再生骨料取代率对再生混凝土弯曲疲劳性能的影响

念梦飞，罗素蓉

(福州大学土木工程学院, 福建 福州 350108)

0 引言

随着城市的快速发展，建筑业对砂石材料的需求增大，并产生了大量的废弃混凝土，而再生混凝土能够实现废弃混凝土的循环利用，解决了废弃混凝土填埋处理产生的环境污染问题，同时减轻了混凝土天然砂石供应短缺的问题，具有显著的经济效益与环保效益. 目前，国内外学者对再生混凝土的研究主要围绕着基本力学性能[1-4]、 耐久性能[5-7]、 收缩徐变性能[8-9]展开，而对于再生混凝土疲劳性能的研究较为匮乏. Heeralal等[10]研究表明随着再生骨料取代率的增大，疲劳寿命逐渐减小； 肖建庄等[11]基于损伤理论推导得出再生骨料混凝土弯曲疲劳-N方程； Arora等[12]的研究结果也表明再生骨料混凝土的弯曲疲劳性能较普通混凝土有明显下降； 李伟[13]对7种取代率下再生混凝土的疲劳性能展开研究，表明随着再生骨料取代率的提高，再生混凝土在高应力水平下的疲劳寿命逐渐减小，极限逐渐提高. 此外还有学者通过试验证明在再生骨料混凝土中掺入粉煤灰[14]、 硅灰[15]、 钢纤维[10]能够提高再生混凝土的疲劳寿命.

通过对文献[10-15]整理对比，发现目前国内外学者对再生混凝土的弯曲疲劳性能研究结果存在：1) 样本数量少，单一应力水平下样本数不足5根，无法排除疲劳试验的离散性问题，由此建立的Weibull分布及概率模型可信度低； 2) 不同取代率下混凝土强度变化较大，未实现同强度的疲劳寿命对比； 3) 有研究表明混凝土的孔结构对弯曲疲劳性能有影响[16-17]，而现有研究均未建立再生混凝土宏观疲劳性能与微观性能间的联系. 因此，本文将通过对0%、 50%、 100%取代率的再生混凝土进行等幅弯曲疲劳试验，并结合孔结构与相关文献研究结果进行对比，建立再生骨料混凝土的疲劳寿命方程.

1 试验材料

水泥为炼石牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥； 粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，细度(45 μm筛余)为22.03%，需水量比为97%； 天然粗骨料为福州某山岩破碎加工而成，再生粗骨料为某路面废弃混凝土破碎加工而成，天然骨料与再生骨料的物理参数如表1所示. 两种骨料均由粒径5.0～10.0 mm和10.0～19.0 mm的碎石以质量比1∶2混合得到5.0～20.0 mm连续级配； 天然细骨料采用福州地区河砂，细度模数为2.19，表观密度为2 592 kg·m-3； 外加剂为聚羧酸系高效减水剂； 试验用水为普通自来水.

表1 粗骨料物理性能对比

2 试验方案

混凝土搅拌方式为“干拌法”，拌制流程为：1) 胶凝材料、 粗骨料与河砂混合均匀拌制2 min； 2) 掺入90%水拌制2 min； 3)10%的水与减水剂混合后倒入拌合物中拌制2 min. 混凝土试件在标准养护条件下养护至28 d龄期，测定基本力学性能，在实验室环境养护至90 d龄期进行弯曲疲劳试验. 混凝土目标强度为C40，再生粗骨料取代率为0%、 50%、 100%，配合比设计如表2所示. 每组配合比拌制150 mm×150 mm×150 mm立方体试件3块，100 mm×100 mm×400 mm小梁试件21根，其中6根测定28 d龄期与90 d龄期的抗折强度，15根测定三种应力水平下的弯曲疲劳寿命. 28 d抗压强度fc、 28 d抗折强度ff、 90 d抗折强度f′f试验根据《普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081—2002)》[18]进行.

表2 混凝土配合比

图1 疲劳试验加载试验设备Fig.1 Fatigue test instrument

疲劳加载试验采用四点弯曲法，加载点间距为100 mm，加载装置如图1所示. 设备最大量程为250 kN，加载方式采用应力控制，根据各组混凝土的90 d抗折强度，取应力水平为0.6f′f、 0.7f′f、 0.8f′f，应力比为0.1，加载频率为10 Hz，载荷历程采用正弦波，疲劳加载前以0.1f′f预压数次，以消除接触不良造成的误差，待仪器运转正常后进行弯曲疲劳加载，待小梁试件发生断裂或疲劳加载次数达到200万次后停止试验，由仪器记录再生混凝土的弯曲疲劳寿命.

压汞试验采用试样为90 d龄期同养护条件下混凝土，经破碎后取砂浆约1 g进行测试与分析，通过压汞仪可以测得样品的孔径分布、 最可几孔径、 孔隙率等参数.

3 试验结果与分析

3.1 再生混凝土的力学性能

混凝土强度如表3所示. 与Arora等[12]的研究结果类似，RAC50与RAC100的fc较RAC0分别下降了10.5%与5.9%，而ff仅下降了5.0%与2.7%，表明在相同设计配合比下，再生骨料对混凝土的抗折强度影响较小，而对抗压强度有明显的不利影响. 本文中再生骨料混凝土fc虽出现下降，但下降幅度较小，再生混凝土仍能满足C40的强度设计要求，故认为三组试验组为同强度混凝土，在混凝土疲劳寿命分析中忽略混凝土强度因素，仅考虑再生骨料对疲劳寿命的影响.

表3 混凝土力学性能

3.2 再生混凝土的疲劳寿命与孔结构

再生混凝土在不同应力水平下的疲劳寿命见表4，试验结果满足肖维勒准则离散性检验.

表4 混凝土不同应力水平下弯曲疲劳试验结果

由表4可知，随着再生骨料取代率的增大，再生混凝土的疲劳寿命逐渐减小，当应力水平为0.6时，RAC50与RAC100的平均疲劳寿命较RAC0分别下降了29.7%与46.3%，在应力水平为0.8时，平均疲劳寿命分别下降了16.3%与63.6%. 再生混凝土疲劳寿命下降有两方面原因：一方面是由于再生骨料自身缺陷导致，由于再生骨料疏松多孔，孔隙率较高，骨料表面易形成富水层，导致界面过渡区薄弱，且再生骨料混凝土具有多重界面过渡区的特征，在疲劳荷载作用下骨料界面处容易开裂，导致混凝土疲劳寿命降低； 另一方面是由于掺入再生骨料在混凝土基体中形成更多的初始缺陷，从而导致混凝土疲劳寿命降低.

文献[19]表明再生骨料的掺入会增大混凝土的孔隙率，为验证混凝土孔结构与疲劳寿命间的关系，对同龄期的混凝土试样进行压汞分析，分析结果如图2与表5所示.

图2 再生混凝土孔径分布图Fig.2 Aperture distribution of recycled concrete

表5 再生混凝土的孔结构参数

试验结果表明，随着再生骨料取代率的增加，混凝土总孔体积逐渐增大，最可几孔径也随之增大. 与RAC0相比，RAC50总孔隙率增大了2.7%，RAC100增大了4.6%. 在孔结构的构成上，RAC0的有害孔与多害孔占总孔隙的35%左右，RAC50的比例增加到了39%，RAC100则达到了41%，且RAC50与RAC100的无害孔较RAC0减少了10%. 由此可见，再生骨料掺入使得混凝土的孔结构更疏松，随着再生骨料取代率的增大，混凝土的孔隙率增大，大孔数量增多，因此当疲劳裂缝进入基体后，混凝土抵抗裂缝开展的能力更低，更易发生疲劳破坏，疲劳寿命降低.

3.3 两参数Weibull分布检验

采用Weibull分布对再生混凝土弯曲疲劳寿命分布进行分析，两参数Weibull分布函数可表示为：

(1)

式中：Pf表示疲劳寿命为N时的失效概率；N表示疲劳寿命；λ表示形状参数，λ值越大，混凝土弯曲疲劳寿命离散性越小；Na表示特征寿命参数.

混凝土弯曲疲劳寿命所对应的失效概率Pf可表示为：

(2)

式中：i表示在应力水平Sa下疲劳寿命数据从小到大升序排列的序号；K表示在应力水平Sa下进行疲劳试验的样本总数.

令Y= ln{ln[1/(1-Pf)]}，X=lnN，a=λlnNa，可得：

Y=λX-a

(3)

式(3)为直线方程，可用于检验试验数据是否服从两参数Weibull分布，对再生骨料混凝土弯曲疲劳寿命进行线性回归分析. 若X与Y之间存在良好的线性关系，表明试验结果服从两参数Weibull分布的假设成立. 根据表4数据进行两参数Weibull分布检验，线性回归结果见图3.

图3 再生混凝土弯曲疲劳寿命两参数Weibull分布检验Fig.3 Two-parameter Weibull distribution test of bending fatigue life of recycled concrete

目前关于应力水平与混凝土疲劳寿命Weibull分布形状参数间的关系未形成统一定论，文献[12, 20]表明随着应力水平的增大，混凝土的形状参数单调递减，即疲劳寿命的离散性逐渐增大，且这一现象不因再生骨料、 纤维、 矿物掺合料的掺入而改变； 而文献[21-23]研究结果则表明混凝土的形状参数呈折线形增长，在应力水平介于0.65～0.75时存在最小值，此时混凝土的疲劳寿命离散性最大.

由图3可知，再生混凝土在三种应力水平下，ln{ln[1/(1-Pf)]}与lnN间具有良好的线性关系，且相关系数均大于0.90，表明再生混凝土弯曲疲劳寿命分布服从两参数Weibull分布. 与国内学者研究结果相似，再生骨料的形状参数λ随应力水平增长呈折线形发展，在应力水平为0.7时λ值最小，即应力水平为0.7时，再生混凝土的弯曲疲劳寿命离散性最大； 在同一应力水平下，RAC50与RAC100的形状参数基本都小于RAC0，表明再生骨料的掺入会增大混凝土弯曲疲劳寿命的离散性，对弯曲疲劳性能有不利影响，但形状参数的变化与再生骨料取代率间未发现明显的线性关系，需增加样本数以确定二者间的关系.

3.4 弯曲疲劳S-N-Pf方程

根据式(1)可知在任一失效概率Pf下混凝土的弯曲疲劳寿命可表达为：

(4)

为保证混凝土在低应力水平下的预估寿命的可靠性，本文采用lgS-lgN方程描述再生混凝土疲劳寿命：

lgS=lgA+BlgN

(5)

式中：A、B为方程参数.

将不同失效概率下的疲劳寿命代入式(5)后可得到再生混凝土的S-N-Pf方程. 当失效概率分别为Pf=0.05与Pf=0.50时，再生骨料混凝土的疲劳方程如表6所示.

表6 不同失效概率下再生混凝土的S-N-Pf方程

通常将混凝土达到200万次循环时的应力水平称为混凝土的疲劳极限. 根据表6可得Pf=0.50时RAC0、 RAC50、 RAC100的疲劳极限分别为0.55、 0.54、 0.55，Pf=0.05时再生混凝土的疲劳极限分别为0.50、 0.46、 0.51，可见，在不同的存活概率下RAC100均具有与RAC0相近的疲劳极限. 文献[10, 12]结果表明, 再生骨料的掺入会使混凝土的疲劳极限从0.52降低至0.48； 文献[11]的结果则表明RAC 100的疲劳极限为0.57，与文献[24]得到的普通混凝土疲劳极限0.59相近. 可见目前对再生混凝土的疲劳极限的取值未形成统一定论，但国内外学者的研究结果均表明了再生混凝土疲劳极限与普通混凝土相差较小，因此可认为，再生骨料混凝土在高周疲劳下具有与普通混凝土相近的疲劳性能.

式(5)中参数A越高，则表明混凝土在高应力水平具有更高的疲劳寿命. 由lgS-lgN方程可知，随着再生骨料取代率的增大而增大，参数A不断减小，表明再生骨料混凝土在高应力水平下更易破坏. 文献[12-13]的研究结果也表现出相似的规律，其原因或在于再生骨料的物理性能较差，压碎指标更高，在高应力水平下骨料更容易发生断裂，因此再生混凝土更易发生疲劳破坏.

在实际工程中，混凝土路面等结构承受应力水平较低，疲劳循环周次较高，再生骨料混凝土可取代普通混凝土. 但对于经常承受高应力荷载、 冲击荷载的结构，采用再生骨料混凝土时需通过添加纤维或矿物掺合料以提高再生骨料混凝土低周疲劳性能.

4 结语

1) 再生骨料的掺入会导致混凝土弯曲疲劳寿命降低，与RAC0相比，RAC50与RAC100在S=0.6时弯曲疲劳寿命分别下降了29.7%与46.3%，在S=0.8时则分别下降了16.3%与63.6%.

2) 再生骨料的掺入会增大混凝土孔隙率，RAC0、 RAC50、 RAC100的总孔隙率分别为13.71%、 16.42%、 18.32%，随着混凝土总孔隙率的增大，混凝土的疲劳寿命逐渐减小.

3) 再生骨料混凝土弯曲疲劳寿命服从两参数Weibull分布，再生混凝土的疲劳寿命离散性比普通混凝土高，形状参数λ呈折线形发展，在应力水平为0.7时出现最小值.

4) 再生骨料混凝土在高应力水平下疲劳寿命下降较多，而在低应力水平下具有与普通混凝土相近的疲劳性能，当失效概率Pf=0.50时，RAC0、 RAC50、 RAC100的弯曲疲劳极限分别为0.55、 0.54、 0.55.