晏方 劉杰 陳宇良 朱玲 吳輝琴 王澤敏

摘? 要：為探究道路再生骨料對(duì)混凝土的多軸受壓強(qiáng)度及損傷演變性能的影響，考慮兩種類(lèi)型粗骨料及6種圍壓值，設(shè)計(jì)完成了12組混凝土的常規(guī)三軸試驗(yàn)研究.通過(guò)試驗(yàn)，觀察并對(duì)比了試件在單向軸壓與三向軸壓下破壞形態(tài)，獲取了各圍壓荷載下試件的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變，分析了三軸荷載作用下再生混凝土強(qiáng)度影響因素，并揭示了再生混凝土的損傷演變規(guī)律.研究結(jié)果表明：在圍壓荷載作用下，試件破壞形態(tài)發(fā)生了較大改變，骨料類(lèi)型對(duì)試件破壞形態(tài)影響不大;圍壓值=0 MPa時(shí)，試件發(fā)生劈裂破壞;圍壓值[>]0 MPa時(shí)，發(fā)生具有一定延性的剪切斜壓破壞;側(cè)向圍壓荷載越大，再生混凝土的強(qiáng)度越大，變形能力越好;側(cè)向圍壓荷載可有效約束再生混凝土損傷的發(fā)展，并延遲了初始損傷出現(xiàn)的時(shí)間.

關(guān)鍵詞：道路工程;再生骨料;常規(guī)三軸;強(qiáng)度;損傷

中圖分類(lèi)號(hào)：U414.18? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.006

0? ? 引言

混凝土道路路面運(yùn)營(yíng)3～5 a后，在不斷遭受重復(fù)車(chē)輛荷載后產(chǎn)生損傷與破壞，較為常見(jiàn)的破壞形態(tài)有路面出現(xiàn)的錯(cuò)臺(tái)、斷板，坑洼等，影響了行車(chē)的舒適性，給交通安全帶來(lái)了潛在危害.混凝土道路路面每隔10 a左右就要進(jìn)行大規(guī)模的翻新改造，由此，產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土，一方面廢舊混凝土的處理增加了道路改造的成本，另一方面對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染.如何處理道路廢棄混凝土對(duì)綠色環(huán)保和實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用具有重要的意義[1-3].

再生混凝土是指使用建筑垃圾為原料加工得到的再生粗骨料，代替天然骨料拌合而成的混凝土.將拆除的道路路面加工為再生粗骨料用于再生混凝土，既能有效解決道路廢棄混凝土的存放與處理等問(wèn)題，又保護(hù)了環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展.沈建生等[4]對(duì)再生混凝土的制備方法進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，再生混凝土通過(guò)合理的配合比設(shè)計(jì)，可以達(dá)到天然混凝土的強(qiáng)度.肖建莊等[5-10]對(duì)再生混凝土單軸力學(xué)性能、三軸力學(xué)性能及對(duì)鋼筋銹蝕影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，再生骨料對(duì)混凝土的單軸力學(xué)性能、三軸力學(xué)性能、鋼筋銹蝕影響不大，多軸受力狀態(tài)下再生混凝土力學(xué)性能與單軸受力狀態(tài)下相差甚遠(yuǎn).

由于建筑用混凝土與道路用混凝土功能性要求不一致而導(dǎo)致其性質(zhì)存在諸多差異.例如，道路用混凝土強(qiáng)度等級(jí)普遍在C30以下，一般低于建筑用混凝土，故關(guān)于建筑廢棄混凝土的研究對(duì)道路再生混凝土的適用性值得探究，且在實(shí)際工程中混凝土常為多軸受力狀態(tài)，對(duì)三軸受力狀態(tài)下再生混凝土力學(xué)性能更值得探究.但目前有關(guān)再生混凝土研究中的骨料來(lái)源基本為建筑廢棄混凝土，使用路面廢棄混凝土制作的粗骨料來(lái)制備再生混凝土的研究較少[11]，針對(duì)道路再生骨料混凝土三軸受壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究未見(jiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，道路再生骨料的三軸力學(xué)性能與單軸力學(xué)性能間的差異不得而知.為此，通過(guò)單軸和常規(guī)三軸試驗(yàn)探討道路再生骨料混凝土強(qiáng)度及損傷性能，旨在進(jìn)一步豐富再生混凝土理論，為實(shí)際工程中再生混凝土技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供參考.

1? ? 試驗(yàn)原材料及配合比設(shè)計(jì)

1.1? ?膠凝材料

水泥采用標(biāo)號(hào)為42.5R的海螺牌普通硅酸鹽水泥，水泥性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1;水為城市自來(lái)水.

1.2? ?骨料及細(xì)骨料

再生粗骨料來(lái)自廣西柳州市城市公路水泥混凝土路面改善工程的廢棄道路混凝土，原生混凝土的標(biāo)號(hào)為C25，服役年限為10 a，經(jīng)過(guò)破碎、篩分、清洗、曬干得到再生粗骨料，粒徑5～25 mm，連續(xù)級(jí)配，堆積密度為1 375 kg/m3，吸水率為3.200%，含水率為1.820%.

天然骨料的級(jí)配與再生粗骨料相同，堆積密度與再生骨料相比偏大，為1 412 kg/m3;吸水率和含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于再生骨料，分別為0.310%、0.098%.

細(xì)骨料：中河砂，細(xì)度模數(shù)Mμ= 2.49.

1.3? ?配合比設(shè)計(jì)

普通混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）[12]，目標(biāo)強(qiáng)度C30.再生混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，保證膠凝材料、細(xì)骨料用量一致，用道路再生粗骨料等量取代天然骨料.為保證水膠比一致，再生骨料的附加用水不予考慮.配合比設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表2.

2? ?試驗(yàn)方案

2.1? ?試件設(shè)計(jì)

以側(cè)向圍壓值為變量，共考慮6種圍壓（0～15 MPa，增量為3 MPa），共制作了36個(gè)試件，試件尺寸為高200 mm，直徑100 mm的圓柱體.其中天然混凝土試件與道路再生混凝土試件各18個(gè)，每種圍壓3個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果取三者均值.

2.2? ?試驗(yàn)裝置及加載制度

試驗(yàn)儀器采用RMT-301試驗(yàn)機(jī)，該儀器配備高精度量測(cè)系統(tǒng)，能準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)全過(guò)程中豎向位移、軸壓力、圍壓數(shù)據(jù).三軸加載裝置由高強(qiáng)鋼筒體、聚氨酯套、鋼透蓋及剛度極大的鋼板組成;其中聚氨酯套為柔性材料，保證與試件緊密貼合，使試件側(cè)向均勻受壓，模型如圖1（a）所示.

混凝土單軸試驗(yàn)時(shí)，采用位移控制加載制度，加載速率為0.01 mm/s.混凝土常規(guī)三軸試驗(yàn)時(shí)，需預(yù)先采用荷載控制加載制度，同步施加軸向力與圍壓到設(shè)定圍壓值，此時(shí)受力模型如? ? 圖1（b）所示;后續(xù)試驗(yàn)步驟與單軸試驗(yàn)一致.常規(guī)三軸試驗(yàn)加載制度如圖1（c）所示.

（a）試驗(yàn)加載裝置? ? ? ? ? ? ? （b）試件受力模型示意圖? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （c）加載制度

3? ? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1? ?試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果

各試件的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變列于表3.由表3可知，圍壓值對(duì)混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變影響較大，兩者都隨圍壓值的增大出現(xiàn)增大的趨勢(shì).

注：σw為側(cè)向圍壓值;σu為峰值應(yīng)力;εu為峰值應(yīng)變;NAC為天然混凝土;LRAC為道路再生混凝土.

3.2? ?試件的破壞形態(tài)

通過(guò)對(duì)比不同骨料類(lèi)型與圍壓值下的試件破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，試件的破壞形態(tài)與骨料的來(lái)源無(wú)關(guān)，主要與圍壓值有關(guān).其中單軸受壓時(shí)表現(xiàn)為豎向劈裂破壞，三軸受壓時(shí)試件表現(xiàn)為斜向剪切破壞.

當(dāng)側(cè)向無(wú)圍壓作用時(shí)，即為混凝土單軸受壓.再生骨料對(duì)混凝土破壞過(guò)程影響不大.天然混凝土與再生混凝土都存在彈性極限值（約75%峰值荷載）.荷載超過(guò)彈性極限值后，首先試件的中部出現(xiàn)豎向裂縫，并向兩端延伸，與此同時(shí)產(chǎn)生新的裂縫;當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載后，試件的承載力急劇下降，最后試件表現(xiàn)為劈裂破壞形態(tài).試件破壞形態(tài)圖及模型圖見(jiàn)圖2（a）、圖2（b）.

三軸受壓作用下，隨著豎向荷載的增大，再生混凝土試件出現(xiàn)斜向裂縫，裂縫數(shù)量少;當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載，試件最終表現(xiàn)為斜截面剪切破壞，且試件的中部“鼓起”，試件破壞時(shí)表現(xiàn)出較好的延性性能.試件破壞形態(tài)圖及模型圖見(jiàn)圖2（c）、圖2（d）.觀察破壞面發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍壓值小于6 MPa時(shí)，主要為再生粗骨料與水泥漿體間界面剪斷破壞，粗骨料幾乎沒(méi)有被剪斷;當(dāng)圍壓值大于6 MPa時(shí)，再生骨料和再生骨料間的水泥膠體均被剪斷而破壞，且在其表面存在有少量的粉末.

[ （a）單軸破壞 （b）單軸模型破壞 （c）三軸破壞 （d）三軸破壞模型圖 ]

3.3? ?強(qiáng)度對(duì)比分析

圖3為各圍壓下試件峰值應(yīng)力對(duì)比圖.由圖3可知，側(cè)向圍壓值對(duì)混凝土的峰值應(yīng)力有較大影響，峰值應(yīng)力隨圍壓值增大而有不同程度提高.當(dāng)側(cè)向圍壓值從0 MPa增大到15 MPa時(shí)，天然混凝土和再生混凝土試件的峰值應(yīng)力分別增大了391.4%、339.7%，可見(jiàn)由于圍壓的約束作用，大大提高了混凝土的承載力.

對(duì)比天然混凝土和再生混凝土的峰值應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)在相同加載條件下，再生混凝土的強(qiáng)度均比天然混凝土高.這與再生粗骨料自身特性有關(guān);雖然破碎過(guò)程中骨料內(nèi)產(chǎn)生微裂縫降低了骨料自身強(qiáng)度，但是在側(cè)向圍壓荷載的存在，較好地約束了內(nèi)部裂縫的發(fā)展，削弱了骨料內(nèi)微裂縫的影響;而再生骨料表面粘附的水泥基體又再次吸水水化，再生混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)未增加額外用水，造成實(shí)際水膠比減小，從而提高了再生混凝土的強(qiáng)度[13].因此，再生混凝土的強(qiáng)度會(huì)比天然混凝土高.

為了更直觀描述側(cè)向圍壓對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響程度，將實(shí)測(cè)強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，即將不同三軸圍壓作用下試件的峰值應(yīng)力與單軸作用的峰值應(yīng)力比值對(duì)比，如圖4所示.由圖4可見(jiàn)，天然混凝土和再生混凝土的強(qiáng)度隨著側(cè)向圍壓值的增大均呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，天然混凝土的增長(zhǎng)速率較再生混凝土的高約22.6%，可能是由于再生混凝土骨料中存在微裂縫所致.

3.4? ?損傷性能分析

再生混凝土受力后，隨著荷載的增加，試件的不斷積累損傷，受力性能不斷惡化，主要表現(xiàn)為混凝土裂縫的出現(xiàn)、延伸以及混凝土的壓碎破壞.參考文獻(xiàn)[14]，利用截面損傷度[Ds]作為損傷變量，采用式（1）反映再生混凝土單軸及三軸受力作用下的損傷漸變過(guò)程，在此定義：[Ds=0]對(duì)應(yīng)于再生混凝土無(wú)損狀態(tài);[Ds=1] 對(duì)應(yīng)于再生混凝土的完全損傷破壞.

3.4.1? ?單軸受力損傷過(guò)程分析

圖5為天然混凝土和再生混凝土在不同側(cè)向圍壓值下的損傷過(guò)程曲線.由圖5可知，在單軸受力作用下，再生骨料的摻入提前了混凝土初始損傷發(fā)生的時(shí)間.再生混凝土的損傷演變過(guò)程如下：加載初期，再生混凝土試件處于彈性階段，試件截面的損傷度[Ds]接近于0，試件表面沒(méi)有可見(jiàn)裂縫，此時(shí)再生混凝土內(nèi)部微裂縫已開(kāi)始萌生;當(dāng)試件縱向應(yīng)變達(dá)到[ε=2.4×10-3]時(shí)，再生混凝土損傷開(kāi)始，主要表現(xiàn)為試件中部的表面出現(xiàn)可見(jiàn)的細(xì)小裂縫，混凝土內(nèi)部微裂縫的緩慢發(fā)展延伸;當(dāng)試件縱向應(yīng)變達(dá)到[ε=3.0×10-3]后，混凝土損傷迅速發(fā)展，試件截面的損傷度隨著應(yīng)變的增大，基本呈直線增大，此時(shí)試件表現(xiàn)為主裂縫由中部向兩端迅速發(fā)展，不穩(wěn)定裂縫陸續(xù)出現(xiàn);隨著荷載繼續(xù)增大，縱向應(yīng)變接近[ε=4.0×10-3]，損傷度達(dá)到0.5，再生混凝土截面裂縫貫穿，不能繼續(xù)承載，試件破壞.由此可見(jiàn)，單軸受力下，再生混凝土損傷破壞過(guò)程較迅速，為脆性破壞.

3.4.2? ?三軸受力損傷過(guò)程分析

圖6為天然混凝土和再生混凝土在三軸圍壓作用下的損傷演變曲線.由圖6可知，在圍壓荷載的作用下，天然混凝土和再生混凝土初始損傷出現(xiàn)時(shí)間先后差異不明顯.再生混凝土三軸受壓作用下的損傷漸變過(guò)程如下：加載初期，所有試件在三軸圍壓下均處于線彈性階段，損傷度? ? Ds=0;繼續(xù)加載，側(cè)向圍壓的存在導(dǎo)致混凝土的試件損傷演變過(guò)程出現(xiàn)差異，演化出如下兩種主要特征：

1）當(dāng)側(cè)向圍壓值[σw<6 MPa]時(shí)，試件縱向應(yīng)變達(dá)到[ε=5.0×10-3]，再生混凝土開(kāi)始出現(xiàn)損傷，特征表現(xiàn)為再生混凝土內(nèi)部截面微裂縫的發(fā)展;隨著縱向應(yīng)變的增大，損傷曲線的發(fā)展形狀類(lèi)似于單軸受力曲線，基本成線性增長(zhǎng)，但是其損傷曲線斜率相比單軸損傷曲線小，說(shuō)明其損傷的發(fā)展速度相對(duì)單軸受力減緩了;當(dāng)損傷度[Ds=0.8]，再生混凝土損傷破壞.

2）當(dāng)側(cè)向圍壓值[σw≥6 MPa]時(shí)，損傷出現(xiàn)的時(shí)間明顯延遲，同時(shí)損傷曲線形狀發(fā)生了顯著的變化，損傷出現(xiàn)后，混凝土截面損傷隨著荷載的增大發(fā)展緩慢，且隨著圍壓值增大，損傷發(fā)展的過(guò)程越平緩，這是由于側(cè)向圍壓的約束作用，很好的抑制混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，致使內(nèi)部裂縫的發(fā)展路徑發(fā)生了變化，由垂直裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜裂縫，增大試件截面的損傷面積，所以才導(dǎo)致了損傷曲線的改變.

綜上可知，隨著側(cè)向圍壓值增大，試件損傷出現(xiàn)越晚，損傷曲線斜率越小，損傷的發(fā)展速度越緩慢.

3.4.3? ?試件單軸與三軸受力損傷對(duì)比分析

圖7給出了天然混凝土和再生混凝土單軸和三軸受力初始損傷出現(xiàn)及損傷破壞時(shí)的應(yīng)變值.由圖7可知，側(cè)向圍壓值越大，損傷出現(xiàn)的時(shí)間越晚，損傷破壞時(shí)的應(yīng)變?cè)酱?，說(shuō)明側(cè)向圍壓值可以有效抑制再生混凝土內(nèi)部損傷的產(chǎn)生和發(fā)展.

4? ? 結(jié)論

1）單軸作用下與三軸作用下再生混凝土的破壞模式發(fā)生了改變，前者為垂直劈裂破壞，后者為斜截面剪切破壞.

2）常規(guī)三軸作用下，再生混凝土的強(qiáng)度與圍壓值有關(guān)，其強(qiáng)度隨著圍壓值增大而提高.

3）單軸受壓下，再生混凝土的損傷發(fā)展迅速，損傷曲線基本成直線上升，損傷度為0.5時(shí)試件破壞;常規(guī)三軸受壓下，再生混凝土的損傷隨著圍壓增大，損傷出現(xiàn)的時(shí)間延遲，損傷破壞時(shí)的應(yīng)變?cè)龃?

參考文獻(xiàn)

[1]? ? ?肖建莊. 再生混凝土[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]? ? ?TOPCU I B， SENGEL S. Properties of concretes produced with waste concrete aggregate[J]. Cement and Concrete Research，2004，34（8）：1307-1312.

[3]? ? ?陳宗平，陳宇良，徐金俊，等. 多軸受力狀態(tài)下再生混凝土的破壞準(zhǔn)則及應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2015，48（12）：23-33.

[4]? ? ?沈建生，徐亦冬，周士瓊，等. 再生混凝土配合比試驗(yàn)研究[J]. 新型建筑材料，2007（8）：18-20.

[5]? ? ?肖建莊，杜江濤. 不同再生粗集料混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2008，11（1）：111-115.

[6]? ? ?陳宗平，陳宇良，姚侃. 再生混凝土三軸受壓力學(xué)性能試驗(yàn)及其影響因素[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2014， 35（12）：72-81.

[7]? ? ?陳宗平， 陳宇良， 應(yīng)武擋， 等. 再生混凝土三向受壓試驗(yàn)及強(qiáng)度準(zhǔn)則[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)， 2016， 19（1）：149-155.

[8]? ? ?董健苗，徐翔波，王凱. 不同強(qiáng)度等級(jí)再生混凝土抗折性能的研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，26（2）：83-86，92.

[9]? ? ?朋改非，黃艷竹，張九峰. 骨料缺陷對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)，2012，15（1）：80-84.

[10]? ?張椿民，連金明，劉鋒. 再生粗骨料混凝土鋼筋銹蝕試驗(yàn)研究[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，27（3）：76-81.

[11]? ?龔先兵，劉朝暉，李九蘇. 道路再生骨料混凝土耐久性試驗(yàn)研究[J]. 中外公路， 2009，29（3）：200-204.

[12]? ?中國(guó)建筑科學(xué)研究院. 普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程：JGJ 55—2000[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

[13]? ?陳宗平，徐金俊，鄭華海，等. 再生混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)及應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16（1）：24-32.

[14]? ?蔡四維，蔡敏. 混凝土的損傷斷裂[M].北京：人民交通出版社，1999.

（責(zé)任編輯：羅小芬、黎? ?婭）