李 磊，徐培蓁，朱亚光，闫洪生，李会文

(1. 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033；2. 青岛鼎新恩同绿色建材科技有限公司，山东 青岛 266000)

将废弃混凝土破碎形成的再生粗骨料重新应用于工程是解决建筑垃圾问题的有效方法[1]，但因再生粗骨料表面附着的砂浆强度低、孔隙率大[2]等缺点导致再生粗骨料混凝土性能要低于天然混凝土．针对附着砂浆造成的问题，已有的强化方法包括：一是通过立式偏心研磨[3]、颗粒整形技术[4]以及酸液处理[5]等去除附着砂浆，二是采用纳米SiO2浸泡[6]、硅烷浸泡[7]以及微生物矿化沉积[8]等强化附着砂浆，这两类方式对再生粗骨料性能提升都有较好效果．

国内外学者对强化后的再生混凝土抗压性能进行了广泛研究，但对应力 - 应变本构关系研究较少．在已有再生混凝土本构关系方面，BAIRAGI[9]等人研究指出再生粗骨料混凝土与天然混凝土本构关系具有类似性．肖建庄[10]认为再生粗骨料取代率的不同，对再生混凝土性能影响显著．徐明[11]等发现高温后再生混凝土的本构关系与天然混凝土具有相似性，并建立了本构方程．陈宗平[12]等发现再生混凝土本构曲线下降段较为陡峭，不同取代率下泊松比变化不明显．LUO[13]等发现碳化处理再生粗骨料后混凝土本构关系与天然混凝土的更加接近．以往试验大多采用单一强化方式，为研究去除和强化附着砂浆两类处理方式对混凝土力学性能及本构关系的影响，分别采用颗粒整形技术和纳米SiO2浸泡法强化再生粗骨料，制备水胶比为0.5的混凝土进行抗压强度试验，利用Origin软件对单轴抗压试验数据进行拟合，提出了不同强化方式下再生粗骨料混凝土单轴受压本构方程．

1 再生粗骨料的强化

1.1 再生粗骨料

所用再生粗骨料由实验室废弃混凝土试块破碎筛分(粒径为4.75～26.5 mm)得到，选取粒径为4.75～26.5 mm碎石为天然粗骨料，基本性能指标见表1．可以看出简单破碎粗骨料的表观密度和堆积密度都低于天然粗骨料，吸水率及压碎指标相比天然骨料的差别较大，分别高294.1%和55.6%，说明再生粗骨料附着砂浆和内部微裂缝对其性能影响较大．

1.2 强化再生粗骨料

1.2.1 纳米SiO2强化

采用型号为HTSi-11L的纳米SiO2溶液，其改善再生粗骨料的机理是纳米SiO2与附着砂浆中的Ca(OH)2发生反应(见公式1)，生成C-S-H凝胶，填充裂缝和改善孔隙结构[14]，且纳米材料本身也具有填充效应，从而提高再生粗骨料性能．

xCa(OH)2+SiO2+mH2O=xCaO·SiO2·mH2O

(1)

选取三种浓度(1%、2%、3%)的纳米SiO2溶液和三种浸泡时间(24 h、48 h、72 h)对再生粗骨料进行浸泡处理．由图1、2可以看出吸水率与压碎指标随浓度和时间增加而降低，浓度为2%和3%，时间为48 h和72 h时，相差不大．考虑效率及经济性选定浸泡浓度为2%，浸泡时间为48 h，纳米SiO2强化后再生粗骨料性能见表1．

图1 吸水率Fig.1 Water absorption

图2 压碎指标Fig.2 Crushing index

1.2.2 颗粒整形强化

颗粒整形技术是通过高速运转的再生粗骨料相互摩擦，打磨掉附着砂浆和突出棱角[4]，使其圆润、光滑．将简单破碎粗骨料经整形机处理后为一次颗粒整形，将一次颗粒整形粗骨料重复上述步骤后为二次颗粒整形．由于二次颗粒整形后再生粗骨料附着砂浆较少，且再次进行颗粒整形会使骨料自身损伤较大，因此本试验仅进行了一次、二次颗粒整形．颗粒整形强化后再生粗骨料性能见表1．

表1 粗骨料物理指标Tab.1 Physical index of coarse aggregate

1.2.3 强化结果分析

由表1的数据可以看出，经过强化后的再生粗骨料各项物理性均能得到显著提高；纳米SiO2浸泡效果与一次颗粒整形大体相当；二次颗粒整形效果明显高于纳米SiO2浸泡和一次颗粒整形；二次颗粒整形效果较纳米SiO2浸泡吸水率低30.6%、压碎指标低39.8%、表观密度和堆积密度分别高5 kg/m3和149 kg/m3，由此可见去除附着砂浆的颗粒整形法要优于强化附着砂浆的纳米SiO2强化法；二次颗粒整形强化后再生粗骨料性能仅吸水率劣于天然粗骨料．后续试验中颗粒整形再生粗骨料全部为二次颗粒整形粗骨料．

2 原材料与试验设计

2.1 原材料

试验中所用水泥为山水牌42.5R普通硅酸盐水泥，拌和水均为自来水，细骨料采用天然河砂，粗骨料为第1节所介绍粗骨料．

2.2 混凝土配合比

采用四种粗骨料制备混凝土试块：天然粗骨料混凝土(NAC)、简单破碎再生粗骨料混凝土(RAC)、纳米SiO2强化再生粗骨料混凝土(NSRAC)及颗粒整形强化再生粗骨料混凝土(PSRAC)．再生粗骨料取代率分别取为：30%、50%、70%及100%，共13组试件，每组6个棱柱体(100 mm×100 mm×300 mm)和3个立方体(100 mm×100 mm×100 mm)．水胶比为0.5，砂率为40%，实际用水量考虑了再生骨料10 min吸水量和骨料实际含水量的附加用水量[15]．混凝土配合比见表2．

表2 混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of concrete kg/m3

2.3 试验方法

用坍落度法测试天然与再生新拌混凝土的工作性能，各组新拌混凝土坍落度值均在100～120 mm之间．立方体抗压强度试验和单轴抗压试验分别在YAW-3000D混凝土压力试验机与YAW-5000A电液伺服压力试验机上进行．为了采集到混凝土应力 - 应变全曲线下降段的数据，采用如图3的刚性辅助架以增加试验机刚度，先进行预压以保证试块处于轴压状态．试验数据由DH3816N应变采集系统自动采集，传感器为100 t压力传感器，电阻应变计横、纵向量测标距分别为50 mm和100 mm，粘贴位置如图4所示．

图3 轴心受压试验装置Fig.3 Uniaxial compression test equipment

图4 应变计粘贴示意图Fig.4 Schematic diagram of strain

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度

表3为各组混凝土试件经试验测得的轴心抗压强度(fc)与立方体抗压强度(fcu)，对两者进行比较，得到fc与fcu的比值关系．各类混凝土不同取代率下强度比值波动不大，强化再生粗骨料的NSRAC和PSRAC的fc和fcu较RAC的都有所增加，但仍低于NAC；RAC和NSRAC均低于NAC的fc和fcu平均比值，而PSRAC的fc/fcu平均比值为0.813，要高于NAC的0.757．由各组混凝土fc和fcu平均比值关系，可以对fc和fcu进行相互推算．对比NSRAC与PSRAC的fc和fcu发现，PSRAC要稍好于NSRAC，说明粗骨料性能直接影响混凝土抗压强度．

表3 各组轴心抗压强度和立方体抗压强度的对比Tab.3 Comparison of uniaxial compressive strength and cube compressive strength in each group

3.2 应力 - 应变全曲线

棱柱体单轴受压破坏试验得到应力 - 应变全曲线如图5所示．可以看出，同一类再生粗骨料下不同取代率的混凝土本构曲线上升段大体相同；峰值点后下降段的发展趋势相似，RAC、NSRAC及PSRAC下降段较NAC更为陡峭，说明再生混凝土粗骨料内部损伤较大，裂缝发展更迅速，显现出更大脆性．

图5 应力 - 应变全曲线Fig.5 Stress-strain curve

3.3 峰值应力和峰值应变

由图6可知峰值应力由大到小排列为NAC>PSRAC>NSRAC>RAC，且随再生粗骨料取代率增加，再生混凝土峰值应力随之减小．PASRAC与NSRAC相对RAC峰值应力明显增大，PSRAC峰值应力与NAC的相差不大，且均高于NSRAC，说明去除粗骨料附着砂浆的PSRAC性能优于强化粗骨料附着砂浆的NSRAC；对峰值应变进行分析可以发现，RAC峰值应变基本呈现上升趋势，而PSRAC和NSRAC峰值应变先增大后减小，且PSRAC均高于NSRAC的峰值应变；在相同取代率下对比不同混凝土峰值应变，没有发现特定规律．

图6 不同取代率下试件的峰值应力和峰值应变Fig.6 Peak stress and peak strain of specimens with different replacement rates

3.4 弹性模量

采用公式2[16]计算弹性模量，从图7中可以看出RAC明显低于NAC的弹性模量，PSRAC和NSRAC较RAC的弹性模量有所增大，但仍低于NAC的弹性模量．PSRAC和NSRAC弹性模量相差不大．随再生骨料取代率增大，各组混凝土弹性模量变化不明显．

(2)

式中：E为弹性模量,MPa；σC为峰值应力,MPa；σ0.4σC为0.4σC对应的应变；σ0.5为试验中与0.5MPa最接近的应力,MPa；ε0.5为σ0.5对应的应变．

3.5 泊松比

泊松比采用各试件横向变形稳定后横向、纵向应变的比值．图8为不同取代率下各混凝土泊松比的值，可以看出RAC、NSRAC及PSRAC和NAC泊松比相似，均分布在0.14～0.24之间，符合国家规范[17]提出的泊松比可按0.2计算．

图7 不同取代率下各混凝土弹性模量Fig.7 Elastic modulus of specimens with different replacement rates

图8 不同取代率下各混凝土泊松比Fig.8 Poisson ratio of specimens with different replacement rates

3.6 应力 - 应变全曲线回归分析

图9 无量纲应力 - 应变曲线Fig.9 Dimensionless stress-strain curves

取x=ε/εp，y=σ/σp作为应力 - 应变全曲线横、纵坐标，其中σp、εp为试件的峰值应力和峰值应变，处理后曲线见图9．可以发现NAC、RAC、NSRAC和PSRAC的应力 - 应变曲线几何特性相似，上升段相差不大，但不同取代率下下降段陡峭程度不同，表现出一定的离散性，说明随取代率不同，再生混凝土脆性变化有所不同．以往研究表明，过镇海[18]提出的分段式函数(见公式3)拟合天然和再生混凝土应力 - 应变曲线与试验结果吻合度较好，因此采用该种方法进行强化后再生粗骨料混凝土本构曲线的研究．基于最小二乘法将试验数据进行拟合处理，得出参数a、b，参数a表示初始切线模量与峰值割线模量的比值，参数b表示下降段与x轴所围面积，b值越小，试件脆性越小、塑性越大．图10为无量纲化处理后混凝土应力 - 应变全曲线与拟合后曲线对比图．

(3)

参数a、b以及拟合优度相关系数R2列于表4中，全曲线上升段拟合相关系数R2均大于0.99，拟合度较高；下降段拟合相关系数稍低，但均高于0.85，可以看出用分段式函数进行强化后再生粗骨料混凝土单轴受压应力 - 应变全曲线的拟合效果较好．

表4 各组混凝土应力 - 应变全曲线方程拟合系数Tab.4 Fitting coefficient of stress-strain curve equation

4 结论

(1)强化后再生粗骨料的吸水率、压碎指标、表观密度及堆积密度均有提高，结合混凝土的抗压强度、峰值应力及弹性模量发现颗粒整形法要优于纳米SiO2浸泡法．

(2)各组混凝土单轴受压应力 - 应变全曲线的几何形态基本相同，NSRAC与PSRAC上升段斜率和峰值应力明显高于RAC，但仍低于NAC，说明两种强化方式都提高了再生粗骨料混凝土的弹性模量和峰值应力．

(3)不同粗骨料混凝土的泊松比相差不大，其值大致分布在0.2左右．

(4)采用过镇海提出的分段式函数拟合单轴抗压应力 - 应变全曲线，上升段相关系数在0.99以上，下降段相关系数在0.85以上，拟合结果与试验结果基本吻合．

图10 实测与计算应力 - 应变全曲线对比Fig.10 Comparison of test and calculated full stress-strain curves