梁俊煒，涂桂榮

（1、廣州市番禺區(qū)建設工程質量監(jiān)督站 廣州 511400；2、廣東工業(yè)大學 廣州 510620）

0 前言

由于老舊的建筑拆遷、升級改擴建，道路升級改造及自然災害等原因，每年都會產(chǎn)生巨量的建筑固體廢棄物，而其中廢棄混凝土占比達50%～60%。大量的廢棄混凝土需要占用大量的土地堆放，統(tǒng)計顯示每堆積10 000 t 建筑廢棄物約占用土地67 m2，每年因堆填建筑廢棄物破壞的良田達70 km2［1］。我國目前仍在大量新建基礎設施、道路、橋梁、房屋，消耗著大量的混凝土，據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2014年我國消耗約27 t 的骨料，16～19 億 t 的粗骨料［2］。若能利用廢棄混凝土生產(chǎn)再生骨料，再作為新建混凝土中部分或全部的粗骨料，這樣既可以解決處理廢棄混凝土的難題，又可節(jié)約大量的原生骨料，達到綠色節(jié)能經(jīng)濟的目的。

水泥混凝土路面具有剛度大、強度高、耐久性好、有利于夜間行車、整體性與穩(wěn)定性好等優(yōu)點，被大量應用于公路建設中。國內早期修建的水泥混凝土路面在行車荷載和環(huán)境因素作用下，路面破損嚴重急需修補，路面修補后產(chǎn)生大量的廢棄混凝土，如不對其妥善處理，不但會增加養(yǎng)護成本，而且對周邊環(huán)境也將造成負面影響，并且對資源也是一種浪費［3-5］。

現(xiàn)有研究指出再生骨料的堆積密度和表觀密度低于天然骨料，壓碎指標和吸水率則高于天然骨料［6-10］。在耐久性方面，再生骨料混凝土在疲勞性能方面與天然骨料混凝土無明顯的差異［11-12］，再生骨料混凝土的抗凍性略差于天然骨料混凝土；再生骨料混凝土各個齡期的碳化深度均較天然骨料混凝土有所增加［13］，抗?jié)B性能滿足工程要求，再生骨料的引入并未給抗?jié)B性帶來顯著的影響［14］。在力學性能方面，不同的學者得出的結論有一定的差異，有學者指出再生骨料混凝土的抗壓強度隨著再生骨料替代率的增加而增加［15］，而也有學者得出抗壓強度隨著再生骨料替代率的增加卻是呈總體下降趨勢［16-17］。而對于再生骨料的動態(tài)力學性能的研究則較少，研究指出再生骨料混凝土和天然骨料混凝土一樣，其動態(tài)抗壓強度具有應變率增強效應［18-20］。

本文研究路面用再生骨料混凝土的靜態(tài)和動態(tài)力學性能及溫度變化的影響，為再生骨料大規(guī)模應用到道路建設中提供技術支持和參考依據(jù)。再生骨料的應用符合國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，其兼具經(jīng)濟和環(huán)保綠色材料雙重特性，有較好的經(jīng)濟效益以及長遠的社會效益。

1 試驗原材料和試驗設計

1.1 試驗原材料

⑴水泥：采用廣州某品牌強度等級為P.O 42.5R的普通硅酸鹽水泥。

⑵細集料：選用普通河沙，最大粒徑為5 mm 的中砂，連續(xù)級配。

⑶粗骨料：天然粗骨料為5～15 mm 連續(xù)級配麻石；再生粗骨料由深圳市某公司提供，粒徑5～15 mm，連續(xù)級配，半小時吸水率為3.77%；

⑷水：采用普通自來水。

⑸外加劑：采用江門市某公司生產(chǎn)的QL 系列混凝土聚羧酸高效減水劑，添加量為膠合材料的1.5%。

1.2 試驗配合比和試件設計

基準配合比為：水灰比∶水∶水泥∶砂∶碎石∶減水劑=0.44∶165∶375∶642∶1193∶5.625。

對于再生骨料混凝土，配合比中的砂率、粒徑、級配等方面的影響和原生骨料基本一致，最大的不同點是水灰比的影響，這歸因于再生骨料較高的吸水率，相同的水灰比下，再生骨料混凝土的工作性能較差，不過可以通過添加一定量的減水劑來改善。本文將引進有關研究者凈水灰比和附加水的概念，凈水灰比是指實際用水量減去再生骨料的吸水量后和膠凝材料的比值［21］。

本文常規(guī)實驗中共設置3 組不同的用水量，分別為基準用水量（ω基）、添加 50%附加水（即ω基+0.5△ω）、添加100%附加水（即ω基+△ω）；和不同的再生骨料替換率。再生骨料替換采用等質量替換法，即攪拌時把相應的原生骨料按替換率等質量替換為再生骨料［22］。

⑴靜態(tài)抗壓強度：由150 mm×150 mm×150 mm標準立方體試塊得到，每組3 個試件。

⑵靜態(tài)抗折強度：由于循環(huán)加熱箱的容積原因，并沒有采用150 mm×150 mm×550 mm 的標準試件，而是制作了100 mm×100 mm×400 mm 的非標準棱柱體測得，每組3 個試件；

⑶動態(tài)沖擊強度：為了減少誤差，可以通過設計試件的尺寸使ls2/6-vs·d2/8=0（其中，ls為長度，vs為泊松比，d 為直徑），這樣可以使誤差減到最少，當要求誤差在5%以內時，試樣直徑和壓桿直徑的比值應當大于0.7［23-24］。本實驗制作長度為 50 mm、直徑為 100 mm 的大直徑圓柱體作為沖擊用試件，長徑比為0.5，試件和壓桿的直徑的比值為1.0。

1.3 試件的制作與養(yǎng)護

按替換率和配合比稱量好再生骨料等實驗材料；首先把沙和粗骨料倒入攪拌機攪拌均勻，然后加入水泥攪拌1 min，直至集料和膠凝材料混合均勻，接下來把減水劑加到水中，最后均勻倒入攪拌機中攪拌2 min，至攪拌均勻。把攪拌好的混凝土澆筑到模具中，然后放到振動臺振搗2 次，每次20 s，至振搗均勻，抹平后養(yǎng)護。在養(yǎng)護24 h 后拆模，標準養(yǎng)護28 d 后進行實驗。

2 再生骨料混凝土靜態(tài)力學性能

各試驗組再生骨料混凝土的抗壓強度和抗折強度試驗結果如表1所示。

表1 RAC 的抗壓強度和抗折強度Tab.1 The Compressive Strength and Flexural Strength of RAC

由表1可以看出：試件的抗壓強度約為50～60 MPa，達到預定強度目標。所有試件受壓破壞過程相似，并沒有因為再生骨料含量和附加水添加量的不同而表現(xiàn)出較大的差異。破壞過程均是試件四周先出現(xiàn)微小裂縫，隨后裂縫不斷擴大和延伸，最終導致試件的整體破壞。

2.1 抗壓強度

2.1.1 抗壓強度與再生骨料替換率的關系

天然骨料混凝土的強度為53.6 MPa，而再生骨料混凝土與天然骨料混凝土的抗壓強度相比，并不簡單的表現(xiàn)為隨著再生骨料替換率的增加而上升或是下降，而是會受到附加水添加量的影響。在附加水一定的前提下，再生骨料混凝土的抗壓強度隨著再生骨料替換率的增加表現(xiàn)出較有規(guī)律的變化（見圖1a）。

當添加的附加水在0%或50%時，再生骨料混凝土的抗壓強度隨著再生骨料的替換率增加而提高，而當添加附加水為100%時，再生骨料混凝土的抗壓強度卻隨著再生骨料的替換率增加而降低。這表面，再生骨料混凝土抗壓強度除跟替換率有關外，還和附加水的添加量密切相關。

在附加水為100%時，此時添加的附加水作用使再生骨料處于吸水飽和狀態(tài)，不再額外吸取基準配合比的水量，此時可以認為各替換率的試件的水灰比是一樣的，這可以用凈水灰比體現(xiàn)出來，此時各替換率試件的凈水灰比均為0.44（見表1）。這反映出在凈水灰比相同的情況下，隨著再生骨料替換率的增加，抗壓強度是下降的，不過降幅并不大，說明再生骨料的加入一定程度上使抗壓強度下降。這可以從2 個方面解釋：①再生骨料因經(jīng)過二次破碎加工，且難免含有少許舊水泥石，所以其強度是低于天然骨料的，導致在其他條件相同的情況下，用其制備的混凝土的強度要低于天然骨料制備的混凝土；②再生骨料表面有一定的舊水泥石粘結，然后舊水泥石再與新的砂漿形成新的粘結面，這導致此粘結面是一個薄弱處，在受到外力的作用下容易產(chǎn)生應力集中，從而更容易產(chǎn)生裂紋而導致破壞。這與文獻［25］的結論基本一致，其實驗也添加了100%附加水。

在附加水為0%、50%時，強度隨著替換率的增加而提高，此時影響強度的因素主要是有效水，即除掉被再生骨料吸收的水的用水量。由于再生骨料高吸水性的特點，使得用水量在攪拌的時候有一部分被吸進骨料內，從而使水灰比下降，這可以從凈水灰比隨替換率的增加而降低看出（見表1），凈水灰比的降低直接導致了強度的提高，這與普通的天然混凝土的規(guī)律是一致的。還有因為再生骨料吸水后，相當于在內部增加了一個慢慢釋放的水源，起到了內養(yǎng)護的作用，眾多文獻和實際工程證明，內養(yǎng)護可以有效地提高混凝土的強度和減少其收縮［25］。所以當再生骨料本身導致的強度下降幅度小，而再生骨料吸水后凈水灰比下降和內養(yǎng)護帶來的強度提高幅度大，二者綜合作用結果就是隨著再生骨料用量的增多，強度卻是提高的。

2.2 抗折強度

再生骨料混凝土的抗折強度試驗結果如表1所示，根據(jù)各交通荷載等級要求，抗折強度不得低于如下要求：極重、特重、重≥5.0 MPa；中等4.5 MPa；輕4.0 MPa?？梢姡?RAC-C-75 和 RAC-C-100 不符合要求外，其余的再生骨料混凝土可以滿足不同交通荷載等級道路的要求。

隨著再生骨料替換率的增加，抗折強度不斷下降（見圖1b）。當附加水為0%，除替換率為25%的與天然骨料混凝土相近外，50%、75%、100%替換率的抗折強度降幅分別為3.98%、5.57%、5.77%。在添加50%的附加水時，隨著再生骨料替換率的增加，再生骨料混凝土的抗折強度大幅降低，25%、50%、75%、100%替換率的抗折強度降幅分別為8.35%、13.72%、15.90%、18.49%。而在添加100%附加水時，隨著再生骨料替換率的增加，再生骨料混凝土的抗折強度表現(xiàn)出更大幅度的下降，25%、50%、75%、100%替換率的抗折強度降幅分別為8.95%、15.11%、22.27%、26.84%。

圖1 RAC 抗壓強度、抗折強度與再生骨料替換率之間的關系Fig.1 Relationship between Compressive Strength of RAC，F(xiàn)lexural Strength of RAC and Regenerative Aggregate Replacement Rate

3 再生骨料混凝土動態(tài)力學性能

混凝土是重要的工程建設材料，廣泛應用于民生和軍事工程當中。雖然大部分工程建筑絕多數(shù)時間都是承受準靜態(tài)的荷載，但也可能遭受低概率的短時沖擊荷載的作用，所以除需研究其靜態(tài)的力學行為，也要研究其動態(tài)下的力學行為?；炷恋撵o態(tài)力學性能已經(jīng)得到了廣泛而深入的研究，其動態(tài)力學性能的研究也隨著對抗震、爆炸等自然和人為災害的重視，而得到更多的關注和系統(tǒng)的研究，動態(tài)力學試驗得到的成果也已應用于道路、機場跑道、房屋抗震、人防和軍事等工程中。對混凝土材料的動態(tài)力學性能的研究主要采用的是落錘試驗機和霍普金森壓桿（SHPB）。

3.1 試驗結果

各試件在不同沖擊速度試驗下得到的應變率、峰值應力、極限應變、動態(tài)增長因子DIF、破壞形式等試驗結果如表2所示。

由表2可以看出，再生骨料混凝土的應力應變和天然骨料的基本相似，且與附加水添加量和再生骨料替換率關系不大。開始為線彈性階段，這是由于試件的變形首先是混凝土骨料的彈性變形，然后發(fā)展到非線性變形階段，當應力超過峰值應力時，應變急劇增大，應力下降，直至試件完全破壞。

3.2 應變率對再生骨料混凝土動態(tài)抗壓強度的影響

相對于峰值應力和極限應變的唯一值，應變率在沖擊過程中很難維持一個恒值，且變化范圍也較大，所以有必要明確應變率的取值標準，這樣不同的實驗才能進行對比。Bischoff 等人［26］對前人做的實驗進行了系統(tǒng)的總結，指出加載過程中材料應變率并不是常數(shù)，而是隨著加載過程而變化，大量的文獻是選取加載過程中的平均應變率作為代表值。而Li 等人［27］和Al-Salloum 等人［28］則認為相對于平均應變率，在峰值應力時材料處于承載的極限，這時對應的應變率更能表征材料的力學性能，所以取最大應力對應的應變率更具有意義。本文選取的應變率為平均應變率。

表2 再生骨料混凝土SHPB 試驗結果Tab.2 The SHPB Test Results of RAC

由圖2可以看出，RAC 的DIF 與應變率在雙對數(shù)坐標大致呈線性的關系，這與CEB 總結的NAC 的DIF 與應變率的規(guī)律是相似的。圖3是實測數(shù)據(jù)DIF與CEB 的DIF 和本文擬合的DIF 對比，可以看出，CEB 的公式估算在應變率30 s-1附近，DIF 的增長會出現(xiàn)一個轉折點，在應變率小于30 s-1時，DIF 的增長是緩慢的，而在大于30 s-1時則會快速增長。RAC 實測數(shù)據(jù)在10 s-1～100 s-1附近范圍內并沒有出現(xiàn)明顯的轉折點，而更多的表現(xiàn)為在雙對數(shù)坐標下的線性增長。觀察實測數(shù)據(jù)的走勢，本文在CEB 推薦經(jīng)驗公式的基礎上重新擬合，得到了比較好的效果（見圖3）。

表3對CEB 推薦公式和本文擬合公式的擬合度進行了比較，可以發(fā)現(xiàn)：CEB 在對NAC 的擬合效果還是較好的，擬合優(yōu)度Rnew=0.9204；而對于RAC，本文重新修改擬合的公式則有更好的擬合效果，相對于CEB的擬合結果，Rnew有4%～11%的提高。

圖2 再生骨料混凝土動態(tài)增長因子（DIF）與應變率的關系Fig.2 Relationship between DIF and Strain Rate of RAC

圖3 再生骨料混凝土動態(tài)增長因子（DIF）與應變率的關系擬合Fig.3 The Fitting Relationship between DIF and Strain Rate of RAC

表3 本文擬合與CEB 擬合效果的比較Tab.3 Comparison of the Results of this Paper Fitting and CEB Fitting

3.3 破壞形態(tài)

圖4為試件的破壞形態(tài)，RAC 和NAC 的破壞形態(tài)是相似的，隨著應變率的增加，依次表現(xiàn)為裂紋-破碎-粉碎三種破壞形態(tài)，各個試件的破壞形態(tài)如表2所示。當應變率較低時，試件出現(xiàn)輕微裂縫，此時裂縫一般出現(xiàn)在骨料和水泥基的界面處；隨著應變率的增大，裂縫變多變寬，此時部分骨料也已經(jīng)開裂；當應變率增長到一定程度，試件將會開裂為幾部分，可以看出部分骨料剝離部分骨料開裂斷開；應變率再增大將會破碎為小塊，比較多的骨料破碎為多塊；當應變率比較高時，試件將會完全粉碎，此時大多數(shù)骨料也成為粉粒狀。這主要是因為隨著應變率的增加，沖擊能量不斷提高，試件需要吸收消耗的能量增加。由表2就可以看出，隨著應變率的增加，試件消耗的能量即應力應變曲線下圍的面積也在不斷變大，這與試件的破壞形態(tài)是對應的。

圖4 SHPB 試驗試件破壞形態(tài)Fig.4 SHPB Test Specimen Failure Mode

4 結論

本文通過實驗較為系統(tǒng)地研究了再生骨料混凝土的的靜態(tài)及動態(tài)力學性能，為把再生骨料混凝土應用到路面的建設中提供一定的參考。實驗證明，在力學性能方面，不同替代率和不同附加水添加量的再生骨料混凝土，可以滿足不同荷載等級道路的要求，可視具體情況選用不同的組合。主要得出的結論如下：

⑴在凈水灰比相同的前提下，隨著替換率的增大抗壓強度小幅下降，但幅度不大，這是替換率對抗壓強度的本質影響。而替換率對抗壓強度的直觀影響則是通過其吸水導致凈水灰比下降產(chǎn)生的，凈水灰比是決定強度的關鍵因素。在替換率相同的情況下，抗壓強度均隨著附加水添加量的增多而降低。綜合替換率、附加水和水灰比與抗壓強度表現(xiàn)出以下規(guī)律：在附加水為0%和50%時，隨著替換率的增大，抗壓強度不斷增大，且附加水為0%時增幅更大；而附加水為100%時，隨著替換率的增大抗壓強度呈下降趨勢。

⑵對于抗折強度，替換率和附加水均產(chǎn)生不利影響。隨著替換率的增大和附加水添加量的增加，抗折強度均呈下降趨勢。附加水為0%時對抗折強度的不利影響較小。隨著替換率的增大，脆性系數(shù)k 呈上升趨勢，即替換率增加韌性是降低的。綜合考慮抗壓和抗折強度，推薦優(yōu)先選用附加水為0%而替換率為25%的再生骨料混凝土作為路面材料。

⑶再生骨料混凝土同樣具有應變率增強效應，CEB 動態(tài)增長因子DIF 計算公式不能直接用于再生骨料混凝土，本文借鑒和修改CEB 公式后取得較好的擬合效果。再生骨料混凝土受動態(tài)沖擊壓縮的破壞形態(tài)基本一致，即隨著應變率的提高依次表現(xiàn)為開裂-破碎-粉碎3 大破壞形態(tài)。