摘 要：為探究道路再生骨料對(duì)混凝土的多軸受壓強(qiáng)度及損傷演變性能的影響，考慮兩種類(lèi)型粗骨料及6種圍壓值，設(shè)計(jì)完成了12組混凝土的常規(guī)三軸試驗(yàn)研究.通過(guò)試驗(yàn)，觀察并對(duì)比了試件在單向軸壓與三向軸壓下破壞形態(tài)，獲取了各圍壓荷載下試件的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變，分析了三軸荷載作用下再生混凝土強(qiáng)度影響因素，并揭示了再生混凝土的損傷演變規(guī)律.研究結(jié)果表明：在圍壓荷載作用下，試件破壞形態(tài)發(fā)生了較大改變，骨料類(lèi)型對(duì)試件破壞形態(tài)影響不大;圍壓值=0 MPa時(shí)，試件發(fā)生劈裂破壞;圍壓值[>]0 MPa時(shí)，發(fā)生具有一定延性的剪切斜壓破壞;側(cè)向圍壓荷載越大，再生混凝土的強(qiáng)度越大，變形能力越好;側(cè)向圍壓荷載可有效約束再生混凝土損傷的發(fā)展，并延遲了初始損傷出現(xiàn)的時(shí)間.

　　關(guān)鍵詞：道路工程;再生骨料;常規(guī)三軸;強(qiáng)度;損傷

　　0 引言

　　混凝土道路路面運(yùn)營(yíng)3～5 a后，在不斷遭受重復(fù)車(chē)輛荷載后產(chǎn)生損傷與破壞，較為常見(jiàn)的破壞形態(tài)有路面出現(xiàn)的錯(cuò)臺(tái)、斷板，坑洼等，影響了行車(chē)的舒適性，給交通安全帶來(lái)了潛在危害.混凝土道路路面每隔10 a左右就要進(jìn)行大規(guī)模的翻新改造，由此，產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土，一方面廢舊混凝土的處理增加了道路改造的成本，另一方面對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染.如何處理道路廢棄混凝土對(duì)綠色環(huán)保和實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用具有重要的意義[1-3].

　　再生混凝土是指使用建筑垃圾為原料加工得到的再生粗骨料，代替天然骨料拌合而成的混凝土.將拆除的道路路面加工為再生粗骨料用于再生混凝土，既能有效解決道路廢棄混凝土的存放與處理等問(wèn)題，又保護(hù)了環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展.沈建生等[4]對(duì)再生混凝土的制備方法進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，再生混凝土通過(guò)合理的配合比設(shè)計(jì)，可以達(dá)到天然混凝土的強(qiáng)度.肖建莊等[5-10]對(duì)再生混凝土單軸力學(xué)性能、三軸力學(xué)性能及對(duì)鋼筋銹蝕影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，再生骨料對(duì)混凝土的單軸力學(xué)性能、三軸力學(xué)性能、鋼筋銹蝕影響不大，多軸受力狀態(tài)下再生混凝土力學(xué)性能與單軸受力狀態(tài)下相差甚遠(yuǎn).

　　由于建筑用混凝土與道路用混凝土功能性要求不一致而導(dǎo)致其性質(zhì)存在諸多差異.例如，道路用混凝土強(qiáng)度等級(jí)普遍在C30以下，一般低于建筑用混凝土，故關(guān)于建筑廢棄混凝土的研究對(duì)道路再生混凝土的適用性值得探究，且在實(shí)際工程中混凝土常為多軸受力狀態(tài)，對(duì)三軸受力狀態(tài)下再生混凝土力學(xué)性能更值得探究.但目前有關(guān)再生混凝土研究中的骨料來(lái)源基本為建筑廢棄混凝土，使用路面廢棄混凝土制作的粗骨料來(lái)制備再生混凝土的研究較少[11]，針對(duì)道路再生骨料混凝土三軸受壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究未見(jiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，道路再生骨料的三軸力學(xué)性能與單軸力學(xué)性能間的差異不得而知.為此，通過(guò)單軸和常規(guī)三軸試驗(yàn)探討道路再生骨料混凝土強(qiáng)度及損傷性能，旨在進(jìn)一步豐富再生混凝土理論，為實(shí)際工程中再生混凝土技術(shù)的推廣與應(yīng)用提供參考.

　　1 試驗(yàn)原材料及配合比設(shè)計(jì)

　　1.1 膠凝材料

　　水泥采用標(biāo)號(hào)為42.5R的海螺牌普通硅酸鹽水泥，水泥性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1;水為城市自來(lái)水.

　　1.2 骨料及細(xì)骨料

　　再生粗骨料來(lái)自廣西柳州市城市公路水泥混凝土路面改善工程的廢棄道路混凝土，原生混凝土的標(biāo)號(hào)為C25，服役年限為10 a，經(jīng)過(guò)破碎、篩分、清洗、曬干得到再生粗骨料，粒徑5～25 mm，連續(xù)級(jí)配，堆積密度為1 375 kg/m3，吸水率為3.200%，含水率為1.820%.

　　天然骨料的級(jí)配與再生粗骨料相同，堆積密度與再生骨料相比偏大，為1 412 kg/m3;吸水率和含水率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于再生骨料，分別為0.310%、0.098%.

　　細(xì)骨料：中河砂，細(xì)度模數(shù)Mμ= 2.49.

　　1.3 配合比設(shè)計(jì)

　　普通混凝土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ 55—2011)[12]，目標(biāo)強(qiáng)度C30.再生混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，保證膠凝材料、細(xì)骨料用量一致，用道路再生粗骨料等量取代天然骨料.為保證水膠比一致，再生骨料的附加用水不予考慮.配合比設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表2.

　　2 試驗(yàn)方案

　　2.1 試件設(shè)計(jì)

　　以側(cè)向圍壓值為變量，共考慮6種圍壓(0～15 MPa，增量為3 MPa)，共制作了36個(gè)試件，試件尺寸為高200 mm，直徑100 mm的圓柱體.其中天然混凝土試件與道路再生混凝土試件各18個(gè)，每種圍壓3個(gè)試件，試驗(yàn)結(jié)果取三者均值.

　　2.2 試驗(yàn)裝置及加載制度

　　試驗(yàn)儀器采用RMT-301試驗(yàn)機(jī)，該儀器配備高精度量測(cè)系統(tǒng)，能準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)全過(guò)程中豎向位移、軸壓力、圍壓數(shù)據(jù).三軸加載裝置由高強(qiáng)鋼筒體、聚氨酯套、鋼透蓋及剛度極大的鋼板組成;其中聚氨酯套為柔性材料，保證與試件緊密貼合，使試件側(cè)向均勻受壓，模型如圖1(a)所示.

　　混凝土單軸試驗(yàn)時(shí)，采用位移控制加載制度，加載速率為0.01 mm/s.混凝土常規(guī)三軸試驗(yàn)時(shí)，需預(yù)先采用荷載控制加載制度，同步施加軸向力與圍壓到設(shè)定圍壓值，此時(shí)受力模型如 圖1(b)所示;后續(xù)試驗(yàn)步驟與單軸試驗(yàn)一致.常規(guī)三軸試驗(yàn)加載制度如圖1(c)所示.

　　(a)試驗(yàn)加載裝置 (b)試件受力模型示意圖 (c)加載制度

　　3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　3.1 試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果

　　各試件的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變列于表3.由表3可知，圍壓值對(duì)混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變影響較大，兩者都隨圍壓值的增大出現(xiàn)增大的趨勢(shì).

　　注：σw為側(cè)向圍壓值;σu為峰值應(yīng)力;εu為峰值應(yīng)變;NAC為天然混凝土;LRAC為道路再生混凝土.

　　3.2 試件的破壞形態(tài)

　　通過(guò)對(duì)比不同骨料類(lèi)型與圍壓值下的試件破壞形態(tài)發(fā)現(xiàn)，試件的破壞形態(tài)與骨料的來(lái)源無(wú)關(guān)，主要與圍壓值有關(guān).其中單軸受壓時(shí)表現(xiàn)為豎向劈裂破壞，三軸受壓時(shí)試件表現(xiàn)為斜向剪切破壞.

　　當(dāng)側(cè)向無(wú)圍壓作用時(shí)，即為混凝土單軸受壓.再生骨料對(duì)混凝土破壞過(guò)程影響不大.天然混凝土與再生混凝土都存在彈性極限值(約75%峰值荷載).荷載超過(guò)彈性極限值后，首先試件的中部出現(xiàn)豎向裂縫，并向兩端延伸，與此同時(shí)產(chǎn)生新的裂縫;當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載后，試件的承載力急劇下降，最后試件表現(xiàn)為劈裂破壞形態(tài).試件破壞形態(tài)圖及模型圖見(jiàn)圖2(a)、圖2(b).

　　三軸受壓作用下，隨著豎向荷載的增大，再生混凝土試件出現(xiàn)斜向裂縫，裂縫數(shù)量少;當(dāng)荷載達(dá)到破壞荷載，試件最終表現(xiàn)為斜截面剪切破壞，且試件的中部“鼓起”，試件破壞時(shí)表現(xiàn)出較好的延性性能.試件破壞形態(tài)圖及模型圖見(jiàn)圖2(c)、圖2(d).觀察破壞面發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圍壓值小于6 MPa時(shí)，主要為再生粗骨料與水泥漿體間界面剪斷破壞，粗骨料幾乎沒(méi)有被剪斷;當(dāng)圍壓值大于6 MPa時(shí)，再生骨料和再生骨料間的水泥膠體均被剪斷而破壞，且在其表面存在有少量的粉末.

　　[ (a)單軸破壞 (b)單軸模型破壞 (c)三軸破壞 (d)三軸破壞模型圖 ]

　　3.3 強(qiáng)度對(duì)比分析

　　圖3為各圍壓下試件峰值應(yīng)力對(duì)比圖.由圖3可知，側(cè)向圍壓值對(duì)混凝土的峰值應(yīng)力有較大影響，峰值應(yīng)力隨圍壓值增大而有不同程度提高.當(dāng)側(cè)向圍壓值從0 MPa增大到15 MPa時(shí)，天然混凝土和再生混凝土試件的峰值應(yīng)力分別增大了391.4%、339.7%，可見(jiàn)由于圍壓的約束作用，大大提高了混凝土的承載力.

　　對(duì)比天然混凝土和再生混凝土的峰值應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)在相同加載條件下，再生混凝土的強(qiáng)度均比天然混凝土高.這與再生粗骨料自身特性有關(guān);雖然破碎過(guò)程中骨料內(nèi)產(chǎn)生微裂縫降低了骨料自身強(qiáng)度，但是在側(cè)向圍壓荷載的存在，較好地約束了內(nèi)部裂縫的發(fā)展，削弱了骨料內(nèi)微裂縫的影響;而再生骨料表面粘附的水泥基體又再次吸水水化，再生混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)未增加額外用水，造成實(shí)際水膠比減小，從而提高了再生混凝土的強(qiáng)度[13].因此，再生混凝土的強(qiáng)度會(huì)比天然混凝土高.

　　為了更直觀描述側(cè)向圍壓對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響程度，將實(shí)測(cè)強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理，即將不同三軸圍壓作用下試件的峰值應(yīng)力與單軸作用的峰值應(yīng)力比值對(duì)比，如圖4所示.由圖4可見(jiàn)，天然混凝土和再生混凝土的強(qiáng)度隨著側(cè)向圍壓值的增大均呈線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，天然混凝土的增長(zhǎng)速率較再生混凝土的高約22.6%，可能是由于再生混凝土骨料中存在微裂縫所致.

　　3.4 損傷性能分析

　　再生混凝土受力后，隨著荷載的增加，試件的不斷積累損傷，受力性能不斷惡化，主要表現(xiàn)為混凝土裂縫的出現(xiàn)、延伸以及混凝土的壓碎破壞.參考文獻(xiàn)[14]，利用截面損傷度[Ds]作為損傷變量，采用式(1)反映再生混凝土單軸及三軸受力作用下的損傷漸變過(guò)程，在此定義：[Ds=0]對(duì)應(yīng)于再生混凝土無(wú)損狀態(tài);[Ds=1] 對(duì)應(yīng)于再生混凝土的完全損傷破壞.

　　3.4.1 單軸受力損傷過(guò)程分析

　　圖5為天然混凝土和再生混凝土在不同側(cè)向圍壓值下的損傷過(guò)程曲線(xiàn).由圖5可知，在單軸受力作用下，再生骨料的摻入提前了混凝土初始損傷發(fā)生的時(shí)間.再生混凝土的損傷演變過(guò)程如下：加載初期，再生混凝土試件處于彈性階段，試件截面的損傷度[Ds]接近于0，試件表面沒(méi)有可見(jiàn)裂縫，此時(shí)再生混凝土內(nèi)部微裂縫已開(kāi)始萌生;當(dāng)試件縱向應(yīng)變達(dá)到[ε=2.4×10-3]時(shí)，再生混凝土損傷開(kāi)始，主要表現(xiàn)為試件中部的表面出現(xiàn)可見(jiàn)的細(xì)小裂縫，混凝土內(nèi)部微裂縫的緩慢發(fā)展延伸;當(dāng)試件縱向應(yīng)變達(dá)到[ε=3.0×10-3]后，混凝土損傷迅速發(fā)展，試件截面的損傷度隨著應(yīng)變的增大，基本呈直線(xiàn)增大，此時(shí)試件表現(xiàn)為主裂縫由中部向兩端迅速發(fā)展，不穩(wěn)定裂縫陸續(xù)出現(xiàn);隨著荷載繼續(xù)增大，縱向應(yīng)變接近[ε=4.0×10-3]，損傷度達(dá)到0.5，再生混凝土截面裂縫貫穿，不能繼續(xù)承載，試件破壞.由此可見(jiàn)，單軸受力下，再生混凝土損傷破壞過(guò)程較迅速，為脆性破壞.

　　3.4.2 三軸受力損傷過(guò)程分析

　　圖6為天然混凝土和再生混凝土在三軸圍壓作用下的損傷演變曲線(xiàn).由圖6可知，在圍壓荷載的作用下，天然混凝土和再生混凝土初始損傷出現(xiàn)時(shí)間先后差異不明顯.再生混凝土三軸受壓作用下的損傷漸變過(guò)程如下：加載初期，所有試件在三軸圍壓下均處于線(xiàn)彈性階段，損傷度 Ds=0;繼續(xù)加載，側(cè)向圍壓的存在導(dǎo)致混凝土的試件損傷演變過(guò)程出現(xiàn)差異，演化出如下兩種主要特征：

　　1)當(dāng)側(cè)向圍壓值[σw<6 MPa]時(shí)，試件縱向應(yīng)變達(dá)到[ε=5.0×10-3]，再生混凝土開(kāi)始出現(xiàn)損傷，特征表現(xiàn)為再生混凝土內(nèi)部截面微裂縫的發(fā)展;隨著縱向應(yīng)變的增大，損傷曲線(xiàn)的發(fā)展形狀類(lèi)似于單軸受力曲線(xiàn)，基本成線(xiàn)性增長(zhǎng)，但是其損傷曲線(xiàn)斜率相比單軸損傷曲線(xiàn)小，說(shuō)明其損傷的發(fā)展速度相對(duì)單軸受力減緩了;當(dāng)損傷度[Ds=0.8]，再生混凝土損傷破壞.

　　2)當(dāng)側(cè)向圍壓值[σw≥6 MPa]時(shí)，損傷出現(xiàn)的時(shí)間明顯延遲，同時(shí)損傷曲線(xiàn)形狀發(fā)生了顯著的變化，損傷出現(xiàn)后，混凝土截面損傷隨著荷載的增大發(fā)展緩慢，且隨著圍壓值增大，損傷發(fā)展的過(guò)程越平緩，這是由于側(cè)向圍壓的約束作用，很好的抑制混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，致使內(nèi)部裂縫的發(fā)展路徑發(fā)生了變化，由垂直裂縫轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜裂縫，增大試件截面的損傷面積，所以才導(dǎo)致了損傷曲線(xiàn)的改變.

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