含砖粒再生粗骨料取代率对混凝土断裂性能的影响

安新正, 马晓楠, 申彦利

(河北工程大学 土木工程学院，邯郸 056038)

为了解决建筑垃圾对生态环境带来的危害，从可持续发展及绿色生态的角度出发，用处理后的建筑垃圾作为再生骨料部分或全部替代天然骨料制成的再生混凝土已受到各国学者们的广泛关注。目前，所研究的再生混凝土中再生骨料的来源大多数为废弃混凝土[1-2]。也有部分学者对废弃砖块作再生骨料展开了研究[3-4]，然而由于中国建筑结构形式及建筑材料的多样性，导致中国现有的拆除建筑垃圾成分较为复杂，这其中不仅有大量的废弃混凝土，还有大量的废弃砖块及两者的混合物。虽然废弃混凝土和废弃砖块可以分别回收利用，但目前除了水泥混凝土路面、机场跑道及桥梁等特殊案例外，通常是将两者统一回收、加工和利用[5]。为了更大限度地将建筑垃圾资源化再利用，现迫切需要对这部分既包含废弃混凝土又包含废弃砖块的建筑垃圾作再生骨料展开研究。

另一方面，自20世纪70年代中国湖南柘溪大坝出现严重的断裂事故后，混凝土这种类脆性水泥基材料的断裂性能便开始受到了中国学术界的广泛关注[6]。关于再生混凝土的断裂性能，近年来中国已有许多学者对其进行了研究，其中关于再生骨料取代率对再生混凝土断裂性能的影响研究方面，由于各学者所研究的再生混凝土中再生骨料的来源及基准混凝土强度等级等各不相同，所以得出的研究结论也不尽相同[7-8]。基于以上研究背景并考虑到含有废弃砖块的再生粗骨料不宜多掺[9]，本试验将含废弃砖块的建筑垃圾作再生粗骨料，通过三点弯曲梁试验研究含砖粒再生粗骨料取代率对混凝土断裂性能的影响，以期为含砖粒再生粗骨料(以下简称再生粗骨料)混凝土的研究及工程应用提供一定的参考。

1 试验概况

1.1 试验用原材料

①水泥：太行山牌42.5级普通硅酸盐水泥；②粗骨料：天然碎石，其粒径范围为5～20 mm，表观密度为2 740 kg/m3，压碎指标为9.1%，24 h吸水率0.93%；③再生粗骨料：邯郸全有生态建材有限公司工业化生产的建筑垃圾再生粗骨料，砖粒含量约为50%，粒径范围为5～20 mm，表观密度为2 350 kg/m3，压碎指标为21.5%，24 h吸水率为12.6%。④细骨料：沙河产细砂，细度模数为1.62；⑤减水剂：液态聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%；⑥水：自来水。

1.2 试验设计

试验共设置4种再生粗骨料取代率R(体积取代)，分别为0%、7%、14%、21%，试件编号分别为NC、RC07、RC14、RC21，其中用天然粗骨料浇筑的混凝土为基准混凝土，配合比为水∶水泥∶砂∶粗骨料=1∶2.22∶3.03∶7.06，减水剂用量为0.75%。每组浇筑4根带预制裂缝的三点弯曲梁试件(缝宽2 mm)，室内自然养护28 d。另外，每组同时浇筑3块边长为100 mm的立方体试块，用于测试混凝土28 d抗压强度。

1.3 试验方法及测试内容

三点弯曲梁试验在微机控制电子式万能试验机上进行，加荷方式为等位移加载，速率设置为0.05 mm/min，加载示意图如图1所示。荷载P由力传感器进行采集，跨中挠度δ由位移传感器进行采集，预制裂缝口张开位移δ由电子引伸计进行采集，在预制裂缝尖端左右各10 mm处粘贴应变片，通过应变值ε回滞确定试件的起裂荷载Pini。

图1 试验梁加载示意图Fig.1 Test beam loading diagram

2 断裂面图像处理与断裂参数计算

2.1 断裂面图像处理技术

运用Photoshop软件对试件断裂面照片进行图像增强处理并对粗骨料进行提取[10](包括拔出破坏及断裂破坏)，然后将图片转化成二值图。运用MATLAB软件对断裂面二值图进行量化处理，计算混合粗骨料与试件断裂面水平投影面积之比PT及再生粗骨料与混合粗骨料水平投影面积之比PR。将试件断裂面照片用Photoshop截取成只包含净断裂面的图像，然后用MATLAB对其进行灰度化处理并转化成二值图，应用差分盒算法对图像的分形维数D进行提取[11]，考虑到差分盒算法要求图像的高度和宽度相同，而经过截取处理后图像的高度和宽度并不相同，所以对图像进行尺度缩放处理。编程时定义n为尺度系数，处理后的图像尺寸为2n+1×2n+1，由于设定不同的n值会得到不同的D值，故参照文献[12]，选取求解过程中的Dmax作为该试件断裂面图像的分形维数D。D值随n值的变化规律及相应的相关系数r如图2所示。

图2 n对D与r的影响Fig.2 The effect of n on D and r

2.2 断裂韧度的计算

2.3 断裂能与延性指数的计算

基于虚拟裂缝模型理论，混凝土的断裂能GF可采用式(1)进行计算[15]。为了简化计算过程同时确保计算精度，试验时控制最终荷载Pmin与峰值荷载Pmax的比值Pmin/Pmax≤0.04[16]。

GF= [W0+ (m1+ 2m2)gδmax]/Alig

(1)

式(1)中：W0为P-δ曲线下的面积，N·m；m1为支座间试件的质量，kg；m2为加载附件的质量，kg；g为重力加速度，m/s2；δmax为跨中最大位移，m；Alig为试件韧带面积，m2。

混凝土延性指数Du可用于表征其延性大小，其值越小，混凝土越脆，具体计算式为[17]

Du=GF/Pmax

(2)

3 试验结果与分析

3.1 图像处理与分析

各取代率下试件断裂面照片的处理结果如图3所示(放大比例为1∶1)，其中黑色实心部分为天然粗骨料，黑边空心部分为再生粗骨料。通过图像处理技术得到各组试件断裂面的PT及PR，如图4所示。由图4可知，PT随再生粗骨料取代率的增加基本保持稳定，说明采用等体积置换天然骨料的方式能保持混凝土粗骨料体积含量的相对稳定。另一方面，随着再生粗骨料取代率的增加，PR呈近似线性的增长，且PR的值较为接近再生粗骨料的设计取代率，最小误差为0.77%，最大误差为1.55%，说明PR能很好地反应再生粗骨料的取代水平。

图3 粗骨料提取示意图Fig.3 Crude aggregate extraction schematic

图4 PT、PR与R的关系Fig.4 Relationship between PT, PR and R

断裂面分形维数D可以反应断裂面粗糙程度，D值越小，断裂面越平整。由图3可以看出，天然粗骨料与再生粗骨料发生断裂破坏的比例均较高，原因是试验制作的混凝土中硬化水泥砂浆强度较高，强化了水泥砂浆与粗骨料的黏结面，使粗骨料相对更容易发生断裂破坏。根据差分盒算法计算的试件断裂面分形维数与再生粗骨料取代率的关系如图5所示。由图5可知，试件断裂面的分形维数D随再生粗骨料取代率R的增大逐渐减小，说明再生粗骨料的掺入使混凝土断裂面的平整度增加，原因是由于再生粗骨料表面粗糙、吸水率大使其与水泥砂浆的黏结性能更优，且由于其抗拉强度劣于天然粗骨料，导致其较天然粗骨料更容易发生断裂破坏，而对于混凝土而言，粗骨料断裂破坏比例越高其断裂面越平整，故随着再生粗骨料取代率的增加，混合粗骨料断裂破坏的比例增大，混凝土断裂面的平整度增加，分形维数减小。另外，试件断裂面的分形维数随再生粗骨料取代率的增大降幅逐渐减小，原因可能是再生粗骨料中砖粒与独立砂浆块由于初始微裂纹的存在使其断裂面较为不平整，在一定程度上减小了分形维数降低的幅度。

图5 D与R的关系Fig.5 The relationship between D and R

3.2 取代率对抗压强度、断裂参数的影响

实测各取代率下再生混凝土的28 d抗压强度分别为52.02、51.30、49.84、47.75 MPa。再生混凝土的抗压强度随再生粗骨料取代率的增大逐渐降低，降幅为1.38%～8.21%，降幅较小，说明此次试验条件下含砖粒再生粗骨料的掺入对混凝土抗压强度影响较小。各组试件断裂参数计算结果如表1所示。由表1可知，随着再生粗骨料取代率的增加，试件的峰值荷载及起裂荷载均出现降低，与峰值荷载相对应的临界裂缝口张开位移δc随再生粗骨料取代率的增加而增加，这是由于再生粗骨料自身弹性模量低且带有较多初始损伤(孔洞、微裂缝等)，将其代替天然粗骨料掺入到混凝土中使混凝土的抗拉强度及弹性模量下降，破坏时变形增大。

3.3 双K断裂参数结果分析

3.4 断裂能及延性指数分析

为了更清晰地表示再生粗骨料取代率R对混凝土断裂能GF与延性指数Du的影响，根据表1中的数据绘制了相关关系图，如图6(b)所示。根据表1和图6(b)可知，再生粗骨料的掺入使混凝土的断裂能较基准组均出现不同程度的降低，降幅分别为5.28%、12.08%、16.64%。由于本试验粗骨料的破坏形态大多数为断裂破坏，所以在水胶比一定时断裂能的差异主要体现在裂缝穿过粗骨料时所消耗的能量大小。相对于天然粗骨料，由于再生粗骨料在原结构服役期间及生产破碎过程中不可避免地产生初始损伤，且其组成成分强度较低，内部结构较为松脆，导致裂缝穿过时消耗的能量相对较小，断裂能降低。

另外，已有研究结果表明当混凝土中硬化水泥砂浆强度相同时，断裂能与断裂面分形维数之间存在较好的相关性[18]，为了探究其在掺有再生粗骨料混凝土中的适用性，采用MATLAB对各组试件的断裂能值与分形维数值进行相关分析，求得两者的相关系数r=0.945 6，说明掺有再生粗骨料混凝土的断裂能与断裂面分形维数之间也存在较好的相关性。考虑到文献[18]所用粗骨料均为天然粗骨料，所以为了能更好地建立两者之间的关系，将再生粗骨料取代率R作为自变量引入，通过回归分析得到GF与D、R的回归方程为

GF=242.53D-1.23R-437.68

(3)

式(3)的决定系数为0.996 0，说明其能较好地反映掺有再生粗骨料混凝土的断裂能与断裂面分形维数之间的关系。

另一方面，随着再生粗骨料取代率的增加，混凝土的延性指数也有小范围的降低，取代率为7%、14%、21%时延性指数较基准的降幅分别为4.04%、6.93%、8.69%，说明再生粗骨料的掺入降低了混凝土的延性，使混凝土表现出更强的脆性，裂缝更容易贯穿截面而发生断裂破坏。

4 结论

基于本试验条件下的研究结果得到以下结论。

(1) 含砖粒再生粗骨料的掺入使混凝土抗压强度降低，但在此次试验条件下，即最大取代率为21%时，强度降低并不明显，降幅在10%以内。对于主要承压的混凝土构件，可在拌制时以等体积取代的方式掺入少量的含砖粒再生粗骨料。

表1 试件断裂参数

图6 再生粗骨料取代率对混凝土断裂参数的影响Fig.6 Effect of recycled coarse aggregate replacement rate on concrete fracture parameters

(2) 双K断裂参数均随含砖粒再生粗骨料取代率的增加而降低，起裂韧度最大降幅为27.41%，失稳韧度最大降幅为11.13%，起裂韧度较失稳韧度对含砖粒再生粗骨料的掺入更为敏感，降幅更大。另外，起裂荷载、峰值荷载及临界有效裂缝长度也均随含砖粒再生粗骨料取代率的增加而降低，其中起裂荷载降幅最大，临界有效裂缝长度降幅最小，仅为2.02%。

(3) 随着含砖粒再生粗骨料取代率的增加，混凝土的断裂能与延性指数均有不同程度的降低趋势，断裂能最大降幅为16.64%，延性指数最大降幅为8.69%，含砖粒再生粗骨料的掺入使混凝土耗能能力变弱，脆性变强。

(4) 试件断裂面中含砖粒再生粗骨料与混合粗骨料的水平投影面积之比能较好地反映含砖粒再生粗骨料的取代水平，在求算非均质材料中某成分(单位体积相对较大)的体积含量时，该结论具有一定的参考价值。分形维数能较好地反映混凝土断裂面特征，且断裂面分形维数与断裂能有较好地相关性。根据含砖粒再生粗骨料取代率与试件断裂面分形维数，采用试验得出的回归方程可以较好的预测再生混凝土的断裂能。