路面用再生骨料混凝土静态与动态力学性能研究

梁俊炜，涂桂荣

（1、广州市番禺区建设工程质量监督站 广州 511400；2、广东工业大学 广州 510620）

0 前言

由于老旧的建筑拆迁、升级改扩建，道路升级改造及自然灾害等原因，每年都会产生巨量的建筑固体废弃物，而其中废弃混凝土占比达50%～60%。大量的废弃混凝土需要占用大量的土地堆放，统计显示每堆积10 000 t 建筑废弃物约占用土地67 m2，每年因堆填建筑废弃物破坏的良田达70 km2［1］。我国目前仍在大量新建基础设施、道路、桥梁、房屋，消耗着大量的混凝土，据国家统计局统计，2014年我国消耗约27 t 的骨料，16～19 亿 t 的粗骨料［2］。若能利用废弃混凝土生产再生骨料，再作为新建混凝土中部分或全部的粗骨料，这样既可以解决处理废弃混凝土的难题，又可节约大量的原生骨料，达到绿色节能经济的目的。

水泥混凝土路面具有刚度大、强度高、耐久性好、有利于夜间行车、整体性与稳定性好等优点，被大量应用于公路建设中。国内早期修建的水泥混凝土路面在行车荷载和环境因素作用下，路面破损严重急需修补，路面修补后产生大量的废弃混凝土，如不对其妥善处理，不但会增加养护成本，而且对周边环境也将造成负面影响，并且对资源也是一种浪费［3-5］。

现有研究指出再生骨料的堆积密度和表观密度低于天然骨料，压碎指标和吸水率则高于天然骨料［6-10］。在耐久性方面，再生骨料混凝土在疲劳性能方面与天然骨料混凝土无明显的差异［11-12］，再生骨料混凝土的抗冻性略差于天然骨料混凝土；再生骨料混凝土各个龄期的碳化深度均较天然骨料混凝土有所增加［13］，抗渗性能满足工程要求，再生骨料的引入并未给抗渗性带来显著的影响［14］。在力学性能方面，不同的学者得出的结论有一定的差异，有学者指出再生骨料混凝土的抗压强度随着再生骨料替代率的增加而增加［15］，而也有学者得出抗压强度随着再生骨料替代率的增加却是呈总体下降趋势［16-17］。而对于再生骨料的动态力学性能的研究则较少，研究指出再生骨料混凝土和天然骨料混凝土一样，其动态抗压强度具有应变率增强效应［18-20］。

本文研究路面用再生骨料混凝土的静态和动态力学性能及温度变化的影响，为再生骨料大规模应用到道路建设中提供技术支持和参考依据。再生骨料的应用符合国家的可持续发展战略，其兼具经济和环保绿色材料双重特性，有较好的经济效益以及长远的社会效益。

1 试验原材料和试验设计

1.1 试验原材料

⑴水泥：采用广州某品牌强度等级为P.O 42.5R的普通硅酸盐水泥。

⑵细集料：选用普通河沙，最大粒径为5 mm 的中砂，连续级配。

⑶粗骨料：天然粗骨料为5～15 mm 连续级配麻石；再生粗骨料由深圳市某公司提供，粒径5～15 mm，连续级配，半小时吸水率为3.77%；

⑷水：采用普通自来水。

⑸外加剂：采用江门市某公司生产的QL 系列混凝土聚羧酸高效减水剂，添加量为胶合材料的1.5%。

1.2 试验配合比和试件设计

基准配合比为：水灰比∶水∶水泥∶砂∶碎石∶减水剂=0.44∶165∶375∶642∶1193∶5.625。

对于再生骨料混凝土，配合比中的砂率、粒径、级配等方面的影响和原生骨料基本一致，最大的不同点是水灰比的影响，这归因于再生骨料较高的吸水率，相同的水灰比下，再生骨料混凝土的工作性能较差，不过可以通过添加一定量的减水剂来改善。本文将引进有关研究者净水灰比和附加水的概念，净水灰比是指实际用水量减去再生骨料的吸水量后和胶凝材料的比值［21］。

本文常规实验中共设置3 组不同的用水量，分别为基准用水量（ω基）、添加 50%附加水（即ω基+0.5△ω）、添加100%附加水（即ω基+△ω）；和不同的再生骨料替换率。再生骨料替换采用等质量替换法，即搅拌时把相应的原生骨料按替换率等质量替换为再生骨料［22］。

⑴静态抗压强度：由150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试块得到，每组3 个试件。

⑵静态抗折强度：由于循环加热箱的容积原因，并没有采用150 mm×150 mm×550 mm 的标准试件，而是制作了100 mm×100 mm×400 mm 的非标准棱柱体测得，每组3 个试件；

⑶动态冲击强度：为了减少误差，可以通过设计试件的尺寸使ls2/6-vs·d2/8=0（其中，ls为长度，vs为泊松比，d 为直径），这样可以使误差减到最少，当要求误差在5%以内时，试样直径和压杆直径的比值应当大于0.7［23-24］。本实验制作长度为 50 mm、直径为 100 mm 的大直径圆柱体作为冲击用试件，长径比为0.5，试件和压杆的直径的比值为1.0。

1.3 试件的制作与养护

按替换率和配合比称量好再生骨料等实验材料；首先把沙和粗骨料倒入搅拌机搅拌均匀，然后加入水泥搅拌1 min，直至集料和胶凝材料混合均匀，接下来把减水剂加到水中，最后均匀倒入搅拌机中搅拌2 min，至搅拌均匀。把搅拌好的混凝土浇筑到模具中，然后放到振动台振捣2 次，每次20 s，至振捣均匀，抹平后养护。在养护24 h 后拆模，标准养护28 d 后进行实验。

2 再生骨料混凝土静态力学性能

各试验组再生骨料混凝土的抗压强度和抗折强度试验结果如表1所示。

表1 RAC 的抗压强度和抗折强度Tab.1 The Compressive Strength and Flexural Strength of RAC

由表1可以看出：试件的抗压强度约为50～60 MPa，达到预定强度目标。所有试件受压破坏过程相似，并没有因为再生骨料含量和附加水添加量的不同而表现出较大的差异。破坏过程均是试件四周先出现微小裂缝，随后裂缝不断扩大和延伸，最终导致试件的整体破坏。

2.1 抗压强度

2.1.1 抗压强度与再生骨料替换率的关系

天然骨料混凝土的强度为53.6 MPa，而再生骨料混凝土与天然骨料混凝土的抗压强度相比，并不简单的表现为随着再生骨料替换率的增加而上升或是下降，而是会受到附加水添加量的影响。在附加水一定的前提下，再生骨料混凝土的抗压强度随着再生骨料替换率的增加表现出较有规律的变化（见图1a）。

当添加的附加水在0%或50%时，再生骨料混凝土的抗压强度随着再生骨料的替换率增加而提高，而当添加附加水为100%时，再生骨料混凝土的抗压强度却随着再生骨料的替换率增加而降低。这表面，再生骨料混凝土抗压强度除跟替换率有关外，还和附加水的添加量密切相关。

在附加水为100%时，此时添加的附加水作用使再生骨料处于吸水饱和状态，不再额外吸取基准配合比的水量，此时可以认为各替换率的试件的水灰比是一样的，这可以用净水灰比体现出来，此时各替换率试件的净水灰比均为0.44（见表1）。这反映出在净水灰比相同的情况下，随着再生骨料替换率的增加，抗压强度是下降的，不过降幅并不大，说明再生骨料的加入一定程度上使抗压强度下降。这可以从2 个方面解释：①再生骨料因经过二次破碎加工，且难免含有少许旧水泥石，所以其强度是低于天然骨料的，导致在其他条件相同的情况下，用其制备的混凝土的强度要低于天然骨料制备的混凝土；②再生骨料表面有一定的旧水泥石粘结，然后旧水泥石再与新的砂浆形成新的粘结面，这导致此粘结面是一个薄弱处，在受到外力的作用下容易产生应力集中，从而更容易产生裂纹而导致破坏。这与文献［25］的结论基本一致，其实验也添加了100%附加水。

在附加水为0%、50%时，强度随着替换率的增加而提高，此时影响强度的因素主要是有效水，即除掉被再生骨料吸收的水的用水量。由于再生骨料高吸水性的特点，使得用水量在搅拌的时候有一部分被吸进骨料内，从而使水灰比下降，这可以从净水灰比随替换率的增加而降低看出（见表1），净水灰比的降低直接导致了强度的提高，这与普通的天然混凝土的规律是一致的。还有因为再生骨料吸水后，相当于在内部增加了一个慢慢释放的水源，起到了内养护的作用，众多文献和实际工程证明，内养护可以有效地提高混凝土的强度和减少其收缩［25］。所以当再生骨料本身导致的强度下降幅度小，而再生骨料吸水后净水灰比下降和内养护带来的强度提高幅度大，二者综合作用结果就是随着再生骨料用量的增多，强度却是提高的。

2.2 抗折强度

再生骨料混凝土的抗折强度试验结果如表1所示，根据各交通荷载等级要求，抗折强度不得低于如下要求：极重、特重、重≥5.0 MPa；中等4.5 MPa；轻4.0 MPa。可见，除了 RAC-C-75 和 RAC-C-100 不符合要求外，其余的再生骨料混凝土可以满足不同交通荷载等级道路的要求。

随着再生骨料替换率的增加，抗折强度不断下降（见图1b）。当附加水为0%，除替换率为25%的与天然骨料混凝土相近外，50%、75%、100%替换率的抗折强度降幅分别为3.98%、5.57%、5.77%。在添加50%的附加水时，随着再生骨料替换率的增加，再生骨料混凝土的抗折强度大幅降低，25%、50%、75%、100%替换率的抗折强度降幅分别为8.35%、13.72%、15.90%、18.49%。而在添加100%附加水时，随着再生骨料替换率的增加，再生骨料混凝土的抗折强度表现出更大幅度的下降，25%、50%、75%、100%替换率的抗折强度降幅分别为8.95%、15.11%、22.27%、26.84%。

图1 RAC 抗压强度、抗折强度与再生骨料替换率之间的关系Fig.1 Relationship between Compressive Strength of RAC，Flexural Strength of RAC and Regenerative Aggregate Replacement Rate

3 再生骨料混凝土动态力学性能

混凝土是重要的工程建设材料，广泛应用于民生和军事工程当中。虽然大部分工程建筑绝多数时间都是承受准静态的荷载，但也可能遭受低概率的短时冲击荷载的作用，所以除需研究其静态的力学行为，也要研究其动态下的力学行为。混凝土的静态力学性能已经得到了广泛而深入的研究，其动态力学性能的研究也随着对抗震、爆炸等自然和人为灾害的重视，而得到更多的关注和系统的研究，动态力学试验得到的成果也已应用于道路、机场跑道、房屋抗震、人防和军事等工程中。对混凝土材料的动态力学性能的研究主要采用的是落锤试验机和霍普金森压杆（SHPB）。

3.1 试验结果

各试件在不同冲击速度试验下得到的应变率、峰值应力、极限应变、动态增长因子DIF、破坏形式等试验结果如表2所示。

由表2可以看出，再生骨料混凝土的应力应变和天然骨料的基本相似，且与附加水添加量和再生骨料替换率关系不大。开始为线弹性阶段，这是由于试件的变形首先是混凝土骨料的弹性变形，然后发展到非线性变形阶段，当应力超过峰值应力时，应变急剧增大，应力下降，直至试件完全破坏。

3.2 应变率对再生骨料混凝土动态抗压强度的影响

相对于峰值应力和极限应变的唯一值，应变率在冲击过程中很难维持一个恒值，且变化范围也较大，所以有必要明确应变率的取值标准，这样不同的实验才能进行对比。Bischoff 等人［26］对前人做的实验进行了系统的总结，指出加载过程中材料应变率并不是常数，而是随着加载过程而变化，大量的文献是选取加载过程中的平均应变率作为代表值。而Li 等人［27］和Al-Salloum 等人［28］则认为相对于平均应变率，在峰值应力时材料处于承载的极限，这时对应的应变率更能表征材料的力学性能，所以取最大应力对应的应变率更具有意义。本文选取的应变率为平均应变率。

表2 再生骨料混凝土SHPB 试验结果Tab.2 The SHPB Test Results of RAC

由图2可以看出，RAC 的DIF 与应变率在双对数坐标大致呈线性的关系，这与CEB 总结的NAC 的DIF 与应变率的规律是相似的。图3是实测数据DIF与CEB 的DIF 和本文拟合的DIF 对比，可以看出，CEB 的公式估算在应变率30 s-1附近，DIF 的增长会出现一个转折点，在应变率小于30 s-1时，DIF 的增长是缓慢的，而在大于30 s-1时则会快速增长。RAC 实测数据在10 s-1～100 s-1附近范围内并没有出现明显的转折点，而更多的表现为在双对数坐标下的线性增长。观察实测数据的走势，本文在CEB 推荐经验公式的基础上重新拟合，得到了比较好的效果（见图3）。

表3对CEB 推荐公式和本文拟合公式的拟合度进行了比较，可以发现：CEB 在对NAC 的拟合效果还是较好的，拟合优度Rnew=0.9204；而对于RAC，本文重新修改拟合的公式则有更好的拟合效果，相对于CEB的拟合结果，Rnew有4%～11%的提高。

图2 再生骨料混凝土动态增长因子（DIF）与应变率的关系Fig.2 Relationship between DIF and Strain Rate of RAC

图3 再生骨料混凝土动态增长因子（DIF）与应变率的关系拟合Fig.3 The Fitting Relationship between DIF and Strain Rate of RAC

表3 本文拟合与CEB 拟合效果的比较Tab.3 Comparison of the Results of this Paper Fitting and CEB Fitting

3.3 破坏形态

图4为试件的破坏形态，RAC 和NAC 的破坏形态是相似的，随着应变率的增加，依次表现为裂纹-破碎-粉碎三种破坏形态，各个试件的破坏形态如表2所示。当应变率较低时，试件出现轻微裂缝，此时裂缝一般出现在骨料和水泥基的界面处；随着应变率的增大，裂缝变多变宽，此时部分骨料也已经开裂；当应变率增长到一定程度，试件将会开裂为几部分，可以看出部分骨料剥离部分骨料开裂断开；应变率再增大将会破碎为小块，比较多的骨料破碎为多块；当应变率比较高时，试件将会完全粉碎，此时大多数骨料也成为粉粒状。这主要是因为随着应变率的增加，冲击能量不断提高，试件需要吸收消耗的能量增加。由表2就可以看出，随着应变率的增加，试件消耗的能量即应力应变曲线下围的面积也在不断变大，这与试件的破坏形态是对应的。

图4 SHPB 试验试件破坏形态Fig.4 SHPB Test Specimen Failure Mode

4 结论

本文通过实验较为系统地研究了再生骨料混凝土的的静态及动态力学性能，为把再生骨料混凝土应用到路面的建设中提供一定的参考。实验证明，在力学性能方面，不同替代率和不同附加水添加量的再生骨料混凝土，可以满足不同荷载等级道路的要求，可视具体情况选用不同的组合。主要得出的结论如下：

⑴在净水灰比相同的前提下，随着替换率的增大抗压强度小幅下降，但幅度不大，这是替换率对抗压强度的本质影响。而替换率对抗压强度的直观影响则是通过其吸水导致净水灰比下降产生的，净水灰比是决定强度的关键因素。在替换率相同的情况下，抗压强度均随着附加水添加量的增多而降低。综合替换率、附加水和水灰比与抗压强度表现出以下规律：在附加水为0%和50%时，随着替换率的增大，抗压强度不断增大，且附加水为0%时增幅更大；而附加水为100%时，随着替换率的增大抗压强度呈下降趋势。

⑵对于抗折强度，替换率和附加水均产生不利影响。随着替换率的增大和附加水添加量的增加，抗折强度均呈下降趋势。附加水为0%时对抗折强度的不利影响较小。随着替换率的增大，脆性系数k 呈上升趋势，即替换率增加韧性是降低的。综合考虑抗压和抗折强度，推荐优先选用附加水为0%而替换率为25%的再生骨料混凝土作为路面材料。

⑶再生骨料混凝土同样具有应变率增强效应，CEB 动态增长因子DIF 计算公式不能直接用于再生骨料混凝土，本文借鉴和修改CEB 公式后取得较好的拟合效果。再生骨料混凝土受动态冲击压缩的破坏形态基本一致，即随着应变率的提高依次表现为开裂-破碎-粉碎3 大破坏形态。