再生粗集料混凝土单轴受压本构关系试验研究

张国平

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 引言

随着我国建筑业的蓬勃发展，资源损耗和环境污染问题日益突出。因建筑功能更新改造致使大量建筑物需要拆除，通常处置废弃的建筑物垃圾的方法大都是堆积掩埋，而建筑垃圾不能溶解于土地，不但浪费土地而且对土地造成了永久性的破坏。我国对在经济建设过程中产生的自然环境损害及再生资源回收再利用问题较为关注，通过将工业残渣——粉煤灰加入水泥，不仅能够节省大量混凝土用水泥，同时还能够适当增加水泥强度。在中国，垃圾替代水泥约占建筑废弃物总量的55%～65%[1]，再生粗骨料混凝土是把废弃的混凝土及水泥变废为宝，这不仅避免了因垃圾水泥掩埋而造成的环境污染，而且节省了山石开采与水泥的消耗[6]。

相比天然骨料，再生骨料的受压性能与其具有显著差异，而应力－应变曲线恰好是材料受压特性的宏观反映，诸多国内外学者针对其受压特性展开研究[2－3]。焦楚杰[4]等利用分段式本构关系对废玻璃粉混凝土应力－热应变曲线关联开展深入研究，得到应力－应变曲线随废玻璃粉掺量变化的趋势。Vahab Toufigh[5]对3种不同环氧树脂含量掺量下的聚合物混凝土进行单轴应力－应变曲线进行测试，并采用非线性有限元分析(NFEA)方法来预测混凝土材料的弹塑性行为。董伟[6]等人对风积砂－粉煤灰混凝土进行应力－应变试验研究，得出风积砂掺量与粉煤灰掺量对弹性模量、泊松比等指标的影响，并建立本构参数与抗压强度和风积砂掺量之间的演化模型。刘婷[14]根据不同粉煤灰及再生骨料替代率对再生粗骨料混凝土的性能影响做了大量试验，得出粉煤灰可以促进混凝土后期强度上升且粉煤灰替代率为10%时，再生粗骨料混凝土抗压强度上升至最大值的结论。

目前大多研究是基于普通混凝土进行的试验研究[7－10]，对不同再生骨料替代率下的再生粗骨料混凝土的损伤本构研究还相对较少。

本文基于前人的研究结果，对粉煤灰替代率为10%及可再生骨料替代率为20%、30%、40%的边长为150 mm的可再生粗骨料水泥立方体试块抗压强度进行单轴受压试验，研究再生骨料替代率对再生粗骨料混凝土本构关系的影响规律，并基于试验数据拟合出粉煤灰再生粗骨料混凝土应力—应变曲线的表达式。

2 试验概述

2.1 原材料

本试验所采用的可再生粗骨材混凝土，是从路面施工后的废弃混凝土块在进行鄂式破碎机粉碎以及DBS-300型顶击标准筛分之后，取得5～20 mm粒径的粗骨材，且级配良好。原始骨料取自于某采石场出产的自然砂砾。细骨料一般采用自然河砂，其细度模数式为2.54，故属中细砂；粉煤灰为某热电厂的Ⅱ类粉煤灰；水泥为金隅通用的P.O42.5R硅酸盐水泥；混凝土材料的拌和用水取自实验室自来水。粗、细骨料的各项性能指标如表1、表2所示。

表1 粗骨料性能指标

表2 细骨料级配

2.2 再生粗骨料混凝土配合比确定

再生粗骨料混凝土设计强度为C30。试验根据肖建庄教授所著«再生混凝土»书中关于再生砼抗压强度的试验配合比设计方案来完成。本试验配合比初步设计为:水灰比恒定为0.55，砂率为0.38。再生粗骨料混凝土实际配合比如表3所示。

表3 再生粗骨料混凝土实际配合比

2.3 再生粗骨料混凝土和易性评价

通过坍落度测试，确定表3中的1、2、3组配合比条件下再造粗骨料水泥混凝土的流动性，一方面，提高了再造粗骨料混凝土试块质量；另一方面，可以研究再生粗骨料替代率对粉煤灰再生粗骨料混凝土工作特性的负面影响。图1为可再生粗骨料混凝土和易性试验。

图1 再生粗骨料混凝土坍落度试验

由图1可知，按1、2、3组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设计指标30～50 mm，且无离析泌水现象。

2.4 试验设备及方法

本试验设计了20%、30%、40%三种再生骨料替代率，龄期为28 d。本试验使用北京现代YAW-2000D型电脑控制电液伺服压力试验机完成加载。应变片使用由北京一洋应振测试技术有限公司所生产的型号为BX120-66AA电阻应变片，其电阻值为120±0.2 Ω，敏感栅宽度为60×3 mm。用酒精擦拭试块表面，应变片先用502胶粘牢，再用AB胶涂抹在表面凝固，粘接在应变片上的两根线连接DH3818应变采集箱。在采集应变前，需对此批试块进行抗压强度测试，以了解其极限承载力。应力－应变试验采取按比例分级加载模式，首先按抗压强度的10%加载至极限承载力的80%时，改为按抗压强度的5%继续加载，在各级负荷平衡后持荷约2 min。当负载已接近极限承载力时，系统将转变为位移控制，当试块出现缷载现象及缺载至极限承载力的60%，终止试验。

3 试验结果分析

通过对试验数据进行处理，得到应力－应变曲线及力学指标，如图2所示。

图2 不同再生骨料替代率下再生骨料混凝土应力－应变关系曲线

由图2可发现，不同再生骨材替代率下的再生粗骨材混凝土应力－应变曲线形式类似，整条曲线均由上涨段与下跌段构成。在上升段又分为弹性阶段和塑性阶段，通常认为在弹性阶段没有损伤情况发生，在塑性阶段应力能量的释放代表损伤的演化过程，而在塑性变形阶段曲线斜率逐步减小，一直到峰值曲率变成零，曲线随即下跌。

根据文献和规范的研究结果可知:应力－位移变化曲线上升段原点至0.4fc间的割线弹性模量即为粉煤灰再生粗骨料混凝土的弹性模量。再生骨材替代率对抗压硬度与弹性变形模量的作用和影响变化规律见图3[11－12]。

图3 再生骨料替代率与抗压强度及弹性模量关系

由图3可知，抗压能力与弹性模量都随着可再生骨材替换率的提高而出现先增后减的变化趋势。在粗骨材替换率逐步提高时，因为再造骨材表面较粗糙，再造骨材和新浆体之间的界面咬合力增强，当再造骨材替换量不大时，再造粗骨材混凝土的强度有所增加。而再造粗骨材替代率不断提高时，又因再造骨材孔隙率高、吸水性大，再造骨材过多地取代了天然骨材，使得再造粗骨材混凝土强度大幅降低。再生粗骨材替换率为20%和40%时，耐压性能分别降低了5.3%、10.2%。经试验发现，再生骨材替换率为30%、粉煤灰替换率10%时，粉煤灰回收再生粗骨料混凝土28 d立方体耐压性能最高。

随着再生骨料替代率增加，粉煤灰再生粗骨料混凝土弹性模量先升高后降低。当再生骨料替代率小于30%时，由于再生骨料表面粗糙而吸收了较多的水泥砂浆，对弹性模量所产生的正效应大于负影响；当再生骨料替代率大于30%时，由于骨料内裂纹较多，使得再生骨料的弹性模量减少。再生骨料替代率为20%和40%时，弹性模量分别降低7.8%、11.5%。这是由于再生骨料具有高吸水性，使得用水量减少而水灰比增大，最终导致再生粗骨料混凝土强度提高[13－15]。

基于文献和规范研究，可再生粗骨料混凝土试块的最大极限应变应取自试验曲线下降段0.85fc的最大应力值。试块的峰值应变与极限应变规律如图4所示[16]。

图4 再生骨料掺量与峰值应变及极限应变关系

由图4可知，由于再生骨料替代率的提高，峰值应变与极限应变变化规律基本一致。10%粉煤灰掺量下的再生粗骨料混凝土峰值应变和极限应变均随再生骨料替代率增大呈先基本持平后大幅下降的趋势。说明当再生骨料替换率过大时，峰值应力与最大极限应力均减小，从而导致再生粗骨料混凝土脆性增加。

再生粗骨料混凝土单轴在受压条件下应力—应变曲线的图形化本构关系，为其结构性质与受力特性研究奠定了材料方面的理论依据与基础。将图2的应力－应变曲线进行无量纲化，则:

式中:x、y分别为无量纲应力应变曲线的横坐标及纵坐标；ε、ε0分别为应变及峰值应变；σ、σc分别为应力及峰值应力。

根据国内学者对混凝土材料与单轴受压结构本构关系的研究，本文引入过镇海教授[13]所提供的本构模型，建立粉煤灰再生粗骨料混凝土单轴受压本构方程进行拟合，方程为:

式中:a、b分别为控制曲线上行段、下跌段的控制方程参数。

将试验数据用Origin软件进行拟合，并确定不同再生骨料替代率下的待定参数a、b值，如表4所示。

表4 本构方程拟合待定参数

可见，应力应变曲线R-square接近于1，表明拟合结果较好。随着再生骨料替代率的增加，参数a呈先上升后下降的趋势，参数b呈先下降后上升的趋势。a值与弹性模量变化趋势相同，a值越小，表明材料脆性越差；而b值的大小表明曲线下降段的陡峭程度，b值越大，曲线下降段越陡，说明材料的延性越差。

经过数据统计回归，可以进一步得到参数a、b与再生骨料替代率、抗压强度的关系:

理论计算曲线与实测曲线对比如图5所示。

图5 理论曲线和实际曲线比较

由图5可知，理论值曲线和实际值曲线二者的吻合度良好。所以，由式(2)、式(3)所描述的曲线方程可作为在粉煤灰总掺量为10%下的再生粗骨料混凝土单轴受力本构模型，以便进行再生粗骨料混凝土的非线性分析。

4 结论

(1)通过试验可知，试件的抗压能力和弹性模量均随再生骨料质量替代率的提高而呈现先增加后减少的趋势。

(2)对试件的峰值应变和极限应变来说，由于可再生骨材替代率的提高，峰值应变和极限应变呈先小幅度上升后大幅度下降的趋势。再生骨料替代率过大时，导致再生粗骨料混凝土的脆性增加。

(3)对于试件应力－应变本构模型，基于试验数据，对建立的再生粗骨料混凝土单轴受压本构方程进行拟合。结果表明，该模型可较好地反映再生粗骨料混凝土应力—应变关系，并经过数据统计回归，可以进一步得到本构参数与再生骨料替代率、抗压强度之间的关系。