道路再生骨料混凝土三轴强度及损伤分析

晏方 刘杰 陈宇良 朱玲 吴辉琴 王泽敏

摘  要：为探究道路再生骨料对混凝土的多轴受压强度及损伤演变性能的影响，考虑两种类型粗骨料及6种围压值，设计完成了12组混凝土的常规三轴试验研究.通过试验，观察并对比了试件在单向轴压与三向轴压下破坏形态，获取了各围压荷载下试件的峰值应力、峰值应变，分析了三轴荷载作用下再生混凝土强度影响因素，并揭示了再生混凝土的损伤演变规律.研究结果表明：在围压荷载作用下，试件破坏形态发生了较大改变，骨料类型对试件破坏形态影响不大;围压值=0 MPa时，试件发生劈裂破坏;围压值[>]0 MPa时，发生具有一定延性的剪切斜压破坏;侧向围压荷载越大，再生混凝土的强度越大，变形能力越好;侧向围压荷载可有效约束再生混凝土损伤的发展，并延迟了初始损伤出现的时间.

关键词：道路工程;再生骨料;常规三轴;强度;损伤

中图分类号：U414.18                        DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.04.006

0    引言

混凝土道路路面运营3～5 a后，在不断遭受重复车辆荷载后产生损伤与破坏，较为常见的破坏形态有路面出现的错台、断板，坑洼等，影响了行车的舒适性，给交通安全带来了潜在危害.混凝土道路路面每隔10 a左右就要进行大规模的翻新改造，由此，产生了大量的废弃混凝土，一方面废旧混凝土的处理增加了道路改造的成本，另一方面对生态环境造成污染.如何处理道路废弃混凝土对绿色环保和实现资源的循环利用具有重要的意义[1-3].

再生混凝土是指使用建筑垃圾为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.将拆除的道路路面加工为再生粗骨料用于再生混凝土，既能有效解決道路废弃混凝土的存放与处理等问题，又保护了环境，实现了可持续发展.沈建生等[4]对再生混凝土的制备方法进行了研究，研究结果表明，再生混凝土通过合理的配合比设计，可以达到天然混凝土的强度.肖建庄等[5-10]对再生混凝土单轴力学性能、三轴力学性能及对钢筋锈蚀影响进行了研究，结果表明，再生骨料对混凝土的单轴力学性能、三轴力学性能、钢筋锈蚀影响不大，多轴受力状态下再生混凝土力学性能与单轴受力状态下相差甚远.

由于建筑用混凝土与道路用混凝土功能性要求不一致而导致其性质存在诸多差异.例如，道路用混凝土强度等级普遍在C30以下，一般低于建筑用混凝土，故关于建筑废弃混凝土的研究对道路再生混凝土的适用性值得探究，且在实际工程中混凝土常为多轴受力状态，对三轴受力状态下再生混凝土力学性能更值得探究.但目前有关再生混凝土研究中的骨料来源基本为建筑废弃混凝土，使用路面废弃混凝土制作的粗骨料来制备再生混凝土的研究较少[11]，针对道路再生骨料混凝土三轴受压强度的试验研究未见有相关文献报道，道路再生骨料的三轴力学性能与单轴力学性能间的差异不得而知.为此，通过单轴和常规三轴试验探讨道路再生骨料混凝土强度及损伤性能，旨在进一步丰富再生混凝土理论，为实际工程中再生混凝土技术的推广与应用提供参考.

1    试验原材料及配合比设计

1.1   胶凝材料

水泥采用标号为42.5R的海螺牌普通硅酸盐水泥，水泥性能测试结果见表1;水为城市自来水.

1.2   骨料及细骨料

再生粗骨料来自广西柳州市城市公路水泥混凝土路面改善工程的废弃道路混凝土，原生混凝土的标号为C25，服役年限为10 a，经过破碎、筛分、清洗、晒干得到再生粗骨料，粒径5～25 mm，连续级配，堆积密度为1 375 kg/m3，吸水率为3.200%，含水率为1.820%.

天然骨料的级配与再生粗骨料相同，堆积密度与再生骨料相比偏大，为1 412 kg/m3;吸水率和含水率远远低于再生骨料，分别为0.310%、0.098%.

细骨料：中河砂，细度模数Mμ= 2.49.

1.3   配合比设计

普通混凝土配合比设计依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）[12]，目标强度C30.再生混凝土配合比设计时，保证胶凝材料、细骨料用量一致，用道路再生粗骨料等量取代天然骨料.为保证水胶比一致，再生骨料的附加用水不予考虑.配合比设计详见表2.

2   试验方案

2.1   试件设计

以侧向围压值为变量，共考虑6种围压（0～15 MPa，增量为3 MPa），共制作了36个试件，试件尺寸为高200 mm，直径100 mm的圆柱体.其中天然混凝土试件与道路再生混凝土试件各18个，每种围压3个试件，试验结果取三者均值.

2.2   试验装置及加载制度

试验仪器采用RMT-301试验机，该仪器配备高精度量测系统，能准确记录试验全过程中竖向位移、轴压力、围压数据.三轴加载装置由高强钢筒体、聚氨酯套、钢透盖及刚度极大的钢板组成;其中聚氨酯套为柔性材料，保证与试件紧密贴合，使试件侧向均匀受压，模型如图1（a）所示.

混凝土单轴试验时，采用位移控制加载制度，加载速率为0.01 mm/s.混凝土常规三轴试验时，需预先采用荷载控制加载制度，同步施加轴向力与围压到设定围压值，此时受力模型如    图1（b）所示;后续试验步骤与单轴试验一致.常规三轴试验加载制度如图1（c）所示.

（a）试验加载装置              （b）试件受力模型示意图                      （c）加载制度

3    试验结果及分析

3.1   试验实测结果

各试件的峰值应力、峰值应变列于表3.由表3可知，围压值对混凝土的峰值应力、峰值应变影响较大，两者都随围压值的增大出现增大的趋势.

注：σw为侧向围压值;σu为峰值应力;εu为峰值应变;NAC为天然混凝土;LRAC为道路再生混凝土.

3.2   试件的破坏形态

通过对比不同骨料类型与围压值下的试件破坏形态发现，试件的破坏形态与骨料的来源无关，主要与围压值有关.其中单轴受压时表现为竖向劈裂破坏，三轴受压时试件表现为斜向剪切破坏.

当侧向无围压作用时，即为混凝土单轴受压.再生骨料对混凝土破坏过程影响不大.天然混凝土与再生混凝土都存在弹性极限值（约75%峰值荷载）.荷载超过弹性極限值后，首先试件的中部出现竖向裂缝，并向两端延伸，与此同时产生新的裂缝;当荷载达到峰值荷载后，试件的承载力急剧下降，最后试件表现为劈裂破坏形态.试件破坏形态图及模型图见图2（a）、图2（b）.

三轴受压作用下，随着竖向荷载的增大，再生混凝土试件出现斜向裂缝，裂缝数量少;当荷载达到破坏荷载，试件最终表现为斜截面剪切破坏，且试件的中部“鼓起”，试件破坏时表现出较好的延性性能.试件破坏形态图及模型图见图2（c）、图2（d）.观察破坏面发现，当围压值小于6 MPa时，主要为再生粗骨料与水泥浆体间界面剪断破坏，粗骨料几乎没有被剪断;当围压值大于6 MPa时，再生骨料和再生骨料间的水泥胶体均被剪断而破坏，且在其表面存在有少量的粉末.

[ （a）单轴破坏 （b）单轴模型破坏 （c）三轴破坏 （d）三轴破坏模型图 ]

3.3   强度对比分析

图3为各围压下试件峰值应力对比图.由图3可知，侧向围压值对混凝土的峰值应力有较大影响，峰值应力随围压值增大而有不同程度提高.当侧向围压值从0 MPa增大到15 MPa时，天然混凝土和再生混凝土试件的峰值应力分别增大了391.4%、339.7%，可见由于围压的约束作用，大大提高了混凝土的承载力.

对比天然混凝土和再生混凝土的峰值应力，发现在相同加载条件下，再生混凝土的强度均比天然混凝土高.这与再生粗骨料自身特性有关;虽然破碎过程中骨料内产生微裂缝降低了骨料自身强度，但是在侧向围压荷载的存在，较好地约束了内部裂缝的发展，削弱了骨料内微裂缝的影响;而再生骨料表面粘附的水泥基体又再次吸水水化，再生混凝土配合比设计时未增加额外用水，造成实际水胶比减小，从而提高了再生混凝土的强度[13].因此，再生混凝土的强度会比天然混凝土高.

为了更直观描述侧向围压对再生混凝土强度的影响程度，将实测强度进行归一化处理，即将不同三轴围压作用下试件的峰值应力与单轴作用的峰值应力比值对比，如图4所示.由图4可见，天然混凝土和再生混凝土的强度随着侧向围压值的增大均呈线性增长趋势，天然混凝土的增长速率较再生混凝土的高约22.6%，可能是由于再生混凝土骨料中存在微裂缝所致.

3.4   损伤性能分析

再生混凝土受力后，随着荷载的增加，试件的不断积累损伤，受力性能不断恶化，主要表现为混凝土裂缝的出现、延伸以及混凝土的压碎破坏.参考文献[14]，利用截面损伤度[Ds]作为损伤变量，采用式（1）反映再生混凝土单轴及三轴受力作用下的损伤渐变过程，在此定义：[Ds=0]对应于再生混凝土无损状态;[Ds=1] 对应于再生混凝土的完全损伤破坏.

3.4.1   单轴受力损伤过程分析

图5为天然混凝土和再生混凝土在不同侧向围压值下的损伤过程曲线.由图5可知，在单轴受力作用下，再生骨料的掺入提前了混凝土初始损伤发生的时间.再生混凝土的损伤演变过程如下：加载初期，再生混凝土试件处于弹性阶段，试件截面的损伤度[Ds]接近于0，试件表面没有可见裂缝，此时再生混凝土内部微裂缝已开始萌生;当试件纵向应变达到[ε=2.4×10-3]时，再生混凝土损伤开始，主要表现为试件中部的表面出现可见的细小裂缝，混凝土内部微裂缝的缓慢发展延伸;当试件纵向应变达到[ε=3.0×10-3]后，混凝土损伤迅速发展，试件截面的损伤度随着应变的增大，基本呈直线增大，此时试件表现为主裂缝由中部向两端迅速发展，不稳定裂缝陆续出现;随着荷载继续增大，纵向应变接近[ε=4.0×10-3]，损伤度达到0.5，再生混凝土截面裂缝贯穿，不能继续承载，试件破坏.由此可见，单轴受力下，再生混凝土损伤破坏过程较迅速，为脆性破坏.

3.4.2   三轴受力损伤过程分析

图6为天然混凝土和再生混凝土在三轴围压作用下的损伤演变曲线.由图6可知，在围压荷载的作用下，天然混凝土和再生混凝土初始损伤出现时间先后差异不明显.再生混凝土三轴受压作用下的损伤渐变过程如下：加载初期，所有试件在三轴围压下均处于线弹性阶段，损伤度    Ds=0;继续加载，侧向围压的存在导致混凝土的试件损伤演变过程出现差异，演化出如下两种主要特征：

1）当侧向围压值[σw<6 MPa]时，试件纵向应变达到[ε=5.0×10-3]，再生混凝土开始出现损伤，特征表现为再生混凝土内部截面微裂缝的发展;随着纵向应变的增大，损伤曲线的发展形状类似于单轴受力曲线，基本成线性增长，但是其损伤曲线斜率相比单轴损伤曲线小，说明其损伤的发展速度相对单轴受力减缓了;当损伤度[Ds=0.8]，再生混凝土损伤破坏.

2）当侧向围压值[σw≥6 MPa]时，损伤出现的时间明显延迟，同时损伤曲线形状发生了显著的变化，损伤出现后，混凝土截面损伤随着荷载的增大发展缓慢，且随着围压值增大，损伤发展的过程越平缓，这是由于侧向围压的约束作用，很好的抑制混凝土内部裂缝的发展，致使内部裂缝的发展路径发生了变化，由垂直裂缝转变为倾斜裂缝，增大试件截面的损伤面积，所以才导致了损伤曲线的改变.

综上可知，随着侧向围压值增大，试件损伤出现越晚，损伤曲线斜率越小，损伤的发展速度越缓慢.

3.4.3   试件单轴与三轴受力损伤对比分析

图7给出了天然混凝土和再生混凝土单轴和三轴受力初始损伤出现及损伤破坏时的应变值.由图7可知，侧向围压值越大，损伤出现的时间越晚，损伤破坏时的应变越大，说明侧向围压值可以有效抑制再生混凝土内部损伤的产生和发展.

4    结论

1）单轴作用下与三轴作用下再生混凝土的破坏模式发生了改变，前者为垂直劈裂破坏，后者为斜截面剪切破坏.

2）常规三轴作用下，再生混凝土的强度与围压值有关，其强度随着围压值增大而提高.

3）单轴受压下，再生混凝土的损伤发展迅速，损伤曲线基本成直线上升，损伤度为0.5时试件破坏;常规三轴受压下，再生混凝土的损伤随着围压增大，损伤出现的时间延迟，损伤破坏时的应变增大.

参考文献

[1]     肖建庄. 再生混凝土[M]. 北京：中国建筑工业出版社，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]     陈宗平，陈宇良，徐金俊，等. 多轴受力状态下再生混凝土的破坏准则及应力-应变本构关系研究[J]. 土木工程学报，2015，48（12）：23-33.

[4]     沈建生，徐亦冬，周士琼，等. 再生混凝土配合比试验研究[J]. 新型建筑材料，2007（8）：18-20.

[5]     肖建庄，杜江濤. 不同再生粗集料混凝土单轴受压应力-应变全曲线[J].建筑材料学报，2008，11（1）：111-115.

[6]     陈宗平，陈宇良，姚侃. 再生混凝土三轴受压力学性能试验及其影响因素[J]. 建筑结构学报， 2014， 35（12）：72-81.

[7]     陈宗平， 陈宇良， 应武挡， 等. 再生混凝土三向受压试验及强度准则[J]. 建筑材料学报， 2016， 19（1）：149-155.

[8]     董健苗，徐翔波，王凯. 不同强度等级再生混凝土抗折性能的研究[J].广西科技大学学报，2015，26（2）：83-86，92.

[9]     朋改非，黄艳竹，张九峰. 骨料缺陷对再生混凝土力学性能的影响[J]. 建筑材料学报，2012，15（1）：80-84.

[10]   张椿民，连金明，刘锋. 再生粗骨料混凝土钢筋锈蚀试验研究[J].广西科技大学学报，2016，27（3）：76-81.

[11]   龚先兵，刘朝晖，李九苏. 道路再生骨料混凝土耐久性试验研究[J]. 中外公路， 2009，29（3）：200-204.

[12]   中国建筑科学研究院. 普通混凝土配合比设计规程：JGJ 55—2000[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2001.

[13]   陈宗平，徐金俊，郑华海，等. 再生混凝土基本力学性能试验及应力应变本构关系[J].建筑材料学报，2013，16（1）：24-32.

[14]   蔡四维，蔡敏. 混凝土的损伤断裂[M].北京：人民交通出版社，1999.

（责任编辑：罗小芬、黎   娅）