海水海砂再生混凝土單軸受壓應力-應變?nèi)€

張凱建，肖建莊，3，張青天

（1.同濟大學土木工程學院，上海200092；2.福州大學土木工程學院，福建福州350116；3.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092）

由于河砂資源短缺，價格不斷上漲，因此我國自20世紀90年代以來在沿海地區(qū)開始使用海砂［1］。值得注意的是，上述應用的海砂基本是淡化海砂，以避免高氯離子（Cl-）含量對鋼筋的銹蝕。據(jù)調(diào)查，我國近海5～50 m范圍內(nèi)，有豐富的粒徑大于細砂的海砂資源儲備（達到了380億m3），可用作中細砂［2］。考慮到纖維增強復合材料（FRP）有較高的強重比以及抗腐蝕性能，Teng等［3］在2011年首次提出FRP-海水海砂混凝土的組合形式，這為原狀海水海砂混凝土的使用創(chuàng)造了條件。另一方面，我國建筑廢物排放量逐年增加，2019年超過18.5億噸（不含渣土）［4］，實現(xiàn)廢混凝土的再生利用是有效處理建筑固廢的科學方式。將廢混凝土破碎加工成再生粗骨料，部分（質(zhì)量分數(shù)15%以上）或全部代替天然骨料配制而成的新混凝土，稱為再生混凝土［5］。

將海水海砂與再生骨料組合后制備的混凝土，稱為海水海砂再生混凝土（SSRAC，本研究中再生骨料為再生粗骨料）。海水海砂再生混凝土既可以充分利用豐富的海水海砂資源，也可以消納廢棄混凝土，同時減少礦山的開采，具有顯著的生態(tài)性。海水海砂再生混凝土的力學性能已經(jīng)引起重視［6］。目前，關于海水海砂再生混凝土應力-應變關系的研究還較少。Guo等［7］探究了海水海砂普通混凝土的應力-應變曲線，發(fā)現(xiàn)彈性模量和峰值應變降低。本研究中將基于試驗探究海水海砂再生混凝土單軸受壓的破壞模式，討論不同應變率下海水海砂再生混凝土的單軸受壓應力-應變曲線。

1 試驗過程

1.1 材料物理性能指標

試驗所用的再生粗骨料（RCA）粒徑為5～25 mm，細骨料為河砂、海砂以及貝殼砂。粗骨料物理指標測試結果如表1所示。由表1可知，再生粗骨料的堆積密度和表觀密度都低于天然粗骨料（NCA），再生粗骨料的泥塊含量、壓碎指標和吸水率都明顯好于天然粗骨料。細骨料物理指標測試結果如表2所示。由表2可知，海砂中Cl-含量為0.057%，高于貝殼砂，海砂和貝殼砂中的貝殼含量分別為2.31%和99.43%。試驗所用海水依據(jù)美國材料實驗協(xié)會（D1141―98）［8］關于海水制備規(guī)程中所給的化學成分配制得到。

表1 粗骨料物理性能Tab.1 Physical properties of coarse aggregates

表2 海砂、貝殼砂物理性能Tab.2 Physical properties of sea sand and shell sand

河砂、海砂以及貝殼砂的級配曲線如圖1所示。級配曲線顯示，不同類別砂的級配曲線大部分在國家標準［9］規(guī)定的上下限內(nèi)，海砂中小于0.6 mm孔徑的累積篩余率和貝殼砂中小于1.0 mm孔徑的累積篩余率略高于上限值。此外，與國家標準［9］相比，ISO標準［10］中的上下限更為嚴格。

圖1 砂骨料級配曲線Fig.1 Grading curves of sand aggregates

1.2 配合比設計及試塊澆筑

混凝土的水灰比為0.47，依據(jù)貝殼含量及再生粗骨料取代率將試塊分為9組，其中貝殼含量分為純海砂、海砂與貝殼砂含量為4∶1的混合砂2組。再生粗骨料取代率為0、50%和100%。棱柱體試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，每組制作6個試件。海水海砂再生混凝土配合比如表3所示。試件編號中RAC表示再生混凝土，其后數(shù)字表示再生粗骨料取代率，%；M表示貝殼含量為2.33%，H表示貝殼含量為21.73%；SSNAC表示海水海砂混凝土。水泥等級為42.5。根據(jù)表1中再生粗骨料含水率和吸水率確定每組的附加水用量（吸水率和含水率之差與再生粗骨料質(zhì)量的乘積）［11］，附加水與該組的自由水類別相同。減水劑為聚羧酸高效減水劑，用量為3.19 kg·m-3。混凝土試件采用室外養(yǎng)護的方式，直至達到預定齡期。

表3 海水海砂再生混凝土配合比Tab.3 Mix proportions of SSRAC 單位：kg·m-3

1.3 試件加載

所有試件在澆筑120 d后進行試驗。加載裝置為MTS 815.02電液伺服試驗系統(tǒng)［11］。采用位移加載，加載速率分別為0.003 mm·s-1和3.000 mm·s-1，對應的應變率分別為10-5s-1和10-2s-1。加載程序分為預加載和正式加載。在預加載過程中采用力控制，預加載峰值荷載設置為5 kN；正式加載采用位移控制，加載速率根據(jù)不同的應變率要求進行設置，最大位移設置為3.0 mm。

2 試驗結果分析

2.1 單軸受壓破壞模式

圖2給出了10-5s-1和10-2s-1應變率下試件的破壞模式。在加載初期，棱柱體試件沒有裂縫產(chǎn)生。隨著荷載的增大，試件端部開始出現(xiàn)細小的豎向裂縫，而且裂縫數(shù)量逐漸增多。達到峰值應力后，荷載緩慢降低，開始出現(xiàn)比較明顯的豎向裂縫，之后裂縫貫通，形成試件破環(huán)時的主裂縫。結果表明，再生粗骨料取代率、海水海砂含量以及貝殼含量對試件破壞模式的影響不顯著，試件破壞時最終形成一條連接試件上部和下部的貫通主裂縫。

2.2 應力-應變?nèi)€特征指標

對所測得的相同試件在相同應變率下的3條試驗曲線進行統(tǒng)計分析，得到曲線的均值，如圖3～5所示。圖3～5中，NAC-2、NAC-5、RAC50-2、RAC50-5、RAC100-2、RAC100-5分別表示應變率為10-2s-1和10-5s-1下試件。

圖3 NAC、RAC應力-應變均值曲線Fig.3 Mean stress-strain curves of NAC and RAC

應力-應變曲線的特征指標包括峰值應力、峰值應變和彈性模量（0.5%～30.0%峰值應力對應的割線模量），試驗結果如圖6～8所示。

由圖6可知，10-2s-1應變率下應力-應變曲線的特征指標高于10-5s-1應變率下的特征指標。在10-2s-1應變率下，RAC50峰值應力提高了26.80%，峰值應變提高了7.41%，彈性模量提高了19.80%；RAC100的峰值應力提高了7.54%，峰值應變相當，彈性模量提高了28.20%。此外，隨著再生粗骨料取代率的增加，不同應變率下再生混凝土的峰值應力整體呈下降趨勢（見圖6a），峰值應變逐漸增加（見圖6b），彈性模量顯著降低（見圖6c）。

圖6 NAC、RAC應力-應變曲線特征指標Fig.6 Characteristic indices of stress-strain curves of NAC and RAC

由圖7可知，10-2s-1應變率下M-SSRAC的特征指標整體上高于10-5s-1應變率下的特征指標。10-2s-1應變率下，M-SSRAC100的峰值應力提高了21.70%，M-SSNAC和M-SSRAC100的峰值應變隨應變率增大而增加，10-2s-1應變率下MSSRAC50的彈性模量提高了7.75%，M-SSRAC的峰值應力隨再生粗骨料取代率的增加而增大。與M-SSNAC相比，10-5s-1應變率下M-SSRAC50的峰值應力提高了24.10%，10-2s-1應變率下提高了23.10%。M-SSRAC50和M-SSRAC100的彈性模量隨再生粗骨料取代率增加呈下降趨勢，與MSSNAC相比，2種應變率下M-SSRAC50的彈性模量分別降低了11.30%和19.20%，M-SSRAC100的彈性模量分別降低了17.70%和29.60%。

圖7 M-SSNAC、M-SSRAC應力-應變曲線特征指標Fig.7 Characteristic indices of stress-strain curves of M-SSNAC and M-SSRAC

由圖8可知，H-SSRAC的峰值應力和彈性模量隨應變率增大而增大，而峰值應變呈下降趨勢。與10-5s-1應變率相比，10-2s-1應變率下H-SSRAC50和H-SSRAC100的峰值應力分別提高了3.04%和6.38%。對于峰值應變，10-2s-1應變率下的值顯著低于10-5s-1應變率下的值。與10-5s-1應變率相比，10-2s-1應變率下彈性模量顯著提升，H-SSRAC50和H-SSRAC100的彈性模量分別提升了41.80%和40.40%。峰值應力隨再生粗骨料取代率的發(fā)展趨勢不明顯。峰值應變隨再生粗骨料取代率增加而逐漸增大，在10-5s-1應變率下，峰值應變隨再生粗骨料取代率基本呈線性增長。隨著再生粗骨料取代率的增加，彈性模量逐漸降低，與H-SSNAC相比，10-5s-1應變率下H-SSRAC50的彈性模量降低了19.70%，10-2s-1應變率下降低了17.40%，2種應變率下H-SSRAC100的彈性模量分別降低了24.70%和23.40%。

圖4 M-SSNAC、M-SSRAC應力-應變均值曲線Fig.4 Mean stress-strain curves of M-SSNAC and M-SSRAC

圖5 H-SSNAC、H-SSRAC應力-應變均值曲線Fig.5 Mean stress-strain curves of H-SSNAC and H-SSRAC

圖8 H-SSNAC、H-SSRAC應力-應變曲線特征指標Fig.8 Characteristic indices of stress-strain curves of H-SSNAC and H-SSRAC

2.3 動態(tài)增長因子

特征指標的動態(tài)增長因子定義為動態(tài)應變率下的特征指標與準靜態(tài)下的特征指標的比值。圖9給出了特征指標的動態(tài)增長因子（10-2s-1與10-5s-1應變率下特征指標的比值）。由圖9a可知，對于RAC，隨著再生粗骨料取代率的增加，峰值應力的動態(tài)增長因子Dσ逐漸降低，NAC、RAC50和RAC100的Dσ依次為1.41、1.27和1.08；對于M-SSRAC，當再生粗骨料取代率由0增加50%時，Dσ變化不明顯（1.10變化到1.09），在再生粗骨料取代率為100%時增加到1.22；H-SSRAC的Dσ變化趨勢與M-SSRAC不同，呈先降低后增加的趨勢。此外，當再生粗骨料取代率為50%時，隨著混凝土中貝殼含量的增加，Dσ逐漸降低，而在其他再生粗骨料取代率時無明顯發(fā)展趨勢。

圖9 特征指標的動態(tài)增長因子Fig.9 DIF of characteristic indices

對于峰值應變，由圖9b可知，RAC的峰值應變動態(tài)增長因子Dε隨再生粗骨料取代率增加逐漸降低，M-SSRAC和H-SSRAC的Dε變化一致，呈先降低后增加趨勢，M-SSRAC的Dε高于H-SSRAC的Dε。當再生粗骨料取代率為0和50%時，隨著混凝土中貝殼含量的增加，Dε逐漸降低；當再生粗骨料取代率為100%時，Dε隨貝殼含量的增加先增加后降低。

由圖9c可知，RAC彈性模量動態(tài)增長因子DE隨再生粗骨料取代率先增加后降低，M-SSRAC的DE隨再生粗骨料取代率增加呈下降趨勢，依次為1.18、1.08和0.99，而H-SSRAC的DE隨再生粗骨料取代率增加基本不變，為1.40左右。隨著貝殼含量的增加，當再生粗骨料取代率為0時，DE逐漸增加，而當再生粗骨料取代率為50%和100%時，DE都呈先降低后增加的趨勢，H-SSRAC的DE為所有組中的最大值。

3 海水海砂再生混凝土CT測試

利用電子計算機斷層掃描（CT）技術（機器型號為NIKON XTH 320/225，旋轉(zhuǎn)速度為120 rpm，電壓和電流分別為300 kV和250 mA，切片厚度為1.0 mm），測試了海水海砂再生混凝土內(nèi)部的孔隙分布。海水海砂再生混凝土樣品為邊長78 mm的立方體，將掃描的二維圖像進行渲染生成體積圖像，對海水海砂再生混凝土內(nèi)部的不同相和孔結構進行了三維重建。圖10給出了不同孔徑孔隙的空間分布。

圖10 海水海砂再生混凝土孔結構Fig.10 Pore structures of SSRAC specimens

對于RAC，隨著再生粗骨料取代率的增加，孔隙率顯著增加，NAC的孔隙率為1.850%，RAC100的孔隙率增加到1.989%，這主要是由于再生粗骨料的加入引入了更多的疏松多孔的界面過渡區(qū)［12］，導致孔隙率增加。海水海砂加入后，孔隙率降低。M-SSNAC的孔隙率為2.900%，M-SSRAC100的孔隙率降低到1.960%，降低了32.4%；H-SSNAC的孔隙率為2.220%，H-SSRAC100的孔隙率降低到1.945%，降低了12.4%。海水海砂再生混凝土孔隙率的測試結果為應力-應變曲線中峰值應力的測試結果提供了解釋，即孔隙率越高，峰值應力越低。考慮到再生粗骨料表面通常附著未水化的水泥，海水海砂加入后，未水化水泥與Cl-發(fā)生反應并形成填充再生粗骨料表面孔隙的產(chǎn)物（Friedel鹽［13］）。因此，適量的Cl-可彌補再生粗骨料的缺陷，降低孔隙率。另一方面，海水海砂中含有SO-23，導致水化產(chǎn)物中鈣礬石的含量增加［14］，體積膨脹更為嚴重。由于SSRAC的彈性模量比SSNAC低，這為鈣礬石的體積膨脹提供了緩沖作用，減少了內(nèi)部膨脹孔隙的產(chǎn)生，因此再生粗骨料的加入降低了孔隙率。

加入海水海砂后，貝殼含量的增加可以降低再生混凝土的孔隙率。RAC100、M-SSRAC100和HSSRAC100的貝殼含量依次增加，孔隙率逐漸降低。實際上，現(xiàn)有文獻［1］的研究顯示，貝殼含量對混凝土力學性能的影響趨勢不明顯，還需要更多相關的研究進行深入分析。

4 應力-應變?nèi)€預測

4.1 預測結果對比

利用現(xiàn)有的3種模型來預測再生混凝土本構曲線，分別來自歐洲規(guī)范［15］、肖建莊等［16］研究和中國規(guī)范［17］。利用上述模型計算10-5s-1應變率下海水海砂再生混凝土的應力-應變?nèi)€，與相同應變率下試驗曲線進行對比，如圖11～12所示。

由模型預測曲線與試驗曲線的對比可知，對于應力-應變曲線的上升段，3種模型的預測曲線與試驗結果比較吻合。對于下降段，不同模型的預測效果不同。對于M-SSRAC，由圖11可知，中國規(guī)范模型［17］與試驗曲線更為吻合。對于H-SSRAC，當再生粗骨料取代率為零時（H-SSNAC），圖12a顯示中國規(guī)范模型［17］與試驗曲線更為吻合；肖建莊等模型［16］的預測曲線與H-SSRAC50和H-SSRAC100的試驗曲線更為吻合，如圖12 b和c所示。

4.2 動態(tài)應力-應變?nèi)€

基于試驗數(shù)據(jù)，同時參考現(xiàn)有文獻［18］，暫不考慮峰值應變的變化［18］，在式（1）和（2）確定動態(tài)峰值應力σd，cp和動態(tài)彈性模量Ed，c后，代入準靜態(tài)應力-應變模型用來描述海水海砂再生混凝土的動態(tài)應力-應變?nèi)€。

選取中國規(guī)范模型［17］描述海水海砂再生混凝土的動態(tài)本構關系，確定動態(tài)應變率下的峰值應力和彈性模量后，通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到下降段系數(shù)。下降段修正系數(shù)如表4所示。將修正后的下降段系數(shù)代入中國規(guī)范模型［17］，預測曲線和試驗測試曲線對比如圖13～14所示。

圖13 M-SSNAC、M-SSRAC修正模型預測曲線與試驗結果對比Fig.13 Comparison between predicted curves from modified model and tested results for M-SSNAC and MSSRAC

圖14 H-SSNAC、H-SSRAC模型預測曲線與試驗曲線對比Fig.14 Comparison between predicted curves from modified model and tested results for H-SSNAC and HSSRAC

表4 下降段修正系數(shù)（應變率=10-2 s-1）Tab.4 Modified factor of descending branch（stain rate=10-2 s-1）

在準靜態(tài)應力-應變模型的基礎上，考慮特征指標的動態(tài)增長因子后，通過修正模型下降段形狀系數(shù)，可以很好地描述海水海砂再生混凝土在10-2s-1應變率下的應力-應變?nèi)€。

5 結論

（1）海水海砂再生混凝土的峰值應力和彈性模量整體上隨著應變率的增大而提高。再生粗骨料取代率對不同組的海水海砂再生混凝土峰值應力和峰值應變影響不同，但彈性模量隨著再生粗骨料取代率提高顯著降低。

（2）隨著再生粗骨料取代率的增加，M-SSRAC和H-SSRAC的Dσ呈先降低后增加的趨勢；MSSRAC和H-SSRAC的Dε變化一致，呈先降低后增加趨勢；M-SSRAC的DE隨再生粗骨料取代率增加呈下降趨勢，而H-SSRAC的DE隨再生粗骨料取代率增加基本不變。

（3）隨著再生粗骨料取代率的增加，RAC孔隙率顯著增加，而海水海砂的加入會降低孔隙率，貝殼含量的增加也可以降低再生混凝土的孔隙率。

（4）現(xiàn)有3種本構模型的預測曲線與應力-應變曲線的上升段試驗結果比較吻合?？紤]峰值應力和彈性模量的動態(tài)增長因子后，在準靜態(tài)應力-應變模型的基礎上，通過修正模型下降段形狀系數(shù)，得到了海水海砂再生混凝土的動態(tài)應力-應變預測曲線。