纳米再生骨料混凝土的动态力学性能试验研究*

李文贵,罗智予,龙初,黄靓

(1.湖南大学 土木工程学院 湖南长沙 410082； 2.澳大利亚蒙纳士大学(Monash University) 土木工程系 澳大利亚 墨尔本 3800)

纳米再生骨料混凝土的动态力学性能试验研究*

李文贵1,2†,罗智予1,龙初1,黄靓1

(1.湖南大学 土木工程学院 湖南长沙 410082； 2.澳大利亚蒙纳士大学(Monash University) 土木工程系 澳大利亚 墨尔本 3800)

对再生混凝土以及经过1%～2%的纳米SiO2或纳米CaCO3改性的再生混凝土进行了霍普金森压杆(SHPB)的冲击对比试验研究.试验研究不同纳米颗粒及其不同掺量对再生混凝土高应变率作用下动态强度，动态增长因子(DIF)，峰值应变，冲击韧性等力学性能的影响.试验结果表明，动态冲击荷载下纳米改性再生混凝土普遍具有比未添加纳米颗粒的再生混凝土更高的冲击强度，然而当纳米颗粒含量从1%增加到2%时，纳米SiO2及纳米CaCO3改性的再生混凝土受冲击强度均有所降低.相同掺量时，纳米SiO2对受冲击强度的提高效果比纳米CaCO3更为明显，掺入1%纳米SiO2的再生混凝土具有最高的受冲击强度.纳米CaCO3则表现为更有效地提高了再生混凝土的冲击韧性和变形能力.纳米改性再生混凝土均呈现出比未添加纳米材料的再生混凝土低的应变率敏感性.

冲击实验；纳米SiO2;纳米CaCO3;再生混凝土;霍普金森压杆

Abstract：The dynamic mechanical performances of recycled aggregate concrete (RAC) incorporating with 1% to 2% nano-SiO2or nano-CaCO3were tested by Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB).The effects of different kind is of nanoparticles and different dosages on the mechanical performances of RAC were investigated.The results revealed that RACs with nano-SiO2and nano-CaCO3all zhowed higher dynamic compressive strength than the control RAC,and the nano-SiO2was more effectire than nano-CaCO3in enhancing the dynamic compressive strength of RAC.But RACs with high dosage of nano-SiO2or nano-CaCO3usually showed lower dynamic compressive strength than that of low dosage one,and the RAC incorporating with 1% nano-SiO2achieved the highest dynamic compressive strength.Nano-CaCO3exhibited more advantage in improving the deformation performance and energy absorption capacity of RAC.Both nano-SiO2modified RAC and nano-CaCO3modified RAC showed lower dynamic increase factor than control RAC.

Keywords：impact testing;nano-SiO2;nano-CaCO3;recycled aggregate concrete;Split Hopkinson pressure bar (SHPB)

在城市建造过程中，不断有旧建筑的拆除，拆除过程中产生的废弃混凝土是一种总量巨大的建筑垃圾.对废弃混凝土处理不当将导致环境污染.将废弃的混凝土经回收，破碎，分级等处理加工成骨料，再用来配置混凝土即所谓的再生混凝土.此举可以实现建筑垃圾的再次利用，既解决了垃圾问题又节约了骨料资源，可谓一举两得.然而，研究[1-2]普遍表明，由于老砂浆及多界面过渡区等的影响，再生混凝土的性能较差，再生混凝土较差的性能大大制约了其推广运用.

不少学者曾尝试对再生混凝土进行改性处理以期改善再生混凝土的性能,推广再生骨料混凝土这一绿色材料的运用.如李文贵等[3]提出颗粒整形强化法，即通过再生骨料的高速自击与摩擦来去除再生骨料表面附着的砂浆.Tam等[4]利用HCl、H2S04、H3P04溶液预浸泡骨料来进行改性处理.Zhan[5]和Zhang等[6]采用CO2强化再生骨料.但是每一种处理都有不足之处，例如机械研磨类的方法常会造成骨料损伤，化学浸泡类则可能会对骨料的某些成分造成破坏.至今仍没有哪一种方法的满足工序简单，成本合理，结果良好等要求，更多的研究需要被投入.近些年纳米材料的发展给土木工程领域带来了新的发展思路，已有的研究表明纳米SiO2及纳米CaCO3具有填充效应以及晶核效应，同时纳米SiO2还具备火山灰活性，故纳米SiO2及纳米CaCO3能改善水泥砂浆及混凝土的微观结构，强化界面区，提高强度并改善耐久性[7-9].虽然纳米材料对再生混凝土的改性研究并不多见，但是易于推知纳米材料对水泥基和界面区的改善作用依然会存在于再生混凝土中，从现有的研究结果来看，纳米材料对改善再生混凝土的性能有很大的潜力.Hosseini等[10]及Mukharjee等[11-12]的研究表明，掺3%的纳米SiO2的再生混凝土能达到与普通混凝土相似的强度.随着生产工艺的改善纳米材料高成本的劣势将逐步减小，这也暗示着纳米材料在推广再生混凝土的运用上有着广阔前景.

现如今冲击现象日益频繁，特别是天津大爆炸的爆发，使得建筑物承受冲击爆炸作用的现象受到更广泛的关注.鉴于纳米材料对推广使用再生混凝土的巨大潜力，有必要对纳米改性再生混凝土的动态性能进行研究，本文采用湖南大学直径100 mm的分离式霍普金森压杆对再生混凝土掺入纳米颗粒后的受冲击力学性能进行了初步研究，探索不同纳米颗粒的改性效果以及相应的适宜掺量以完备相关理论并探索实际运用的可行性.

1 试验概况

1.1 材 料

水泥采用湖南宁乡南方水泥有限公司产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，砂为普通河沙(中砂)，再生粗骨料由地面废弃混凝土破碎而来，骨料具体性能见表1，水采用自来水.青岛虹厦产的HSN萘系高效减水剂用作减水剂并兼用作纳米材料的分散剂.试验用纳米材料为纳米SiO2分散液及纳米CaCO3粉末，购自杭州万景新材料公司.其主要性能指标如表2及表3所示.

表1 再生骨料的物理性质

表2 纳米SiO2性能指标

表3 纳米CaCO3性能指标

1.2 试件制作

为了制作SHPB冲击试件及相应的静压试件，购买了内径94 mm长度约500 mm的PVC管，管的一端用AB胶与小木板固定密实防止漏浆，以此作为浇筑试件的模具.

考虑到再生混凝土的吸水率大于普通混凝土，所以在配置再生混凝土时添加再生骨料10 Min吸水量作为配制再生混凝土时的附加用水量，以确保配制的再生混凝土与普通混凝土能获得相同的有效水灰比.为了试验方便，附加用水量在搅拌时一起添加.共设置5组试件：再生混凝土，以及添加了纳米SiO2或纳米CaCO3的再生混凝土.其中纳米材料掺量为水泥质量的1%或2%.再生混凝土设计强度等级为C30.各组试件配合比如表4所示，其中纳米材料以取代水泥的方式掺入.

表4 纳米改性再生混凝土配合比

注：RNS和RNC分别代表添加纳米SiO2和纳米CaCO3的再生混凝土.RNS与RNC后的1或2代表纳米材料的掺量为水泥质量的1%或2%.NS为分散液质量.

由于纳米材料易因高范德华力而聚团，因此在添加纳米材料前先将减水剂与水混合，再在减水剂混合液中加入纳米材料并高速搅拌1 min以使纳米材料能够分散均匀.将水泥，砂，骨料放入搅拌机搅拌2 min后将混合液倒入，再搅拌2 min.搅拌均匀后将混凝土倒入模具中，置于振动台振动密实，并在20 ℃温度，相对湿度95%的标准条件下养护.

将养护完的试件送到机械切割厂进行切割，并剥去外层PVC管.切割成直径为94 mm长度为47 mm，长径比0.5的试件，将试件两端面用双面磨石机打磨平整用于冲击试验；切割成直径为94 mm长度为188 mm，长径比为2的试件，将试件两端面打磨平整用于进行静压试验.试验于大约28 d时进行.

1.3 试验方法

冲击试验在湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室，工程结构综合防护中心的100 mm直径分离式霍普金森压杆装置上进行.如图1所示，霍普金森杆主要由压杆系统，数据测量与采集系统及数据处理系统组成.试验时，将冲击试件夹在入射杆与透射杆之间，并在试件与两端杆件接触面间涂有凡士林以减小端部摩擦.试验过程中，通过指定不同气压值来实现不同的冲击速度，此次试验采用气压分别为0.8 MPa，1.0 MPa及1.2 MPa，光电测速仪测取对应冲击速度分别约为7.7 m/s，9.8 m/s以及11.6 m/s.当加载气压达到指定的气压时，压缩的氮气被释放推动撞击杆撞击入射杆，并产生入射波εi，由于压杆与试件的波阻抗不同，当入射波到达入射杆与试件交界面时部分波反射回入射杆形成反射波εr，另一部分则进入透射杆形成透射波εt.入射波，反射波及透射波信号由布置于入射杆及透射杆上的应变片测得，将动态应变仪采集的脉冲信号通过数据处理系统按基于一维弹性波理论以及应力沿试件轴向均匀分布假定的二波法[13]计算即可获取冲击过程试件的应力，应变以及应变率等时程曲线.

图1 霍普金森杆装置

2 试验结果

2.1 失效模型

各组试件破坏形态如图2所示，此次试验中，冲击速度分别为7.7 m/s,9.8 m/s和11.6 m/s.5组试件在同一冲击速度下的破坏形态并无明显差异，相对于试验中极大的冲击荷载，纳米颗粒对试件的改性作用过于微小，不足以对破坏模式造成影响.由于大直径霍普金森杆对应大的杆件质量，即使冲击速度不大，其巨大的动能仍使得各组试件在3种冲击速度下均被撞碎，且随冲击速度的增大，试件破坏越发严重.在冲击速度为7.7 m/s时，大多数水泥砂浆以及少量的骨料被撞碎，破坏后的试件呈现很多颗粒状的碎块.而在冲击速度为11.6 m/s时有大量的骨料被撞碎，试件破坏后大部分呈粉末状.

图2 破坏形态

2.2 应力应变曲线

冲击荷载作用下纳米改性再生混凝土的应力-应变曲线如图3所示，从图中可知，除了在冲击速度为7.7 m/s时掺了2%纳米CaCO3的再生混凝土外，再生混凝土与添加不同纳米材料的再生混凝土的各冲击速度下的应力-应变曲线外形上无明显差异，均呈现出明显的上升段，峰值与快速下降段.在7.7 m/s这一相对较低的冲击速度时，2%的纳米CaCO3改性再生混凝土的应力应变曲线表现出了比其他组试件明显要高的延性.在各个冲击速度下，纳米CaCO3改性再生混凝土普遍有较大的峰值应变，且在峰值点附近，应力应变曲线比纳米SiO2改性再生混凝土以及未加纳米材料的再生混凝土更为圆润平滑.即纳米CaCO3能改善再生混凝土冲击荷载下的变形性能和延性.李文贵等[14]关于纳米CaCO3改性普通混凝土的冲击试验，以及Yeilmen等[15]关于纳米CaCO3改性水泥基的准静态试验中均得出了相似的研究结论.在同一冲击速度下，各组试件的上升段的初始部分基本重合，这表明加入不同纳米颗粒并不会显著改变再生混凝土的冲击下的弹性模量.纳米改性再生混凝土普遍表现出了比未添加纳米材料的再生混凝土更高的峰值应力，然而这种差距随冲击速度的增大而减小.

(a) 7.7 m/s

(b) 9.8 m/s

(c) 11.6 m/s 图3 应力-应变曲线

3 结果讨论

3.1 准静态受压强度

RAC标准养护28 d 150 mm ×150 mm×150 mm立方体受压强度为31.9 MPa.94 mm×188 mm试件所测得的5组准静态受压强度如图4所示，由图可知，掺入纳米颗粒的再生混凝土试件均表现出了比未掺纳米颗粒的再生混凝土试件更高的强度.纳米SiO2比纳米CaCO3提高强度的效果更为显著.随着纳米颗粒含量的增加，掺纳米SiO2的再生混凝土的受压强度依然呈上升趋势，2%的纳米SiO2表现出了最高的受压强度，而纳米CaCO3随着剂量增加其受压强度有稍微的下降，这可能是由于纳米CaCO3颗粒发生了聚团.由于纳米材料是以取代水泥的方式加入，当纳米CaCO3超过一定剂量后新添加的纳米颗粒没有充分发挥其对微结构的改善作用，不能弥补水泥含量减少带来的对强度的不利影响，故随纳米颗粒增多试件强度反而降低.

图4 准静态受压强度

3.2 动态受压强度与动态增长因子

取试件的动态峰值应力作为其动态受压强度.纳米改性再生混凝土的动态受压强度随应变率变化的情况如图5所示.图中应变率可分为3组，3组平均值分别约为136/s,178/s和213/s，对应冲击速度分别为7.7 m/s,9.8 m/s和11.6 m/s.考虑到试验误差，由图中可得知，掺入纳米颗粒并不会明显改变试件受冲击下的应变率.

从图中可知，再生混凝土掺入纳米CaCO3和纳米SiO2后普遍呈现出更高的动态受压强度.然而再生混凝土的动态受压强度随着纳米颗粒含量的增多呈下降趋势.这与Wang等[16]关于纳米CaCO3改性普通混凝土及纳米SiO2改性普通混凝土受冲击下的研究结论相一致.

图5 动态受压强度

随着冲击速度的增加，掺入不同纳米颗粒改性的再生混凝土与未掺纳米材料的再生混凝土的受压强度的差异越来越小.从图2可以看出，随着冲击速度的增加， 越来越多的再生骨料被压碎，骨料具有远高于砂浆的强度，然而骨料的强度基本不会被纳米颗粒所改变，所以纳米颗粒对试件强度的影响被削弱.

图6展示了试件的动态增长因子(DIF)，即动态强度与相应准静态强度的比值.由图可知，所有的纳米改性再生混凝土的DIF值均低于未添加纳米颗粒的再生混凝土的DIF值，但在不同组应变率下不同纳米材料改性的再生混凝土其相对DIF值呈现出了不同的规律.

图6 动态增长因子

在第一组应变率，即冲击强度为7.7 m/s时，试件中仅少量骨料开裂，破坏主要起源于砂浆.该组DIF能反映出纳米材料对砂浆的影响.在第一组中，由图可知，纳米SiO2和纳米CaCO3改性的再生混凝土均表现出比未添加纳米材料的再生混凝土更低的DIF，且随着纳米颗粒数量的增多，下降程度更加明显.这表明加入纳米SiO2和纳米CaCO3均将降低再生混凝土内砂浆的应变率敏感性.其中纳米CaCO3降低应变率的作用更加显著.

混凝土的应变率敏感性可归结为3个方面[17-18]：黏性效应，裂纹演变效应和惯性效应.纳米SiO2和纳米CaCO3减小率敏感性可能部分因为纳米颗粒的高吸水性.小尺寸的纳米颗粒具有较大的比表面积，这会吸附较多的水从而减小砂浆中的自由水的含量.由于冲击下裂纹中的自由水会引发较大的黏聚力，所以自由水含量越多，黏性效应越显著[19-20]，孔隙里面的自由水会延缓高应变率下裂纹的发展[21]，同时水分还有放大惯性效应的倾向[22].故随着纳米颗粒的掺入，自由水含量下降，再生混凝土中砂浆的应变率敏感性也随之下降.但是，高吸水性可能并非是纳米颗粒减小应变率敏感性的唯一原因.诸如随纳米颗粒增多，水泥含量有所减小，以及纳米颗粒的其他特殊性质等的影响值得进一步研究.

在第三组应变率下，裂纹演变效应变得更加明显，此时试件的破坏穿过了大量的骨料，因为纳米颗粒并不会明显改变骨料的强度，各组试件呈现出相似的动态强度.在准静态下，试件破坏主要沿着新旧界面区域以及砂浆.由于纳米颗粒可以改善新界面区并增加砂浆强度，故在适量范围内，纳米颗粒可以提高再生混凝土的准静态强度.由于具有相似的动态强度，故在第三组应变率下试件的DIF更多的取决于试件的准静态强度，试件的准静态强度被纳米颗粒提高得越多，其DIF值相对就越小.第二组应变率下的DIF值即受纳米颗粒减小砂浆应变率效应的影响，又受纳米颗粒无法提高骨料强度导致DIF随静压强度增大而降低的影响，兼具第一组DIF与第三组DIF的特征.研究表明[18,23]，混凝土类材料的DIF与log10的应变率间呈线性关系，在本次试验应变率范围内，纳米改性再生混凝土的DIF与应变率间的拟合关系如表5所示.

表5 拟合公式参数

注：拟合公式为DIF=axlog10()+b

纳米SiO2和纳米CaCO3掺入再生混凝土后，一方面它们将改善再生混凝土中砂浆的微结构并强化新界面区[9]，另一方面它们将降低再生混凝土砂浆的应变率敏感性.纳米改性再生混凝土的动态受压强度同时受这两个方面的影响.当纳米颗粒超过一定掺量时，随掺量的增多，其对再生混凝土微结构的改善作用将减弱，从图4可以看出，纳米SiO2含量从1%增加到2%时，其准静态强度的增长小于其含量从0%增加到1%时的增长.纳米CaCO3从1%增加到2%时，其准静态受压强度甚至稍微有所下降.新增的纳米颗粒对砂浆的和界面区的改善作用无法抵消其对应变率的降低作用，故掺2%的纳米SiO2和纳米CaCO3的再生混凝土均呈现出了相比1%掺量时更低的动态受压强度.

3.3 动态峰值应变

关于冲击下再生混凝土峰值应变随应变率变化的研究并未取得一致的结论.Lu等[24]对再生混凝土进行SHPB冲击试验得出峰值应变随应变率增加而变大的结论.然而Xiao等[17,25]与Li等[26]研究表明，再生混凝土峰值应变随应变率上升没有表现出明显的规律性.如图7所示，就纳米改性再生混凝土而言，其峰值应变随应变率的增加呈现上升趋势.其中掺入纳米CaCO3的再生混凝土表现出了明显要大的峰值应变.即再生混凝土中掺入纳米CaCO3能改善其变形性能.对于掺入纳米SiO2的试件而言，掺入1%的纳米SiO2时表现出略大于未添加纳米材料的再生混凝土的峰值应变值.而掺入2%的纳米SiO2后，峰值应变时常会略小于未添加纳米材料的再生混凝土.掺入纳米SiO2的再生混凝土与未添加纳米材料的再生混凝土的峰值应变的差异并不显著.

图7 动态峰值应变

3.4 冲击韧性

冲击韧性是混凝土受到动荷载吸收能量的能力，是混凝土强度和延性的综合[27].可用全应力应变曲线下的面积—比吸能来反映[24].如图8所示，随着冲击速度的增加各组试件的比吸能均呈上升趋势.由于混凝土类材料的应变率效应，试件的强度有所提升，同时高应变率下试件的极限应变亦有所增加，故试件高应变率下表现出更大的吸能能力.对比各组试件可知，掺入纳米CaCO3的再生混凝土均表现出了比未添加纳米颗粒的再生混凝土更高的冲击韧性，且大多情况下高掺量纳米CaCO3的再生混凝土对应着更高的冲击韧性.虽然掺入2%的纳米CaCO3相比掺入1%的纳米CaCO3时的冲击强度有所下降，但是由于掺入2%的纳米CaCO3时试件有更好的延性，故掺入2%的纳米CaCO3时试件仍具有更高的吸能能力.对于掺入纳米SiO2的再生混凝土，掺量为1%时，此时的试件具有最高的动态冲击强度，试件的延性并未有显著降低，因此其具有较好的吸能能力，吸能能力介于1%与2%的掺量的纳米CaCO3之间.当纳米SiO2掺量为2%时，由于过多的纳米颗粒明显减小了应变率效应，其动态强度并不是很高，同时从图3可看出，试件延性相对其他组试件而言明显要差，故其吸能能力较差，甚至低于未添加纳米材料的再生混凝土的吸能能力.这与李文贵等[14]关于纳米SiO2和纳米CaCO3改性普通混凝土的研究结论相类似，其研究结果表明，纳米CaCO3能提高再生混凝土的冲击韧性，而纳米SiO2在改善冲击韧性方面并不具备优势.

图8 耗能比

4 结 论

1)再生混凝土掺入不同剂量的纳米SiO2和纳米CaCO3后其准静态受压强度均有不同程度的提高.其中掺入2%纳米SiO2的再生混凝土达到了最大的准静态受压强度.相同掺量时，较之纳米CaCO3，纳米SiO2能更有效的提高再生混凝土准静态下的受压强度.

2)纳米SiO2和纳米CaCO3均能有效的提高再生混凝土的动态受压强度，其中纳米SiO2对动态强度的提高效果比纳米CaCO3更加明显.当纳米颗粒从1%上升到2%时，纳米SiO2和纳米CaCO3改性再生混凝土的动态强度均随着纳米颗粒掺量的增多而降低.随着应变率的增大，掺不同纳米颗粒的再生混凝土与未添加纳米颗粒的再生混凝土间的受压强度差异变小.

3)掺入纳米SiO2和纳米CaCO3后的再生混凝土均具有比未添加纳米颗粒的再生混凝土要低的DIF值.纳米SiO2和纳米CaCO3均会减小再生混凝土的应变率敏感性.在较低应变率下可能是由于纳米颗粒的大吸水性减少了砂浆的应变率敏感性；在较高应变率下，则更主要是由于纳米颗粒无法有效提高骨料强度因而对冲击强度提高有限，而纳米颗粒会明显提高准静态强度，因而导致了纳米改性再生混凝土应变率敏感性降低的现象.

4)掺入不同纳米颗粒的再生混凝土的峰值应变均随着应变率的增加而提高，掺入纳米CaCO3后的再生混凝土表现出了比其他组更高的峰值应变，即纳米CaCO3能改善再生混凝土的变形能力.而掺入纳米SiO2的再生混凝土与未掺纳米颗粒的再生混凝土的动态峰值应变没有很显著的差异.

5)随应变率的增加，各组试件均呈现出更大的冲击韧性值.其中掺入纳米CaCO3的试件的吸能能力强于未掺纳米颗粒的试件，而对于纳米SiO2，1%的掺量时能提高试件的冲击韧性，其比吸能介于1%和2%的纳米CaCO3再生混凝土间.当纳米颗粒掺量上升到2%时，其吸能能力反而下降，甚至低于了未掺纳米颗粒的再生混凝土的吸能能力.

6)综合本文对C30设计强度等级的再生混凝土的研究表明，再生混凝土的受压强度，冲击下变形能力及冲击韧性等性能均可由相应的纳米材料进行改善.纳米材料推广的不利因素在于其过高的成本，但是由于较小的使用量以及纳米技术的不断进步，成本的劣势将会日益削弱，纳米材料将会在水泥基材料领域得到更好的运用.

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Experimental Study on the Dynamical Mechanical Performance of Nanomodified Recycled Aggregate Concrete

LI Wengui1,2†,LUO Zhiyu1,LONG Chu1,HUANG Liang1

(1.College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China; 2.Department of Civil Engineering,Monash University,VIC 3800,Australia)

1674-2974(2017)09-0092-08

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.09.011

2016-07-17

国家自然科学基金资助项目(51408210),National Natural Science Foundation of China(51408210)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(531107040800),The Fundamental Research Funds for the Central Universities(531107040800)

李文贵(1982—)，男，湖南安仁人，湖南大学助理教授，博士，博士生导师

†通讯联系人,E-mail：wengui_li1021@126.com

TU502.6

A