硅粉摻量對再生骨料混凝土單軸壓縮性能的影響研究

白衛(wèi)峰， 李汶昊， 楊光， 鄭永杰

(1.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.河南省水工結(jié)構(gòu)安全工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450046；3.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004)

硅粉又名硅灰、微硅粉、硅塵等，是一種火山灰質(zhì)球狀高活性礦物摻合料，由冶煉硅鐵、工業(yè)硅時(shí)產(chǎn)生的，可從煙氣凈化裝置中回收的高溫廢氣通過專業(yè)處理后得到。根據(jù)相關(guān)研究，硅粉改善混凝土性能的主要作用包括以下兩個(gè)方面：火山灰效應(yīng)與微集料填充作用[1]。硅粉的摻入能夠提高混凝土力學(xué)性能這一觀點(diǎn)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛認(rèn)同，對這一觀點(diǎn)也有著相當(dāng)多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐[2-5]。程瑤等[2]認(rèn)為，硅粉對混凝土的強(qiáng)化作用主要發(fā)生在養(yǎng)護(hù)前期，在3～28 d養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，混凝土的力學(xué)性能有明顯提高，且隨著硅粉摻量的增加，混凝土混合料的強(qiáng)化效率指數(shù)下降。李金波等[3]開展了齡期為28 d的具有不同硅粉摻量的混凝土性能測定的單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明：摻入5%硅粉的混凝土試件比不摻加硅粉的混凝土試件的強(qiáng)度提高24%左右；當(dāng)硅粉摻量大于12%時(shí)，混凝土試件的強(qiáng)化效率指數(shù)明顯減??；當(dāng)硅粉摻量大于15%時(shí)，混凝土試件的強(qiáng)度反而下降，且出現(xiàn)塑性開裂。此外，阮玉坤等[4]對水灰比0.38、不同硅粉摻量的混凝土，分別進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度、凍融和彈性模量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，5%左右硅粉摻量的混凝土的力學(xué)性能相對較高。

再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete, RAC)是一種新型混凝土，由建筑垃圾經(jīng)破碎、篩分、清洗等工序得到的再生骨料，加上水、水泥、砂等材料，按一定配比配制而成[6]。RAC的使用不僅可以解決大量建筑廢棄物處理困難和由此引發(fā)的對環(huán)境的負(fù)面影響等問題，而且能減少對天然資源的開采利用，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境[7]。為了能讓RAC更加安全規(guī)范地投入使用，國內(nèi)外許多學(xué)者對其力學(xué)性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。VERIAN K P等[8]綜合研究大量國內(nèi)外關(guān)于RAC的試驗(yàn)，認(rèn)為再生骨料對混凝土的作用效果主要包括以下兩個(gè)方面：一方面，再生骨料孔隙缺陷多，導(dǎo)致RAC中再生骨料與舊砂漿之間的接觸面強(qiáng)度較弱，使RAC的強(qiáng)度低于普通混凝土的強(qiáng)度；另一方面，再生骨料表面的許多微裂縫會吸入新的水泥顆粒，使接觸區(qū)的水化反應(yīng)更加完全，增加了混凝土的密實(shí)度，從而提高了混凝土的力學(xué)性能。BAIRAGI N K等[9]開展了不同再生骨料替代率下RAC的單軸壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同再生骨料替代率下RAC的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有相似的形狀特征。史才軍等[10]提出，再生骨料吸水率和取代率共同作用導(dǎo)致骨料總吸水率增大是降低再生混凝土抗壓強(qiáng)度的根本原因，而適當(dāng)?shù)脑偕橇虾士梢蕴岣咴偕炷恋目箟簭?qiáng)度。陳宗平等[11]針對再生卵石、碎石混凝土開展了單軸壓縮試驗(yàn)，認(rèn)為再生混凝土的變形性能和耗能性能均劣于天然混凝土的。

現(xiàn)有文獻(xiàn)[12-13]主要分析了硅粉對天然混凝土的強(qiáng)度和彈性模量的影響，對再生混凝土的相關(guān)力學(xué)性能研究和其變形性能的分析較少。本文以再生骨料混凝土為試驗(yàn)材料，以硅粉摻量為試驗(yàn)參數(shù)開展再生骨料混凝土的單軸壓縮試驗(yàn)研究，得到5種不同硅粉摻量的再生骨料混凝土單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，基于此曲線，對再生骨料混凝土的變形性能進(jìn)行分析，并基于細(xì)觀非均質(zhì)損傷理論，建立考慮硅粉含量影響的再生骨料混凝土在單軸壓縮下的損傷本構(gòu)模型，根據(jù)此模型對硅粉摻量與再生骨料混凝土的力學(xué)性能、特征損傷參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。

1 原材料、配合比與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥由河南豐博天瑞公司生產(chǎn)，規(guī)格為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2020)的要求。砂為天然河砂，是細(xì)度模數(shù)為2.92的中砂。骨料由鄭州市邵莊房屋拆建產(chǎn)生的碎石經(jīng)過破碎篩篩選得到，骨料粒徑為5～20 mm，符合連續(xù)級配要求。按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2019)所提供的試驗(yàn)方法測得骨料的基本性能指標(biāo)如下：表觀密度2 574 kg/m3、孔隙率46.1%、含水率0.8%、吸水率2.6%、壓碎指標(biāo)8.9%。其中大部分性能指標(biāo)值符合Ⅰ類碎石要求，試驗(yàn)所采用的粗骨料質(zhì)量相對較高。

1.2 配合比

綜合考慮試驗(yàn)條件與試驗(yàn)效果，選用高200 mm、直徑100 mm的圓柱形試件模具。試驗(yàn)中用硅粉替代水泥摻入骨料，硅粉摻量分別為0%、3%、6%、9%、12%，以水膠比0.49、砂率35%為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)5種配合比(見表1)，每組制備3個(gè)試件用于單軸壓縮試驗(yàn)。

表1 硅粉再生骨料混凝土的配合比設(shè)計(jì)

考慮到再生骨料的吸水率大，試驗(yàn)時(shí)添加附加水以保證粗骨料達(dá)到飽和面干狀態(tài)[14]。由于硅粉混凝土的泌水性小，如果混凝土澆筑后試件表面的蒸發(fā)速度大于泌水速度，則有可能在終凝后發(fā)生混凝土塑性開裂的情況，影響混凝土的力學(xué)性能[15]。為防止發(fā)生混凝土的塑性開裂，初凝時(shí)，在混凝土試件表面霧灑水后用塑料薄膜覆蓋。試件終凝后脫模，放入養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試件養(yǎng)護(hù)完畢，磨平表面并打蠟，安裝好引伸計(jì)后一同放入WAW-1000電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)中。試驗(yàn)中采用控制位移加載的準(zhǔn)靜態(tài)加載模式(加載速率為0.36 mm/min)。試驗(yàn)荷載大小由壓縮機(jī)測得，位移值由位移計(jì)測得。試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)繪制再生骨料混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，考慮試驗(yàn)離散性，從每組3條試驗(yàn)曲線中選取1條具有代表性的曲線作為分析曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 單軸受壓破壞特征

加載初期，整個(gè)試件均勻受力變形，未出現(xiàn)宏觀裂紋。隨著荷載的進(jìn)一步增加，試件內(nèi)部開始出現(xiàn)裂紋，隨后出現(xiàn)裂縫擴(kuò)展，加載到試件出現(xiàn)峰值應(yīng)力附近，第一條可見裂紋出現(xiàn)，與壓縮方向平行，接著在試件中間出現(xiàn)一系列柱狀可見裂紋，均與壓縮方向平行，同時(shí)，試件表面出現(xiàn)明顯的腫脹區(qū)。繼續(xù)增加荷載，試件表面的局部腫脹區(qū)面積增大，伴隨著試件內(nèi)部發(fā)出的輕微聲響，試件的中間部分出現(xiàn)斜裂紋剪切帶，并伴有碎片脫落。加載過程中試件的破壞情況如圖1所示。

圖1 單軸壓縮時(shí)再生骨料混凝土試件的破壞情況

2.2 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出不同硅粉摻量下試件的平均峰值應(yīng)力、材料彈性模量和峰值應(yīng)變曲線，分別如圖2所示。文中所有的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變?yōu)檎?、壓?yīng)力和壓應(yīng)變?yōu)樨?fù)。

圖2 再生骨料混凝土試件的單軸壓縮性能曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 峰值應(yīng)力

由圖2(a)可以看出：再生骨料混凝土試件的峰值應(yīng)力隨著硅粉摻量的增大呈先增大后減小的趨勢；硅粉摻量9%時(shí)試件的峰值應(yīng)力最大，與硅粉摻量0%的試件相比，峰值應(yīng)力平均提高了36%左右；當(dāng)再生骨料混凝土試件的硅粉摻量達(dá)到12%時(shí)，其峰值應(yīng)力反而下降。硅粉摻量影響再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度的機(jī)理主要體現(xiàn)在以下兩方面：一方面，由于火山灰效應(yīng)與微集料填充的共同作用，當(dāng)硅粉摻量從0%開始增加時(shí)，再生骨料混凝土試件的峰值應(yīng)力顯著增加，這是硅粉強(qiáng)化效應(yīng)的體現(xiàn)[16]；另一方面，再生骨料相對于天然骨料吸水率更高，硅粉水化反應(yīng)的速率隨著硅粉摻量的增大逐漸減??；此外，微結(jié)構(gòu)填充和火山灰效應(yīng)對混凝土強(qiáng)度的提升效果無法彌補(bǔ)水泥量減少對混凝土強(qiáng)度的減弱效果[5]；同時(shí)，考慮到不易拌和均勻等多種因素的影響，在過量硅粉摻入的情況下，硅粉的劣化效應(yīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，以至于12%硅粉摻量的混凝土的峰值應(yīng)力有所減小。

試驗(yàn)中，9%摻量的硅粉再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。相關(guān)研究同樣顯示[2-6]，隨著硅粉的摻入，混凝土的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且混凝土試件的峰值應(yīng)力最大時(shí)對應(yīng)的硅粉摻量幾乎都在5%～12%區(qū)間內(nèi)；而混凝土的抗壓強(qiáng)度最高時(shí)的硅粉摻量與水灰比、齡期、骨料類型、養(yǎng)護(hù)方式等因素都有著十分密切的聯(lián)系。

2.3.2 彈性模量

再生骨料混凝土的彈性模量是在試驗(yàn)曲線上取值計(jì)算得到的，即取再生骨料混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段0.2～0.4倍峰值應(yīng)力點(diǎn)到原點(diǎn)的割線模量。由圖2(b)得知，再生骨料混凝土的彈性模量隨著硅粉摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這和其峰值應(yīng)力的變化具有基本一致的規(guī)律，9%硅粉摻量的再生骨料混凝土試件的彈性模量最大，達(dá)到37.09 GPa，相比硅粉摻量為0%時(shí)的試件的平均彈性模量提高了1倍以上。顯然，對于再生骨料混凝土而言，硅粉的摻入明顯增大了其抵抗彈性變形的能力。

2.3.3 峰值應(yīng)變

再生骨料混凝土的峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變即為峰值應(yīng)變。分析圖2(c)得知：隨著硅粉摻量的增大，再生骨料混凝土的峰值應(yīng)變先減小后增大；各個(gè)再生骨料混凝土試件的峰值應(yīng)變數(shù)值均在-1.46×10-3～-2.27×10-3范圍內(nèi)；相比于硅粉摻量為0%的試件，摻入硅粉后各組試件的峰值應(yīng)變明顯減小，其中，9%硅粉摻量的試件的峰值應(yīng)變減少幅度最大，這是因?yàn)?%硅粉摻量的試件的彈性模量最大。

3 混凝土細(xì)觀非均質(zhì)損傷本構(gòu)模型

3.1 單軸壓縮下的細(xì)觀非均質(zhì)損傷本構(gòu)模型

白以龍等[17]和郝圣旺[18]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)脆性材料變形破壞實(shí)際是一個(gè)損傷演化誘致災(zāi)變的過程，可分為分布式損傷累積和局部災(zāi)變兩個(gè)階段。災(zāi)變破壞是由局部損傷的發(fā)展所觸發(fā)的。本文采用白衛(wèi)峰等[19-20]建立的混凝土單軸壓縮時(shí)的細(xì)觀非均質(zhì)損傷本構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 混凝土單軸壓縮時(shí)的細(xì)觀非均質(zhì)本構(gòu)模型

該模型考慮材料的細(xì)觀斷裂和屈服兩種損傷模式，分別表征微裂紋擴(kuò)展和受力骨架的優(yōu)化調(diào)整，即材料劣化和強(qiáng)化的過程，通過兩個(gè)概率密度函數(shù)(q(ε+)和p(ε+))來定量描述混凝土細(xì)觀的損傷演化過程。整個(gè)壓縮過程分為均勻損傷階段和局部破壞階段，兩階段的連接點(diǎn)處的狀態(tài)被稱為臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)被定義為材料變形從均勻損傷向局部破壞轉(zhuǎn)變的狀態(tài)，標(biāo)志著材料的潛在力學(xué)性能已發(fā)揮至最優(yōu)，將進(jìn)入破壞階段[21]。名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線是通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得到的宏觀應(yīng)力-應(yīng)變曲線；有效應(yīng)力是指表征材料在承受荷載時(shí)，自身的受力骨架得到調(diào)整和優(yōu)化從而獲得的更大的承載能力。該模型中，均勻損傷階段是細(xì)觀損傷累積演化的主要階段，是損傷累積的過程，包含應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段和部分下降段；臨界狀態(tài)是局部破壞的前兆，體現(xiàn)了損傷演化由量變到質(zhì)變的過程；局部破壞階段對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在明顯的尺寸效應(yīng)。對于混凝土加載過程中均勻損傷階段，本構(gòu)關(guān)系可表達(dá)如下：

σ=E0(1-Dy)(1-DR)ε，

(1)

σE=E0(1-Dy)ε，

(2)

(3)

(4)

式中：σ為單軸壓縮名義應(yīng)力；σE為單軸壓縮有效應(yīng)力；ε為單軸壓縮應(yīng)變；ε+為壓縮方向?qū)?yīng)的等效傳遞拉損傷應(yīng)變(ε+=-νε，ν為泊松比)，與壓縮方向正交；E0為特征應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段0.2～0.4倍峰值應(yīng)力點(diǎn)到原點(diǎn)的割線模量；DR和Dy為損傷變量，分別與斷裂損傷和屈服損傷相關(guān)；q(ε+)和p(ε+)分別表示細(xì)觀斷裂、屈服損傷所對應(yīng)的概率密度函數(shù)。

假設(shè)q(ε+)和p(ε+)均服從三角形分布形式[18-19]，可分別表示如下：

(5)

(6)

H=DR(εb)。

(7)

式中：εa為初始損傷應(yīng)變；εb為臨界狀態(tài)損傷應(yīng)變，也是最大屈服損傷應(yīng)變；εh為p(ε+)峰值對應(yīng)應(yīng)變；εa、εb、εh均為等效傳遞拉損傷應(yīng)變ε+；H為臨界狀態(tài)對應(yīng)的斷裂損傷值。該模型包括5個(gè)特征參數(shù)，分別為E0、εa、εh、εb和H。

3.2 損傷參數(shù)的確定與分析

從每組相同硅粉摻量的3條試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線中取1條具有代表性的曲線，并繪制出再生骨料混凝土的典型應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，如圖4所示。利用MATLAB工具箱中的遺傳算法，通過多元回歸分析計(jì)算得到代表曲線的εa、εh、εb和H值(泊松比取0.2)，見表2。

圖4 不同硅粉摻量的再生骨料混凝土的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 E0、εa、εh、εb和H的計(jì)算結(jié)果

基于非均質(zhì)損傷本構(gòu)模型，利用特征損傷參數(shù)和公式(1)—(7)，分別繪制出5種不同硅粉摻量的再生骨料混凝土的名義應(yīng)力-應(yīng)變曲線和有效應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分別如圖5和圖6所示。由圖5和圖6知：根據(jù)細(xì)觀非均質(zhì)損傷本構(gòu)模型，可以從有效應(yīng)力的角度更好地理解混凝土在單軸壓縮下的破壞過程；在分布損傷階段，名義應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢，有效應(yīng)力單調(diào)增加，至臨界狀態(tài)達(dá)到最大值；臨界狀態(tài)之后，混凝土進(jìn)入局部損傷破壞階段。下文圖中標(biāo)注的預(yù)測和預(yù)測值分別指借助非線性損傷本構(gòu)模型對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算后所預(yù)測的曲線和數(shù)值；試驗(yàn)指通過試驗(yàn)直接測出的曲線。

圖6 不同硅粉摻量的再生骨料混凝土的有效應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

硅粉摻量S對混凝土的損傷本構(gòu)模型E0、εa、εh、εb和H這5個(gè)特征參數(shù)的影響分別如圖7、圖8和圖9所示。由圖7—9可以看出：隨著硅粉摻量的增加，這5個(gè)參數(shù)均呈現(xiàn)出較為明顯的規(guī)律性變化。

圖7 E0-S關(guān)系曲線

圖8 εa、εh、εb和S的關(guān)系曲線

圖9 H-S關(guān)系曲線

通過回歸分析和線性擬合得到了5個(gè)特征參數(shù)隨S的演化方程，見式(8)—(12)。由式(8)—(12)可算得，隨著S的增大，E0、εa、εh、εb和H均以硅粉摻量9%為界，表現(xiàn)出不同的變化趨勢。其中，隨著硅粉摻量S的增大，E0由17.02 GPa逐漸增長到34.73 GPa，增長趨勢漸緩；H先從0.143增長到0.169，然后下降到0.164；εh先逐漸緩慢地從1.93×10-4下降到1.29×10-4，然后增加到1.34×10-4，最后下降到1.05×10-4；εb于6.31×10-4下降到4.24×10-4，然后增加到4.54×10-4；εa表現(xiàn)出先快速下降后緩慢下降至水平線的趨勢，從1.46×10-4下降到0.64×10-4。參數(shù)的變化趨勢表明，再生骨料混凝土的彈性模量逐漸增大，屈服損傷參數(shù)逐漸減小，斷裂損傷參數(shù)先增大后減小。這表明硅粉的微結(jié)構(gòu)填充和火山灰效應(yīng)增大了再生骨料混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)減小了其延性，且作用效應(yīng)隨著硅粉摻量的增加而降低。

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中：E0,1、εa,1、εh,1、εb,1、H1分別為硅粉摻量S=0%時(shí)的混凝土試件對應(yīng)的5個(gè)特征參數(shù)；0%≤S≤12%。

圖10和圖11分別給出了不同硅粉摻量下試件的屈服損傷變量Dy和斷裂損傷變量DR的演化曲線，定性地表征了受力骨架的優(yōu)化調(diào)整和微裂紋擴(kuò)展程度。

圖10 屈服損傷變量Dy的演化曲線

圖11 斷裂損傷變量DR的演化曲線

材料變形破壞過程可以理解為兩種損傷模式的連續(xù)損傷演化過程。硅粉的加入改變了再生骨料混凝土的連續(xù)損傷演化過程，從而改變了再生骨料混凝土的宏觀應(yīng)力-應(yīng)變行為，達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，再生骨料混凝土的延性有所降低，表明使用硅粉替代水泥雖然可以增大混凝土的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)也增大了混凝土的脆性。LI Tao等[22]開展了硅粉摻量對混凝土延性影響的相關(guān)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅粉的摻入會降低混凝土的延性，認(rèn)為其原因是硅粉取代了水泥混凝土的主要組分，限制了試件的整體性能，從而使其脆性相對增大。

4 結(jié)語

1)本文針對水膠比為0.49的5種不同硅粉摻量的再生骨料混凝土開展單軸壓縮試驗(yàn)。結(jié)果表明，硅粉摻量9%的再生骨料混凝土的單軸抗壓性能最好，其抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)力和彈性模量最大，峰值應(yīng)變最小。

2)硅粉的摻入可以提高再生骨料混凝土的力學(xué)性能，但其貢獻(xiàn)效率隨硅粉摻量的增大而減小，且過量硅粉的摻入會增大再生混凝土的脆性。綜合考慮經(jīng)濟(jì)與實(shí)用因素，實(shí)際工程中不宜摻入過多硅粉。

3)文中建立了考慮硅粉摻量影響的非均質(zhì)損傷模型，得到硅粉摻量與混凝土本構(gòu)模型的5個(gè)特征參數(shù)的關(guān)系式。計(jì)算結(jié)果表明，隨著硅粉摻量的增加，除εb和εa總體呈下降趨勢，E0、εb和H均以9%摻量為拐點(diǎn)，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。

4)本文研究了硅粉摻量對再生骨料混凝土的單軸壓縮力學(xué)性能與變形性能的影響，后續(xù)將進(jìn)一步開展硅粉摻量對再生骨料混凝土的抗凍性和耐久性影響的試驗(yàn)研究。