張國平

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040)

1 引言

隨著我國建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，資源損耗和環(huán)境污染問題日益突出。因建筑功能更新改造致使大量建筑物需要拆除，通常處置廢棄的建筑物垃圾的方法大都是堆積掩埋，而建筑垃圾不能溶解于土地，不但浪費(fèi)土地而且對土地造成了永久性的破壞。我國對在經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中產(chǎn)生的自然環(huán)境損害及再生資源回收再利用問題較為關(guān)注，通過將工業(yè)殘?jiān)勖夯壹尤胨?，不僅能夠節(jié)省大量混凝土用水泥，同時(shí)還能夠適當(dāng)增加水泥強(qiáng)度。在中國，垃圾替代水泥約占建筑廢棄物總量的55%～65%[1]，再生粗骨料混凝土是把廢棄的混凝土及水泥變廢為寶，這不僅避免了因垃圾水泥掩埋而造成的環(huán)境污染，而且節(jié)省了山石開采與水泥的消耗[6]。

相比天然骨料，再生骨料的受壓性能與其具有顯著差異，而應(yīng)力－應(yīng)變曲線恰好是材料受壓特性的宏觀反映，諸多國內(nèi)外學(xué)者針對其受壓特性展開研究[2－3]。焦楚杰[4]等利用分段式本構(gòu)關(guān)系對廢玻璃粉混凝土應(yīng)力－熱應(yīng)變曲線關(guān)聯(lián)開展深入研究，得到應(yīng)力－應(yīng)變曲線隨廢玻璃粉摻量變化的趨勢。Vahab Toufigh[5]對3種不同環(huán)氧樹脂含量摻量下的聚合物混凝土進(jìn)行單軸應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行測試，并采用非線性有限元分析(NFEA)方法來預(yù)測混凝土材料的彈塑性行為。董偉[6]等人對風(fēng)積砂－粉煤灰混凝土進(jìn)行應(yīng)力－應(yīng)變試驗(yàn)研究，得出風(fēng)積砂摻量與粉煤灰摻量對彈性模量、泊松比等指標(biāo)的影響，并建立本構(gòu)參數(shù)與抗壓強(qiáng)度和風(fēng)積砂摻量之間的演化模型。劉婷[14]根據(jù)不同粉煤灰及再生骨料替代率對再生粗骨料混凝土的性能影響做了大量試驗(yàn)，得出粉煤灰可以促進(jìn)混凝土后期強(qiáng)度上升且粉煤灰替代率為10%時(shí)，再生粗骨料混凝土抗壓強(qiáng)度上升至最大值的結(jié)論。

目前大多研究是基于普通混凝土進(jìn)行的試驗(yàn)研究[7－10]，對不同再生骨料替代率下的再生粗骨料混凝土的損傷本構(gòu)研究還相對較少。

本文基于前人的研究結(jié)果，對粉煤灰替代率為10%及可再生骨料替代率為20%、30%、40%的邊長為150 mm的可再生粗骨料水泥立方體試塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，研究再生骨料替代率對再生粗骨料混凝土本構(gòu)關(guān)系的影響規(guī)律，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出粉煤灰再生粗骨料混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線的表達(dá)式。

2 試驗(yàn)概述

2.1 原材料

本試驗(yàn)所采用的可再生粗骨材混凝土，是從路面施工后的廢棄混凝土塊在進(jìn)行鄂式破碎機(jī)粉碎以及DBS-300型頂擊標(biāo)準(zhǔn)篩分之后，取得5～20 mm粒徑的粗骨材，且級配良好。原始骨料取自于某采石場出產(chǎn)的自然砂礫。細(xì)骨料一般采用自然河砂，其細(xì)度模數(shù)式為2.54，故屬中細(xì)砂；粉煤灰為某熱電廠的Ⅱ類粉煤灰；水泥為金隅通用的P.O42.5R硅酸鹽水泥；混凝土材料的拌和用水取自實(shí)驗(yàn)室自來水。粗、細(xì)骨料的各項(xiàng)性能指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 粗骨料性能指標(biāo)

表2 細(xì)骨料級配

2.2 再生粗骨料混凝土配合比確定

再生粗骨料混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30。試驗(yàn)根據(jù)肖建莊教授所著?再生混凝土?書中關(guān)于再生砼抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)方案來完成。本試驗(yàn)配合比初步設(shè)計(jì)為:水灰比恒定為0.55，砂率為0.38。再生粗骨料混凝土實(shí)際配合比如表3所示。

表3 再生粗骨料混凝土實(shí)際配合比

2.3 再生粗骨料混凝土和易性評價(jià)

通過坍落度測試，確定表3中的1、2、3組配合比條件下再造粗骨料水泥混凝土的流動(dòng)性，一方面，提高了再造粗骨料混凝土試塊質(zhì)量；另一方面，可以研究再生粗骨料替代率對粉煤灰再生粗骨料混凝土工作特性的負(fù)面影響。圖1為可再生粗骨料混凝土和易性試驗(yàn)。

圖1 再生粗骨料混凝土坍落度試驗(yàn)

由圖1可知，按1、2、3組配合比配制的粉煤灰再生骨料混凝土，其坍落度均符合再生粗骨料混凝土坍落度設(shè)計(jì)指標(biāo)30～50 mm，且無離析泌水現(xiàn)象。

2.4 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了20%、30%、40%三種再生骨料替代率，齡期為28 d。本試驗(yàn)使用北京現(xiàn)代YAW-2000D型電腦控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)完成加載。應(yīng)變片使用由北京一洋應(yīng)振測試技術(shù)有限公司所生產(chǎn)的型號為BX120-66AA電阻應(yīng)變片，其電阻值為120±0.2 Ω，敏感柵寬度為60×3 mm。用酒精擦拭試塊表面，應(yīng)變片先用502膠粘牢，再用AB膠涂抹在表面凝固，粘接在應(yīng)變片上的兩根線連接DH3818應(yīng)變采集箱。在采集應(yīng)變前，需對此批試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，以了解其極限承載力。應(yīng)力－應(yīng)變試驗(yàn)采取按比例分級加載模式，首先按抗壓強(qiáng)度的10%加載至極限承載力的80%時(shí)，改為按抗壓強(qiáng)度的5%繼續(xù)加載，在各級負(fù)荷平衡后持荷約2 min。當(dāng)負(fù)載已接近極限承載力時(shí)，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰瓶刂?，?dāng)試塊出現(xiàn)缷載現(xiàn)象及缺載至極限承載力的60%，終止試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到應(yīng)力－應(yīng)變曲線及力學(xué)指標(biāo)，如圖2所示。

圖2 不同再生骨料替代率下再生骨料混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線

由圖2可發(fā)現(xiàn)，不同再生骨材替代率下的再生粗骨材混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線形式類似，整條曲線均由上漲段與下跌段構(gòu)成。在上升段又分為彈性階段和塑性階段，通常認(rèn)為在彈性階段沒有損傷情況發(fā)生，在塑性階段應(yīng)力能量的釋放代表損傷的演化過程，而在塑性變形階段曲線斜率逐步減小，一直到峰值曲率變成零，曲線隨即下跌。

根據(jù)文獻(xiàn)和規(guī)范的研究結(jié)果可知:應(yīng)力－位移變化曲線上升段原點(diǎn)至0.4fc間的割線彈性模量即為粉煤灰再生粗骨料混凝土的彈性模量。再生骨材替代率對抗壓硬度與彈性變形模量的作用和影響變化規(guī)律見圖3[11－12]。

圖3 再生骨料替代率與抗壓強(qiáng)度及彈性模量關(guān)系

由圖3可知，抗壓能力與彈性模量都隨著可再生骨材替換率的提高而出現(xiàn)先增后減的變化趨勢。在粗骨材替換率逐步提高時(shí)，因?yàn)樵僭旃遣谋砻孑^粗糙，再造骨材和新漿體之間的界面咬合力增強(qiáng)，當(dāng)再造骨材替換量不大時(shí)，再造粗骨材混凝土的強(qiáng)度有所增加。而再造粗骨材替代率不斷提高時(shí)，又因再造骨材孔隙率高、吸水性大，再造骨材過多地取代了天然骨材，使得再造粗骨材混凝土強(qiáng)度大幅降低。再生粗骨材替換率為20%和40%時(shí)，耐壓性能分別降低了5.3%、10.2%。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，再生骨材替換率為30%、粉煤灰替換率10%時(shí)，粉煤灰回收再生粗骨料混凝土28 d立方體耐壓性能最高。

隨著再生骨料替代率增加，粉煤灰再生粗骨料混凝土彈性模量先升高后降低。當(dāng)再生骨料替代率小于30%時(shí)，由于再生骨料表面粗糙而吸收了較多的水泥砂漿，對彈性模量所產(chǎn)生的正效應(yīng)大于負(fù)影響；當(dāng)再生骨料替代率大于30%時(shí)，由于骨料內(nèi)裂紋較多，使得再生骨料的彈性模量減少。再生骨料替代率為20%和40%時(shí)，彈性模量分別降低7.8%、11.5%。這是由于再生骨料具有高吸水性，使得用水量減少而水灰比增大，最終導(dǎo)致再生粗骨料混凝土強(qiáng)度提高[13－15]。

基于文獻(xiàn)和規(guī)范研究，可再生粗骨料混凝土試塊的最大極限應(yīng)變應(yīng)取自試驗(yàn)曲線下降段0.85fc的最大應(yīng)力值。試塊的峰值應(yīng)變與極限應(yīng)變規(guī)律如圖4所示[16]。

圖4 再生骨料摻量與峰值應(yīng)變及極限應(yīng)變關(guān)系

由圖4可知，由于再生骨料替代率的提高，峰值應(yīng)變與極限應(yīng)變變化規(guī)律基本一致。10%粉煤灰摻量下的再生粗骨料混凝土峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變均隨再生骨料替代率增大呈先基本持平后大幅下降的趨勢。說明當(dāng)再生骨料替換率過大時(shí)，峰值應(yīng)力與最大極限應(yīng)力均減小，從而導(dǎo)致再生粗骨料混凝土脆性增加。

再生粗骨料混凝土單軸在受壓條件下應(yīng)力—應(yīng)變曲線的圖形化本構(gòu)關(guān)系，為其結(jié)構(gòu)性質(zhì)與受力特性研究奠定了材料方面的理論依據(jù)與基礎(chǔ)。將圖2的應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行無量綱化，則:

式中:x、y分別為無量綱應(yīng)力應(yīng)變曲線的橫坐標(biāo)及縱坐標(biāo)；ε、ε0分別為應(yīng)變及峰值應(yīng)變；σ、σc分別為應(yīng)力及峰值應(yīng)力。

根據(jù)國內(nèi)學(xué)者對混凝土材料與單軸受壓結(jié)構(gòu)本構(gòu)關(guān)系的研究，本文引入過鎮(zhèn)海教授[13]所提供的本構(gòu)模型，建立粉煤灰再生粗骨料混凝土單軸受壓本構(gòu)方程進(jìn)行擬合，方程為:

式中:a、b分別為控制曲線上行段、下跌段的控制方程參數(shù)。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin軟件進(jìn)行擬合，并確定不同再生骨料替代率下的待定參數(shù)a、b值，如表4所示。

表4 本構(gòu)方程擬合待定參數(shù)

可見，應(yīng)力應(yīng)變曲線R-square接近于1，表明擬合結(jié)果較好。隨著再生骨料替代率的增加，參數(shù)a呈先上升后下降的趨勢，參數(shù)b呈先下降后上升的趨勢。a值與彈性模量變化趨勢相同，a值越小，表明材料脆性越差；而b值的大小表明曲線下降段的陡峭程度，b值越大，曲線下降段越陡，說明材料的延性越差。

經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸，可以進(jìn)一步得到參數(shù)a、b與再生骨料替代率、抗壓強(qiáng)度的關(guān)系:

理論計(jì)算曲線與實(shí)測曲線對比如圖5所示。

圖5 理論曲線和實(shí)際曲線比較

由圖5可知，理論值曲線和實(shí)際值曲線二者的吻合度良好。所以，由式(2)、式(3)所描述的曲線方程可作為在粉煤灰總摻量為10%下的再生粗骨料混凝土單軸受力本構(gòu)模型，以便進(jìn)行再生粗骨料混凝土的非線性分析。

4 結(jié)論

(1)通過試驗(yàn)可知，試件的抗壓能力和彈性模量均隨再生骨料質(zhì)量替代率的提高而呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

(2)對試件的峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變來說，由于可再生骨材替代率的提高，峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變呈先小幅度上升后大幅度下降的趨勢。再生骨料替代率過大時(shí)，導(dǎo)致再生粗骨料混凝土的脆性增加。

(3)對于試件應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)模型，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對建立的再生粗骨料混凝土單軸受壓本構(gòu)方程進(jìn)行擬合。結(jié)果表明，該模型可較好地反映再生粗骨料混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，并經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)回歸，可以進(jìn)一步得到本構(gòu)參數(shù)與再生骨料替代率、抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。