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.

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.

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

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

表3为各组混凝土试件经试验测得的轴心抗压强度(f_c)与立方体抗压强度(f_cu),对两者进行比较,得到f_c与f_cu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f_c和f_cu较RAC的都有所增加,但仍低于NAC; RAC和NSRAC均低于NAC的f_c和f_cu平均比值,而PSRAC的f_c/f_cu平均比值为0.813,要高于NAC的0.757.由各组混凝土f_c和f_cu平均比值关系,可以对f_c和f_cu进行相互推算.对比NSRAC与PSRAC的f_c和f_cu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

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

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

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.

E=(Δσ)/(Δε)=(0.4σ_C-σ_0.5)/(ε_0.4σC-ε_0.5)(2)

式中:E为弹性模量,MPa; σ_C为峰值应力,MPa; σ_0.4σC为0.4σ_C对应的应变; σ_0.5为试验中与0.5MPa最接近的应力,MPa; ε_0.5为σ_0.5对应的应变.

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

取x=ε/ε_p,y=σ/σ_p作为应力 - 应变全曲线横、纵坐标,其中σ_p、ε_p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.

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

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.

y={ax(3-2a)x²+(a-2)x³

x/(b(x-1)²+x)(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