再生骨料取代率對再生混凝土彎曲疲勞性能的影響

念夢飛，羅素蓉

(福州大學土木工程學院, 福建 福州 350108)

0 引言

隨著城市的快速發展，建筑業對砂石材料的需求增大，并產生了大量的廢棄混凝土，而再生混凝土能夠實現廢棄混凝土的循環利用，解決了廢棄混凝土填埋處理產生的環境污染問題，同時減輕了混凝土天然砂石供應短缺的問題，具有顯著的經濟效益與環保效益. 目前，國內外學者對再生混凝土的研究主要圍繞著基本力學性能[1-4]、 耐久性能[5-7]、 收縮徐變性能[8-9]展開，而對于再生混凝土疲勞性能的研究較為匱乏. Heeralal等[10]研究表明隨著再生骨料取代率的增大，疲勞壽命逐漸減??； 肖建莊等[11]基于損傷理論推導得出再生骨料混凝土彎曲疲勞-N方程； Arora等[12]的研究結果也表明再生骨料混凝土的彎曲疲勞性能較普通混凝土有明顯下降； 李偉[13]對7種取代率下再生混凝土的疲勞性能展開研究，表明隨著再生骨料取代率的提高，再生混凝土在高應力水平下的疲勞壽命逐漸減小，極限逐漸提高. 此外還有學者通過試驗證明在再生骨料混凝土中摻入粉煤灰[14]、 硅灰[15]、 鋼纖維[10]能夠提高再生混凝土的疲勞壽命.

通過對文獻[10-15]整理對比，發現目前國內外學者對再生混凝土的彎曲疲勞性能研究結果存在：1) 樣本數量少，單一應力水平下樣本數不足5根，無法排除疲勞試驗的離散性問題，由此建立的Weibull分布及概率模型可信度低； 2) 不同取代率下混凝土強度變化較大，未實現同強度的疲勞壽命對比； 3) 有研究表明混凝土的孔結構對彎曲疲勞性能有影響[16-17]，而現有研究均未建立再生混凝土宏觀疲勞性能與微觀性能間的聯系. 因此，本文將通過對0%、 50%、 100%取代率的再生混凝土進行等幅彎曲疲勞試驗，并結合孔結構與相關文獻研究結果進行對比，建立再生骨料混凝土的疲勞壽命方程.

1 試驗材料

水泥為煉石牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥； 粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，細度(45 μm篩余)為22.03%，需水量比為97%； 天然粗骨料為福州某山巖破碎加工而成，再生粗骨料為某路面廢棄混凝土破碎加工而成，天然骨料與再生骨料的物理參數如表1所示. 兩種骨料均由粒徑5.0～10.0 mm和10.0～19.0 mm的碎石以質量比1∶2混合得到5.0～20.0 mm連續級配； 天然細骨料采用福州地區河砂，細度模數為2.19，表觀密度為2 592 kg·m-3； 外加劑為聚羧酸系高效減水劑； 試驗用水為普通自來水.

表1 粗骨料物理性能對比

2 試驗方案

混凝土攪拌方式為“干拌法”，拌制流程為：1) 膠凝材料、 粗骨料與河砂混合均勻拌制2 min； 2) 摻入90%水拌制2 min； 3)10%的水與減水劑混合后倒入拌合物中拌制2 min. 混凝土試件在標準養護條件下養護至28 d齡期，測定基本力學性能，在實驗室環境養護至90 d齡期進行彎曲疲勞試驗. 混凝土目標強度為C40，再生粗骨料取代率為0%、 50%、 100%，配合比設計如表2所示. 每組配合比拌制150 mm×150 mm×150 mm立方體試件3塊，100 mm×100 mm×400 mm小梁試件21根，其中6根測定28 d齡期與90 d齡期的抗折強度，15根測定三種應力水平下的彎曲疲勞壽命. 28 d抗壓強度fc、 28 d抗折強度ff、 90 d抗折強度f′f試驗根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T 50081—2002)》[18]進行.

表2 混凝土配合比

圖1 疲勞試驗加載試驗設備Fig.1 Fatigue test instrument

疲勞加載試驗采用四點彎曲法，加載點間距為100 mm，加載裝置如圖1所示. 設備最大量程為250 kN，加載方式采用應力控制，根據各組混凝土的90 d抗折強度，取應力水平為0.6f′f、 0.7f′f、 0.8f′f，應力比為0.1，加載頻率為10 Hz，載荷歷程采用正弦波，疲勞加載前以0.1f′f預壓數次，以消除接觸不良造成的誤差，待儀器運轉正常后進行彎曲疲勞加載，待小梁試件發生斷裂或疲勞加載次數達到200萬次后停止試驗，由儀器記錄再生混凝土的彎曲疲勞壽命.

壓汞試驗采用試樣為90 d齡期同養護條件下混凝土，經破碎后取砂漿約1 g進行測試與分析，通過壓汞儀可以測得樣品的孔徑分布、 最可幾孔徑、 孔隙率等參數.

3 試驗結果與分析

3.1 再生混凝土的力學性能

混凝土強度如表3所示. 與Arora等[12]的研究結果類似，RAC50與RAC100的fc較RAC0分別下降了10.5%與5.9%，而ff僅下降了5.0%與2.7%，表明在相同設計配合比下，再生骨料對混凝土的抗折強度影響較小，而對抗壓強度有明顯的不利影響. 本文中再生骨料混凝土fc雖出現下降，但下降幅度較小，再生混凝土仍能滿足C40的強度設計要求，故認為三組試驗組為同強度混凝土，在混凝土疲勞壽命分析中忽略混凝土強度因素，僅考慮再生骨料對疲勞壽命的影響.

表3 混凝土力學性能

3.2 再生混凝土的疲勞壽命與孔結構

再生混凝土在不同應力水平下的疲勞壽命見表4，試驗結果滿足肖維勒準則離散性檢驗.

表4 混凝土不同應力水平下彎曲疲勞試驗結果

由表4可知，隨著再生骨料取代率的增大，再生混凝土的疲勞壽命逐漸減小，當應力水平為0.6時，RAC50與RAC100的平均疲勞壽命較RAC0分別下降了29.7%與46.3%，在應力水平為0.8時，平均疲勞壽命分別下降了16.3%與63.6%. 再生混凝土疲勞壽命下降有兩方面原因：一方面是由于再生骨料自身缺陷導致，由于再生骨料疏松多孔，孔隙率較高，骨料表面易形成富水層，導致界面過渡區薄弱，且再生骨料混凝土具有多重界面過渡區的特征，在疲勞荷載作用下骨料界面處容易開裂，導致混凝土疲勞壽命降低； 另一方面是由于摻入再生骨料在混凝土基體中形成更多的初始缺陷，從而導致混凝土疲勞壽命降低.

文獻[19]表明再生骨料的摻入會增大混凝土的孔隙率，為驗證混凝土孔結構與疲勞壽命間的關系，對同齡期的混凝土試樣進行壓汞分析，分析結果如圖2與表5所示.

圖2 再生混凝土孔徑分布圖Fig.2 Aperture distribution of recycled concrete

表5 再生混凝土的孔結構參數

試驗結果表明，隨著再生骨料取代率的增加，混凝土總孔體積逐漸增大，最可幾孔徑也隨之增大. 與RAC0相比，RAC50總孔隙率增大了2.7%，RAC100增大了4.6%. 在孔結構的構成上，RAC0的有害孔與多害孔占總孔隙的35%左右，RAC50的比例增加到了39%，RAC100則達到了41%，且RAC50與RAC100的無害孔較RAC0減少了10%. 由此可見，再生骨料摻入使得混凝土的孔結構更疏松，隨著再生骨料取代率的增大，混凝土的孔隙率增大，大孔數量增多，因此當疲勞裂縫進入基體后，混凝土抵抗裂縫開展的能力更低，更易發生疲勞破壞，疲勞壽命降低.

3.3 兩參數Weibull分布檢驗

采用Weibull分布對再生混凝土彎曲疲勞壽命分布進行分析，兩參數Weibull分布函數可表示為：

(1)

式中：Pf表示疲勞壽命為N時的失效概率；N表示疲勞壽命；λ表示形狀參數，λ值越大，混凝土彎曲疲勞壽命離散性越??；Na表示特征壽命參數.

混凝土彎曲疲勞壽命所對應的失效概率Pf可表示為：

(2)

式中：i表示在應力水平Sa下疲勞壽命數據從小到大升序排列的序號；K表示在應力水平Sa下進行疲勞試驗的樣本總數.

令Y= ln{ln[1/(1-Pf)]}，X=lnN，a=λlnNa，可得：

Y=λX-a

(3)

式(3)為直線方程，可用于檢驗試驗數據是否服從兩參數Weibull分布，對再生骨料混凝土彎曲疲勞壽命進行線性回歸分析. 若X與Y之間存在良好的線性關系，表明試驗結果服從兩參數Weibull分布的假設成立. 根據表4數據進行兩參數Weibull分布檢驗，線性回歸結果見圖3.

圖3 再生混凝土彎曲疲勞壽命兩參數Weibull分布檢驗Fig.3 Two-parameter Weibull distribution test of bending fatigue life of recycled concrete

目前關于應力水平與混凝土疲勞壽命Weibull分布形狀參數間的關系未形成統一定論，文獻[12, 20]表明隨著應力水平的增大，混凝土的形狀參數單調遞減，即疲勞壽命的離散性逐漸增大，且這一現象不因再生骨料、 纖維、 礦物摻合料的摻入而改變； 而文獻[21-23]研究結果則表明混凝土的形狀參數呈折線形增長，在應力水平介于0.65～0.75時存在最小值，此時混凝土的疲勞壽命離散性最大.

由圖3可知，再生混凝土在三種應力水平下，ln{ln[1/(1-Pf)]}與lnN間具有良好的線性關系，且相關系數均大于0.90，表明再生混凝土彎曲疲勞壽命分布服從兩參數Weibull分布. 與國內學者研究結果相似，再生骨料的形狀參數λ隨應力水平增長呈折線形發展，在應力水平為0.7時λ值最小，即應力水平為0.7時，再生混凝土的彎曲疲勞壽命離散性最大； 在同一應力水平下，RAC50與RAC100的形狀參數基本都小于RAC0，表明再生骨料的摻入會增大混凝土彎曲疲勞壽命的離散性，對彎曲疲勞性能有不利影響，但形狀參數的變化與再生骨料取代率間未發現明顯的線性關系，需增加樣本數以確定二者間的關系.

3.4 彎曲疲勞S-N-Pf方程

根據式(1)可知在任一失效概率Pf下混凝土的彎曲疲勞壽命可表達為：

(4)

為保證混凝土在低應力水平下的預估壽命的可靠性，本文采用lgS-lgN方程描述再生混凝土疲勞壽命：

lgS=lgA+BlgN

(5)

式中：A、B為方程參數.

將不同失效概率下的疲勞壽命代入式(5)后可得到再生混凝土的S-N-Pf方程. 當失效概率分別為Pf=0.05與Pf=0.50時，再生骨料混凝土的疲勞方程如表6所示.

表6 不同失效概率下再生混凝土的S-N-Pf方程

通常將混凝土達到200萬次循環時的應力水平稱為混凝土的疲勞極限. 根據表6可得Pf=0.50時RAC0、 RAC50、 RAC100的疲勞極限分別為0.55、 0.54、 0.55，Pf=0.05時再生混凝土的疲勞極限分別為0.50、 0.46、 0.51，可見，在不同的存活概率下RAC100均具有與RAC0相近的疲勞極限. 文獻[10, 12]結果表明, 再生骨料的摻入會使混凝土的疲勞極限從0.52降低至0.48； 文獻[11]的結果則表明RAC 100的疲勞極限為0.57，與文獻[24]得到的普通混凝土疲勞極限0.59相近. 可見目前對再生混凝土的疲勞極限的取值未形成統一定論，但國內外學者的研究結果均表明了再生混凝土疲勞極限與普通混凝土相差較小，因此可認為，再生骨料混凝土在高周疲勞下具有與普通混凝土相近的疲勞性能.

式(5)中參數A越高，則表明混凝土在高應力水平具有更高的疲勞壽命. 由lgS-lgN方程可知，隨著再生骨料取代率的增大而增大，參數A不斷減小，表明再生骨料混凝土在高應力水平下更易破壞. 文獻[12-13]的研究結果也表現出相似的規律，其原因或在于再生骨料的物理性能較差，壓碎指標更高，在高應力水平下骨料更容易發生斷裂，因此再生混凝土更易發生疲勞破壞.

在實際工程中，混凝土路面等結構承受應力水平較低，疲勞循環周次較高，再生骨料混凝土可取代普通混凝土. 但對于經常承受高應力荷載、 沖擊荷載的結構，采用再生骨料混凝土時需通過添加纖維或礦物摻合料以提高再生骨料混凝土低周疲勞性能.

4 結語

1) 再生骨料的摻入會導致混凝土彎曲疲勞壽命降低，與RAC0相比，RAC50與RAC100在S=0.6時彎曲疲勞壽命分別下降了29.7%與46.3%，在S=0.8時則分別下降了16.3%與63.6%.

2) 再生骨料的摻入會增大混凝土孔隙率，RAC0、 RAC50、 RAC100的總孔隙率分別為13.71%、 16.42%、 18.32%，隨著混凝土總孔隙率的增大，混凝土的疲勞壽命逐漸減小.

3) 再生骨料混凝土彎曲疲勞壽命服從兩參數Weibull分布，再生混凝土的疲勞壽命離散性比普通混凝土高，形狀參數λ呈折線形發展，在應力水平為0.7時出現最小值.

4) 再生骨料混凝土在高應力水平下疲勞壽命下降較多，而在低應力水平下具有與普通混凝土相近的疲勞性能，當失效概率Pf=0.50時，RAC0、 RAC50、 RAC100的彎曲疲勞極限分別為0.55、 0.54、 0.55.