再生混凝土抗折強度尺寸效應研究

蘇 捷， 秦紅杰

(湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082)

對于處理大量的廢舊混凝土，通常可以將其破碎處理得到再生骨料，用來配制再生混凝土。由于再生骨料在破碎生產的過程中產生了初始損傷且表面殘留有大量附著砂漿，其物理性質較天然骨料有所差異；同時，再生骨料表面的殘余砂漿使得再生混凝土內部界面過渡區(qū)更加復雜，這些因素使得再生混凝土與普通混凝土相比各方面物理力學性能都存在差異[1]。因此，為確保再生混凝土結構的安全可靠，需對其力學性能及尺寸效應進行充分研究。

肖建莊[2]、劉數華[3]和杜婷[4]等對再生混凝土的試驗研究表明：不同取代率下再生混凝土抗壓強度、抗拉強度均比普通混凝土低。通過測得再生混凝土的應力-應變全曲線發(fā)現(xiàn)：其峰值應變比普通混凝土提高約20%，而彈性模量較普通混凝土降低約45%。而陳宗平[5]的研究表明當采用適當的預處理及強化措施時，再生混凝土抗壓強度、抗折強度與普通混凝土相當于甚至高于普通混凝土。

楊海濤[6]、張麗[7]和張瑩[8]等測得了不同試件尺寸的再生混凝土立方體抗壓強度。分析結果表明對于各個取代率下再生混凝土，抗壓強度均存在尺寸效應現(xiàn)象，并得到了邊長100 mm和200 mm試件相對于邊長150 mm標準試件的強度換算系數范圍可分別取為0.92～0.97和1.08～1.16。

再生混凝土在道路工程中具有廣泛的應用前景，而在道路設計中抗折強度(彎拉強度)是混凝土的一個重要力學性能指標。目前，關于再生混凝土尺寸效應的研究較少，對其抗折強度及尺寸效應研究尚不充分。因此，本文對再生混凝土抗折強度及尺寸效應進行較為系統(tǒng)的研究，分析再生骨料取代率對尺寸效應的影響，建立再生混凝土的尺寸效應律。

1 試驗概況

1.1 試件設計

為研究取代率對再生混凝土抗折強度及尺寸效應的影響，設計了5組不同再生骨料取代率，依次為0、25%、50%、75%和100%。取代率為0的試件為使用天然粗骨料的普通混凝土，是混凝土配合比設計的參照組，強度等級為C30。每一取代率試件制備3個尺寸，分別為70 mm×70 mm×310 mm、100 mm×100 mm×400 mm和150 mm×150 mm×550 mm，共計15個規(guī)格。每一規(guī)格試件制備了10個，總計成型150個試件。

1.2 試驗用材料

a.水泥： P.O.42.5級普通水泥。

b.粗骨料：天然粗骨料為最大粒徑20 mm的連續(xù)級配卵石。再生粗骨料為實驗室內按表2中P0配合比，采用同規(guī)格原材料制備的混凝土柱養(yǎng)護28 d破碎后過20 mm篩得到。

c.細骨料：細度模數為2.4的天然河沙。

d.水：自來水。

通過標準試驗方法[9]測得粗骨料的各項物理參數如表1所示。由表1可知再生骨料的表觀密度、堆積密度較天然骨料分別降低了6.1%和7.3%，含水率、吸水率、壓碎指標分別為天然骨料的7.3倍、7.1倍和3.7倍。這是因為再生粗骨料上粘附有陳舊砂漿，試件破碎過程中粗骨料及粘附的砂漿由于受到外力擾動產生了微裂紋變得疏松，使得骨料含水率、吸水率、壓碎指標增大，而密度有所降低。

表1 粗骨料的基本物理性質Table 1 Physical properties of coarse aggregates骨料粒徑/mm表觀密度/(kg·m-3)堆積密度/(kg·m-3)含水率/%吸水率/%壓碎指標/%天然骨料5～202 7901 4800.320.764.63再生骨料5～202 6201 3722.335.3817.25

1.3 配合比設計及加載過程

采用附加水法[10]制備再生混凝土試件，各規(guī)格試件混凝土配合比如表2所示。附加水用量為再生骨料質量乘以凈吸水率，凈吸水率由表1中實測的吸水率和含水率綜合確定。表中試件編號采用P-x的形式，x代表再生骨料取代率。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix Proportion of concretes(kg·m3)編號水泥砂粗骨料水天然骨料再生骨料基本水附加水P-0 4157041 057—224—P-25 4157047932642247.92P-50 415704528.5528.522415.86P-75 41570426479322423.79P-10041570401 05722431.71

4點彎曲試驗按照標準試驗方法[11]進行，加載前試件首先標記支撐和加載的位置，然后加載至試件破壞為止，加載速率為0.05 MPa/s。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象分析

再生混凝土小梁試件在受荷初期無明顯變形。隨著荷載的增加，微裂縫首先在界面過渡區(qū)和砂漿中初始缺陷處產生。隨荷載增大，裂紋迅速發(fā)展，整個試件瞬間斷成2塊，斷面較為平整，表現(xiàn)為明顯的脆性破壞特征，如圖1所示。

圖1 再生混凝土抗折破壞形態(tài)Figure 1 Flexural failure mode of recycled concrete

2.2 抗折強度結果

實測各再生骨料取代率小梁試件抗折強度、強度標準差及變異系數見表3，表中抗折強度值為同規(guī)格10個試件抗折強度的平均值。表中試件編號采用P-x-z的形式，其中，P表示再生混凝土小梁試件，x代表再生骨料取代率，z為小梁試件的截面邊長。

通過分析表3數據可知：取代率為25%、50%、75%和100%時，截面邊長150 mm的標準尺寸試件的抗折強度值較普通混凝土(取代率為0時)分別降低了5.7%、12.7%、24.2%和19.9%。產生該現(xiàn)象的原因可從界面過渡區(qū)強度和裂縫發(fā)展兩方面的影響進行分析。因再生骨料上附著的陳舊砂漿在水化過程中吸附了一定量拌和水，使得再生骨料周圍界面過渡區(qū)水灰比增加，水化反應生成了更多的鈣礬石和氫氧化鈣結晶，這兩種晶體顆粒較大，且后者具有取向性，削弱了界面過渡區(qū)強度。由表1實測再生骨料壓碎值可知，受初始損傷影響，再生骨料強度較天然骨料更低，不能有效阻擋微裂縫的發(fā)展，小梁試件內部微裂縫發(fā)展時裂縫通常穿過再生骨料，試件斷裂能低于普通混凝土。

表3 再生混凝土的抗折強度實測值Table 3 Flexural strengths of recycled concretes 試件ftf/MPaS/ MPaCv/%P-0-705.270.183.42P-25-705.030.122.39P-50-704.740.112.32P-75-704.160.153.61P-100-704.360.184.13P-0-1005.020.173.39P-25-1004.770.183.77P-50-1004.460.173.81P-75-1003.900.102.56P-100-1004.110.153.65P-0-1504.580.132.84P-25-1504.320.163.70P-50-1504.010.133.24P-75-1503.470.092.59P-100-1503.670.102.72

3 尺寸效應分析

3.1 再生骨料取代率對抗折強度尺寸效應的影響

參照文獻[12]，引入尺寸效應度定量地表征再生混凝土抗折強度尺寸效應的大小。以短邊尺寸為70 mm的棱柱試件為參考試件，定義另外兩種尺寸試件抗折強度與參考試件抗折強度差值占參考試件抗折強度的百分比，并以此為尺寸效應度：

(1)

(2)

式中:γ100、γ150分別為短邊尺寸為100、150 mm試件的尺寸效應度；ftf，70、ftf，100和ftf，150分別為3種尺寸試件的抗折強度值，MPa。

根據試驗結果，計算得到各規(guī)格試件抗折強度尺寸效應度列于表4。將尺寸效應度γ100和γ150隨再生骨料取代率變化規(guī)律繪于圖2。

表4 抗折強度尺寸效應度Table 4 Scale effect parameter of flexural strength取代率γ100/%γ150/%04.7413.0925%5.1714.1250%5.9115.6175%6.2516.59100%5.7315.83

圖2 尺寸效應度隨取代率變化規(guī)律Figure 2 Variation of scale effect parameters

由圖2、表3和表4可知：各個取代率下小梁試件抗折強度均隨試件尺寸的增加而減小，再生混凝土抗折強度尺寸效應明顯強于普通混凝土。取代率為25%、50%、75%和100%時，小梁試件抗折強度尺寸效應度γ100比普通混凝土(取代率為0時)分別提高了9.1%、24.7%、31.9%和20.9%，尺寸效應度γ150比普通混凝土分別提高了7.9%、19.3%、26.7%和20.9%。取代率變化對尺寸效應的影響呈先增大后降低的趨勢，取代率為75%時，再生混凝土小梁試件的尺寸效應最為顯著，分別是取代率為0和100%小梁試件的1.32倍和1.09倍。

在取代率為0～75%范圍內，隨著再生骨料取代率的增加，抗折強度尺寸效應度呈增加趨勢。原因是：部分取代(取代率為25%至75%)再生混凝土由于同時采用了低強度的再生骨料和高強度的原生骨料，小梁試件內部單元強度的離散性增大，且隨著取代率增加，這種離散性的增幅更為顯著，使得尺寸效應度更明顯。此外，試件內同時存在原生骨料-新砂漿基體界面和再生骨料-陳舊砂漿-新砂漿基體界面2種界面過渡區(qū)，材料各相組成物理性質相差較大，更容易產生引力集中，從而加速了混凝土的破壞。全取代率再生混凝土(取代率為100%)抗折強度尺寸效應度有所減小。造成這一現(xiàn)象的原因是：全取代率再生混凝土僅含有再生骨料，且界面也僅有再生骨料-陳舊砂漿-新砂漿基體界面，各相材料的均質性強于部分取代再生混凝土，降低了小梁試件抗折強度的尺寸效應。

3.2 尺寸效應律

美國西北大學BAZANT教授認為混凝土材料存在尺寸效應的原因是：在結構達到最大荷載前，一條主裂縫或含有大量微裂縫的區(qū)域的穩(wěn)定擴展，這個過程中伴隨著斷裂能的釋放，即尺寸效應是由裂縫擴展時斷裂能的釋放引起的[13]。基于以上認識，對于無初始切口的試件，他提出了與結構尺寸D和名義強度σN有關的計算公式，即BAZANT尺寸效應律公式，如下：

(3)

式中:σ∞為幾何尺寸無窮大時，結構的名義強度值；Db為特征尺寸。

以往的研究[14-15]表明式(3)對普通混凝土抗折強度有較好的適用性，為驗證式(3)對于再生混凝土的適用性，用本文中再生混凝土抗折強度數據以及收集到的文獻[3，14-17]中試驗數據擬合上述公式，擬合用到的數據來自90組，共計420個試件，涵蓋試件短邊尺寸70～200 mm，具有良好的代表性。

通過擬合計算，得到不同取代率下尺寸效應律計算式(3)中名義強度σ∞和特征尺寸Db的值分別列于表5。本文實測結果與式(3)計算結果的吻合情況如圖3所示。

表5 尺寸效應公式參數值Table 5 Parameters in the scale effect equation取代率σ∞/MPaDb/mm04.0521.7425%3.7824.5250%3.4327.9175%3.2130.02100%3.1228.52

圖3 抗折強度尺寸效應律擬合曲線Figure 3 Fitting curves of scale effect law

各取代率下實測結果和式(3)計算結果相關系數約為0.92，表明二者吻合較好，可用式(3)分析計算不同尺寸再生骨料混凝土試件的抗折強度。

對表5中數據進行整理，得到公式(3)中名義強度σ∞、特征尺寸Db與取代率r的關系式如式(4)和式(5)。采用式(4)和式(5)可對不同取代率的再生混凝土抗折強度尺寸效應律參數進行計算。

σ∞=-0.009 7r+4.004

(4)

Db=-0.001 1r2+0.188 7r+21.324 3

(5)

式中:r表示再生骨料取代率。

4 結論

a.再生混凝土抗折強度有不同程度降低，取代率為25%、50%、75%和100%時，截面邊長150 mm試件的抗折強度較普通混凝土試件分別減小了5.7%、12.7%、24.2%和19.9%。

b.隨取代率的增加，再生混凝土抗折強度尺寸效應呈先增大后降低的規(guī)律，取代率為75%小梁試件的抗折強度尺寸效應約為取代率為0和100%試件的1.32倍和1.09倍。

c.根據本文試驗結果和收集到的試驗數據，計算得到了再生混凝土尺寸效應律公式，可以用來預測任意取代率下的任意尺寸試件的抗折強度。