再生磚混骨料混凝土基本力學(xué)性能與本構(gòu)模型

朱超,趙文韜,余偉航,劉超*1,

（1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院，西安 710055；3.西安建筑科技大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710055）

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，大量老舊建筑被拆除或改建，產(chǎn)生的建筑拆除垃圾(C&DW)種類繁多且數(shù)量巨大，加劇了環(huán)境污染。將C&DW制作成再生骨料(RA)替代部分天然骨料(NA)制備再生混凝土可以有效解決這些問(wèn)題[1]。由C&DW破碎產(chǎn)生的再生骨料分為兩類：一類是通過(guò)破碎廢棄混凝土制備的再生混凝土骨料(RCA)，占總再生骨料的40%；另一種是混合再生骨料(MRA)，包括廢棄混凝土、磚和少量瓷磚，占剩余的60%[2]。針對(duì)再生混凝土骨料，各國(guó)學(xué)者對(duì)其力學(xué)性能[3-9]、耐久性[10-11]等進(jìn)行了大量研究，對(duì)其本構(gòu)模型的研究也已較成熟[12-15]。但混合再生骨料的組成比再生混凝土骨料更復(fù)雜，其性能也具有明顯差異。其中最主要的一個(gè)原因是黏土磚塊含量顯著增加，由于其表觀密度低、吸水率大、壓碎指標(biāo)高，顯著降低了再生混凝土力學(xué)性能[16-17]。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磚骨料含量超過(guò)20wt%時(shí)對(duì)混凝土性能的影響開(kāi)始顯著增加[18-19]，也有研究表明磚骨料摻量在10wt%～25wt%以內(nèi)時(shí)，對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響較小[20-21]。

Yang等[22]和Zheng等[23]使用再生磚骨料取代天然骨料制備混凝土，結(jié)果表明取代率在20wt%以下時(shí)混凝土力學(xué)性能無(wú)明顯下降趨勢(shì)，而50wt%及以上時(shí)力學(xué)性能顯著降低。MRA的摻入降低了再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，無(wú)論天然粗骨料(NCA)含量如何，MRA混凝土的立方抗壓強(qiáng)度和彈性模量總是隨著紅磚含量的增加而線性降低[24]。有研究認(rèn)為使用磚骨料和混合再生骨料作為粗骨料可以制備出物理力學(xué)性能滿足使用要求的次輕混凝土[25]。Chi等[26]利用磚混再生骨料制作出了滿足香港最低要求的道路基層。馬昆林等[27]認(rèn)為磚混再生粗骨料可以滿足強(qiáng)度等級(jí)為C25及以下混凝土對(duì)粗骨料性能的要求。也有學(xué)者對(duì)全再生磚混骨料混凝土構(gòu)件性能進(jìn)行了研究[28]。本構(gòu)關(guān)系是深入研究再生混凝土力學(xué)性能的重要內(nèi)容。Yan等[2]和陳杰等[17]在現(xiàn)有再生混凝土本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)修正方法，分別提出了兩個(gè)不同的再生磚混骨料混凝土本構(gòu)模型，但是其表達(dá)方式較復(fù)雜。

可以看出，目前對(duì)再生磚混骨料混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)及本構(gòu)模型的研究均較有限。本文在總結(jié)已有研究的基礎(chǔ)上，分別以磚骨料體積替代率為0%、50%與100%的再生混凝土進(jìn)行研究，同時(shí)以可泵送混凝土為參考，在制作試塊的過(guò)程中利用減水劑調(diào)整混凝土拌合物坍落度使其保持在(180±10) mm。試驗(yàn)研究了所制備再生磚混骨料混凝土的抗壓、劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度等基本物理力學(xué)性能，探究了磚骨料的摻入對(duì)混凝土性能的影響機(jī)制。同時(shí)通過(guò)分析棱柱體試塊單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)結(jié)果，建立再生磚混骨料混凝土單軸受壓本構(gòu)模型，可為之后的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和建模提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料

再生混凝土粗骨料和再生磚骨料均由陜西建新環(huán)保公司生產(chǎn)。其中再生混凝土粗骨料與再生磚骨料均來(lái)自于服役50年左右的老舊房屋，原始混凝土強(qiáng)度為C40，粗骨料為碎石，磚為黏土磚。水泥采用冀東牌42.5 R普通硅酸鹽水泥，外加劑采用秦奮建材生產(chǎn)的20wt%固含量聚羧酸高效減水劑，細(xì)骨料為天然河砂，拌合水采用試驗(yàn)室自來(lái)水。

制作試塊所使用的天然骨料、再生混凝土骨料和再生磚骨料的粒徑符合規(guī)范中制備混凝土所用粗骨料5～31.5 mm連續(xù)粒徑級(jí)配的要求，且混合再生骨料的粒徑分布與天然材料的粒徑分布大致相同(圖1)。因此無(wú)需調(diào)整混合比例，只需在體積上做等量替代即可。

圖1 粗骨料粒徑級(jí)配Fig.1 Grading curves of various coarse aggregates

所用再生骨料的物理性質(zhì)見(jiàn)表1。由于磚骨料的高吸水性對(duì)所制備混凝土各項(xiàng)性能影響較大，本文采用預(yù)濕法預(yù)先處理磚骨料。先將磚骨料預(yù)濕24 h飽水，摻入前得到處于飽和面干狀態(tài)的磚骨料。

表1 磚骨料(RBA)、再生混凝土骨料(RCA)及天然骨料(NA)的物理性能Table 1 Properties of recycled brick aggregate (RBA),recycled concrete aggregate (RCA) and natural aggregate (NA)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

以取代率為0% (即天然混凝土)為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)水膠比為0.3和0.4的配合比，對(duì)于不同取代率時(shí)，僅改變?cè)偕止橇吓c天然粗骨料的比例，總的粗骨料體積不變，其他成分保持不變，具體配合比詳見(jiàn)表2。

表2 再生磚混骨料混凝土配合比Table 2 Mix proportion of mixed recycled aggregate concrete

在配制時(shí)先將細(xì)骨料和水泥在攪拌機(jī)中混合攪拌2 min。然后加入粗骨料，攪拌2 min后再加入水和少許減水劑，攪拌1 min。測(cè)試攪拌均勻的混凝土拌合物的坍落度，若不滿足則加入少許減水劑繼續(xù)攪拌，重復(fù)至坍落度達(dá)到試驗(yàn)要求。將調(diào)制好的混凝土制作為18個(gè)立方體(100 mm×100 mm×100 mm)和18個(gè)棱柱(100 mm×100 mm×400 mm)用以測(cè)試混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及進(jìn)行單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)。試塊在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1天后拆模，移入養(yǎng)護(hù)箱中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度T=(20±2)℃，濕度RH≥95%)。

1.3 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)主要通過(guò)中機(jī)試驗(yàn)公司生產(chǎn)的電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行(圖2)，依據(jù)《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2019)[29]，測(cè)試抗壓、劈裂抗拉及抗折強(qiáng)度時(shí)加荷速度為0.05 MPa/s。進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)時(shí)，將兩個(gè)引伸計(jì)安裝在樣品相對(duì)表面的中間高度，以測(cè)量平均軸向應(yīng)變，試樣在單軸壓縮下以0.2 mm/min的位移速率進(jìn)行，并以0.05 s的間隔收集數(shù)據(jù)，直到試驗(yàn)結(jié)束。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test setup

采用FEI公司生產(chǎn)的Quanta 600 FEG型場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)磚混再生骨料混凝土界面區(qū)微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)前取包含界面過(guò)渡區(qū)的試件樣品加入無(wú)水乙醇中終止水化，超聲清洗后使其自然風(fēng)干，而后對(duì)其進(jìn)行噴金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生磚混骨料混凝土抗壓強(qiáng)度

圖3給出了天然骨料和不同再生骨料相對(duì)應(yīng)混凝土的28天抗壓強(qiáng)度值?？梢钥闯?，0.3水膠比試塊抗壓強(qiáng)度較0.4水膠比有明顯增加；再生骨料混凝土試塊抗壓強(qiáng)度皆小于天然骨料混凝土。在0.3水膠比下，與NC相比，0%RBC(0.3)、50%RBC(0.3)和100%RBC(0.3)的28天抗壓強(qiáng)度分別下降了13.4%、23.4%和29.9%。0.4水膠比的情況與之類似，但與Bai等[30]所觀察到的現(xiàn)象不同，0.4水膠比時(shí)的變化率并沒(méi)有小于0.3水膠比，這可能是試驗(yàn)方法不同導(dǎo)致的，馬昆林等[31]的研究結(jié)果表明采用預(yù)濕法處理后磚混再生骨料所制得的再生混凝土較普通混凝土抗壓強(qiáng)度下降比例會(huì)有明顯下降。骨料類型和水膠比對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響顯著，這與Zhang等[32]和Martinez-Lage等[33]的研究結(jié)果具有一致性。RBC(0.3)的抗壓強(qiáng)度與0.4水膠比下的NC相近，這主要是由于舊粘結(jié)砂漿與骨料的界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)的水利用率較低導(dǎo)致的[31]。隨著磚骨料含量的增加，其抗壓強(qiáng)度明顯降低。但在0.4水膠比下，100%磚骨料制備的再生混凝土強(qiáng)度仍可以達(dá)到30.4 MPa。如圖4所示，觀察破壞后斷面發(fā)現(xiàn)，幾乎所有磚骨料呈斷裂形態(tài)，粘結(jié)磚骨料的水泥膠界面并未裂開(kāi)。對(duì)于磚混再生骨料混凝土，粘結(jié)再生混凝土骨料的水泥膠界面和磚骨料同時(shí)開(kāi)裂，但再生混凝土骨料大部分并未開(kāi)裂。這說(shuō)明磚骨料與再生混凝土骨料的老砂漿-新砂漿界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度低是導(dǎo)致試塊抗壓強(qiáng)度降低的主要原因。

圖3 再生磚混骨料混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.3 Compressive strength of mixed recycled aggregate concrete

圖4 再生磚混骨料混凝土抗壓試驗(yàn)破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of mixed recycled aggregate concrete comperessive test

2.2 再生磚混骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

不同水膠比和骨料類型下再生磚混骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度如圖5所示。相同水膠比條件下，摻入再生骨料的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度下降較明顯。0.3水膠比下，與對(duì)照組相比，0%RBC(0.3)、50%RBC(0.3)、100%RBC(0.3)的劈裂抗拉強(qiáng)度分別下降了6.98%、14.71%和25.69%。當(dāng)水膠比為0.4時(shí)，其值分別為8.18%、22.16%和28.50%，較水膠比為0.3時(shí)有明顯的增加。保持骨料類型不變，0.4水膠比下再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度明顯低于0.3水膠比，平均降低率約為8.75%。這也說(shuō)明骨料類型對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響大于水膠比的影響，磚骨料摻量是限制再生磚混骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的首要因素[34]。破壞面平整、光滑，磚骨料多由內(nèi)部劈裂，不沿磚骨料界面開(kāi)展(圖6)。

圖5 再生磚混骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.5 Splitting tensile strength of mixed recycled aggregate concrete

圖6 再生磚混骨料混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of mixed recycled aggregate concrete splitting tensile test

2.3 再生磚混骨料混凝土抗折強(qiáng)度

再生磚混骨料混凝土的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)值如圖7所示。結(jié)果表明，抗折強(qiáng)度同其他力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律一致，當(dāng)水膠比從0.3變?yōu)?.4，NC、0%RBC、50%RBC和100%RBC組混凝土抗折強(qiáng)度分別降低了10.68%、12.16%、7.08%和10.3%。各組抗折強(qiáng)度降低幅度無(wú)明顯規(guī)律，說(shuō)明骨料類型和水膠比兩個(gè)因素對(duì)抗折強(qiáng)度無(wú)明顯交叉影響效應(yīng)。當(dāng)水膠比為0.3時(shí)，與對(duì)照組相比，0%RBC(0.3)、50%RBC(0.3)和100%RBC(0.3)試件抗折強(qiáng)度分別降低了1.87%，9.67%和15.56%?？拐蹚?qiáng)度的結(jié)果與其他力學(xué)性能的變化規(guī)律一致，粗骨料類型對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度影響較明顯，但下降幅度相較于其他力學(xué)性能較小。參照Hoffmann等[34]的研究可以得出，在磚骨料比例較小時(shí)，其對(duì)再生磚混骨料混凝土(MRC)粱的抗折強(qiáng)度影響小到可以忽略不計(jì)，因此MRA在實(shí)際中具有廣泛的應(yīng)用前景。磚混再生骨料混凝土的開(kāi)裂和裂縫發(fā)展形式與普通混凝土相似，但摻有磚骨料的磚混再生骨料混凝土的脆性特征更顯著，到達(dá)極限荷載時(shí)，試件發(fā)出明顯響聲且與試件抗壓、劈裂抗拉破壞的破壞面破壞形式幾乎一致，均表現(xiàn)為磚骨料的明顯斷裂，見(jiàn)圖8。

圖7 再生磚混骨料混凝土抗折強(qiáng)度Fig.7 Flexural strength of mixed recycled aggregate concrete

圖8 再生磚混骨料混凝土抗折試驗(yàn)破壞形態(tài)Fig.8 Failure modes of mixed recycled aggregate concrete flexural test

2.4 磚骨料-砂漿界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)

與再生混凝土骨料不同，再生黏土磚骨料表面幾乎沒(méi)有附著老砂漿的存在，骨料和砂漿之間的界面過(guò)渡區(qū)只有再生黏土磚骨料-新砂漿界面過(guò)渡區(qū)一種，且表面包裹著一層由于多段破碎而黏附的廢磚粉(圖9)。對(duì)于普通混凝土而言，界面區(qū)域是其內(nèi)部薄弱區(qū)域，其性能對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性能影響顯著。砂漿與骨料界面的粘結(jié)力是影響界面過(guò)渡區(qū)力學(xué)性能的重要因素，而粘結(jié)力的大小通常與骨料表面的粗糙度有關(guān)。磚骨料的粗糙表面和較高孔隙率有利于界面粘結(jié)力的增強(qiáng)。如圖10(a)所示，磚骨料-新砂漿界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)，磚骨料和砂漿之間無(wú)明顯界限。如圖10(b)所示，在磚骨料表面孔隙中觀測(cè)到明顯的水化產(chǎn)物。這說(shuō)明水化產(chǎn)物沉淀進(jìn)入磚骨料的孔隙中，與骨料嵌套形成嵌套區(qū)，使磚骨料與由硅酸鈣水化物組成的混凝土基質(zhì)的整體性得到改善，提升了骨料界面粘結(jié)力[35]。同時(shí)磚骨料表面粘附的廢磚粉具備火山灰活性，反應(yīng)生成的鈣礬石和水化硅酸鈣能夠填充孔隙裂縫。

圖9 RBA的界面模型Fig.9 Interface mode of RBA

圖10 再生磚骨料-砂漿界面過(guò)渡區(qū)(ITZ)的SEM圖像Fig.10 SEM images of ITZ between recycled brick aggregate and mortar

2.5 再生磚混骨料混凝土本構(gòu)模型

2.5.1 單軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)再生磚混骨料混凝土試件的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)可以得出，再生磚混骨料混凝土的破壞形態(tài)與普通混凝土的破壞形態(tài)相似，主要為剪切破壞。再生磚混骨料混凝土的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞形態(tài)如圖11、圖12所示。

圖11 再生磚混骨料混凝土典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Typical stress-strain curve of mixed recycled concrete

圖12 再生磚混骨料混凝土軸心受壓破壞形態(tài)Fig.12 Failure mode of axial compression of mixed recycled concrete

按照單軸本構(gòu)曲線幾何特征和試件各階段過(guò)程破壞形態(tài)，將再生磚混骨料混凝土試件的單軸軸壓破壞分為4個(gè)階段：第一階段為彈性階段(圖11中A點(diǎn)之前)，彈性階段試件承受荷載較小，此時(shí)軸向應(yīng)力＜0.4fc，試件的應(yīng)力和應(yīng)變值基本呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。處于此階段的再生磚混骨料混凝土可以近似看作線彈性材料；第二階段為A點(diǎn)到B點(diǎn)(0.4fc＜0.9fc)附近，在此過(guò)程中試件承受荷載不斷增加，單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)略微“上凸”的曲線形式?；炷羶?nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)不可回復(fù)的非彈性變形，隨著越接近B點(diǎn)，這些不可回復(fù)的非彈性變形積累的越多。這種變化表明，試件內(nèi)部微裂縫逐步積累，應(yīng)變?cè)黾铀俾室搽S之加快，試驗(yàn)曲線斜率逐漸減少，當(dāng)應(yīng)變到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，試件內(nèi)部微裂縫的數(shù)量已經(jīng)較多，但此時(shí)試件表面仍未出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫。經(jīng)過(guò)B點(diǎn)后，在應(yīng)變未到達(dá)C點(diǎn)的過(guò)程中，試件應(yīng)變值緩慢增加直至C點(diǎn)峰值應(yīng)變，此時(shí)混凝土內(nèi)部微裂縫的寬度值飛速增長(zhǎng)。曲線到達(dá)峰值應(yīng)變C點(diǎn)后軸向應(yīng)力開(kāi)始逐漸降低，但應(yīng)變繼續(xù)增加，此階段通常稱為應(yīng)變軟化現(xiàn)象，這也是再生磚混骨料混凝土和普通混凝土在單軸受壓的共有特征。此時(shí)，試件承載力下降速率趨于平穩(wěn)，裂縫逐漸加寬，并朝斜方向拓展，試件表面伴有起皮的現(xiàn)象，同時(shí)試件中部迅速出現(xiàn)多條平行于荷載方向的裂縫，試塊有少許橫向膨脹；最后，多條細(xì)微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，在試件內(nèi)部薄弱區(qū)域逐漸形成主裂縫(D點(diǎn))。

試件應(yīng)變經(jīng)歷上述破壞過(guò)程之后，應(yīng)變進(jìn)一步增加，試件內(nèi)部主裂縫的寬度開(kāi)始擴(kuò)展并逐漸形成一條對(duì)角線破裂帶，其余部分的裂縫此時(shí)都不再拓展。此時(shí)混凝土試件的承載力尚未完全喪失，加載裝置施加的荷載由試件內(nèi)部剩余的粘結(jié)力及摩擦阻力承擔(dān)，隨著應(yīng)變發(fā)展，試件的殘余應(yīng)力緩慢降低。

再生磚混骨料混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖13所示，各個(gè)試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段基本重合，但下降段的離散性很大。摻入再生混凝土骨料對(duì)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀影響不大，而再生磚骨料的摻入對(duì)于混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀，尤其是對(duì)下降段有著顯著影響。100%RBC組峰值應(yīng)變明顯高于NC和0%RBC組混凝土，而其極限應(yīng)變卻在降低，這導(dǎo)致再生磚骨料混凝土極限應(yīng)變與峰值應(yīng)變的比值遠(yuǎn)小于普通混凝土。曲線的下降段變得十分陡峭且混凝土延性顯著降低。

圖13 再生磚混骨料混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.13 Stress-strain curves of mixed recycled aggregate concrete under uniaxial compression

2.5.2 特征指標(biāo)

基于試驗(yàn)結(jié)果，表3列出了各組應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特征指標(biāo)，包括峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變。表4列出了彈性模量的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值。本文采用應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的原點(diǎn)至點(diǎn)的割線模量值作為再生磚骨料混凝土的彈性模量試驗(yàn)值，以混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范的彈性模量計(jì)算公式所得為再生磚混骨料混凝土彈性模量計(jì)算值，下降段0.85fc所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值為極限應(yīng)變?cè)囼?yàn)值。

表3 再生磚混骨料混凝土軸心受壓試驗(yàn)主要試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Main test results of mixed recycled concrete axial compression test

表4 再生磚混骨料混凝土彈性模量計(jì)算值與試驗(yàn)值Table 4 Calculated and experimental values of elastic modulus of mixed recycled concrete

如圖14所示，水膠比為0.3時(shí)，對(duì)照組的峰值應(yīng)力為38.6 MPa，其他組峰值應(yīng)力值均小于對(duì)照組。0%RBC(0.3)組混凝土峰值應(yīng)力為35.48 MPa，較對(duì)照組降低了8.08%。50%RBC(0.3)組混凝土峰值應(yīng)力30.89 MPa，較對(duì)照組降低了19.97%。100%RBC(0.3)組混凝土的峰值應(yīng)力最低，其值為27.72 MPa，較對(duì)照組降低了28.19%，下降幅度接近1/3。0.4水膠比下的再生磚混骨料混凝土峰值應(yīng)力值均低于0.3水膠比，說(shuō)明水膠比對(duì)再生磚混骨料混凝土峰值應(yīng)力的影響趨勢(shì)與普通混凝土相似。0%RBC(0.4)組混凝土峰值應(yīng)力約為33.8 MPa，較對(duì)照組降低4.86%。50%RBC(0.4)組混凝土峰值應(yīng)力為29.61 MPa，較對(duì)照組降低16.9%。100%RBC(0.4)組混凝土峰值應(yīng)力為26.35 MPa，較對(duì)照組降低26.05%。這說(shuō)明摻入磚骨料后，水膠比對(duì)峰值應(yīng)力的影響程度也在減弱，這與前述其他力學(xué)性能影響規(guī)律一致?；炷练逯祽?yīng)變的變化規(guī)律與峰值應(yīng)力不同，0.3水膠比下對(duì)照組普通混凝土的峰值應(yīng)變?yōu)?.253×10-3，低于其他組混凝土峰值應(yīng)變。0%RBC(0.3)、50%RBC(0.3)和100%RBC(0.3)組的峰值應(yīng)變值分別為1.277×10-3、2.242×10-3和2.413×10-3，較對(duì)照組分別增加了1.92%、78.93%和92.58%。水膠比為0.4時(shí)，對(duì)照組混凝土峰值應(yīng)變1.507，也高于0.3水膠比下的試驗(yàn)值。0%RBC(0.4)、50%RBC(0.4)和100%RBC(0.4)組的峰值應(yīng)變值分別為1.571×10-3、2.174×10-3和2.561×10-3，較對(duì)照組分別升高了4.25%、44.26%和69.84%。說(shuō)明全再生混凝土骨料混凝土的峰值應(yīng)變值與普通混凝土十分接近，可以忽略不計(jì)，而摻磚骨料混凝土的峰值應(yīng)變值遠(yuǎn)高于前兩者。峰值應(yīng)變通常反映混凝土在荷載下的變形能力，磚骨料彈性模量高，承受荷載作用時(shí)也易于變形，故而磚骨料含量較高的50%RBC和100%RBC組峰值應(yīng)變遠(yuǎn)高于對(duì)照組和0%RBC組混凝土。

圖14 再生磚混骨料混凝土峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變Fig.14 Peak stress and peak strain of mixed recycled concrete

通過(guò)規(guī)范計(jì)算可得再生磚混骨料混凝土的彈性模量規(guī)范值，計(jì)算結(jié)果列于表4。如圖15所示，以0.3水膠比為例，對(duì)照組普通混凝土的彈性模量試驗(yàn)值為31.18 GPa，這一取值僅比依據(jù)規(guī)范得到的彈性模量計(jì)算值低3 GPa，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比約為0.912。0%RBC(0.3)組的彈性模量試驗(yàn)值為27.99 GPa，規(guī)范計(jì)算值為32.94 GPa，試驗(yàn)值與計(jì)算值之比約0.85。由此說(shuō)明，全再生混凝土骨料混凝土的彈性模量值與普通混凝土較接近，這一結(jié)論與肖建莊等[36]關(guān)于再生混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的研究結(jié)果具有相似性。50%RBC(0.3)組的彈性模量試驗(yàn)值為13.83 GPa，規(guī)范計(jì)算值為31.45 GPa，下降比例達(dá)到了56.03%，遠(yuǎn)超過(guò)一些學(xué)者所得出的數(shù)值[27]，這也說(shuō)明磚骨料摻量超過(guò)25%后對(duì)混凝土性能的影響將顯著增加。100%RBC(0.3)組彈性模量試驗(yàn)值為10.65 GPa，規(guī)范計(jì)算值為30.93 GPa。這兩組的試驗(yàn)值與計(jì)算值之比都遠(yuǎn)小于前兩組。其原因是磚骨料的孔隙度高，結(jié)構(gòu)疏松，因此其骨料壓碎指標(biāo)和強(qiáng)度較天然骨料和再生混凝土骨料也更低，故而磚骨料對(duì)于混凝土的彈性模量影響顯著。50%RBC和100%RBC組的混凝土試驗(yàn)值與規(guī)范值之比遠(yuǎn)小于1，這說(shuō)明摻有磚骨料在內(nèi)的再生磚混骨料混凝土的彈性模量計(jì)算公式不能直接利用普通混凝土的公式進(jìn)行計(jì)算，而是需要乘以折減系數(shù)，建議當(dāng)磚骨料取代率為50%和100%時(shí)，分別乘以折減系數(shù)0.44和0.32。

圖15 再生磚混骨料混凝土彈性模量及其試驗(yàn)值和計(jì)算值之比Fig.15 Modulus of elasticity and ratio of test value to calculated value of mixed recycled concrete

2.6 再生磚混骨料混凝土無(wú)量綱化應(yīng)力-應(yīng)變曲線及擬合公式

2.6.1 修正公式的提出

過(guò)鎮(zhèn)海等[37]提出的普通混凝土單軸受壓本構(gòu)方程符合再生磚混骨料混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段和下降段的幾何特征，表達(dá)式如下：

式中：y=σ/σc、x=ε/εc、a=E0/Ec、Ec=σc/εc；a為曲線上升段參數(shù)；b為曲線下降段參數(shù)；σc、εc分別為再生磚混骨料混凝土的棱柱體單軸受壓峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變；E0、Ec分別為再生磚混骨料混凝土單軸受壓初始彈性模量和峰值割線模量。

將再生磚混骨料混凝土的單軸受壓本構(gòu)曲線橫縱坐標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，以σ/fc為縱坐標(biāo)，以ε/εc為橫坐標(biāo)。將曲線分為上升段和下降段兩部分分別進(jìn)行擬合，擬合所得的模型參數(shù)a、b的值見(jiàn)表5。如圖16所示，試驗(yàn)各組曲線下降段較離散，形狀存在一定差異，但不影響下降段曲線的基本趨勢(shì)，所得擬合曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好。

表5 再生磚混骨料混凝土本構(gòu)參數(shù)a和bTable 5 Constitutive parameters a and b of mixed recycled aggregate concrete

圖16 無(wú)量綱化和擬合再生磚混骨料混凝土單軸受壓本構(gòu)曲線Fig.16 Dimensionless and fitting constitutive curves of mixed recycled aggregate concrete under uniaxial compression

參數(shù)a為混凝土單軸受壓初始彈性模量和峰值割線模量之比，a越大，混凝土前期變形較小，后期變形加快。由于再生混凝土骨料的界面過(guò)渡區(qū)力學(xué)性能較差，更容易產(chǎn)生微裂縫，在全部粗骨料為再生混凝土骨料時(shí)，參數(shù)a較普通混凝土更大，隨著磚骨料替代率的提高，參數(shù)a逐漸降低，這是由于磚骨料的界面過(guò)渡區(qū)力學(xué)性能優(yōu)良。參數(shù)b反映了混凝土的脆性特征，隨著磚骨料替代率的增加，再生混凝土的脆性提高。

2.6.2 修正公式校驗(yàn)

將Ji等[38]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與本文提出的修正公式進(jìn)行對(duì)比，本構(gòu)參數(shù)按照表5取值，峰值壓應(yīng)力與峰值壓應(yīng)變則取文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從圖17可以看出預(yù)測(cè)曲線與試驗(yàn)曲線的吻合程度較好，說(shuō)明本文提出的修正公式可以用于預(yù)測(cè)含磚骨料的再生混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。

圖17 再生磚混骨料混凝土試驗(yàn)曲線與擬合曲線對(duì)比Fig.17 Comparing test curve and the fitting curve of mixed recycled aggregate concrete

2.7 再生磚混骨料混凝土力學(xué)性能換算公式

對(duì)再生磚混骨料混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究表明，其各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)值均與對(duì)照組存在差異，故再生磚混骨料混凝土各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)的換算公式自然與普通混凝土有所區(qū)別。本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立了再生磚混骨料混凝土抗壓強(qiáng)度與其他強(qiáng)度指標(biāo)的換算關(guān)系公式。

通過(guò)測(cè)試的各組力學(xué)性能數(shù)據(jù)可知，各組力學(xué)性能均存在顯著的線性上升或下降規(guī)律。如圖18所示，為了得到各力學(xué)性能之間的數(shù)學(xué)模型，將各個(gè)力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以抗壓強(qiáng)度值作為橫坐標(biāo)，劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)。結(jié)果表明，各力學(xué)性能與抗壓強(qiáng)度之間均具有良好的線性關(guān)系，且相關(guān)度較高，擬合后的回歸方程如下式所示：

圖18 再生磚混骨料混凝土各力學(xué)性能換算公式Fig.18 Conversion formula of mechanical properties of mixed recycled aggregate concrete

式中：fcu為抗壓強(qiáng)度(MPa)；fts為劈裂抗拉強(qiáng)度(MPa)；fc為峰值應(yīng)力(MPa)；εc為峰值應(yīng)變；R2為擬合優(yōu)度；ff為抗折強(qiáng)度(MPa)。

其他力學(xué)性能均隨著抗壓強(qiáng)度的變化而發(fā)生線性改變。通過(guò)再生磚混骨料混凝土的力學(xué)換算模型可以在已知抗壓強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，較好地預(yù)估混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的取值范圍。

3 結(jié) 論

(1) 隨著再生磚骨料取代率的上升，混凝土不同強(qiáng)度指標(biāo)出現(xiàn)了不同程度的降低。其中與對(duì)照組相比，全再生磚骨料混凝土的抗壓、劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度分別下降了29.9%、28.5%和15.56%，再生磚骨料的高吸水性與高孔隙率造成的薄弱區(qū)域?qū)炷亮W(xué)性能有重要影響。磚骨料與再生混凝土骨料的老砂漿-新砂漿界面過(guò)渡區(qū)強(qiáng)度低是導(dǎo)致試塊抗壓強(qiáng)度降低的主要原因。

(2) 得到了再生磚混骨料混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，分析了其彈性模量、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變等參數(shù)的變化規(guī)律及機(jī)制，發(fā)現(xiàn)再生磚混骨料混凝土脆性指數(shù)明顯高于普通混凝土，同時(shí)建立了再生磚混骨料混凝土單軸受壓本構(gòu)模型，為此類再生混凝土的理論模型研究提供參考。

(3) 再生磚混骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變與其抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了擬合，得到了再生磚混骨料混凝土力學(xué)性能換算關(guān)系。