此，強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而提高。

2.2.3 峰值應(yīng)變

峰值應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)榉逯祽?yīng)變，體現(xiàn)了試塊的變形性能，超過(guò)峰值應(yīng)變后試塊將出現(xiàn)破壞而喪失承載能力。沖擊荷載下再生混凝土的峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率的變化趨勢(shì)并未取得一致的研究結(jié)論。Lu等[18]的研究表明，隨應(yīng)變率的增大，再生混凝土的峰值應(yīng)變?cè)龃?；但是Xiao等[19]認(rèn)為，隨應(yīng)變率的增大，再生混凝土的峰值應(yīng)變不具有規(guī)律性變化。本次試驗(yàn)的峰值應(yīng)變統(tǒng)計(jì)值如表6所示?？梢钥闯?，隨應(yīng)變率和取代率的增大，峰值應(yīng)變不具有規(guī)律性。同時(shí)，由表6可以得出部分試塊的峰值應(yīng)變變化率隨應(yīng)變率的變化情況，如圖11所示。

由表6及圖11可以看出，玄武巖纖維和納米氧化硅有利于提高動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變。其主要原因是，混凝土的峰值應(yīng)變包括彈性應(yīng)變和黏性應(yīng)變，玄武巖纖維和納米氧化硅的添加有利于黏性應(yīng)變的增加，進(jìn)而導(dǎo)致再生混凝土的峰值應(yīng)變?cè)龃?。上述情況表明，在沖擊荷載下，玄武巖纖維和納米氧化硅對(duì)再生混凝土變形性能具有一定的增強(qiáng)作用。

2.3 耗能性能

混凝土的耗能性能主要受兩個(gè)方面影響，即外部的沖擊能量和內(nèi)部的初始損傷狀態(tài)。外部的沖擊能量主要是導(dǎo)致試塊破壞的直接原因，裂紋的萌生、發(fā)展及貫通等過(guò)程均需外部能量；試塊內(nèi)部的初始損傷狀態(tài)主要是試塊經(jīng)澆筑、振搗及養(yǎng)護(hù)等一系列過(guò)程中內(nèi)部所產(chǎn)生的微裂紋和微孔洞等缺陷，還包括原材料內(nèi)部的初始缺陷，上述初始缺陷導(dǎo)致試塊抵抗沖擊荷載的能力產(chǎn)生改變，進(jìn)而影響試塊的宏觀耗能性能。試塊耗能性能的可通過(guò)比能量吸收(specific energy absorption,SEA)進(jìn)行衡量，比能量吸收是評(píng)判混凝土耗能性能的重要指標(biāo)。沖擊試驗(yàn)中試塊吸收的能量Wa主要包括三部分，即裂紋萌生發(fā)展至破壞所耗散的能量Wde，試塊破碎后碎塊飛濺所耗散的動(dòng)能Wv，通過(guò)熱能、聲能及電磁能等形式所耗散的能量Wo。施勁松等的研究表明，Wv和Wo占Wa的含量很小，可忽略，因此可認(rèn)為Wa與Wde相等。因加載過(guò)程中在試塊兩端面上涂抹了高級(jí)潤(rùn)滑油，加載過(guò)程中試塊與入射桿和投射桿之間的摩擦力所耗散的能量可忽略。根據(jù)能量守恒定律，比能量吸收可按式(3)表示，比能量吸收統(tǒng)計(jì)值如表6所示。

(3)

式中:A及AS分別為桿件和試塊的橫截面積;E為桿件彈性模量;c為桿中波速，LS為試塊初始厚度;εi(t)、εr(t)、εt(t)分別是桿中入射、反射及投射應(yīng)變;T為試塊最終破壞時(shí)刻。

(a)

由表6可得出比能量吸收變化率隨應(yīng)變率變化關(guān)系，部分試塊的比能量吸收變化率隨應(yīng)變率變化關(guān)系,如圖12所示。由表6及圖12可以看出，隨應(yīng)變率的增大，比能量吸收增大，表明比能量吸收具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。主要原因是:當(dāng)應(yīng)變率較低時(shí)，外部輸入能量部分被試塊破壞所耗散，部分以彈性能方式釋放，耗能性能較低；隨應(yīng)變率增大，外部輸入能量達(dá)到或超過(guò)試塊破壞所需能量，裂紋來(lái)不及沿內(nèi)部薄弱面發(fā)展，而是在較短時(shí)間內(nèi)萌生大量微裂紋來(lái)平衡沖擊能量，而萌生新裂紋所需要的能量遠(yuǎn)大于裂紋擴(kuò)展所耗散的能量，應(yīng)變率越大，裂紋數(shù)量就越多，能量耗散也就越大；應(yīng)變率較高時(shí)，試塊內(nèi)部裂紋充分發(fā)展并產(chǎn)生大量微裂紋，致使試塊變形性能顯著提升，耗能性能也就明顯增大。

(a)

可以看出，玄武巖纖維及納米氧化硅的添加有利于比能量吸收的增大。其原因主要?dú)w結(jié)為,均勻分散于混凝土內(nèi)部的玄武巖纖維，其橋聯(lián)效應(yīng)得以充分發(fā)揮，阻止裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，沖擊荷載作用下，面臨兩種情況：新微裂紋萌生及老裂紋擴(kuò)展致使纖維拔出，但所需能量均高于裂紋擴(kuò)展所需能量；納米氧化硅顆粒具有較高活性，可充分發(fā)揮填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，有利于砂漿基體密實(shí)度的增加和界面過(guò)渡區(qū)性能的改善，使再生混凝土薄弱區(qū)結(jié)構(gòu)得以改善，降低了微孔隙和微裂紋數(shù)量，沖擊荷載下新產(chǎn)生裂紋數(shù)量增大；同時(shí)，砂漿密實(shí)度的提高增大了玄武巖纖維拔出和裂紋擴(kuò)展所需能量。上述因素共同作用下單位體積能耗增多，進(jìn)而導(dǎo)致再生混凝土的比能量吸收增大。

由表6可以看出，取代率對(duì)比能量吸收的影響不具有規(guī)律性。沖擊荷載作用下，試塊由受力直至破壞時(shí)程較短，部分裂紋來(lái)不及沿混凝土內(nèi)部薄弱區(qū)域擴(kuò)展，而是在不同區(qū)域萌生大量細(xì)微裂紋，因此，比能量吸收隨取代率的增大不產(chǎn)生規(guī)律性變化。該情況趨勢(shì)也表明，取代率不是影響比能量吸收的主要因素。

3 結(jié) 論

(1)應(yīng)變率較低時(shí)，玄武巖纖維有利于增強(qiáng)試塊破碎時(shí)的整體性，納米氧化硅降低試塊破碎時(shí)的整體性；隨著應(yīng)變率的增大，玄武巖纖維及納米氧化硅含量的影響逐漸降低；取代率對(duì)試塊動(dòng)態(tài)破壞形態(tài)不產(chǎn)生明顯影響。

(2)再生混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度隨取代率的增大而降低，玄武巖纖維和納米氧化硅的添加并不改變?cè)撟兓厔?shì)；取代率不變時(shí)，玄武巖纖維和納米氧化硅的添加有利于靜態(tài)抗壓強(qiáng)度的增大，隨氧化硅含量增大，再生混凝土靜態(tài)抗壓強(qiáng)度增大。

(3)隨應(yīng)變率增大，再生混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增大；玄武巖纖維和納米氧化硅有利于動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的提高；取代率對(duì)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度不產(chǎn)生規(guī)律性影響。

(4)玄武巖纖維和納米氧化硅有利于動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變的提高；應(yīng)變率和取代率對(duì)再生混凝土動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變不產(chǎn)生規(guī)律性影響。

(5)隨應(yīng)變率的增大，再生混凝土的耗能性能增大，玄武巖纖維和納米氧化硅有利于再生混凝土耗能性能的提高；取代率對(duì)再生混凝土耗能性能不產(chǎn)生規(guī)律性影響。