劉 赫,段廣超,張景怡,楊彥海,張懷志
(1.沈陽建筑大學交通工程學院,沈陽 110168;2.沈陽城市建設學院土木工程系,沈陽 110167)
瀝青路面維修養(yǎng)護每年會產(chǎn)生大量的瀝青路面再生骨料(reclaimed asphalt pavement, RAP),以RAP取代天然粗骨料制備混凝土可以節(jié)約資源,減少溫室氣體排放,有利于資源可持續(xù)利用。目前,學者們對RAP在混凝土中的應用展開了一定的研究。Huang等[1]發(fā)現(xiàn)用RAP取代天然粗骨料時混凝土抗壓強度降低34.4%;Brand等[2]發(fā)現(xiàn),RAP摻量為50%(全文含量、摻量均為質(zhì)量分數(shù))時混凝土強度降低39%,但14 d抗壓強度仍可滿足水泥混凝土路面要求;陳玉等[3]指出摻入RAP后混凝土強度降低的主要原因是骨料與砂漿的界面強度較低。Fakhri等[4]和Huang等[1]指出RAP摻入混凝土后,混凝土的韌性增加;Debbarmaet等[5]發(fā)現(xiàn)RAP的摻入可以改善混凝土試件破壞后的承載能力,從而提高其使用壽命。在經(jīng)濟效益方面,摻入RAP后由于原料及運輸成本降低,1 m3混凝土的成本可降低45%[6-7]。自密實混凝土(self-compacting concrete, SCC)是一種高性能混凝土,具有良好的流動性、間隙通過性,在施工過程中不需要振搗即可密實成型,能有效提高施工效率和質(zhì)量。近些年來,國內(nèi)外研究人員對采用RAP配制的自密實混凝土開展了一定的研究工作。曲欽岳等[8]研究了RAP及礦物摻合料對自密實混凝土工作性和抗壓強度的影響,結(jié)果顯示RAP對混凝土坍落度影響較小,抗壓強度隨著RAP摻量的提高而降低。Ibrahim等[9]研究了RAP摻量為0%、10%、20%、40%時SCC工作性及抗壓強度,結(jié)果顯示RAP摻量在0%~40%時工作性滿足要求,隨著RAP摻量提高,自密實混凝土抗壓強度與抗拉強度降低,收縮率提高。Khodair等[10]發(fā)現(xiàn)隨著RAP摻量增加,自密實混凝土工作性、抗壓強度及抗拉強度降低;Khodair等[11]在另一項研究中發(fā)現(xiàn),RAP摻量為0%、15%、30%、50%時制備的自密實混凝土工作性可以滿足要求,但RAP摻量提高時自密實混凝土抗壓及劈裂抗拉強度降低。
目前,國內(nèi)外學者針對不同RAP摻量對混凝土工作性及強度的影響做了大量研究,而對RAP自密實混凝土(self-compacting concrete with reclaimed asphalt pavement, RSCC)應力-應變關系和損傷本構(gòu)關系研究較少。本文對不同RAP摻量下自密實混凝土的應力-應變關系進行分析,建立了RAP摻量的單軸壓縮損傷本構(gòu)關系,揭示了不同RAP摻量下自密實混凝土的損傷演變規(guī)律,為RAP在自密實混凝土中的應用提供理論和技術(shù)參考。
水泥(cement, C)為遼寧恒威水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥;粉煤灰(fly ash, FA)為沈陽光燃煤炭公司的F類Ⅰ級粉煤灰;礦粉(ground granulated blastfurnace slag, GGBS)采用本溪永星新型建材有限公司生產(chǎn)的S95礦粉;硅灰(silica fume, SF)中二氧化硅質(zhì)量分數(shù)為92.5%,平均粒徑為0.1~0.3 μm,膠凝材料的物理性質(zhì)及化學組成見表1。減水劑為聚羧酸類高效減水劑(superplasticizer, SP),減水率為33%(質(zhì)量分數(shù));拌和用水為自來水。細骨料采用Ⅱ區(qū)普通河砂(sand, S),細度模數(shù)為2.65,表觀密度為2 650 kg/m3;粗骨料采用相同級配,粒徑為4.75~16 mm的天然碎石(coarse aggregate, CA)和RAP兩種集料,表觀密度分別為2 745 kg/m3和2 683 kg/m3,級配曲線如圖1所示,天然粗骨料與RAP的吸水率分別為0.36%和0.98%(質(zhì)量分數(shù)),RAP瀝青含量為3.04%,從路面銑刨料中回收得到。
表1 膠凝材料的物理性質(zhì)及主要化學組成Table 1 Physical properties and main chemical composition of cementitious material
圖1 粗骨料粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of coarse aggregate
試樣制備:試驗選用的自密實混凝土配合比設計方案如表2所示。5組SCC的粗、細骨料用量相同,不同之處在于RAP以不同摻量取代天然骨料,分別為0%、30%、60%、90%、100%。按照上述配比,將所有原材料放入攪拌機中混合均勻,每組成型3個100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件和100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件。24 h后拆模,并在溫度(20±2) ℃和相對濕度大于95%的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至56 d齡期,用于立方體抗壓強度測試和棱柱體應力-應變關系測試,以每組3個試件的平均值作為最終試驗結(jié)果。
表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportion of concrete
圖2 韌性指數(shù)的評定方法Fig.2 Evaluation method of toughness index
自密實混凝土工作性采用坍落擴展度和擴展時間T500試驗方法,按照JGJ/T 283—2012《自密實混凝土應用技術(shù)規(guī)程》進行測試;自密實混凝土56 d立方體抗壓強度和棱柱體應力-應變關系測試,按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行測試。
韌性指數(shù)(toughness index)計算方法:為了更好地分析和表征自密實混凝土的變形和能量吸收能力,本文引入韌性指數(shù)指標[12],定量分析RAP摻量對自密實混凝土韌性的影響規(guī)律,韌性指數(shù)計算方法如圖2所示。圖中A為峰值應變下應力-應變曲線的面積,B為80%峰值應力與應變和峰值應力與應變所圍成的面積。
微觀形貌測試方法:采用設備型號QUANTA FEG-250掃描電鏡對RAP表面瀝青形貌進行觀測,測試電壓為15 kV,放大倍數(shù)為50倍和3 000倍。
不同RAP摻量下SCC坍落擴展度和擴展時間(T500)如圖3所示,由圖3可知,隨RAP摻量的增加,SCC坍落擴展度不斷減小,擴展時間T500逐漸增大,RAP對SCC工作性具有不利影響。相比于未摻RAP的SCC,RAP摻量為30%、60%、90%和100%的SCC坍落擴展度下降百分比分別為5.1%、8.8%、15.4%和25.0%,T500增加百分比分別為43.8%、65.6%、100.0%和137.5%。圖4為不同RAP摻量下SCC的56 d立方抗壓強度值,隨著RAP摻量增加,SCC抗壓強度不斷減小,相比于未摻RAP的SCC,摻量30%、60%、90%和100%的SCC抗壓強度值分別降低19.6%、32.2%、40.3%和45.9%。
圖3 RAP摻量對SCC坍落擴展度和T500的影響Fig.3 Influence of RAP content on slump flow and T500 of SCC
單軸壓縮作用下不同RAP摻量的SCC棱柱體試件應力-應變曲線如圖5所示,隨RAP摻量的增加,應力-應變曲線越偏向于X軸。不同摻量RAP自密實混凝土應力-應變曲線特征指標如表3所示(其中,fr、εr、Er分別為取代率為r的RAP自密實混凝土峰值強度、峰值應變和彈性模量,取應力σ=0.3fr時的割線模量作為混凝土的靜態(tài)彈性模量),從表中可以看出,與未摻RAP的基準組自密實混凝土相比,RAP摻量為30%、60%、90%、100%的自密實混凝土峰值應力分別降低約33%、38%、42%、50%,峰值應變分別增加10.5%、21.0%、29.0%和42.4%,彈性模量分別減小35.9%、40.5%、52.7%、52.9%。
表3 RAP自密實混凝土應力-應變曲線特征指標Table 3 Characteristic indexes of stress-strain relationship for RSCC
圖6 RAP摻量對彈性模量的影響Fig.6 Effect of RAP content on elastic modulus
RAP摻量對彈性模量的影響如圖6所示,RAP自密實混凝土彈性模量與RAP摻量存在較好的相關性,本文基于Aslani等[13]提出的橡膠含量與混凝土彈性模量的關系式,根據(jù)試驗結(jié)果得到不同RAP摻量下自密實混凝土的彈性模量與RAP摻量之間的關系式如式(1)所示。
(1)
式中:Er為取代率為r的RAP自密實混凝土彈性模量;Ec為取代率為0的自密實混凝土彈性模量;φ1、ψ1是彈性模量系數(shù),根據(jù)試驗結(jié)果擬合得φ1=23.873,ψ1=0.004 73,相關系數(shù)R2=0.92。
不同RAP摻量下自密實混凝土韌性指數(shù)計算結(jié)果如表4所示,相比于未摻RAP的基準組自密實混凝土,RAP摻量為30%、60%、90%和100%的自密實混凝土韌性指數(shù)分別提高8.0%、11.6%、16.9%、25.0%。由試驗結(jié)果可知,RAP的摻入能夠改善自密實混凝土韌性,試件破壞后承受荷載的能力增強,表現(xiàn)出較好的變形能力,能夠吸收更多能量。
表4 不同RAP自密實混凝土的韌性結(jié)果Table 4 Toughness results of different RSCC
Lemaitre等[14]的等價應變假說指出:有效應力作用在無損材料上產(chǎn)生的應變等于全應力作用在損傷材料上產(chǎn)生的應變。由此可得,摻入RAP后SCC的本構(gòu)關系如式(2)所示。
σ=Erε(1-D)
(2)
式中:σ為RAP自密實混凝土名義應力;Er為RAP自密實混凝土彈性模量;ε為RAP自密實混凝土應變;D為荷載引起的損傷變量。
將RAP自密實混凝土的破壞過程視為一個連續(xù)發(fā)展的過程,并作以下假設:(1)將自密實混凝土視為由無數(shù)個無限微元組成的整體,假設在微元破壞之前符合線性胡克定律,微元強度符合Weibull分布;(2)RAP自密實混凝土宏觀上表現(xiàn)為均質(zhì)各向同性,損傷破壞表現(xiàn)為各向等效發(fā)展[15]。則其概率密度函數(shù)如式(3)所示。
(3)
式中:P(F)為微元強度概率密度分布函數(shù);F為微元強度的分布變量;a、b為Weibull分布的分布參數(shù)。
在單軸壓縮荷載作用下微元破壞數(shù)目N1與微元總數(shù)目N的關系可由式(4)表示。
(4)
將單軸壓縮荷載下?lián)p傷變量定義為破壞微元與總微元的比值,即式(5)。
(5)
結(jié)合式(2)和式(5),摻入RAP后自密實混凝土在荷載作用下應力-應變關系為式(6)。
(6)
式中Er可由公式(1)計算得到。
對式(6)兩邊取對數(shù)得到式(7)。
(7)
對式(7)兩邊取對數(shù)得到式(8)。
(8)
Y=bX-C
(9)
式中C=blna,可得參數(shù)a和參數(shù)b,計算得到本構(gòu)模型相關參數(shù)如表5所示。模型計算得到的應力-應變(σ-ε)曲線結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖7所示。由表5及圖7可知本構(gòu)模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果的相關系數(shù)(R2)均在0.92以上,本文所建立的本構(gòu)模型能夠?qū)饺隦AP后自密實混凝土的應力-應變關系進行準確預測。
表5 本構(gòu)模型相關參數(shù)Table 5 Related parameters of constitutive model
圖7 本構(gòu)模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig.7 Comparison of constitutive model fitting results and test results
保持式(6)參數(shù)Er及b不變,改變參數(shù)a,得到的應力-應變曲線如圖8(a)所示,保持式(6)參數(shù)Er及a不變,改變參數(shù)b,得到的應力-應變曲線如圖8(b)所示。隨著參數(shù)a的提高,峰值應力與峰值應變增大。參數(shù)b越高,應力-應變曲線峰后段越陡,材料脆性越大。
圖8 參數(shù)對本構(gòu)模型的影響Fig.8 Influences of parameters on constitutive model
對表5中的本構(gòu)模型參數(shù)與RAP取代率進行擬合,可得參數(shù)與RAP取代率r的函數(shù)關系,結(jié)果如圖9所示,由圖9可知,模型參數(shù)a和b與RAP取代率r具有一定相關性,且相關系數(shù)均大于0.93。其中,參數(shù)a隨RAP取代率的增加遞增,參數(shù)b隨RAP取代率的增加遞減。這說明隨著RAP取代率增加,自密實混凝土的脆性減小,峰值應變增加,其與試驗所測試得到的應力-應變關系結(jié)果一致,由此可見本文所建立的本構(gòu)模型能夠較好地描述不同RAP取代率下自密實混凝土應力-應變關系。
圖9 模型參數(shù)與RAP取代率的關系Fig.9 Relationship between model parameters and RAP content
為了進一步分析單軸壓縮作用下不同RAP摻量下自密實混凝土的損傷規(guī)律,根據(jù)式(5)對RAP自密實混凝土總損傷量進行計算,不同RAP摻量下SCC總損傷量發(fā)展規(guī)律如圖10所示,對式(5)進行求導,損傷變量發(fā)展速率如圖11所示。由圖10可以看出,總損傷量隨著應變的增加呈現(xiàn)出S型遞增,當應變到達0.005時各試件損傷變量均達到0.8,且最終趨近于1。不同RAP摻量下自密實混凝土的損傷變量發(fā)展規(guī)律存在較大不同,在應變發(fā)展初期,未摻RAP的自密實混凝土在應變小于0.000 7時,其損傷變量值幾乎為零,說明該階段未摻RAP的自密實混凝土處于彈性階段,試件并未受到損傷,但摻入RAP的自密實混凝土未受損傷的初始應變較小,說明RAP自密實混凝土發(fā)生損傷的階段明顯早于未摻入RAP的自密實混凝土。不同RAP摻量的SCC損傷變量在應變?yōu)?.002時相交于一點,當應變小于0.002時,摻入RAP的自密實混凝土損傷變量值大于未摻RAP的自密實混凝土,且隨著RAP摻量增大損傷變量值越大。當應變大于0.002時,未摻RAP的自密實混凝土損傷變量值均大于摻入RAP的自密實混凝土,且隨RAP摻量的增加損傷變量值不斷減小。由此可見摻入RAP的自密實混凝土應變發(fā)展早期損傷較大,后期損傷小于未摻RAP的自密實混凝土。由圖11可知不同RAP摻量下峰值越大代表損傷速率發(fā)展越快,未摻RAP的自密實混凝土發(fā)展速率最大,隨RAP摻量的增加,損傷變量發(fā)展速率趨于平緩,但在應變較小的情況下?lián)饺隦AP的自密實混凝土損傷發(fā)展速率大于未摻RAP的自密實混凝土,且隨RAP摻量的增加,其損傷速率越大。綜上可知,摻入RAP使自密實混凝土在應變較小時,損傷程度和損傷速率增加,但當應變進一步發(fā)展時,RAP能夠降低自密實混凝土的損傷值和損傷速率。
圖10 不同RAP摻量下總損傷變量發(fā)展規(guī)律Fig.10 Law of damage variable with different RAP content
圖11 損傷速率發(fā)展規(guī)律Fig.11 Law of damage development rate
RAP表面瀝青膜性質(zhì)與自密實混凝土工作性、力學性能密切相關,RAP表面瀝青膜掃描電鏡照片如圖12所示,由圖12(a)可見RAP表面瀝青膜并非光滑連續(xù),而是存在較多孔隙(見圖12(b))。對天然骨料和RAP骨料進行吸水率測試,天然骨料與RAP吸水率分別為0.36%和0.98%,相比于天然骨料RAP吸水率增加172.2%,從而導致?lián)饺隦AP后自密實混凝土工作性有所下降。
圖12 RAP表面掃描電鏡照片F(xiàn)ig.12 SEM images of RAP surface
單軸壓縮作用下自密實混凝土破壞過程如圖13所示,基準自密實混凝土與摻RAP自密實混凝土在加載過程中裂紋擴展存在顯著差異,摻入RAP的自密實混凝土裂紋主要沿RAP骨料與水泥漿體界面處擴展,且擴展過程中發(fā)生偏移,破壞時裂紋數(shù)量增多(見圖13(a)),從而使得RAP自密實混凝土吸收能量的效果增加,韌性指數(shù)提高,基準自密實混凝土裂紋擴展貫穿骨料,路徑曲折度較低(見圖13(b)),主要原因為RAP表面的瀝青薄膜與水泥砂漿之間黏結(jié)強度弱,界面孔隙率高,導致界面區(qū)的黏結(jié)力較薄弱[16-19]。受壓時裂縫在RAP表面萌生,延RAP表面擴展,延長了裂紋擴展路徑,吸收更多能量[1,20]。
圖13 單軸壓縮作用下SCC的破壞過程示意圖Fig.13 Schematic diagram of failure process of SCC under uniaxial compression
(1)RAP的摻入降低了自密實混凝土的工作性和抗壓強度,但RAP的摻入提高了自密實混凝土的韌性指數(shù),能夠改善自密實混凝土脆性。
(2)隨RAP摻量增加,自密實混凝土峰值應力和彈性模量下降,峰值應變增加,同時自密實混凝土彈性模量與RAP摻量之間存在較好的相關性。
(3)本文建立的損傷本構(gòu)模型能夠較好地描述不同RAP摻量下自密實混凝土的應力-應變關系,相關系數(shù)均在0.92以上。參數(shù)a、b共同影響本構(gòu)模型,但參數(shù)b對曲線下降段影響較大,隨著模型中參數(shù)b的提高,應力-應變曲線峰后段越陡,峰值應變增大,材料脆性越大。
(4)相比于未摻RAP的自密實混凝土,在應變小于0.002時,摻入RAP的自密實混凝土損傷變量值大于未摻RAP的自密實混凝土損傷變量值,當應變超過0.002時與之相反,RAP摻入能夠顯著延緩損傷速率發(fā)展,隨著RAP摻量的增大損傷速率峰值降低。