基于细观尺度再生混凝土力学性能研究进展

焦鹏飞，金立兵,2，段 杰，董天云，李 闯，张为博

(1.河南工业大学 土木工程学院，河南 郑州 450001；2.河南工业大学 混凝土结构长期性能研究所，河南 郑州 450001)

将废弃建筑物材料进行二次利用，用再生骨料部分或完全替代天然骨料[1]制成再生混凝土，不仅能减少建筑垃圾产生，也符合低碳环保政策，是我国建筑材料行业实现资源循环再利用与高质量发展的必然要求。国外最早研究再生混凝土可追溯至二战结束后，研究的热潮出现在20世纪70年代[2]。国内再生混凝土的研究起步相对较晚，肖建庄、曹万林、赵羽习等对再生混凝土力学性能的研究取得了一系列成果[3-5]。

目前对再生混凝土的研究大部分集中在宏观层次，注重对再生混凝土的力学性能研究，包括抗压、抗拉、抗折等力学性能。再生骨料上残留的老砂浆往往疏松多孔，强度低，有较高的吸水率和压碎指标[6]，老砂浆的存在使再生混凝土的界面过渡区比普通混凝土更加复杂[7]。这些因素促使再生混凝土与普通混凝土力学性能表现出较大差异性,这些细观结构的差异,是导致再生混凝土整体力学性能低下的因素，因此对再生混凝土的细观研究就更有必要。

本文对再生混凝土力学性能的细观研究方法及进展进行总结，从细观层次上揭示再生混凝土与普通混凝土力学性能不同的本质，为研究再生混凝土力学性能提供参考。

1 再生混凝土的细观组成

相比天然粗骨料混凝土三相结构，再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC)具有更多组成结构，通常认为再生骨料混凝土是由骨料、老砂浆、新砂浆、界面过渡区(Interfacial Transition Zone：新砂浆与老砂浆ITZ1、天然骨料与新砂浆ITZ2)组成的五相非均匀复合材料[8-9]。而有学者认为由再生粗骨料(Recycled Aggregate,RA)取代部分天然粗骨料(Natural Aggregate，NA)的混凝土具有更为复杂的界面过渡区(新砂浆与老砂浆ITZ1、旧粗骨料与新砂浆ITZ2、旧粗骨料与老砂浆ITZ3、天然粗骨料与新砂浆ITZ4)[4]，如图1所示。界面过渡区是再生混凝土中裂缝产生和发展的区域，同时也是再生混凝土中最薄弱部位[10-11]，RAC界面过渡区微观结构是影响RAC强度的重要因素。肖建庄等[12]的研究表明再生混凝土力学性能的决定性因素是其界面过渡区。

图1 普通混凝土与再生混凝土细观组成分类示意图

2 再生混凝土力学性能细观数值研究方法

随着细观力学理论与计算机仿真技术的进步，不同的细观数值模拟方法被提出以模拟RAC的破坏过程，主要包括格构模型、随机粒子模型、真实细观模型、随机骨料模型等。不同模型材料定义、强度准则、网格划分的模拟结果差别很大，但通过选择合理的模型结构和本构关系，也可取得较理想的效果，对其力学破坏机理以及影响因素进行更深刻研究。对相关细观模拟方法进行总结，如表1所示。

表1 RAC不同的细观数值模拟方法分析

格构模型和随机粒子模型定义材料本构关系是线弹性的，不能考虑混凝土的损伤退化，适用于混凝土脆性开裂情况，且格构模型仅在拉伸开裂下模拟效果较理想。真实细观模型和随机骨料模型在符合骨料几何特征的基础上，能有效模拟RAC拉、压、循环荷载时的损伤与破坏过程，但真实细观与随机骨料在三维模型分析时存在计算量较大的问题，需要采用合理的本构关系、破坏准则及损伤演化过程。

上述细观数值模拟方法，对界面过渡区一般直接定义宽度和力学参数，连续单元所需的复杂本构参数定义可能妨碍对混凝土的准确预测。另一种离散元分析方法[18]，直接用离散粒子的集合来表示材料的细观结构，粒子可以独立地移动，仅需要较少的参数，也能有效模拟细观结构中裂缝的成核、生长和聚结，但此方法一般适用于压缩状态下的模拟。

3 不同细观研究RAC损伤破坏本构模型

基于细观研究方法和研究成果，研究者总结出一系列理论对RAC的宏观力学性能和耐疲劳寿命进行预测，以完善RAC力学性能的理论知识。本文对理论预测与试验结果吻合度较高的本构模型进行了总结，以便对RAC细观研究时采用合适的本构方程进行预测，对其进一步改进。

岳强等[15]采用非线性关系模拟材料在压应变下的损伤，用破坏包络面定义混凝土在拉压作用下的性能和破坏，效果对比见图2。

图2 再生混凝土应力-应变曲线

(1)

Marco[19]研究了RAC在恒定和变幅压缩应力循环下的疲劳性能，采用应力-应变包络概念，并考虑材料的非线性损伤累积，其应力-应变关系为：

(2)

Hu[20]对再生混凝土单轴损伤塑性本构关系表述如下，对于单轴应力下的各相材料，总应变可表示为弹性和塑性应变之和，应力应变关系为：

σ=(1-d)E0εe=(1-d)E0(ε-εp)

(3)

式中：εe、εp分别为弹性应变和塑性应变，d为损伤变量，E0为初始弹性模量。

Deng[21]基于骨料分类基础对不同再生骨料替代率RAC非线性分析，可以进行对其强度有效的预测，相关性系数达到0.98，计算和试验结果如图3所示。

(a)Ⅰ类骨料RAC (b)Ⅱ类骨料RAC (c)Ⅲ类骨料RAC

(4)

对于再生混凝土的疲劳寿命预测，Xiao[22]、Marco[19]、Bai[23]、Peng[24]等提出可以预测RAC疲劳耐久性的荷载循环次数的模型，通过试验与模型理论预测RAC的疲劳寿命进行比较，具有较好的一致性，虽然小于NAC的疲劳寿命，但疲劳强度符合相关标准规定。

本构方程模型是细观研究的重要部分，通过细观数值模拟能更好描述其损伤破坏过程，对比试验结果对模型进行修正优化，有利于从细观尺度上更好地理解RAC宏观力学性能。

4 细观模型模拟及试验分析再生混凝土的破坏机理

基于以上细观数值研究方法，研究者对再生混凝土的破坏机理有更清晰的认识。肖建庄等[25]通过对RAC破坏机理的模拟计算与分析，发现裂缝的出现顺序为老界面处→新界面处→老砂浆处，RAC中界面过渡区疏松且多孔，是其薄弱部位。岳强等[15]通过建立RAC真实细观模型对其力学性能及破坏过程进行了模拟，主要破坏源于新老砂浆和界面过渡区的受拉破坏。Peng等[26-27]建立了圆形骨料和凸多边形随机骨料模型，模拟骨料取代率为100%的RAC裂缝扩展，结果表明，裂缝最初出现的区域总是在界面过渡区，然后裂缝延伸、贯通直至破坏。Shang等[28]利用X光扫描分析RAC中二维和三维裂缝的分布，发现当RA强度较高时，微裂缝沿着RA与水泥浆体之间的界面过渡区发展；当RA强度较低时，微裂缝通过RA发展。Yu[18]的试验表明老砂浆与新砂浆的相对强度对再生混凝土裂缝发展起重要作用。当新砂浆比老砂浆弱时，损伤最初发生在新老砂浆之间的界面过渡区，传递至新的砂浆中。如果老砂浆较弱，裂缝开始于旧骨料和老砂浆界面过渡区，先扩展到老砂浆中，最终扩展到新砂浆中。当老砂浆比新砂浆弱很多时，几乎所有的损伤都在老砂浆内。Wang[29]通过比较不同界面过渡区与相应砂浆的相对性能比(新老砂浆的强度比)对RAC力学性能的影响，发现老砂浆与RA组成的界面过渡区对RAC性能和裂缝发展更为重要。

通过以上研究结果发现，不论RAC中骨料强度与砂浆强度如何，RAC的破坏一般归于界面过渡区应力集中导致微裂缝产生和发展，如图4所示。

(a) (b) (c)

Yue[30]通过扫描电镜发现，骨料新界面存在大量不规则原生裂缝(水泥水化过程中自身产生的裂缝)，界面过渡区疏松多孔，随着水化时间延长，孔隙和数量减小。新老砂浆界面也存在大量不规则原生裂缝，并且水化产物填充了部分裂缝。RA中的老界面以及老砂浆基体有直径较大易碎且高吸水率的孔洞、水化产物丰富，同时新界面和新砂浆基体中不但存在上述特征且含有原生裂缝，老界面及老砂浆由于水化时间长、水化程度高，微观结构相对较密实、没有明显的裂缝和孔隙[30-32]。同时通过对各组成相显微硬度的测试[32-33]，从细观角度解释RAC破坏机理：当老砂浆强度比新砂浆强度高时，老界面(老砂浆与旧骨料界面)的硬度值比砂浆界面(新老砂浆间界面)和骨料新界面(新砂浆与旧骨料界面)的硬度值高；当两者强度相当时，砂浆界面及老界面比骨料新界面的硬度值高；当新砂浆强度比老砂浆的强度高时，骨料新界面高于砂浆界面和老界面的硬度值。

RAC的破坏源于微裂纹的发展，裂纹沿弱界面发展。可以通过强化RAC中弱界面和减少初始微裂纹来改善RAC力学性能，如调整配合比和骨料级配，改进混合工艺，通过加入矿物掺合料调整配合比，通过减小砂浆与骨料的强度差和水泥浆体的收缩，从而降低骨料与砂浆界面的应力集中程度和初始微裂缝，提高骨料与水泥浆体的粘结强度。良好的级配可以减少水泥和水的用量，从而减少混凝土硬化收缩引起的应力集中，减少初始微裂缝，还可以改进混合工艺，优化混合粉煤灰、矿渣、硅灰和其他活性矿物材料。

5 结语与展望

随着细观力学、计算机仿真技术的发展，对RAC细观尺度研究方向更为清晰。随机骨料模型、离散元模型等模拟表现出较为理想的效果，从细观上定性和定量分析ITZ的性能及力学参数，促进RAC宏观力学性能的研究进展，最终达到提升RAC力学性能至应用标准的目标，对于今后关于RAC的研究提出以下建议。

(1)对于细观数值模拟，一方面可以建立与实际骨料形状更符合的骨料模型，如随机凸多面体骨料三维模型；另一方面对模拟过程如材料赋予、网格划分等进行优化，使其既接近实际又不增加过多计算量。

(2)在对再生混凝土细观研究的基础上，对本构关系进行完善，以不同工况的本构关系进行分类，形成相应再生混凝土本构规范标准。

(3)在完善细观研究的过程中，通过数值模拟可以进行界面过渡区这一薄弱相的定量分析，形成评价界面过渡区的力学性能参数，如界面过渡区厚度、含量、孔隙度等对再生混凝土损伤、破坏的影响和发展过程。

(4)通过人工智能算法如遗传算法、粒子群、BP神经网络等进行多元回归分析，对细观与宏观相联系的本构模型的预测结果与实际结果相关性进行优化，加快理论与实际联系的进程，以期RAC更快达到工程应用效果。

随着我国高质量生态友好型发展的硬性要求，再生混凝土的应用是建筑发展进程上必不可少的重要一步，如何更好地利用RAC，使其不仅仅应用于次要建筑结构中，对再生混凝土的性能研究，特别是再生混凝土的力学性能研究也尤为重要。