再生骨料取代率對再生混凝土彎曲疲勞性能的影響

念夢飛，羅素蓉

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 福建 福州 350108)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，建筑業(yè)對砂石材料的需求增大，并產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土，而再生混凝土能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄混凝土的循環(huán)利用，解決了廢棄混凝土填埋處理產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，同時減輕了混凝土天然砂石供應(yīng)短缺的問題，具有顯著的經(jīng)濟效益與環(huán)保效益. 目前，國內(nèi)外學(xué)者對再生混凝土的研究主要圍繞著基本力學(xué)性能[1-4]、 耐久性能[5-7]、 收縮徐變性能[8-9]展開，而對于再生混凝土疲勞性能的研究較為匱乏. Heeralal等[10]研究表明隨著再生骨料取代率的增大，疲勞壽命逐漸減??； 肖建莊等[11]基于損傷理論推導(dǎo)得出再生骨料混凝土彎曲疲勞-N方程； Arora等[12]的研究結(jié)果也表明再生骨料混凝土的彎曲疲勞性能較普通混凝土有明顯下降； 李偉[13]對7種取代率下再生混凝土的疲勞性能展開研究，表明隨著再生骨料取代率的提高，再生混凝土在高應(yīng)力水平下的疲勞壽命逐漸減小，極限逐漸提高. 此外還有學(xué)者通過試驗證明在再生骨料混凝土中摻入粉煤灰[14]、 硅灰[15]、 鋼纖維[10]能夠提高再生混凝土的疲勞壽命.

通過對文獻[10-15]整理對比，發(fā)現(xiàn)目前國內(nèi)外學(xué)者對再生混凝土的彎曲疲勞性能研究結(jié)果存在：1) 樣本數(shù)量少，單一應(yīng)力水平下樣本數(shù)不足5根，無法排除疲勞試驗的離散性問題，由此建立的Weibull分布及概率模型可信度低； 2) 不同取代率下混凝土強度變化較大，未實現(xiàn)同強度的疲勞壽命對比； 3) 有研究表明混凝土的孔結(jié)構(gòu)對彎曲疲勞性能有影響[16-17]，而現(xiàn)有研究均未建立再生混凝土宏觀疲勞性能與微觀性能間的聯(lián)系. 因此，本文將通過對0%、 50%、 100%取代率的再生混凝土進行等幅彎曲疲勞試驗，并結(jié)合孔結(jié)構(gòu)與相關(guān)文獻研究結(jié)果進行對比，建立再生骨料混凝土的疲勞壽命方程.

1 試驗材料

水泥為煉石牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥； 粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，細度(45 μm篩余)為22.03%，需水量比為97%； 天然粗骨料為福州某山巖破碎加工而成，再生粗骨料為某路面廢棄混凝土破碎加工而成，天然骨料與再生骨料的物理參數(shù)如表1所示. 兩種骨料均由粒徑5.0～10.0 mm和10.0～19.0 mm的碎石以質(zhì)量比1∶2混合得到5.0～20.0 mm連續(xù)級配； 天然細骨料采用福州地區(qū)河砂，細度模數(shù)為2.19，表觀密度為2 592 kg·m-3； 外加劑為聚羧酸系高效減水劑； 試驗用水為普通自來水.

表1 粗骨料物理性能對比

2 試驗方案

混凝土攪拌方式為“干拌法”，拌制流程為：1) 膠凝材料、 粗骨料與河砂混合均勻拌制2 min； 2) 摻入90%水拌制2 min； 3)10%的水與減水劑混合后倒入拌合物中拌制2 min. 混凝土試件在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至28 d齡期，測定基本力學(xué)性能，在實驗室環(huán)境養(yǎng)護至90 d齡期進行彎曲疲勞試驗. 混凝土目標強度為C40，再生粗骨料取代率為0%、 50%、 100%，配合比設(shè)計如表2所示. 每組配合比拌制150 mm×150 mm×150 mm立方體試件3塊，100 mm×100 mm×400 mm小梁試件21根，其中6根測定28 d齡期與90 d齡期的抗折強度，15根測定三種應(yīng)力水平下的彎曲疲勞壽命. 28 d抗壓強度fc、 28 d抗折強度ff、 90 d抗折強度f′f試驗根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準(GB/T 50081—2002)》[18]進行.

表2 混凝土配合比

圖1 疲勞試驗加載試驗設(shè)備Fig.1 Fatigue test instrument

疲勞加載試驗采用四點彎曲法，加載點間距為100 mm，加載裝置如圖1所示. 設(shè)備最大量程為250 kN，加載方式采用應(yīng)力控制，根據(jù)各組混凝土的90 d抗折強度，取應(yīng)力水平為0.6f′f、 0.7f′f、 0.8f′f，應(yīng)力比為0.1，加載頻率為10 Hz，載荷歷程采用正弦波，疲勞加載前以0.1f′f預(yù)壓數(shù)次，以消除接觸不良造成的誤差，待儀器運轉(zhuǎn)正常后進行彎曲疲勞加載，待小梁試件發(fā)生斷裂或疲勞加載次數(shù)達到200萬次后停止試驗，由儀器記錄再生混凝土的彎曲疲勞壽命.

壓汞試驗采用試樣為90 d齡期同養(yǎng)護條件下混凝土，經(jīng)破碎后取砂漿約1 g進行測試與分析，通過壓汞儀可以測得樣品的孔徑分布、 最可幾孔徑、 孔隙率等參數(shù).

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 再生混凝土的力學(xué)性能

混凝土強度如表3所示. 與Arora等[12]的研究結(jié)果類似，RAC50與RAC100的fc較RAC0分別下降了10.5%與5.9%，而ff僅下降了5.0%與2.7%，表明在相同設(shè)計配合比下，再生骨料對混凝土的抗折強度影響較小，而對抗壓強度有明顯的不利影響. 本文中再生骨料混凝土fc雖出現(xiàn)下降，但下降幅度較小，再生混凝土仍能滿足C40的強度設(shè)計要求，故認為三組試驗組為同強度混凝土，在混凝土疲勞壽命分析中忽略混凝土強度因素，僅考慮再生骨料對疲勞壽命的影響.

表3 混凝土力學(xué)性能

3.2 再生混凝土的疲勞壽命與孔結(jié)構(gòu)

再生混凝土在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命見表4，試驗結(jié)果滿足肖維勒準則離散性檢驗.

表4 混凝土不同應(yīng)力水平下彎曲疲勞試驗結(jié)果

由表4可知，隨著再生骨料取代率的增大，再生混凝土的疲勞壽命逐漸減小，當(dāng)應(yīng)力水平為0.6時，RAC50與RAC100的平均疲勞壽命較RAC0分別下降了29.7%與46.3%，在應(yīng)力水平為0.8時，平均疲勞壽命分別下降了16.3%與63.6%. 再生混凝土疲勞壽命下降有兩方面原因：一方面是由于再生骨料自身缺陷導(dǎo)致，由于再生骨料疏松多孔，孔隙率較高，骨料表面易形成富水層，導(dǎo)致界面過渡區(qū)薄弱，且再生骨料混凝土具有多重界面過渡區(qū)的特征，在疲勞荷載作用下骨料界面處容易開裂，導(dǎo)致混凝土疲勞壽命降低； 另一方面是由于摻入再生骨料在混凝土基體中形成更多的初始缺陷，從而導(dǎo)致混凝土疲勞壽命降低.

文獻[19]表明再生骨料的摻入會增大混凝土的孔隙率，為驗證混凝土孔結(jié)構(gòu)與疲勞壽命間的關(guān)系，對同齡期的混凝土試樣進行壓汞分析，分析結(jié)果如圖2與表5所示.

圖2 再生混凝土孔徑分布圖Fig.2 Aperture distribution of recycled concrete

表5 再生混凝土的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗結(jié)果表明，隨著再生骨料取代率的增加，混凝土總孔體積逐漸增大，最可幾孔徑也隨之增大. 與RAC0相比，RAC50總孔隙率增大了2.7%，RAC100增大了4.6%. 在孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)成上，RAC0的有害孔與多害孔占總孔隙的35%左右，RAC50的比例增加到了39%，RAC100則達到了41%，且RAC50與RAC100的無害孔較RAC0減少了10%. 由此可見，再生骨料摻入使得混凝土的孔結(jié)構(gòu)更疏松，隨著再生骨料取代率的增大，混凝土的孔隙率增大，大孔數(shù)量增多，因此當(dāng)疲勞裂縫進入基體后，混凝土抵抗裂縫開展的能力更低，更易發(fā)生疲勞破壞，疲勞壽命降低.

3.3 兩參數(shù)Weibull分布檢驗

采用Weibull分布對再生混凝土彎曲疲勞壽命分布進行分析，兩參數(shù)Weibull分布函數(shù)可表示為：

(1)

式中：Pf表示疲勞壽命為N時的失效概率；N表示疲勞壽命；λ表示形狀參數(shù)，λ值越大，混凝土彎曲疲勞壽命離散性越??；Na表示特征壽命參數(shù).

混凝土彎曲疲勞壽命所對應(yīng)的失效概率Pf可表示為：

(2)

式中：i表示在應(yīng)力水平Sa下疲勞壽命數(shù)據(jù)從小到大升序排列的序號；K表示在應(yīng)力水平Sa下進行疲勞試驗的樣本總數(shù).

令Y= ln{ln[1/(1-Pf)]}，X=lnN，a=λlnNa，可得：

Y=λX-a

(3)

式(3)為直線方程，可用于檢驗試驗數(shù)據(jù)是否服從兩參數(shù)Weibull分布，對再生骨料混凝土彎曲疲勞壽命進行線性回歸分析. 若X與Y之間存在良好的線性關(guān)系，表明試驗結(jié)果服從兩參數(shù)Weibull分布的假設(shè)成立. 根據(jù)表4數(shù)據(jù)進行兩參數(shù)Weibull分布檢驗，線性回歸結(jié)果見圖3.

圖3 再生混凝土彎曲疲勞壽命兩參數(shù)Weibull分布檢驗Fig.3 Two-parameter Weibull distribution test of bending fatigue life of recycled concrete

目前關(guān)于應(yīng)力水平與混凝土疲勞壽命Weibull分布形狀參數(shù)間的關(guān)系未形成統(tǒng)一定論，文獻[12, 20]表明隨著應(yīng)力水平的增大，混凝土的形狀參數(shù)單調(diào)遞減，即疲勞壽命的離散性逐漸增大，且這一現(xiàn)象不因再生骨料、 纖維、 礦物摻合料的摻入而改變； 而文獻[21-23]研究結(jié)果則表明混凝土的形狀參數(shù)呈折線形增長，在應(yīng)力水平介于0.65～0.75時存在最小值，此時混凝土的疲勞壽命離散性最大.

由圖3可知，再生混凝土在三種應(yīng)力水平下，ln{ln[1/(1-Pf)]}與lnN間具有良好的線性關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)均大于0.90，表明再生混凝土彎曲疲勞壽命分布服從兩參數(shù)Weibull分布. 與國內(nèi)學(xué)者研究結(jié)果相似，再生骨料的形狀參數(shù)λ隨應(yīng)力水平增長呈折線形發(fā)展，在應(yīng)力水平為0.7時λ值最小，即應(yīng)力水平為0.7時，再生混凝土的彎曲疲勞壽命離散性最大； 在同一應(yīng)力水平下，RAC50與RAC100的形狀參數(shù)基本都小于RAC0，表明再生骨料的摻入會增大混凝土彎曲疲勞壽命的離散性，對彎曲疲勞性能有不利影響，但形狀參數(shù)的變化與再生骨料取代率間未發(fā)現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，需增加樣本數(shù)以確定二者間的關(guān)系.

3.4 彎曲疲勞S-N-Pf方程

根據(jù)式(1)可知在任一失效概率Pf下混凝土的彎曲疲勞壽命可表達為：

(4)

為保證混凝土在低應(yīng)力水平下的預(yù)估壽命的可靠性，本文采用lgS-lgN方程描述再生混凝土疲勞壽命：

lgS=lgA+BlgN

(5)

式中：A、B為方程參數(shù).

將不同失效概率下的疲勞壽命代入式(5)后可得到再生混凝土的S-N-Pf方程. 當(dāng)失效概率分別為Pf=0.05與Pf=0.50時，再生骨料混凝土的疲勞方程如表6所示.

表6 不同失效概率下再生混凝土的S-N-Pf方程

通常將混凝土達到200萬次循環(huán)時的應(yīng)力水平稱為混凝土的疲勞極限. 根據(jù)表6可得Pf=0.50時RAC0、 RAC50、 RAC100的疲勞極限分別為0.55、 0.54、 0.55，Pf=0.05時再生混凝土的疲勞極限分別為0.50、 0.46、 0.51，可見，在不同的存活概率下RAC100均具有與RAC0相近的疲勞極限. 文獻[10, 12]結(jié)果表明, 再生骨料的摻入會使混凝土的疲勞極限從0.52降低至0.48； 文獻[11]的結(jié)果則表明RAC 100的疲勞極限為0.57，與文獻[24]得到的普通混凝土疲勞極限0.59相近. 可見目前對再生混凝土的疲勞極限的取值未形成統(tǒng)一定論，但國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果均表明了再生混凝土疲勞極限與普通混凝土相差較小，因此可認為，再生骨料混凝土在高周疲勞下具有與普通混凝土相近的疲勞性能.

式(5)中參數(shù)A越高，則表明混凝土在高應(yīng)力水平具有更高的疲勞壽命. 由lgS-lgN方程可知，隨著再生骨料取代率的增大而增大，參數(shù)A不斷減小，表明再生骨料混凝土在高應(yīng)力水平下更易破壞. 文獻[12-13]的研究結(jié)果也表現(xiàn)出相似的規(guī)律，其原因或在于再生骨料的物理性能較差，壓碎指標更高，在高應(yīng)力水平下骨料更容易發(fā)生斷裂，因此再生混凝土更易發(fā)生疲勞破壞.

在實際工程中，混凝土路面等結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力水平較低，疲勞循環(huán)周次較高，再生骨料混凝土可取代普通混凝土. 但對于經(jīng)常承受高應(yīng)力荷載、 沖擊荷載的結(jié)構(gòu)，采用再生骨料混凝土?xí)r需通過添加纖維或礦物摻合料以提高再生骨料混凝土低周疲勞性能.

4 結(jié)語

1) 再生骨料的摻入會導(dǎo)致混凝土彎曲疲勞壽命降低，與RAC0相比，RAC50與RAC100在S=0.6時彎曲疲勞壽命分別下降了29.7%與46.3%，在S=0.8時則分別下降了16.3%與63.6%.

2) 再生骨料的摻入會增大混凝土孔隙率，RAC0、 RAC50、 RAC100的總孔隙率分別為13.71%、 16.42%、 18.32%，隨著混凝土總孔隙率的增大，混凝土的疲勞壽命逐漸減小.

3) 再生骨料混凝土彎曲疲勞壽命服從兩參數(shù)Weibull分布，再生混凝土的疲勞壽命離散性比普通混凝土高，形狀參數(shù)λ呈折線形發(fā)展，在應(yīng)力水平為0.7時出現(xiàn)最小值.

4) 再生骨料混凝土在高應(yīng)力水平下疲勞壽命下降較多，而在低應(yīng)力水平下具有與普通混凝土相近的疲勞性能，當(dāng)失效概率Pf=0.50時，RAC0、 RAC50、 RAC100的彎曲疲勞極限分別為0.55、 0.54、 0.55.