早龄期再生混凝土直剪性能试验研究

2022-10-28张绍松陈宇良黄芳玮徐鸿飞

广西科技大学学报 2022年4期

姜锐，张绍松，陈宇良*,，黄芳玮，徐鸿飞

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006；2.柳州东方工程橡胶制品有限公司，广西柳州 545005）

0 引言

再生混凝土具有节约资源、保护环境等显著优点，具有广泛的应用前景。在实际工程中，为了缩短工期、降低成本往往会导致混凝土尚未完全硬化就承担剪力，对工程安全造成不利影响。因此，研究早龄期再生混凝土的破坏机理和力学性能对再生混凝土的推广与应用十分重要。

目前，国内外已有较多学者对早龄期再生混凝土各项力学性能进行了研究。罗素蓉等通过对早龄期再生混凝土进行拉伸试验，研究了取代率和矿物掺料对其徐变性能的影响，发现再生混凝土的拉伸徐变性能早期发展较快，后期发展缓慢，并建立了适用于再生混凝土的早龄期拉伸徐变度预测模型。Revilla-Cuesta等研究了取代率对高性能混凝土收缩性能的影响，发现再生粗骨料的加入能提高其收缩率，并通过修正系数的方法修正了再生混凝土的早龄期收缩率预测模型。Shaikh研究硅粉对矿渣再生混凝土的早期力学性能，发现50%矿渣的加入能显著降低取代率为50%的再生混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度及弹性模量。张玉栋等研究了再生混凝土早龄期受力对力学性能的影响，发现早龄期受压剪力低于自身强度的40%时，由于存在水化作用，再生混凝土自身具有一定的自修复能力。Ahmed等研究了再生骨料和再生砂对早龄期再生混凝土塑性收缩率和开裂敏感性的影响，发现取代率越高对其早期性能影响越大，并提出了早龄期弹性模量的预测模型。

综上所述，国内外学者在早龄期再生混凝土方面的研究取得了较多成果，但主要集中在拉伸徐变、压缩性能以及开裂和修复性能方面，而在早龄期再生混凝土直剪强度方面却鲜有研究。为此，本文开展了早龄期再生混凝土的直剪强度研究，以再生粗骨料取代率和养护龄期为变化参数，探究再生混凝土在直剪作用下的破坏机理和力学性能，以期为完善再生混凝土在早龄期方面的理论研究提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料

粗骨料采用连续级配，粒径为5～20 mm，其中天然粗骨料（NA）采用普通碎石，再生粗骨料（RA）来自于试验后的混凝土块体，其外观形貌及物理性能分别见图1 和表1；试验采用普通河砂（S），粗细程度为中砂，细度模数2.38，表观密度为2 580 kg/m；水泥采用42.5R 鱼峰牌水泥（C）；拌和用水（W）采用城市自来水。

图1 粗骨料

表1 粗骨料物理性能

1.2 混凝土配合比

天然混凝土抗压强度设计为C30，水胶比为0.55。由于再生粗骨料较天然粗骨料的吸水率更大，为保持水胶比不变，进行再生混凝土浇筑时添加附加用水（AW），以再生粗骨料取代率（）100%的配合比为基准，附加用水量为47.1 kg/m，其他取代率情况按比例添加，详细配合比见表2。

表2 混凝土配合比

1.3 试件设计及制作

以再生粗骨料取代率（）、养护龄期（）为变化参数，取代率取0、50%、100%，养护龄期取3 d、7 d、28 d，设计并制作了9组（27个）标准立方体试件进行直剪试验。试件编号RAC--中，“RAC”表示再生混凝土，“”表示取代率，“”表示养护龄期。采用塑料模具浇筑成型，在振动台上振动30 s，养护24 h后脱模，自然养护至设定龄期。

1.4 加载装置及加载原理

使用RMT-301多功能试验机进行直剪试验，水平量程为0～500 kN，加载装置如图2（a）所示。试件安装方式为先固定下剪切盒，然后装试件，最后装上剪切盒，上剪切盒质量不超过40 kg，通过压-剪计算公式计算得出，对剪切力的影响小于0.005 MPa，仅为试件最小抗剪强度的1/300，因此可忽略不计。试验采用位控匀速加载，速率为0.02 mm/s，时间与位移相对应，加载至剪力趋于稳定（剪力变化不超过2%）时停止试验。加载原理为：上剪切盒固定试件上部，下剪切盒固定试件下部，通过施加水平荷载，使试件发生剪切破坏。加载力学模型示意图如图2（b）所示。

图2 加载装置及力学模型示意图

2 结果与讨论

2.1 直剪破坏形态

图3 为试件剪切面破坏形态。由图3 可知，当=3 d 时，试件主要为骨料-砂浆的黏结破坏；当=7 d 和=28 d 时，试件的破坏形态主要为骨料-砂浆的黏结破坏以及骨料的剪断破坏。这是因为混凝土的强度由粗骨料强度、水泥基体强度、水泥基体和粗骨料之间的黏结界面强度共同决定，养护龄期较短时，混凝土内部的水化反应程度较低，导致水泥基体与骨料之间的黏结界面强度低于粗骨料，成为混凝土内部的薄弱界面，故混凝土破坏主要以黏结界面破坏为主。随着养护龄期的增大，混凝土内部的水化反应程度加大，增大了水泥基体和骨料的黏结界面强度，表现为混凝土破坏时存在黏结界面破坏以及粗骨料被剪断。当=7 d和=28 d时，随着取代率的增大，剪切破坏面上粗骨料被剪断的数量逐渐增加。这是因为再生粗骨料内部存在微裂纹，表面附着有水泥砂浆，强度较天然粗骨料低。

图3 试件剪切面破坏形态

2.2 剪力-剪切位移曲线

图4 为早龄期再生混凝土的剪力-剪切位移全曲线图。由图4可知，再生混凝土直剪破坏共存在弹性、弹塑性、破坏、残余剪力等4个阶段。在试件加载前期，剪力与位移呈线性关系，剪切面上孔隙被压缩，试件产生可恢复的弹性变形，处于弹性阶段；随着位移继续增大，剪力随位移呈非线性增长，剪力-剪切位移曲线斜率减小，试件内部开始产生裂缝并逐渐发展延伸，此阶段由水泥基体的黏结力抵抗外部剪力，试件处于弹塑性阶段；剪力-剪切位移曲线峰值过后，试件内部裂缝逐渐发展成宏观裂缝并贯穿整个剪切面，试件被剪切为两部分，此阶段由水泥基体的黏结力和骨料咬合力共同承担外部剪力，试件处于破坏阶段；随着剪切位移持续增大，剪力逐渐下降最后趋于稳定，此阶段由骨料咬合力和摩擦力共同承担外部剪力，试件处于残余剪力阶段。随着养护龄期的增大，剪力-剪切位移曲线的峰值剪力、初始剪切模量逐渐增大，这是因为养护时间较短时，试件的水化程度较低，水泥基体的强度相对较低，故峰值剪力和初始剪切模量均较小。当养护时间变长时，试件的水化程度逐渐加深，水泥基体的强度增大，此时峰值剪力和初始剪切模量逐渐增大；峰值位移在取代率为0 时，随着养护时间的变长逐渐减小，在取代率为50%和100%时，随着养护时间变长整体呈现逐渐增大的趋势，这是由于取代率为0 时，粗骨料吸水率较小，粗骨料附近的水分较多，随着养护时间变长，水化反应逐渐加深，故其峰值位移逐渐减小，而再生粗骨料存在时，随着养护试件的增加，再生粗骨料吸收的水分增加，骨料附近的水泥基体吸收的水分减少，水灰比随之减小，从而峰值位移逐渐变大。

图4 （网络版彩图）剪力-剪切位移曲线

图4 （续）

2.3 直剪特征点参数

由试件的剪力-剪切位移曲线得到混凝土的峰值剪力（）、峰值位移（）、剪切模量（），采用式（1）对再生混凝土抗剪强度（）进行换算，具体数值见表3。由表3 可知，不同养护龄期和取代率下的再生混凝土各项参数变化幅度不大，均表现出明显的规律性。

表3 特征点参数

式中：为峰值剪力，为剪切面面积。

2.4 影响因素分析

2.4.1 抗剪强度

1）取代率对抗剪强度的影响

图5为取代率与归一化抗剪强度拟合线。由图5 可知，当≤7 d 时，逐渐增加时，抗剪强度也随之变大。当=3 d 时，相较于取代率为0 的试件，取代率为50%和100%的试件抗剪强度分别提高了6.15%、8.94%；当=7 d 时，相较于取代率为0 的试件，取代率为50%和100%的试件抗剪强度分别提高了6.60%、14.62%。原因为：再生粗骨料的吸水率远大于天然粗骨料，导致骨料四周界面连接区域水泥基体含水量减少，故其抗剪强度随取代率的增大而增大。当=28 d 时，随着取代率的增大，再生混凝土的抗剪强度逐渐减小，与取代率为0 的再生混凝土试件的抗剪强度相比，50%和100%的减小幅度分别为7.47%、8.33%。综上所述，养护龄期不同，再生混凝土的抗剪强度随取代率的增大呈现出不同的变化规律，原因是混凝土抗剪强度主要由骨料强度、水泥基体强度、骨料与水泥基体的黏结界面强度组成，当养护龄期较短时，水泥的水化反应程度较低，混凝土的强度主要由骨料与水泥基体的黏结界面强度决定。当养护龄期达到28 d时，水泥基体的水化反应基本完成，混凝土的强度主要由骨料强度和黏结界面强度共同决定。龄期和取代率对抗剪强度的影响规律如式（2）—式（4）所示。

图5 （网络版彩图）取代率与归一化抗剪强度拟合线

式中：为不同取代率下龄期为3 d时的抗剪强度；为=0，龄期为3 d 时的抗剪强度；为不同取代率下龄期为7 d 时的抗剪强度；为不同取代率下龄期为28 d 时的抗剪强度；其中，单位为MPa。

2）龄期对抗剪强度的影响

图6 为归一化的抗剪强度随龄期的变化而变化的曲线拟合图。由图6 可知，随着养护时间的增加，抗剪强度逐渐增大，前期增大幅度较大，后期增大幅度较小，相较于=3 d 的抗剪强度，=7 d、28 d的抗剪强度提高幅度分别为20.70%和75.40%，抗剪强度随龄期变化情况的拟合公式如式（5）所示。

图6 （网络版彩图）龄期与归一化抗剪强度拟合曲线

3）取代率和龄期对抗剪强度的影响

根据式（7）和式（8）绘制出取代率和龄期对再生混凝土抗剪强度的影响规律图，结果如图7 所示。由图7 可知，计算值与试验值基本重合，说明式（7）与式（8）可用于表示在取代率和养护龄期的影响下抗剪强度的变化规律。

图7 （网络版彩图）归一化抗剪强度计算值与试验值对比

2.4.2 直剪峰值位移

图8为不同影响因素下再生混凝土的直剪峰值位移图。由图8可见，当=0时，随着养护龄期的增加，混凝土的峰值位移逐渐减小，相较于=3 d的试件，=7 d、28 d 的试件峰值位移分别降低了25.00%、34.38%，这是由于养护龄期较长时，水泥基的水化反应加深，从而导致混凝土的强度增大，脆性增加，故峰值位移逐渐减小。当=50%、100%时，随着养护龄期的增大，再生混凝土的峰值位移逐渐增加。当=50%时，相较于=3 d 的试件，=7 d、28 d 的试件峰值位移分别提高了21.33%、25.33%；当=100%时，相较于=3 d的试件，=7 d、28 d 的试件峰值位移分别提高了20.83%、59.72%。这是由于再生粗骨料吸水率较大，再生粗骨料取代率增加时，再生粗骨料附近的水泥基中的水分被再生粗骨料吸收，导致水灰比减小，从而再生混凝土的峰值位移随之增大。

图8 不同影响因素下再生混凝土的直剪峰值位移

2.4.3 初始剪切模量

图9 为取代率和龄期对初始剪切模量的影响情况。由图9 可知，当=0 时，相较于=28 d的试件，=3 d、7 d的试件初始剪切模量分别减小了66.13%、41.94%；当=50%时，相较于=28 d的试件，=3 d、7 d 的试件剪切模量分别减小了30.00%、28.57%；当=100%时，相较于=28 d的试件，=3 d、7 d的试件初始剪切模量分别减小了45.49%、30.88%。原因为：随着养护龄期的增大，混凝土内部的水化反应程度不断增加，水泥基体的强度不断增大，在剪力作用下龄期较长的混凝土内部裂缝发展更快，初始剪切模量更大。

图9 取代率和龄期对初始剪切模量的影响

当养护龄期不变时，随着取代率的增大，再生混凝土的初始剪切模量表现为先增大后减小的趋势。当=3 d时，相较于取代率为0的试件，取代率为50%和100%的试件初始剪切模量分别提高了133.33%、76.19%；当=7 d 时，相较于取代率为0 的试件，取代率为50%和100%的试件初始剪切模量分别提高了38.89%、30.56%；当=28 d 时，相较于取代率为0 的试件，取代率为50%和100%的试件初始剪切模量分别提高了12.90%、9.68%。这是由于再生粗骨料中粒径较小的骨料多于天然粗骨料，当二者混合时，骨料粒径间的协同作用更强，从而再生混凝土的初始剪切模量呈现出先增大后减小的趋势。

2.5 损伤演变分析

由上述剪力-剪切位移曲线分析可知，再生混凝土直剪破坏存在弹性、弹塑性、破坏、残余剪力等4 个阶段，不同阶段试件损伤速度不同，为此，引入损伤变量表征再生混凝土直剪破坏过程中的损伤程度，损伤参数采用式（9）计算：

式中：为剪切模量，单位：GPa；为初始剪切模量，单位：GPa。

图10 为不同龄期和不同取代率下的损伤演变曲线。由图10（a）可知，龄期为3 d 时，取代率为50%的试件初始损伤出现最早，损伤发展速率最快；取代率为0的试件初始损伤出现最晚，损伤发展速率最慢；取代率为100%的试件初始损伤出现与损伤发展速率居于二者之间，原因为：再生粗骨料吸水率大于天然粗骨料的吸水率，导致再生粗骨料附近的局部水灰比减小，水泥基体强度增大，故试件剪切强度增大，脆性增大，初始损伤出现变早，损伤速率变快。由图10（b）、图10（c）可知，龄期为7 d 和28 d 时，3 种取代率的试件初始损伤差幅较龄期为3 d 的小，但仍呈现出取代率较高的试件初始损伤出现更早，损伤发展速率更快的现象，原因为：龄期较大时，原来再生粗骨料吸收的水分被水泥基体吸收，水泥基体强度减小，再生粗骨料由于经过二次破碎，内部微裂纹比天然粗骨料多，骨料强度较小，故试件受剪破坏时，再生混凝土初始损伤出现更早，损伤发展速率更快。