三轴应力下再生粗骨料塑性混凝土的力学性能和破坏准则

2020-05-19王四巍孙逢涛

建筑材料学报 2020年2期

王四巍，孙逢涛，吴华

(1.华北水利水电大学岩土工程与水工结构研究院，河南郑州 450046； 2.中国兵器工业北方勘察设计研究院有限公司厦门分院，福建厦门 361009)

近几十年来随着国内经济建设的快速发展，建筑垃圾迅速増加，其中约1/3为废弃混凝土．将废弃混凝破碎、清洗、分级后制成再生粗骨料，是一种废物利用的较好方法，但它具有堆积密度小、孔隙率大、吸水率大、压碎指标高等缺陷．研究发现：再生混凝土强度随粗骨料替代率增加而降低，当粗骨料替代率小于30%时，对强度影响不大；当大于30%时，强度随着粗骨料替代率的升高而逐渐降低[1-2]；再生混凝土弹性模量随着粗骨料替代率的增加而逐渐降低，同时其峰值应变变大，单轴受压下应力-应变曲线的形状与普通混凝土类似[3-4]．

塑性混凝土由膨润土(黏土)、水泥、水、石子和砂等原材料经搅拌、浇筑、凝结而成，是一种强度介于土与普通混凝土之间的工程材料，具有极限变形大、弹性模量小、强度较高和渗透系数小等特点．塑性混凝土的组成材料及比例对其强度及变形有较大影响[5-6]．高丹盈等[7]在测试塑性混凝土的弹性模量时，采用不预压和全长标距测试变形，研究了单轴受压全应力-应变曲线并建立了单轴受压本构方程．有研究表明塑性混凝土的受压破坏模式由单轴下脆性破坏逐渐转变为三轴下的延性破坏，且围压越高，延性程度越强[8-12]．本课题组前期利用室内试验结果研究了常规三轴作用下破坏准则[13]、真三轴作用下破坏准则[14-15]，建立了三轴应力下的本构方程[16]．虽然再生粗骨料强度低于原生粗骨料，但塑性混凝土对强度的要求不高，因而利用再生粗骨料制备塑性混凝土是可行的．塑性混凝土一般用于防渗墙工程，主要经受三轴应力，而对于再生粗骨料塑性混凝土在三轴作用下的性能研究较少，不能揭示三轴应力下其强度和变形破坏规律．因此，本文开展了单轴、侧压相等常规三轴和侧压不等的真三轴压缩试验，探究了再生粗骨料塑性混凝土的力学性能和破坏准则，为其推广应用提供理论基础．

1 原材料与试验

1.1 原材料和配合比

采用新乡市生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥；膨润土为新乡市生产的钙基膨润土，粒径为 48μm；采用天然河砂，中砂，细度模数为2.8；原生粗骨料采用连续级配为5～20mm的碎石；再生粗骨料主要来源于建筑工地的废弃混凝土，经机器破碎、清洗、晾晒、筛分等，制成连续级配5～20mm的再生粗骨料．

试验设计了2组塑性混凝土，水泥用量均为150kg，膨润土用量为水泥用量的30%，砂率为50%，一组粗骨料为再生粗骨料，另一组为原生粗骨料．由于再生粗骨料的吸水性能较高，实际用水量较大，为达到塑性混凝土的工作性能要求，添加了附加水．塑性混凝土配合比及基本性能指标见表1．

表1 塑性混凝土配合比及基本性能指标

1.2 试验方法

真三轴试验采用LY-C型拉压真三轴仪，其单轴最大压力为450kN，荷载精度误差小于5%，可进行单轴拉压、三轴不等压的拉压试验．试件采用 150mm ×150mm×150mm的立方体，龄期为 28d，每组3个试件．将试件放入压力室，顶面放置荷载传感器，在4个侧面及顶面加载端的压力触头上安装5个平行于加载方向的电子位移计，用来测试试件的变形．试验时，先把表盘压力调整到设定要求，打开压力控制开关，观察应力变化，待应力稳定后采集应力和应变数据，重复上述步骤，直至试件破坏．试验采用分级加载，每级压力0.1～0.3MPa，同时施加三向应力至侧压应力达到设定值后，逐级增加轴向压应力直至试件破坏．常规三轴试验围压(侧压相等)设置为0.2、0.4、0.6、0.8MPa，真三轴试验侧压设计见表2．

表2 真三轴试验侧压设计

2 结果与讨论

2.1 常规三轴应力下塑性混凝土的性能

2.1.1强度特征

塑性混凝土常规三轴试验强度拟合结果见图1．由图1可见：RPC和PC的强度随着围压的增加而增大；在相同的围压下，RPC的强度低于PC.PC和RPC的强度与围压关系符合库伦破坏准则，其拟合公式分别为:

σ1=5.18σ3+4.84,SD=0.065

(1)

(2)

图1 常规三轴应力下抗压强度拟合曲线Fig.1 Curve of strength and confining pressure under triaxial stresses

经计算PC的黏聚力为1.06MPa，内摩擦角为42.6°；RPC的黏聚力为0.84MPa，内摩擦角为45.4°.RPC的黏聚力低于PC，内摩擦角相差不大．影响塑性混凝土黏聚力的主要因素为用水量、水泥用量等，RPC与PC的水泥用量相同，但RPC用水量较高，因而其黏聚力较小．影响塑性混凝土内摩擦角的主要因素为砂和石子等，RPC与PC的细骨料及粗骨料用量相同，虽然再生骨料强度小于原生骨料，但塑性混凝土破坏时骨料本身并未压碎，因而其内摩擦角基本不受影响．

2.1.2应力-应变(体应变)曲线特征

单轴及常规三轴下RPC和PC的应力σ-应变ε(体应变εv)曲线结果见图2．由图2可见：RPC的轴向应力-应变曲线由单轴下应变软化转向三轴应力下的应变塑化，且随着围压增大，应变由近似塑化向理想塑化转变；与单轴曲线相对比，在围压作用下RPC的轴向应力-应变曲线的上升段较长，应变峰值点相对不明显，且到达峰值应变后轴向应力下降较缓慢，曲线趋于平缓，而单轴曲线到达应变峰值点后，应力下降较快，曲线急剧下降，PC也表现出类似的性质；RPC的轴向应力-体应变曲线均表现为先增大后减小，随着围压的增加，其最大体应变的值也增大．

图2 单轴及常规三轴下RPC和PC的应力-应变(体应变)曲线Fig.2 Curves of stress-strain(volumetric strain) of RPC and PC under uniaxial and triaxial stresses

2.2 真三轴应力下塑性混凝土的性能

2.2.1强度特征

真三轴试验强度拟合结果见图3．如图3可见：第二主应力相同时，再生塑性混凝土的第一主应力随着第三主应力的增加而增大；在相同侧压下，再生塑性混凝土强度低于塑性混凝土的值．再生塑性混凝土和普通塑性混凝土第一主应力与第三主应力关系也符合库伦破坏准则，其拟合公式分别为:

σ1,0.6=5.59σ3,0.6+4.84,SD=0.759

(3)

σ1,0.8=6.43σ3,0.8+4.84,SD=1.065

(4)

(5)

(6)

RPC在第二主应力分别为0.6、0.8MPa时，黏聚力分别为0.79、0.71MPa，内摩擦角分别为47.6°、51.7°;PC在第二主应力分别为0.6、 0.8MPa 时，黏聚力分别为1.02、 0.95MPa，内摩擦角分别为44.1°、47.0°．RPC的黏聚力低于PC，在第二主应力为0.8MPa时，两者的内摩擦角相差最大．随着第二主应力增加，其黏聚力下降而内摩擦角增大．

图3 真三轴应力下抗压强度拟合曲线Fig.3 Curve of strength and pressure under true triaxial stresses

2.2.2应力-应变(体应变)曲线特征

2种塑性混凝土单轴及真三轴下应力-应变(体应变)曲线结果见图4、5．应力-应变曲线中的峰值(拐点)表示压缩过程中试件体积达到最小，之后开始增加，即由压缩转为膨胀，该值反映了混凝土的抗裂性能，其值越大，抗裂性能越好.由图4、5可见：RPC的轴向应力-应变曲线由单轴下应变软化转向真三轴下应变塑化，且随着侧压增大，应变由近似塑化向理想塑化转变；RPC的轴向应力-体应变曲线均表现为先增大，然后减小，当第二主应力相同时，随着第三主应力的增加，其最大体应变的值也增大，当第三主应力相同时，最大体应变也随第二主应力增加而增大，表明其抗裂性能随侧压增大而增强；PC也表现出类似性能，但其峰值均低于RPC，表明其抗裂性能低于RPC．