姜 銳，張紹松，陳宇良*,，黃芳瑋，徐鴻飛

（1.廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.柳州東方工程橡膠制品有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

再生混凝土具有節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境等顯著優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際工程中，為了縮短工期、降低成本往往會導(dǎo)致混凝土尚未完全硬化就承擔(dān)剪力，對工程安全造成不利影響。因此，研究早齡期再生混凝土的破壞機(jī)理和力學(xué)性能對再生混凝土的推廣與應(yīng)用十分重要。

目前，國內(nèi)外已有較多學(xué)者對早齡期再生混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行了研究。羅素蓉等通過對早齡期再生混凝土進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，研究了取代率和礦物摻料對其徐變性能的影響，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的拉伸徐變性能早期發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢，并建立了適用于再生混凝土的早齡期拉伸徐變度預(yù)測模型。Revilla-Cuesta等研究了取代率對高性能混凝土收縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)再生粗骨料的加入能提高其收縮率，并通過修正系數(shù)的方法修正了再生混凝土的早齡期收縮率預(yù)測模型。Shaikh研究硅粉對礦渣再生混凝土的早期力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)50%礦渣的加入能顯著降低取代率為50%的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及彈性模量。張玉棟等研究了再生混凝土早齡期受力對力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)早齡期受壓剪力低于自身強(qiáng)度的40%時(shí)，由于存在水化作用，再生混凝土自身具有一定的自修復(fù)能力。Ahmed等研究了再生骨料和再生砂對早齡期再生混凝土塑性收縮率和開裂敏感性的影響，發(fā)現(xiàn)取代率越高對其早期性能影響越大，并提出了早齡期彈性模量的預(yù)測模型。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在早齡期再生混凝土方面的研究取得了較多成果，但主要集中在拉伸徐變、壓縮性能以及開裂和修復(fù)性能方面，而在早齡期再生混凝土直剪強(qiáng)度方面卻鮮有研究。為此，本文開展了早齡期再生混凝土的直剪強(qiáng)度研究，以再生粗骨料取代率和養(yǎng)護(hù)齡期為變化參數(shù)，探究再生混凝土在直剪作用下的破壞機(jī)理和力學(xué)性能，以期為完善再生混凝土在早齡期方面的理論研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

粗骨料采用連續(xù)級配，粒徑為5～20 mm，其中天然粗骨料（NA）采用普通碎石，再生粗骨料（RA）來自于試驗(yàn)后的混凝土塊體，其外觀形貌及物理性能分別見圖1 和表1；試驗(yàn)采用普通河砂（S），粗細(xì)程度為中砂，細(xì)度模數(shù)2.38，表觀密度為2 580 kg/m；水泥采用42.5R 魚峰牌水泥（C）；拌和用水（W）采用城市自來水。

圖1 粗骨料

表1 粗骨料物理性能

1.2 混凝土配合比

天然混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C30，水膠比為0.55。由于再生粗骨料較天然粗骨料的吸水率更大，為保持水膠比不變，進(jìn)行再生混凝土澆筑時(shí)添加附加用水（AW），以再生粗骨料取代率（）100%的配合比為基準(zhǔn)，附加用水量為47.1 kg/m，其他取代率情況按比例添加，詳細(xì)配合比見表2。

表2 混凝土配合比

1.3 試件設(shè)計(jì)及制作

以再生粗骨料取代率（）、養(yǎng)護(hù)齡期（）為變化參數(shù)，取代率取0、50%、100%，養(yǎng)護(hù)齡期取3 d、7 d、28 d，設(shè)計(jì)并制作了9組（27個(gè)）標(biāo)準(zhǔn)立方體試件進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試件編號RAC--中，“RAC”表示再生混凝土，“”表示取代率，“”表示養(yǎng)護(hù)齡期。采用塑料模具澆筑成型，在振動(dòng)臺上振動(dòng)30 s，養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，自然養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期。

1.4 加載裝置及加載原理

使用RMT-301多功能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行直剪試驗(yàn)，水平量程為0～500 kN，加載裝置如圖2（a）所示。試件安裝方式為先固定下剪切盒，然后裝試件，最后裝上剪切盒，上剪切盒質(zhì)量不超過40 kg，通過壓-剪計(jì)算公式計(jì)算得出，對剪切力的影響小于0.005 MPa，僅為試件最小抗剪強(qiáng)度的1/300，因此可忽略不計(jì)。試驗(yàn)采用位控勻速加載，速率為0.02 mm/s，時(shí)間與位移相對應(yīng)，加載至剪力趨于穩(wěn)定（剪力變化不超過2%）時(shí)停止試驗(yàn)。加載原理為：上剪切盒固定試件上部，下剪切盒固定試件下部，通過施加水平荷載，使試件發(fā)生剪切破壞。加載力學(xué)模型示意圖如圖2（b）所示。

圖2 加載裝置及力學(xué)模型示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 直剪破壞形態(tài)

圖3 為試件剪切面破壞形態(tài)。由圖3 可知，當(dāng)=3 d 時(shí)，試件主要為骨料-砂漿的黏結(jié)破壞；當(dāng)=7 d 和=28 d 時(shí)，試件的破壞形態(tài)主要為骨料-砂漿的黏結(jié)破壞以及骨料的剪斷破壞。這是因?yàn)榛炷恋膹?qiáng)度由粗骨料強(qiáng)度、水泥基體強(qiáng)度、水泥基體和粗骨料之間的黏結(jié)界面強(qiáng)度共同決定，養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)程度較低，導(dǎo)致水泥基體與骨料之間的黏結(jié)界面強(qiáng)度低于粗骨料，成為混凝土內(nèi)部的薄弱界面，故混凝土破壞主要以黏結(jié)界面破壞為主。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)程度加大，增大了水泥基體和骨料的黏結(jié)界面強(qiáng)度，表現(xiàn)為混凝土破壞時(shí)存在黏結(jié)界面破壞以及粗骨料被剪斷。當(dāng)=7 d和=28 d時(shí)，隨著取代率的增大，剪切破壞面上粗骨料被剪斷的數(shù)量逐漸增加。這是因?yàn)樵偕止橇蟽?nèi)部存在微裂紋，表面附著有水泥砂漿，強(qiáng)度較天然粗骨料低。

圖3 試件剪切面破壞形態(tài)

2.2 剪力-剪切位移曲線

圖4 為早齡期再生混凝土的剪力-剪切位移全曲線圖。由圖4可知，再生混凝土直剪破壞共存在彈性、彈塑性、破壞、殘余剪力等4個(gè)階段。在試件加載前期，剪力與位移呈線性關(guān)系，剪切面上孔隙被壓縮，試件產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性變形，處于彈性階段；隨著位移繼續(xù)增大，剪力隨位移呈非線性增長，剪力-剪切位移曲線斜率減小，試件內(nèi)部開始產(chǎn)生裂縫并逐漸發(fā)展延伸，此階段由水泥基體的黏結(jié)力抵抗外部剪力，試件處于彈塑性階段；剪力-剪切位移曲線峰值過后，試件內(nèi)部裂縫逐漸發(fā)展成宏觀裂縫并貫穿整個(gè)剪切面，試件被剪切為兩部分，此階段由水泥基體的黏結(jié)力和骨料咬合力共同承擔(dān)外部剪力，試件處于破壞階段；隨著剪切位移持續(xù)增大，剪力逐漸下降最后趨于穩(wěn)定，此階段由骨料咬合力和摩擦力共同承擔(dān)外部剪力，試件處于殘余剪力階段。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，剪力-剪切位移曲線的峰值剪力、初始剪切模量逐漸增大，這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí)，試件的水化程度較低，水泥基體的強(qiáng)度相對較低，故峰值剪力和初始剪切模量均較小。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間變長時(shí)，試件的水化程度逐漸加深，水泥基體的強(qiáng)度增大，此時(shí)峰值剪力和初始剪切模量逐漸增大；峰值位移在取代率為0 時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變長逐漸減小，在取代率為50%和100%時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間變長整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這是由于取代率為0 時(shí)，粗骨料吸水率較小，粗骨料附近的水分較多，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間變長，水化反應(yīng)逐漸加深，故其峰值位移逐漸減小，而再生粗骨料存在時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)試件的增加，再生粗骨料吸收的水分增加，骨料附近的水泥基體吸收的水分減少，水灰比隨之減小，從而峰值位移逐漸變大。

圖4 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）剪力-剪切位移曲線

圖4 （續(xù)）

2.3 直剪特征點(diǎn)參數(shù)

由試件的剪力-剪切位移曲線得到混凝土的峰值剪力（）、峰值位移（）、剪切模量（），采用式（1）對再生混凝土抗剪強(qiáng)度（）進(jìn)行換算，具體數(shù)值見表3。由表3 可知，不同養(yǎng)護(hù)齡期和取代率下的再生混凝土各項(xiàng)參數(shù)變化幅度不大，均表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

表3 特征點(diǎn)參數(shù)

式中：為峰值剪力，為剪切面面積。

2.4 影響因素分析

2.4.1 抗剪強(qiáng)度

1）取代率對抗剪強(qiáng)度的影響

圖5為取代率與歸一化抗剪強(qiáng)度擬合線。由圖5 可知，當(dāng)≤7 d 時(shí)，逐漸增加時(shí)，抗剪強(qiáng)度也隨之變大。當(dāng)=3 d 時(shí)，相較于取代率為0 的試件，取代率為50%和100%的試件抗剪強(qiáng)度分別提高了6.15%、8.94%；當(dāng)=7 d 時(shí)，相較于取代率為0 的試件，取代率為50%和100%的試件抗剪強(qiáng)度分別提高了6.60%、14.62%。原因?yàn)椋涸偕止橇系奈蔬h(yuǎn)大于天然粗骨料，導(dǎo)致骨料四周界面連接區(qū)域水泥基體含水量減少，故其抗剪強(qiáng)度隨取代率的增大而增大。當(dāng)=28 d 時(shí)，隨著取代率的增大，再生混凝土的抗剪強(qiáng)度逐漸減小，與取代率為0 的再生混凝土試件的抗剪強(qiáng)度相比，50%和100%的減小幅度分別為7.47%、8.33%。綜上所述，養(yǎng)護(hù)齡期不同，再生混凝土的抗剪強(qiáng)度隨取代率的增大呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，原因是混凝土抗剪強(qiáng)度主要由骨料強(qiáng)度、水泥基體強(qiáng)度、骨料與水泥基體的黏結(jié)界面強(qiáng)度組成，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，水泥的水化反應(yīng)程度較低，混凝土的強(qiáng)度主要由骨料與水泥基體的黏結(jié)界面強(qiáng)度決定。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d時(shí)，水泥基體的水化反應(yīng)基本完成，混凝土的強(qiáng)度主要由骨料強(qiáng)度和黏結(jié)界面強(qiáng)度共同決定。齡期和取代率對抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律如式（2）—式（4）所示。

圖5 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）取代率與歸一化抗剪強(qiáng)度擬合線

式中：為不同取代率下齡期為3 d時(shí)的抗剪強(qiáng)度；為=0，齡期為3 d 時(shí)的抗剪強(qiáng)度；為不同取代率下齡期為7 d 時(shí)的抗剪強(qiáng)度；為不同取代率下齡期為28 d 時(shí)的抗剪強(qiáng)度；其中，單位為MPa。

2）齡期對抗剪強(qiáng)度的影響

圖6 為歸一化的抗剪強(qiáng)度隨齡期的變化而變化的曲線擬合圖。由圖6 可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，抗剪強(qiáng)度逐漸增大，前期增大幅度較大，后期增大幅度較小，相較于=3 d 的抗剪強(qiáng)度，=7 d、28 d的抗剪強(qiáng)度提高幅度分別為20.70%和75.40%，抗剪強(qiáng)度隨齡期變化情況的擬合公式如式（5）所示。

圖6 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）齡期與歸一化抗剪強(qiáng)度擬合曲線

3）取代率和齡期對抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)式（7）和式（8）繪制出取代率和齡期對再生混凝土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律圖，結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可知，計(jì)算值與試驗(yàn)值基本重合，說明式（7）與式（8）可用于表示在取代率和養(yǎng)護(hù)齡期的影響下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律。

圖7 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）歸一化抗剪強(qiáng)度計(jì)算值與試驗(yàn)值對比

2.4.2 直剪峰值位移

圖8為不同影響因素下再生混凝土的直剪峰值位移圖。由圖8可見，當(dāng)=0時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土的峰值位移逐漸減小，相較于=3 d的試件，=7 d、28 d 的試件峰值位移分別降低了25.00%、34.38%，這是由于養(yǎng)護(hù)齡期較長時(shí)，水泥基的水化反應(yīng)加深，從而導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度增大，脆性增加，故峰值位移逐漸減小。當(dāng)=50%、100%時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，再生混凝土的峰值位移逐漸增加。當(dāng)=50%時(shí)，相較于=3 d 的試件，=7 d、28 d 的試件峰值位移分別提高了21.33%、25.33%；當(dāng)=100%時(shí)，相較于=3 d的試件，=7 d、28 d 的試件峰值位移分別提高了20.83%、59.72%。這是由于再生粗骨料吸水率較大，再生粗骨料取代率增加時(shí)，再生粗骨料附近的水泥基中的水分被再生粗骨料吸收，導(dǎo)致水灰比減小，從而再生混凝土的峰值位移隨之增大。

圖8 不同影響因素下再生混凝土的直剪峰值位移

2.4.3 初始剪切模量

圖9 為取代率和齡期對初始剪切模量的影響情況。由圖9 可知，當(dāng)=0 時(shí)，相較于=28 d的試件，=3 d、7 d的試件初始剪切模量分別減小了66.13%、41.94%；當(dāng)=50%時(shí)，相較于=28 d的試件，=3 d、7 d 的試件剪切模量分別減小了30.00%、28.57%；當(dāng)=100%時(shí)，相較于=28 d的試件，=3 d、7 d的試件初始剪切模量分別減小了45.49%、30.88%。原因?yàn)椋弘S著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)程度不斷增加，水泥基體的強(qiáng)度不斷增大，在剪力作用下齡期較長的混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展更快，初始剪切模量更大。

圖9 取代率和齡期對初始剪切模量的影響

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期不變時(shí)，隨著取代率的增大，再生混凝土的初始剪切模量表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。當(dāng)=3 d時(shí)，相較于取代率為0的試件，取代率為50%和100%的試件初始剪切模量分別提高了133.33%、76.19%；當(dāng)=7 d 時(shí)，相較于取代率為0 的試件，取代率為50%和100%的試件初始剪切模量分別提高了38.89%、30.56%；當(dāng)=28 d 時(shí)，相較于取代率為0 的試件，取代率為50%和100%的試件初始剪切模量分別提高了12.90%、9.68%。這是由于再生粗骨料中粒徑較小的骨料多于天然粗骨料，當(dāng)二者混合時(shí)，骨料粒徑間的協(xié)同作用更強(qiáng)，從而再生混凝土的初始剪切模量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

2.5 損傷演變分析

由上述剪力-剪切位移曲線分析可知，再生混凝土直剪破壞存在彈性、彈塑性、破壞、殘余剪力等4 個(gè)階段，不同階段試件損傷速度不同，為此，引入損傷變量表征再生混凝土直剪破壞過程中的損傷程度，損傷參數(shù)采用式（9）計(jì)算：

式中：為剪切模量，單位：GPa；為初始剪切模量，單位：GPa。

圖10 為不同齡期和不同取代率下的損傷演變曲線。由圖10（a）可知，齡期為3 d 時(shí)，取代率為50%的試件初始損傷出現(xiàn)最早，損傷發(fā)展速率最快；取代率為0的試件初始損傷出現(xiàn)最晚，損傷發(fā)展速率最慢；取代率為100%的試件初始損傷出現(xiàn)與損傷發(fā)展速率居于二者之間，原因?yàn)椋涸偕止橇衔蚀笥谔烊淮止橇系奈?，?dǎo)致再生粗骨料附近的局部水灰比減小，水泥基體強(qiáng)度增大，故試件剪切強(qiáng)度增大，脆性增大，初始損傷出現(xiàn)變早，損傷速率變快。由圖10（b）、圖10（c）可知，齡期為7 d 和28 d 時(shí)，3 種取代率的試件初始損傷差幅較齡期為3 d 的小，但仍呈現(xiàn)出取代率較高的試件初始損傷出現(xiàn)更早，損傷發(fā)展速率更快的現(xiàn)象，原因?yàn)椋糊g期較大時(shí)，原來再生粗骨料吸收的水分被水泥基體吸收，水泥基體強(qiáng)度減小，再生粗骨料由于經(jīng)過二次破碎，內(nèi)部微裂紋比天然粗骨料多，骨料強(qiáng)度較小，故試件受剪破壞時(shí)，再生混凝土初始損傷出現(xiàn)更早，損傷發(fā)展速率更快。

圖10 （網(wǎng)絡(luò)版彩圖）不同齡期和不同取代率下的損傷曲線

3 結(jié)論

本文以齡期和再生粗骨料取代率為變化參數(shù)，研究了其在直剪作用下的破壞機(jī)理和力學(xué)性能，得出以下結(jié)論：

1）養(yǎng)護(hù)齡期≤7 d時(shí)，破壞形式為黏結(jié)破壞，隨著取代率的增加，抗剪強(qiáng)度逐漸增大，峰值位移逐漸減??；養(yǎng)護(hù)齡期＞7 d后，剪切面上部分骨料被剪斷，直剪強(qiáng)度逐漸降低，峰值位移逐漸減小，破壞形態(tài)表現(xiàn)為黏結(jié)破壞和骨料剪斷破壞2種破壞形式。

2）再生骨料與天然骨料混合時(shí)，再生混凝土內(nèi)部骨料級配更好。隨著取代率的增加，剪切模量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢；隨著齡期的增加，剪切模量隨取代率的增加變化幅度減小。