再生混凝土抗折强度尺寸效应研究

苏 捷， 秦红杰

(湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410082)

对于处理大量的废旧混凝土，通常可以将其破碎处理得到再生骨料，用来配制再生混凝土。由于再生骨料在破碎生产的过程中产生了初始损伤且表面残留有大量附着砂浆，其物理性质较天然骨料有所差异；同时，再生骨料表面的残余砂浆使得再生混凝土内部界面过渡区更加复杂，这些因素使得再生混凝土与普通混凝土相比各方面物理力学性能都存在差异[1]。因此，为确保再生混凝土结构的安全可靠，需对其力学性能及尺寸效应进行充分研究。

肖建庄[2]、刘数华[3]和杜婷[4]等对再生混凝土的试验研究表明：不同取代率下再生混凝土抗压强度、抗拉强度均比普通混凝土低。通过测得再生混凝土的应力-应变全曲线发现：其峰值应变比普通混凝土提高约20%，而弹性模量较普通混凝土降低约45%。而陈宗平[5]的研究表明当采用适当的预处理及强化措施时，再生混凝土抗压强度、抗折强度与普通混凝土相当于甚至高于普通混凝土。

杨海涛[6]、张丽[7]和张莹[8]等测得了不同试件尺寸的再生混凝土立方体抗压强度。分析结果表明对于各个取代率下再生混凝土，抗压强度均存在尺寸效应现象，并得到了边长100 mm和200 mm试件相对于边长150 mm标准试件的强度换算系数范围可分别取为0.92～0.97和1.08～1.16。

再生混凝土在道路工程中具有广泛的应用前景，而在道路设计中抗折强度(弯拉强度)是混凝土的一个重要力学性能指标。目前，关于再生混凝土尺寸效应的研究较少，对其抗折强度及尺寸效应研究尚不充分。因此，本文对再生混凝土抗折强度及尺寸效应进行较为系统的研究，分析再生骨料取代率对尺寸效应的影响，建立再生混凝土的尺寸效应律。

1 试验概况

1.1 试件设计

为研究取代率对再生混凝土抗折强度及尺寸效应的影响，设计了5组不同再生骨料取代率，依次为0、25%、50%、75%和100%。取代率为0的试件为使用天然粗骨料的普通混凝土，是混凝土配合比设计的参照组，强度等级为C30。每一取代率试件制备3个尺寸，分别为70 mm×70 mm×310 mm、100 mm×100 mm×400 mm和150 mm×150 mm×550 mm，共计15个规格。每一规格试件制备了10个，总计成型150个试件。

1.2 试验用材料

a.水泥： P.O.42.5级普通水泥。

b.粗骨料：天然粗骨料为最大粒径20 mm的连续级配卵石。再生粗骨料为实验室内按表2中P0配合比，采用同规格原材料制备的混凝土柱养护28 d破碎后过20 mm筛得到。

c.细骨料：细度模数为2.4的天然河沙。

d.水：自来水。

通过标准试验方法[9]测得粗骨料的各项物理参数如表1所示。由表1可知再生骨料的表观密度、堆积密度较天然骨料分别降低了6.1%和7.3%，含水率、吸水率、压碎指标分别为天然骨料的7.3倍、7.1倍和3.7倍。这是因为再生粗骨料上粘附有陈旧砂浆，试件破碎过程中粗骨料及粘附的砂浆由于受到外力扰动产生了微裂纹变得疏松，使得骨料含水率、吸水率、压碎指标增大，而密度有所降低。

表1 粗骨料的基本物理性质Table 1 Physical properties of coarse aggregates骨料粒径/mm表观密度/(kg·m-3)堆积密度/(kg·m-3)含水率/%吸水率/%压碎指标/%天然骨料5～202 7901 4800.320.764.63再生骨料5～202 6201 3722.335.3817.25

1.3 配合比设计及加载过程

采用附加水法[10]制备再生混凝土试件，各规格试件混凝土配合比如表2所示。附加水用量为再生骨料质量乘以净吸水率，净吸水率由表1中实测的吸水率和含水率综合确定。表中试件编号采用P-x的形式，x代表再生骨料取代率。

表2 混凝土配合比Table 2 Mix Proportion of concretes(kg·m3)编号水泥砂粗骨料水天然骨料再生骨料基本水附加水P-0 4157041 057—224—P-25 4157047932642247.92P-50 415704528.5528.522415.86P-75 41570426479322423.79P-10041570401 05722431.71

4点弯曲试验按照标准试验方法[11]进行，加载前试件首先标记支撑和加载的位置，然后加载至试件破坏为止，加载速率为0.05 MPa/s。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象分析

再生混凝土小梁试件在受荷初期无明显变形。随着荷载的增加，微裂缝首先在界面过渡区和砂浆中初始缺陷处产生。随荷载增大，裂纹迅速发展，整个试件瞬间断成2块，断面较为平整，表现为明显的脆性破坏特征，如图1所示。

图1 再生混凝土抗折破坏形态Figure 1 Flexural failure mode of recycled concrete

2.2 抗折强度结果

实测各再生骨料取代率小梁试件抗折强度、强度标准差及变异系数见表3，表中抗折强度值为同规格10个试件抗折强度的平均值。表中试件编号采用P-x-z的形式，其中，P表示再生混凝土小梁试件，x代表再生骨料取代率，z为小梁试件的截面边长。

通过分析表3数据可知：取代率为25%、50%、75%和100%时，截面边长150 mm的标准尺寸试件的抗折强度值较普通混凝土(取代率为0时)分别降低了5.7%、12.7%、24.2%和19.9%。产生该现象的原因可从界面过渡区强度和裂缝发展两方面的影响进行分析。因再生骨料上附着的陈旧砂浆在水化过程中吸附了一定量拌和水，使得再生骨料周围界面过渡区水灰比增加，水化反应生成了更多的钙矾石和氢氧化钙结晶，这两种晶体颗粒较大，且后者具有取向性，削弱了界面过渡区强度。由表1实测再生骨料压碎值可知，受初始损伤影响，再生骨料强度较天然骨料更低，不能有效阻挡微裂缝的发展，小梁试件内部微裂缝发展时裂缝通常穿过再生骨料，试件断裂能低于普通混凝土。

表3 再生混凝土的抗折强度实测值Table 3 Flexural strengths of recycled concretes 试件ftf/MPaS/ MPaCv/%P-0-705.270.183.42P-25-705.030.122.39P-50-704.740.112.32P-75-704.160.153.61P-100-704.360.184.13P-0-1005.020.173.39P-25-1004.770.183.77P-50-1004.460.173.81P-75-1003.900.102.56P-100-1004.110.153.65P-0-1504.580.132.84P-25-1504.320.163.70P-50-1504.010.133.24P-75-1503.470.092.59P-100-1503.670.102.72

3 尺寸效应分析

3.1 再生骨料取代率对抗折强度尺寸效应的影响

参照文献[12]，引入尺寸效应度定量地表征再生混凝土抗折强度尺寸效应的大小。以短边尺寸为70 mm的棱柱试件为参考试件，定义另外两种尺寸试件抗折强度与参考试件抗折强度差值占参考试件抗折强度的百分比，并以此为尺寸效应度：

(1)

(2)

式中:γ100、γ150分别为短边尺寸为100、150 mm试件的尺寸效应度；ftf，70、ftf，100和ftf，150分别为3种尺寸试件的抗折强度值，MPa。

根据试验结果，计算得到各规格试件抗折强度尺寸效应度列于表4。将尺寸效应度γ100和γ150随再生骨料取代率变化规律绘于图2。

表4 抗折强度尺寸效应度Table 4 Scale effect parameter of flexural strength取代率γ100/%γ150/%04.7413.0925%5.1714.1250%5.9115.6175%6.2516.59100%5.7315.83

图2 尺寸效应度随取代率变化规律Figure 2 Variation of scale effect parameters

由图2、表3和表4可知：各个取代率下小梁试件抗折强度均随试件尺寸的增加而减小，再生混凝土抗折强度尺寸效应明显强于普通混凝土。取代率为25%、50%、75%和100%时，小梁试件抗折强度尺寸效应度γ100比普通混凝土(取代率为0时)分别提高了9.1%、24.7%、31.9%和20.9%，尺寸效应度γ150比普通混凝土分别提高了7.9%、19.3%、26.7%和20.9%。取代率变化对尺寸效应的影响呈先增大后降低的趋势，取代率为75%时，再生混凝土小梁试件的尺寸效应最为显著，分别是取代率为0和100%小梁试件的1.32倍和1.09倍。

在取代率为0～75%范围内，随着再生骨料取代率的增加，抗折强度尺寸效应度呈增加趋势。原因是：部分取代(取代率为25%至75%)再生混凝土由于同时采用了低强度的再生骨料和高强度的原生骨料，小梁试件内部单元强度的离散性增大，且随着取代率增加，这种离散性的增幅更为显著，使得尺寸效应度更明显。此外，试件内同时存在原生骨料-新砂浆基体界面和再生骨料-陈旧砂浆-新砂浆基体界面2种界面过渡区，材料各相组成物理性质相差较大，更容易产生引力集中，从而加速了混凝土的破坏。全取代率再生混凝土(取代率为100%)抗折强度尺寸效应度有所减小。造成这一现象的原因是：全取代率再生混凝土仅含有再生骨料，且界面也仅有再生骨料-陈旧砂浆-新砂浆基体界面，各相材料的均质性强于部分取代再生混凝土，降低了小梁试件抗折强度的尺寸效应。

3.2 尺寸效应律

美国西北大学BAZANT教授认为混凝土材料存在尺寸效应的原因是：在结构达到最大荷载前，一条主裂缝或含有大量微裂缝的区域的稳定扩展，这个过程中伴随着断裂能的释放，即尺寸效应是由裂缝扩展时断裂能的释放引起的[13]。基于以上认识，对于无初始切口的试件，他提出了与结构尺寸D和名义强度σN有关的计算公式，即BAZANT尺寸效应律公式，如下：

(3)

式中:σ∞为几何尺寸无穷大时，结构的名义强度值；Db为特征尺寸。

以往的研究[14-15]表明式(3)对普通混凝土抗折强度有较好的适用性，为验证式(3)对于再生混凝土的适用性，用本文中再生混凝土抗折强度数据以及收集到的文献[3，14-17]中试验数据拟合上述公式，拟合用到的数据来自90组，共计420个试件，涵盖试件短边尺寸70～200 mm，具有良好的代表性。

通过拟合计算，得到不同取代率下尺寸效应律计算式(3)中名义强度σ∞和特征尺寸Db的值分别列于表5。本文实测结果与式(3)计算结果的吻合情况如图3所示。

表5 尺寸效应公式参数值Table 5 Parameters in the scale effect equation取代率σ∞/MPaDb/mm04.0521.7425%3.7824.5250%3.4327.9175%3.2130.02100%3.1228.52

图3 抗折强度尺寸效应律拟合曲线Figure 3 Fitting curves of scale effect law

各取代率下实测结果和式(3)计算结果相关系数约为0.92，表明二者吻合较好，可用式(3)分析计算不同尺寸再生骨料混凝土试件的抗折强度。

对表5中数据进行整理，得到公式(3)中名义强度σ∞、特征尺寸Db与取代率r的关系式如式(4)和式(5)。采用式(4)和式(5)可对不同取代率的再生混凝土抗折强度尺寸效应律参数进行计算。

σ∞=-0.009 7r+4.004

(4)

Db=-0.001 1r2+0.188 7r+21.324 3

(5)

式中:r表示再生骨料取代率。

4 结论

a.再生混凝土抗折强度有不同程度降低，取代率为25%、50%、75%和100%时，截面边长150 mm试件的抗折强度较普通混凝土试件分别减小了5.7%、12.7%、24.2%和19.9%。

b.随取代率的增加，再生混凝土抗折强度尺寸效应呈先增大后降低的规律，取代率为75%小梁试件的抗折强度尺寸效应约为取代率为0和100%试件的1.32倍和1.09倍。

c.根据本文试验结果和收集到的试验数据，计算得到了再生混凝土尺寸效应律公式，可以用来预测任意取代率下的任意尺寸试件的抗折强度。