含磚粒再生粗骨料取代率對混凝土斷裂性能的影響

安新正, 馬曉楠, 申彥利

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，邯鄲 056038)

為了解決建筑垃圾對生態(tài)環(huán)境帶來的危害，從可持續(xù)發(fā)展及綠色生態(tài)的角度出發(fā)，用處理后的建筑垃圾作為再生骨料部分或全部替代天然骨料制成的再生混凝土已受到各國學(xué)者們的廣泛關(guān)注。目前，所研究的再生混凝土中再生骨料的來源大多數(shù)為廢棄混凝土[1-2]。也有部分學(xué)者對廢棄磚塊作再生骨料展開了研究[3-4]，然而由于中國建筑結(jié)構(gòu)形式及建筑材料的多樣性，導(dǎo)致中國現(xiàn)有的拆除建筑垃圾成分較為復(fù)雜，這其中不僅有大量的廢棄混凝土，還有大量的廢棄磚塊及兩者的混合物。雖然廢棄混凝土和廢棄磚塊可以分別回收利用，但目前除了水泥混凝土路面、機場跑道及橋梁等特殊案例外，通常是將兩者統(tǒng)一回收、加工和利用[5]。為了更大限度地將建筑垃圾資源化再利用，現(xiàn)迫切需要對這部分既包含廢棄混凝土又包含廢棄磚塊的建筑垃圾作再生骨料展開研究。

另一方面，自20世紀(jì)70年代中國湖南柘溪大壩出現(xiàn)嚴(yán)重的斷裂事故后，混凝土這種類脆性水泥基材料的斷裂性能便開始受到了中國學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[6]。關(guān)于再生混凝土的斷裂性能，近年來中國已有許多學(xué)者對其進行了研究，其中關(guān)于再生骨料取代率對再生混凝土斷裂性能的影響研究方面，由于各學(xué)者所研究的再生混凝土中再生骨料的來源及基準(zhǔn)混凝土強度等級等各不相同，所以得出的研究結(jié)論也不盡相同[7-8]?；谝陨涎芯勘尘安⒖紤]到含有廢棄磚塊的再生粗骨料不宜多摻[9]，本試驗將含廢棄磚塊的建筑垃圾作再生粗骨料，通過三點彎曲梁試驗研究含磚粒再生粗骨料取代率對混凝土斷裂性能的影響，以期為含磚粒再生粗骨料(以下簡稱再生粗骨料)混凝土的研究及工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 試驗概況

1.1 試驗用原材料

①水泥：太行山牌42.5級普通硅酸鹽水泥；②粗骨料：天然碎石，其粒徑范圍為5～20 mm，表觀密度為2 740 kg/m3，壓碎指標(biāo)為9.1%，24 h吸水率0.93%；③再生粗骨料：邯鄲全有生態(tài)建材有限公司工業(yè)化生產(chǎn)的建筑垃圾再生粗骨料，磚粒含量約為50%，粒徑范圍為5～20 mm，表觀密度為2 350 kg/m3，壓碎指標(biāo)為21.5%，24 h吸水率為12.6%。④細骨料：沙河產(chǎn)細砂，細度模數(shù)為1.62；⑤減水劑：液態(tài)聚羧酸系高效減水劑，減水率為25%；⑥水：自來水。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置4種再生粗骨料取代率R(體積取代)，分別為0%、7%、14%、21%，試件編號分別為NC、RC07、RC14、RC21，其中用天然粗骨料澆筑的混凝土為基準(zhǔn)混凝土，配合比為水∶水泥∶砂∶粗骨料=1∶2.22∶3.03∶7.06，減水劑用量為0.75%。每組澆筑4根帶預(yù)制裂縫的三點彎曲梁試件(縫寬2 mm)，室內(nèi)自然養(yǎng)護28 d。另外，每組同時澆筑3塊邊長為100 mm的立方體試塊，用于測試混凝土28 d抗壓強度。

1.3 試驗方法及測試內(nèi)容

三點彎曲梁試驗在微機控制電子式萬能試驗機上進行，加荷方式為等位移加載，速率設(shè)置為0.05 mm/min，加載示意圖如圖1所示。荷載P由力傳感器進行采集，跨中撓度δ由位移傳感器進行采集，預(yù)制裂縫口張開位移δ由電子引伸計進行采集，在預(yù)制裂縫尖端左右各10 mm處粘貼應(yīng)變片，通過應(yīng)變值ε回滯確定試件的起裂荷載Pini。

圖1 試驗梁加載示意圖Fig.1 Test beam loading diagram

2 斷裂面圖像處理與斷裂參數(shù)計算

2.1 斷裂面圖像處理技術(shù)

運用Photoshop軟件對試件斷裂面照片進行圖像增強處理并對粗骨料進行提取[10](包括拔出破壞及斷裂破壞)，然后將圖片轉(zhuǎn)化成二值圖。運用MATLAB軟件對斷裂面二值圖進行量化處理，計算混合粗骨料與試件斷裂面水平投影面積之比PT及再生粗骨料與混合粗骨料水平投影面積之比PR。將試件斷裂面照片用Photoshop截取成只包含凈斷裂面的圖像，然后用MATLAB對其進行灰度化處理并轉(zhuǎn)化成二值圖，應(yīng)用差分盒算法對圖像的分形維數(shù)D進行提取[11]，考慮到差分盒算法要求圖像的高度和寬度相同，而經(jīng)過截取處理后圖像的高度和寬度并不相同，所以對圖像進行尺度縮放處理。編程時定義n為尺度系數(shù)，處理后的圖像尺寸為2n+1×2n+1，由于設(shè)定不同的n值會得到不同的D值，故參照文獻[12]，選取求解過程中的Dmax作為該試件斷裂面圖像的分形維數(shù)D。D值隨n值的變化規(guī)律及相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)r如圖2所示。

圖2 n對D與r的影響Fig.2 The effect of n on D and r

2.2 斷裂韌度的計算

2.3 斷裂能與延性指數(shù)的計算

基于虛擬裂縫模型理論，混凝土的斷裂能GF可采用式(1)進行計算[15]。為了簡化計算過程同時確保計算精度，試驗時控制最終荷載Pmin與峰值荷載Pmax的比值Pmin/Pmax≤0.04[16]。

GF= [W0+ (m1+ 2m2)gδmax]/Alig

(1)

式(1)中：W0為P-δ曲線下的面積，N·m；m1為支座間試件的質(zhì)量，kg；m2為加載附件的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；δmax為跨中最大位移，m；Alig為試件韌帶面積，m2。

混凝土延性指數(shù)Du可用于表征其延性大小，其值越小，混凝土越脆，具體計算式為[17]

Du=GF/Pmax

(2)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 圖像處理與分析

各取代率下試件斷裂面照片的處理結(jié)果如圖3所示(放大比例為1∶1)，其中黑色實心部分為天然粗骨料，黑邊空心部分為再生粗骨料。通過圖像處理技術(shù)得到各組試件斷裂面的PT及PR，如圖4所示。由圖4可知，PT隨再生粗骨料取代率的增加基本保持穩(wěn)定，說明采用等體積置換天然骨料的方式能保持混凝土粗骨料體積含量的相對穩(wěn)定。另一方面，隨著再生粗骨料取代率的增加，PR呈近似線性的增長，且PR的值較為接近再生粗骨料的設(shè)計取代率，最小誤差為0.77%，最大誤差為1.55%，說明PR能很好地反應(yīng)再生粗骨料的取代水平。

圖3 粗骨料提取示意圖Fig.3 Crude aggregate extraction schematic

圖4 PT、PR與R的關(guān)系Fig.4 Relationship between PT, PR and R

斷裂面分形維數(shù)D可以反應(yīng)斷裂面粗糙程度，D值越小，斷裂面越平整。由圖3可以看出，天然粗骨料與再生粗骨料發(fā)生斷裂破壞的比例均較高，原因是試驗制作的混凝土中硬化水泥砂漿強度較高，強化了水泥砂漿與粗骨料的黏結(jié)面，使粗骨料相對更容易發(fā)生斷裂破壞。根據(jù)差分盒算法計算的試件斷裂面分形維數(shù)與再生粗骨料取代率的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，試件斷裂面的分形維數(shù)D隨再生粗骨料取代率R的增大逐漸減小，說明再生粗骨料的摻入使混凝土斷裂面的平整度增加，原因是由于再生粗骨料表面粗糙、吸水率大使其與水泥砂漿的黏結(jié)性能更優(yōu)，且由于其抗拉強度劣于天然粗骨料，導(dǎo)致其較天然粗骨料更容易發(fā)生斷裂破壞，而對于混凝土而言，粗骨料斷裂破壞比例越高其斷裂面越平整，故隨著再生粗骨料取代率的增加，混合粗骨料斷裂破壞的比例增大，混凝土斷裂面的平整度增加，分形維數(shù)減小。另外，試件斷裂面的分形維數(shù)隨再生粗骨料取代率的增大降幅逐漸減小，原因可能是再生粗骨料中磚粒與獨立砂漿塊由于初始微裂紋的存在使其斷裂面較為不平整，在一定程度上減小了分形維數(shù)降低的幅度。

圖5 D與R的關(guān)系Fig.5 The relationship between D and R

3.2 取代率對抗壓強度、斷裂參數(shù)的影響

實測各取代率下再生混凝土的28 d抗壓強度分別為52.02、51.30、49.84、47.75 MPa。再生混凝土的抗壓強度隨再生粗骨料取代率的增大逐漸降低，降幅為1.38%～8.21%，降幅較小，說明此次試驗條件下含磚粒再生粗骨料的摻入對混凝土抗壓強度影響較小。各組試件斷裂參數(shù)計算結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著再生粗骨料取代率的增加，試件的峰值荷載及起裂荷載均出現(xiàn)降低，與峰值荷載相對應(yīng)的臨界裂縫口張開位移δc隨再生粗骨料取代率的增加而增加，這是由于再生粗骨料自身彈性模量低且?guī)в休^多初始損傷(孔洞、微裂縫等)，將其代替天然粗骨料摻入到混凝土中使混凝土的抗拉強度及彈性模量下降，破壞時變形增大。

3.3 雙K斷裂參數(shù)結(jié)果分析

3.4 斷裂能及延性指數(shù)分析

為了更清晰地表示再生粗骨料取代率R對混凝土斷裂能GF與延性指數(shù)Du的影響，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)繪制了相關(guān)關(guān)系圖，如圖6(b)所示。根據(jù)表1和圖6(b)可知，再生粗骨料的摻入使混凝土的斷裂能較基準(zhǔn)組均出現(xiàn)不同程度的降低，降幅分別為5.28%、12.08%、16.64%。由于本試驗粗骨料的破壞形態(tài)大多數(shù)為斷裂破壞，所以在水膠比一定時斷裂能的差異主要體現(xiàn)在裂縫穿過粗骨料時所消耗的能量大小。相對于天然粗骨料，由于再生粗骨料在原結(jié)構(gòu)服役期間及生產(chǎn)破碎過程中不可避免地產(chǎn)生初始損傷，且其組成成分強度較低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為松脆，導(dǎo)致裂縫穿過時消耗的能量相對較小，斷裂能降低。

另外，已有研究結(jié)果表明當(dāng)混凝土中硬化水泥砂漿強度相同時，斷裂能與斷裂面分形維數(shù)之間存在較好的相關(guān)性[18]，為了探究其在摻有再生粗骨料混凝土中的適用性，采用MATLAB對各組試件的斷裂能值與分形維數(shù)值進行相關(guān)分析，求得兩者的相關(guān)系數(shù)r=0.945 6，說明摻有再生粗骨料混凝土的斷裂能與斷裂面分形維數(shù)之間也存在較好的相關(guān)性?？紤]到文獻[18]所用粗骨料均為天然粗骨料，所以為了能更好地建立兩者之間的關(guān)系，將再生粗骨料取代率R作為自變量引入，通過回歸分析得到GF與D、R的回歸方程為

GF=242.53D-1.23R-437.68

(3)

式(3)的決定系數(shù)為0.996 0，說明其能較好地反映摻有再生粗骨料混凝土的斷裂能與斷裂面分形維數(shù)之間的關(guān)系。

另一方面，隨著再生粗骨料取代率的增加，混凝土的延性指數(shù)也有小范圍的降低，取代率為7%、14%、21%時延性指數(shù)較基準(zhǔn)的降幅分別為4.04%、6.93%、8.69%，說明再生粗骨料的摻入降低了混凝土的延性，使混凝土表現(xiàn)出更強的脆性，裂縫更容易貫穿截面而發(fā)生斷裂破壞。

4 結(jié)論

基于本試驗條件下的研究結(jié)果得到以下結(jié)論。

(1) 含磚粒再生粗骨料的摻入使混凝土抗壓強度降低，但在此次試驗條件下，即最大取代率為21%時，強度降低并不明顯，降幅在10%以內(nèi)。對于主要承壓的混凝土構(gòu)件，可在拌制時以等體積取代的方式摻入少量的含磚粒再生粗骨料。

表1 試件斷裂參數(shù)

圖6 再生粗骨料取代率對混凝土斷裂參數(shù)的影響Fig.6 Effect of recycled coarse aggregate replacement rate on concrete fracture parameters

(2) 雙K斷裂參數(shù)均隨含磚粒再生粗骨料取代率的增加而降低，起裂韌度最大降幅為27.41%，失穩(wěn)韌度最大降幅為11.13%，起裂韌度較失穩(wěn)韌度對含磚粒再生粗骨料的摻入更為敏感，降幅更大。另外，起裂荷載、峰值荷載及臨界有效裂縫長度也均隨含磚粒再生粗骨料取代率的增加而降低，其中起裂荷載降幅最大，臨界有效裂縫長度降幅最小，僅為2.02%。

(3) 隨著含磚粒再生粗骨料取代率的增加，混凝土的斷裂能與延性指數(shù)均有不同程度的降低趨勢，斷裂能最大降幅為16.64%，延性指數(shù)最大降幅為8.69%，含磚粒再生粗骨料的摻入使混凝土耗能能力變?nèi)?，脆性變強?/p>

(4) 試件斷裂面中含磚粒再生粗骨料與混合粗骨料的水平投影面積之比能較好地反映含磚粒再生粗骨料的取代水平，在求算非均質(zhì)材料中某成分(單位體積相對較大)的體積含量時，該結(jié)論具有一定的參考價值。分形維數(shù)能較好地反映混凝土斷裂面特征，且斷裂面分形維數(shù)與斷裂能有較好地相關(guān)性。根據(jù)含磚粒再生粗骨料取代率與試件斷裂面分形維數(shù)，采用試驗得出的回歸方程可以較好的預(yù)測再生混凝土的斷裂能。