透水型建筑固废再生水稳材料抗压性能及疲劳性能试验研究

2024-01-08孟凡威陈宇亮肖源杰

北京工业大学学报 2024年1期

孟凡威, 杨涛, 郅晓, 张迅, 邓嫔, 陈宇亮, 周震, 肖源杰,5

(1.湖南省交通科学研究院有限公司, 长沙 410015; 2.中南大学土木工程学院, 长沙 410075;3.中国建材集团有限公司, 北京 100036; 4.广东省交通规划设计研究院股份有限公司, 广州 510507;5.重载铁路工程结构教育部重点实验室(中南大学), 长沙 410075;6.长沙理工大学极端环境绿色长寿道路工程全国重点实验室(长沙), 长沙 410114)

截至目前,我国建筑固体废弃物存量已达200余亿t,每年还新增约20亿t,且逐年递增[1]。然而我国目前对于建筑固体废弃物的处理方式仍以填埋为主,资源化再生利用率不足5%,远低于欧美等发达国家(已达90%左右)。随着生态环境保护和资源循环利用等问题日益受到重视,提升我国建筑固体废弃物资源化再生利用率势在必行[2]。

近年来,建筑固体废弃物的生态化、高值化再生利用主要有两大途径:一是破碎成再生骨料,替代天然碎石骨料用于各类实体工程[3-6];二是研磨成细粉,替代胶凝材料用于制备混凝土[7-8]。Zhang等[9]将建筑固体废弃物再生骨料作为公路路基填料用于实体工程,发现当建筑固废再生骨料级配良好且施工质量把控严格时,固废路基的变形要小于天然填料路基。Deb等[10]使用建筑固废再生骨料替代天然碎石骨料制作透水混凝土,研究发现当再生骨料的质量替代率在40%～60%时,混凝土的力学性能和孔隙特征不受影响。杨利香等[11]研究了胶凝材料净浆流动度对建筑固废再生粗骨料裹浆厚度的影响,发现再生粗骨料裹浆厚度不仅随胶凝材料流动度的降低而增加,还随再生粗骨料粒径的增大而增加。关博文等[12]基于图像识别技术获取了再生骨料表面残余砂浆的真实覆盖率,进而研究了再生骨料表面残余砂浆覆盖率对再生混凝土抗渗性能的影响,发现当残余砂浆覆盖率更高时,氯离子更易传输到再生混凝土内部。

目前建筑固废再生骨料的处置主要面向路基填料和再生混凝土等工程应用场景,将其用于“海绵城市”建设所需的透水型水泥稳定再生骨料基层仍不多见,相关的基础理论和工程应用研究亟待加强。本文旨在研究建筑拆除固废再生骨料替代天然碎石用于透水型水泥稳定碎石基层材料的可行性,通过室内试验研究再生骨料对再生水稳材料抗压和疲劳性能的影响规律,可为其工程应用提供理论依据和技术指导。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

本文室内试验采用了南方牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥,以及粉煤灰、高炉矿渣和硅灰等3种辅助胶凝材料,其基本的物理化学指标见表1。因建筑固废来源较广,各粒径范围内的再生骨料还包含多种杂质(见图1),如表2所示。试验所用的集料包括建筑固废再生骨料与天然碎石骨料2种,所用细集料主要为天然碎石集料,其基本物理指标见表3。

图1 不同类型的再生骨料组分

表1 本文试验所用4种胶凝材料的物理及化学指标

表2 本文试验所用建筑拆除固废再生骨料物质成分

表3 本文试验所用骨料的基本物理指标

此次研究中各工况再生水稳材料中的骨料级配均为同一类型,级配曲线如图2所示。本研究使用的集料级配通过逐级填充法设计,参考借鉴了其他透水材料级配设计范围[13-15],并根据集料密度、胶凝材料密度和设计孔隙率确定了试样制作时的装料质量。

图2 骨料的级配曲线

1.2 透水再生水稳材料配合比

此次研究一共设计0、30%和60%共3种建筑固废再生骨料占比的试验工况,并通过正交设计方法[16]设计了9种胶凝材料配比方案,详细配比如表4所示。9种配比设计的透水型建筑固废再生水稳材料均采用同一集料级配,骨料级配曲线如图2所示。

表4 透水型再生水稳材料配合比设计方案

为确保透水型再生水稳材料具有良好的透水性,将其目标孔隙率设定为22%,水灰比为4.1%,压实度为98%;胶凝材料的总用量为集料总质量的10%,即室内圆柱体试样的胶凝材料总使用量为500 g,室内中梁试样的胶凝材料总使用量为800 g。室内圆柱体试样尺寸为直径150 mm、高度 150 mm,中梁试样尺寸为长度400 mm、宽度100 mm、高度100 mm,皆采用静压法成型,成型后的试样如图3所示。试样制作完成后放置于恒温20 ℃和相对湿度98%的标准养护室进行养护。

图3 室内试验成型后的试样

1.3 室内试验方法

1.3.1 无侧限单轴压缩试验

本文分别对养护7 d、28 d和90 d的透水型再生水稳材料试样开展无侧限单轴压缩试验,加载速率为1 mm/min,无侧限抗压强度值为

(1)

式中:Rc为试样的无侧限抗压强度,MPa;P为试样破坏时的最大竖向力,N;A1为试样的横截面积,mm2。

1.3.2 渗透试验

采用自制的常水头渗透仪(见图4)并参照文献[17]中的测试方法,对透水型再生水稳材料试样(养护龄期为28 d)开展渗透试验。为控制水流只从试样上下表面渗透,使用发泡胶填充试样与模具之间的间隙,使用密封胶泥填充上下模具之间的缝隙,并控制水流速度使排水和溢流水均保持稳定,确保在相同时间内通过试样的水流是稳定的。其饱和渗透系数计算式为

图4 透水系数测试装置

(2)

式中:kT为水温T时试样的饱和透水系数,mm/s;L为试样的高度,mm;Q为时间t内溢流出的水量,mL;A2为试样上表面的表面积,mm2;h为上部排水口与下部溢流水口之间的高差,mm;t为水溢流出历时,s。

1.3.3 四点弯曲试验

采用MTS-Landmark试验仪对养护90 d的透水型再生水稳材料试样开展四点弯曲试验(包括弯拉强度测试和疲劳性能测试),加载速率为1 mm/min,测试其极限弯曲应力。每个工况设置3个平行试样,试验前一天预先对试样饱水24 h。试验测试如图5所示。

图5 四点弯曲试验加载装置

循环加载下的四点弯曲试验还可测试透水型再生水稳材料试样的疲劳寿命,加载波形为连续的Havesine波,加载频率为10 Hz。循环加载前需预压2 min,预压荷载为循环加载峰值应力的0.2。循环加载峰值应力S可根据四点弯曲极限应力计算:

(3)

式中:S为应力比;σ为四点弯曲极限应力测试值;Smax为循环加载应力峰值。

本文测试了3个应力比(S=0.55、0.75和0.85)下透水型再生水稳材料试样的疲劳寿命。

2 室内试验结果及分析

2.1 无侧限抗压强度

上述9种不同的透水型再生水稳材料设计方案下试样的无侧限抗压强度结果如图6所示。由图可见,除编号为60%-1和60%-3的2种配合比设计之外,其余配合比设计的透水型再生水稳试样的7 d无侧限抗压强度均大于3.0 MPa,对照相关规范[18]中的无侧限抗压强度限值要求,不难看出本文所设计的透水型再生水稳材料大部分可应用于重交通高速公路或一级公路基层。这也说明采用高掺量(例如本文试验的60%)的建筑固废再生骨料替代天然碎石集料时,可通过改变胶凝材料配比使得透水型再生水稳材料满足重交通高速公路和一级公路基层的力学性能使用要求。

图6 不同配比设计的透水型再生水稳材料无侧限抗压强度试验结果

图6数据表明透水型再生水稳材料28 d无侧限抗压强度相较于7 d无侧限抗压强度平均提升15%,90 d侧限抗压强度相较于28 d无侧限抗压强度平均提升20%,说明本文采用的多种胶凝材料混合设计有效提高了透水型再生水稳材料后期抗压性能。

为进一步分析胶凝材料配比与透水型再生水稳材料无侧限抗压强度之间的相关性,计算了建筑固废再生骨料掺量、矿渣占比、粉煤灰占比和硅灰占比等4个因素的极差值,据此评价其影响[19],结果列于表5。表5中因子1～4代表透水型再生水稳材料的4个材料参数,分别为建筑固废再生骨料、高炉矿渣、粉煤灰和硅灰。表5中K值为一因素同一水平下抗压强度测试值的和;k值代表在该因素一水平下试样抗压强度的特征值,k值等于K值除以3;极差等于3个k值中的最大值减去最小值。极差值越大则表明该因素对测试结果的影响越大,反之则越小。

表5 无侧限抗压强度试验数据的极差分析结果

可见上述4个因素对7 d无侧限抗压强度的影响由大到小依次为建筑固废再生骨料掺量、高炉矿渣、粉煤灰、硅灰,对28 d无侧限抗压强度影响由大到小依次为建筑固废再生骨料掺量、硅灰、高炉矿渣、粉煤灰,对90 d无侧限抗压强度影响由大到小依次为建筑固废再生骨料掺量、硅灰、高炉矿渣、粉煤灰。不难发现,对透水型再生水稳材料前期抗压强度影响最大的因素是建筑固废再生骨料,而其后期抗压强度主要受胶凝材料类型等因素的影响。

随着养护龄期的增加,上述各因素对透水型再生水稳材料无侧限抗压强度的影响规律不尽相同,且硅灰的影响愈发重要,这主要是因为硅灰属纳米材料,填充骨料与胶凝材料界面过渡区的孔隙,可提升透水型再生水稳材料的力学性能[19]。高炉矿渣对透水型再生水稳材料前期力学性能影响很大,但对后期力学性能的影响则不如硅灰。值得注意的是,k值变化规律表明粉煤灰对抗压强度并没有较好的提升,3个龄期下的抗压强度最高值均是在粉煤灰0%水平时取得,由此说明粉煤灰的水化活性较差,不适宜添加于透水型再生水稳材料中。

上述正交试验结果还表明,由7 d和29 d无侧限抗压强度指标得出的最佳胶凝材料配比为m(水泥)∶m(高炉矿渣)∶m(硅灰)=9.1∶0.5∶0.4,而由90 d无侧限抗压强度指标得出的最佳胶凝材料配比为m(水泥)∶m(高炉矿渣)∶m(硅灰)=8.6∶1.0∶0.4。

2.2 渗透系数

上述9种不同配比的透水型再生水稳材料试样的渗透系数测试结果见表6,可见其有效孔隙率和渗透系数分别介于20%～25%和3.5～5.5 mm/s,即渗透性均满足相关规范[20]所要求的0.5 mm/s,表明本文所设计的透水型再生水稳碎石材料配比具有良好的透水性能。

表6 不同配合比的透水型再生水稳材料有效孔隙率和渗透系数实测值

2.3 四点弯曲加载极限应力

表7为上述9种不同配比的透水型再生水稳材料试样的四点弯曲极限应力实测结果,通过计算极限应力均值并乘以疲劳应力比(S=0.55、0.75或0.85),可得到四点弯曲疲劳寿命试验的加载应力峰值,结果见表7。

表7 不同配比的透水型再生水稳材料试样弯拉强度和疲劳应力计算值

2.4 四点弯曲循环加载疲劳寿命

表8为上述9种不同配合比的透水型再生水稳材料疲劳寿命实测值,可见试样在四点弯曲应力循环加载作用下的疲劳寿命差异较大。此外,因其组分复杂多样及不均匀性和变异性大,同一配合比设计下的平行试样在相同应力水平下的疲劳寿命离散性也较大。因此,对透水型再生水稳试样的疲劳寿命数据作对数化处理后再加以分析。鉴于透水型再生水稳试样的疲劳寿命数据离散性较大,故分别采用正态分布模型和威布尔分布模型描述疲劳寿命分布,且双参数威布尔分布适合描述水泥类材料的疲劳寿命区间[21]:

ln[ln(1/P)]=blnN-blnNa

(4)

式中:N为试样疲劳寿命实测值;Na为特征疲劳寿命参数值;P为计算获得的试样存活概率;b为方程的斜率。

令y=ln[ln(1/P)],x=lnN,a=blnNa,则式(4)可简化为

y=bx-a

(5)

对相同配合比的透水型再生水稳试样在相同应力水平下测得的疲劳寿命数据按升序排列,每组疲劳寿命数据的样本数用m表示,顺序用i表示(i=1,2, 3,…,m),则存活率P计算式为

(6)

各组透水型再生水稳试样在不同疲劳应力水平下的ln[ln(1/P)]-lnN的拟合曲线见图7。由图可见,透水型再生水稳材料的疲劳寿命实测值具有较强的离散性,主要是因为其内部组分和孔隙结构复杂,试样在循环荷载作用下易产生疲劳破坏。根据应力比S和疲劳寿命N计算相应的lnN、存活率P以及ln[ln(1/P)]等相应参数值,结果汇总于表8。

图7 不同配比的透水型再生水稳试样ln[ln(1/P)]-ln N拟合曲线

为将上述透水型再生水稳材料的疲劳寿命试验结果更好地推广应用于工程实践,本文还相应地构建了不同失效概率下的失效概率-应力比-疲劳寿命(P-S-N)方程,其中基于威布尔分布的失效概率方程为

(7)

(8)

根据式(7)(8),可计算不同失效概率下透水型再生水稳材料在不同存活概率下的等效疲劳寿命,如图8所示。然后,采用对数疲劳方程对不同应力比下的等效疲劳寿命进行线性回归,可得到相应含失效概率下的P-S-N方程,结果见图8。由图8可见,计算所得疲劳寿命预估方程的拟合优度指标R2大多都大于0.9,说明本文得到的透水型再生水稳材料疲劳寿命预估方程拟合效果较好。

图8 不同配比的透水再生水稳试样在不同失效概率下的S-N拟合曲线及疲劳寿命预估方程

为验证所提预估方程的准确性,本文将预估方程与不同配比的透水再生水稳试样疲劳寿命数据进行比较,结果见图9。图9中上下边界由图8中预估方程拟合曲线选出,其中下边界为30%-3工况失效概率0.1条件下的预估方程,上边界为60%-2工况失效概率0.9条件下的预估方程。由图9可见,大多疲劳寿命数据位于上下边界的填充区域,由此证明基于威布尔双参数分布理论和P-S-N方程推导出的预估方程可较好地预测透水再生水稳试样在四点弯曲应力循环加载作用下的疲劳寿命。

图9 所提预估方程与疲劳寿命数据的比较

值得注意的是,不在填充区域里的疲劳寿命数据点主要是超出了上边界预估方程。因此,本文提出的预估方程对疲劳寿命的预测结果偏向于保守,对疲劳性能较好的透水型再生水稳材料疲劳寿命则预测不够精确。造成该结果的原因是在推导预估方程的时候没有考虑透水型再生水稳材料中各工况骨料类型的差别,后续研究需要将骨料类型进行定量分析,并将该参数引入预估方程从而提高其预测精度。

3 讨论

由本文室内试验得到的无侧限抗压强度和渗透系数测试结果可知,所设计的9种不同配合比的透水型再生水稳材料可满足大部分高等级公路基层使用要求。因采用建筑拆除固废再生骨料替代天然碎石,透水型再生水稳材料具有显著的生态环保优势,可作为道路透水基层在“海绵城市”建设中大力推广应用。值得注意的是,因透水型再生水稳材料具有复杂的孔隙结构和多样化的再生骨料组分,导致其强度、渗透性和疲劳寿命等均具有很大的离散性,后续还需开展更多的室内试验和现场测试深入量化研究其水-力性能的时变特征。本文仅从宏观层面初步研究了不同配合比设计对透水型再生水稳材料强度、渗透性和疲劳寿命等力学性能指标的影响,后续还急需从三维孔隙结构和骨料空间分布等细观层面进一步研究其水-力性能的影响因素和内在机制。

本文提出的疲劳寿命预估方程对透水型再生水稳材料在低失效概率下的预测效果较优,对于高失效概率下的疲劳寿命的预测效果则偏于保守。因此,后续研究应针对透水型再生水稳材料在高失效概率下的疲劳寿命进行深入分析,并重点探究造成透水型再生水稳材料在疲劳应力作用下产生突发性脆断的原因以及影响因素。