不同養護齡期下再生粗骨料混凝土拉伸本構關系

王雪芳， 肖祥棟， 方金杰， 吳文達， 張 明

(1.福州大學 土木工程學院， 福建 福州 350116； 2.中國建筑第八工程局有限公司總承包公司， 上海 200315；3.水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室， 北京 100084)

將廢混凝土破碎后制備再生骨料混凝土并應用于工程中，既解決了廢混凝土堆放對環境造成的污染，又保護了天然的骨料資源.再生粗骨料混凝土中再生粗骨料的界面結構較普通混凝土中粗骨料的界面結構復雜，使得再生粗骨料混凝土性能與普通混凝土有所差異.與同配比普通混凝土相比，再生粗骨料混凝土的抗壓強度、抗拉強度、壓縮與拉伸彈性模量均較低[1-2]，壓縮應力-應變全曲線中峰值應力對應的應變較大，且下降段較陡[3-4]，從而導致再生粗骨料混凝土的結構受力性能及其變形性能、裂縫發展規律與普通混凝土不盡相同[5-7].混凝土拉伸應力-應變全曲線是混凝土在各個受力階段的變形、內部微裂縫的發展、損傷積累和最終破壞等系列變化過程完整的宏觀反映.對軸拉全曲線的研究，將有助于人們對混凝土斷裂性能的了解，是混凝土斷裂力學深入發展的迫切需要,而且通過大型有限元軟件進行混凝土結構非線性分析計算，預判混凝土結構的開裂風險均需一個可靠的混凝土拉伸本構關系[8].

混凝土的受壓與受拉的破壞機理有所不同，其壓縮本構關系不能直接應用于拉伸本構關系[9]，而現今對于再生粗骨料混凝土拉伸本構關系的研究較少.肖建莊等[1]采用預埋鋼筋的測試方法獲得了不同取代率下再生粗骨料混凝土的拉伸應力-應變關系的上升段.本文通過單軸拉伸試驗，探討不同養護齡期下不同再生粗骨料取代率對再生粗骨料混凝土拉伸本構關系的影響規律，并建立再生粗骨料混凝土拉伸本構關系計算模型.

1 試驗

1.1 原材料

水泥：福建煉石水泥集團有限公司生產的煉石牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥.再生粗骨料(RCA)：由廢棄路面混凝土破碎而成，最大粒徑為20mm，吸水率(質量分數，本文所涉及的吸水率、取代率和水膠比等均為質量分數或質量比)為3.6%，壓碎指標為11%.細骨料：閩江河砂，細度模數為2.14.天然粗骨料(NCA)：5～20mm連續級配的碎石.外加劑：福建省廈門科之杰建材有限公司生產的聚羧酸系高效減水劑.粉煤灰(FA)：Ⅱ級粉煤灰.

1.2 配合比

本文參考JGJ/T 240—2011《再生骨料技術規程》以及有關文獻[10]，設計了取代率R分別為0%，30%，50%，70%，100%以及R固定為70%，粉煤灰摻量分別為20%，30%的7組C35再生粗骨料混凝土(RCAC)的配合比，其中后面2組試件用于驗證拉伸本構方程的普適性；水膠比與砂率均為0.4，如表1所示.凈漿裹石攪拌工藝有助于提高再生粗骨料混凝土的體積穩定性[10-11]，故本文采用該工藝來攪拌混凝土.新拌再生粗骨料混凝土的坍落度值為160～190mm，其坍落度值與立方體抗壓強度也列于表1.

表1 再生粗骨料混凝土配合比、坍落度與立方體抗壓強度

Note：RC70-FA20,RC70-FA30 meanR=70%，FA content is 20%,30% respectively.

1.3 測試方法

采用美國MTS公司生產的MTS370疲勞性能試驗機進行混凝土軸向拉伸試驗，試件連接方式采用單鋼板連接的方式，并通過鏈條來傳遞試驗機的拉伸荷載以實現軸向拉伸(見圖1)，利用MTS配套的位移計控制試驗的加載以及測量試件在受拉過程中的變形量.軸向拉伸試驗加載初期，試件處于彈性階段[12]，此階段采用力控制加載，加載速度為50N/s；當拉力達到試件極限荷載的60%～80%時，試件會出現微裂縫，此時切換至位移控制加載，由變形最大的引伸計控制加載，速度為2×10-5mm/s，直至試件破壞.

圖1 混凝土軸向拉伸試驗加載裝置圖Fig.1 Loading system of concrete axial tensile test

本文軸向拉伸試驗采用φ100×300mm的圓柱體試件.在加載的前一天從養護室中取出試件，切除試件兩端各10mm，自然干燥后用結構粘鋼膠將試件與鋼板粘結.考慮試件制作所需的時間，本文將再生粗骨料混凝土立方體抗壓強度與軸向拉伸性能測試齡期定為3,7,28d.混凝土立方體抗壓強度(fcu)測試按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能》，在300 t YAW4306微機控制電壓伺服試驗機上進行，試件尺寸為150mm×150mm×150mm.

2 試驗結果分析

2.1 軸向拉伸破壞現象

圖2為再生粗骨料混凝土拉伸斷裂截面圖.試件斷裂時，主裂縫貫穿整個橫截面將試件沿環向拉斷并分成兩段，且斷面位置是隨機出現的，說明試件在受拉過程中受到的拉應力較為均勻，無應力集中及偏心現象.從斷裂截面可看出試件斷口處大部分是粗骨料與砂漿界面的黏結破壞，小部分為砂漿與骨料被拉斷.統計30個再生粗骨料混凝土試件斷面后發現，再生粗骨料處界面破壞的試件占全部試件的79.4%，說明粗骨料與砂漿界面是再生粗骨料混凝土的薄弱環節.

圖2 再生粗骨料混凝土試件拉伸斷裂截面圖Fig.2 Tensile fracture section of RCAC specimens

2.2 軸向拉伸應力-應變全曲線

再生粗骨料取代率變化對不同養護齡期下各試件軸向拉伸應力-應變(σ-ε)全曲線的影響如圖3所示.由圖3可見，再生粗骨料混凝土與普通混凝土一樣在曲線上分別有4個特征點：比例極限點、峰值應力點、反彎點、收斂點.齡期相同時再生粗骨料混凝土軸向拉伸應力-應變全曲線的上升段均比普通混凝土平緩，下降段均比普通混凝土陡峭；隨著再生粗骨料取代率的增加，再生粗骨料混凝土軸向拉伸應力-應變全曲線上升段的斜率基本相當，但全曲線下降段則越來越陡.由于再生粗骨料表面粘附著帶裂縫的舊砂漿，使再生粗骨料混凝土內部的初始損傷大于普通混凝土，因而再生粗骨料混凝土在同樣大小軸向拉力作用下的變形大于普通混凝土，裂縫發展速度快于普通混凝土，使其應力達到峰值后的下降段較普通混凝土陡.隨著養護齡期增長，再生粗骨料混凝土的軸向拉伸應力-應變全曲線下降段曲線總體呈現越來越陡的趨勢.

2.3 抗拉強度與峰值應變

圖4為不同養護齡期下，再生粗骨料混凝土達到最大峰值應力時所對應的峰值應變εp隨再生粗骨料取代率R的變化規律圖.由圖4可見：總體上，再生粗骨料混凝土的峰值應變高于普通混凝土；在養護齡期為3，7d時，再生粗骨料混凝土峰值應變隨著再生粗骨料取代率的增大而增大，但在養護齡期為28d時，再生粗骨料取代率對再生粗骨料混凝土峰值應變的影響無明顯規律，差值在8%以內；養護齡期對再生粗骨料混凝土的峰值應變影響不大，其變化幅值在10.8%以內.

圖5(a)為不同再生粗骨料取代率下，再生粗骨料混凝土抗拉強度ft隨養護齡期的變化圖.由圖 5(a) 可見：再生粗骨料混凝土的抗拉強度隨著養護齡期的增長而提高；再生粗骨料混凝土的抗拉強度稍低于普通混凝土，再生粗骨料取代率對再生粗骨料混凝土抗拉強度的影響不顯著；普通混凝土抗拉強度隨養護齡期的增長近似呈線性發展，而再生粗骨料混凝土抗拉強度隨齡期的增長呈非線性發展；當試件的養護齡期從3d延長到7d時，普通混凝土的抗拉強度提高了8%，稍慢于再生粗骨料混凝土的8%～16%；試件的養護齡期從7d延長到28d時，再生粗骨料混凝土抗拉強度提高了10%～18%，而普通混凝土提高了28%.再生粗骨料混凝土的拉壓比隨養護齡期的增長而下降，養護齡期為3，7，28d時，其拉壓比分別為0.070～0.077，0.066～0.069和0.063～0.066.當養護齡期低于7d時，再生粗骨料混凝土的拉壓比與普通混凝土基本相當；養護齡期為28d時則低于普通混凝土.這可能是由于再生粗骨料的吸水率大于天然粗骨料，使得再生粗骨料混凝土內水泥石的水膠比低于普通混凝土，從而使其水泥石強度高于普通混凝土，削弱了再生粗骨料混凝土界面比較薄弱的影響.早齡期時混凝土中的水泥石強度較低，混凝土的拉伸強度取決于界面與水泥石的強度；但是當養護齡期為28d時，水泥石強度較高，混凝土的拉伸強度主要取決于界面的性能.通過回歸分析，再生粗骨料混凝土的抗拉強度ft與立方體抗壓強度fcu的關系為ft=0.164fcu0.76，其R2值為0.82.

圖3 再生粗骨料取代率對再生粗骨料混凝土軸向拉伸應力-應變全曲線的影響Fig.3 Effect of replacement rate of RCA on axial tensile stress-strain curve of RCAC

圖4 再生粗骨料取代率對再生粗骨料混凝土峰值應變的影響Fig.4 Effect of RCA replacement rate on strain of RCAC at tensile stress peak

2.4 彈性模量與峰值變形模量

將再生粗骨料混凝土軸向拉伸應力-應變(σ-ε)全曲線在σ=0.5ft與σ=ft處的割線模量分別定義為再生粗骨料混凝土軸向拉伸彈性模量Ec與峰值變形模量Ep.本試驗所獲得的不同再生粗骨料取代率下再生粗骨料混凝土軸向拉伸彈性模量與峰值變形模量隨養護齡期的發展見圖5(b),(c).由圖5(b),(c)可見，普通混凝土與再生粗骨料混凝土的軸向拉伸彈性模量與峰值變形模量均隨著養護齡期的增長而增大，且近似呈線性增長.總體上，再生粗骨料混凝土的軸向拉伸彈性模量與峰值變形模量均低于普通混凝土，且隨養護齡期發展的速度低于普通混凝土.在養護齡期為3，7d時，再生粗骨料混凝土的軸向拉伸彈性模量較普通混凝土低5%左右，峰值變形模量低15%左右；當養護齡期為28d時，再生粗骨料混凝土的軸向拉伸彈性模量較普通混凝土低13%左右，峰值變形模量低22%左右.普通混凝土的峰值變形模量較其軸向拉伸彈性模量僅降低了5%左右，遠低于再生粗骨料混凝土的15%.這說明由于再生粗骨料的原始缺陷導致再生粗骨料混凝土在荷載作用下的變形增大，且隨著荷載的增大其變形增大的速率高于普通混凝土.一般普通混凝土彈性模量的計算公式為Ec=100/(22+34.7/fcu)，將其用于計算養護齡期為28d的再生粗骨料混凝土軸向拉伸彈性模量時與測試值基本相當，但用于計算養護齡期為3，7d的再生粗骨料混凝土軸向拉伸彈性模量時，其計算值較測試值高10%左右.

圖5 再生粗骨料混凝土拉伸性能隨齡期發展Fig.5 Development of tensile property of RCAC with curing age

3 再生粗骨料混凝土軸向拉伸本構關系

根據再生粗骨料混凝土軸向拉伸試驗所獲得的拉伸應力-應變曲線，采用過鎮海等[13]提出的方程進行擬合：

(1)

根據混凝土拉伸試驗結果，普通混凝土彈性模量與峰值變形模量之比為1.04～1.06，而再生粗骨料混凝土為1.15～1.20，平均值分別為1.06和1.17，方差分別為0.009和0.017.所以，將普通混凝土和再生粗骨料混凝土拉伸本構關系模型上升段參數a分別取值為1.06與1.17；混凝土拉伸本構關系模型的下降段參數b值越大，下降段越陡，普通混凝土b=0.55ft2，再生粗骨料混凝土b=0.70ft2；下降段參數c和d取為擬合參數，普通混凝土c=1.0，d=1.7，再生粗骨料混凝土c=0.7，d=1.1.將模型計算值與實測值對比后發現，兩者總體吻合效果較好(見圖6(a),(b))，上升段的R2值在0.99以上，下降段的R2值在0.80以上.因此，再生粗骨料混凝土拉伸本構關系模型確定為：

上升段：y=1.17x+0.038x2-0.208x6，

(2)

為驗證再生粗骨料混凝土拉伸應力-應變全曲線方程的普適性，利用文獻[14]中取代率R為30%的再生粗骨料混凝土數值模擬曲線數據、RC70-FA20和RC70-FA30的試驗數據與上述拉伸本構關系模型計算結果進行對比(見圖6(c))，發現采用再生粗骨料混凝土拉伸本構關系模型的計算結果較為理想.

4 結論

(1)再生粗骨料混凝土的軸向拉伸應力-應變全曲線總體上與普通混凝土相似，但再生粗骨料混凝土軸向拉伸應力-應變全曲線的上升段較普通混凝土平緩，下降段較普通混凝土陡峭.總體上，再生粗骨料混凝土的軸向拉伸應力-應變全曲線下降段隨著再生粗骨料取代率的增大與養護齡期的增長而變陡.

(2)由于再生粗骨料表面粘附著砂漿且內部存在微裂縫，同時再生粗骨料混凝土中骨料與新水泥基體的黏結強度較低，使得在相同養護齡期下，再生粗骨料混凝土的抗拉強度低于普通混凝土；隨著養護齡期的增長，再生粗骨料混凝土的拉壓比下降.

(3)由于再生粗骨料混凝土界面性能下降，再生粗骨料混凝土在荷載作用下的變形大于普通混凝土，變形的增速快于荷載的增速，從而使其峰值應變高于普通混凝土，彈性模量和峰值變形模量均低于普通混凝土，且彈性模量與峰值變形模量之比高于普通混凝土.在養護齡期低于7d時，再生粗骨料混凝土峰值應變隨著再生粗骨料取代率的增大而增大.

(4)再生粗骨料混凝土抗壓強度、抗拉強度、彈性模量、峰值變形模量均隨著養護齡期的增長而增大，但養護齡期對其峰值應變、彈性模量與峰值變形模量之比基本沒有影響.

(5)養護齡期對再生粗骨料混凝土拉伸性能的影響大于對其抗壓性能的影響，在養護齡期低于7d時，再生粗骨料混凝土的抗拉強度隨養護齡期增長而增長的速率稍快于普通混凝土，其拉壓比基本與普通混凝土相當；在養護齡期高于7d之后，其抗拉強度增長速率與拉壓比均低于普通混凝土.

(6)普通混凝土彈性模量計算公式用于養護齡期為28d的再生粗骨料混凝土軸向拉伸彈性模量計算時，其計算值與實測值基本相當；但是用于早齡期再生粗骨料混凝土軸向拉伸彈性模量計算時，則計算值較實測值高10%左右.

(7)基于再生粗骨料混凝土軸向拉伸應力-應變全曲線實測結果，對相關文獻提出的混凝土拉伸本構關系模型進行修正，提出了再生粗骨料混凝土拉伸本構關系模型，模型計算值與實測結果吻合良好，其R2值在0.80以上.