纳米改性对再生混凝土双K断裂参数的影响

1　研究背景

再生骨料混凝土（Recycled Aggregate Concrete，RAC）指的是将废弃的混凝土进行裂解、破碎、清洗、筛分、分级后按照一定的比例混合制作成的再生混凝土骨料，用该再生骨料部分或者全部取代天然骨料而拌制成的混凝土［1-2］。由于再生骨料强度并不因普通混凝土的破坏而受到很大影响，因此废弃混凝土制成的骨料存在再利用的可能［3］。国内外对再生混凝土的利用已经制定有法律法规以规范和促进再生骨料的研究和利用，日本在1991年制定了《资源重新利用促进法》，强制规定了建筑废弃物必须送往“再生资源化设施”进行处理；美国制定《超级基金法》，明确规定生产废弃物的企业需将废弃物进行妥善处理［4-6］；在我国，2007年同济大学制定了上海市地方标准《再生混凝土应用技术规程》［7］，为再生混凝土技术的推广和应用起到了明确的指导作用；2011年住建部批准并颁布实施了行业标准《再生骨料应用技术规程》［8］。目前开展的研究工作已经证明了将废弃混凝土作为新混凝土的一个组成部分对性能是具有有效保证的［9］，肖建庄等［2］提出再生混凝土可应用于土木工程的非承重构件和某些承重结构中。在水利工程中，混凝土用量较大，如能将废混凝土通过一系列加工工艺制成再生骨料后用于混凝土的浇筑，使它成为循环可利用再生资源，既能减轻废混凝土对环境的污染，又能减小大量开采天然骨料对生态环境的影响，符合可持续发展的要求。但再生骨料和天然骨料相比较，其表层包裹或附着一定数量的旧水泥砂浆结构疏松，使得再生骨料的堆积密度和表观密度较天然骨料低。且老砂浆中的水泥石本身空隙率较高，吸水率较大，在破碎的过程中，大量的微裂缝在其内部形成，性能上会受到影响［10-11］。

纳米SiO2因其优秀的性能特点，作为改善混凝土性能的改性材料获得了越来越多的应用。纳米SiO2会与水泥中的Ca（OH）2生成C-S-H凝胶，且纳米SiO2在水泥复合结构中起到一个晶核的作用，使C-S-H凝胶在其表面键合，改变了结构形式，在水泥硬化浆体原有网络结构基础上又出现了键合大量纳米级的C-S-H凝胶的网络结点，构成三维网络结构，稳定性、强度和韧性得到了提高。此外，纳米SiO2的掺入能够阻止混凝土内部裂缝的开展，提高混凝土的断裂韧度［12-13］。但纳米SiO2因其高活性而容易发生团聚现象［14］而导致水泥浆稠度急剧增大，不能发挥纳米SiO2的填充效应和晶核效应［15］。

徐世烺等［16-17］提出的用双K断裂参数来表征混凝土断裂性能的方式已经为学界所认可，目前已有许多学者对混凝土的断裂性能进行了研究。张廷毅等［18］研究了水灰比、相对切口深度、粗骨料最大粒径等因素对混凝土断裂韧度的影响。张秀芳等［19］将双K断裂计算理论由拟静态扩展到动态断裂韧度，研究了应变率对混凝土双K断裂韧度的影响。近年来，也有学者为了增强混凝土的断裂性能从材料层面对混凝土断裂性能进行研究，罗素蓉等［20］研究了自密实混凝土在掺入橡胶后的断裂性能，王利民等［21］通过试验研究了钢纤维混凝土的断裂过程。

本文通过三点弯曲梁法对再生骨料取代率和纳米SiO2掺量不同的再生混凝土进行断裂试验，得到再生混凝土的双K断裂参数，以及再生骨料取代率和纳米SiO2掺量对再生混凝土断裂性能的影响规律，为在实际工程中应用再生混凝土提供理论基础。

2　试验概况

2.1　试验材料　试验采用P·O42.5普通硅酸盐水泥；再生骨料来源为某路面废弃混凝土（破碎前对基体混凝土钻芯取样测得抗压强度20 MPa，基体混凝土使用年限11年），经破碎、清洗、筛分形成粒径范围为5～20 mm连续级配的骨料；天然骨料为粒径5～20 mm的连续级配花岗岩碎石，砂为闽江河砂（细度模数为2.12）；水为自来水；减水剂为聚羧酸系高效减水剂。纳米SiO2采用nm-SiO2分散液（SiO2含量15%）。

2.2　试验设计　采用固定水胶比和砂率进行配合比设计，胶凝材料总量450 kg/m3，砂率0.38，水胶比0.40。考虑再生骨料取代率和纳米SiO2掺量为影响因素，设计了12组试验：（1）基准组。由天然骨料浇筑的混凝土，编号为NC。（2）取代率变化组。取代率为50%、70%、100%，编号为RC50、RC70、RC100。（3）再生骨料取代率50%下掺加纳米SiO2组。掺量为0.5%、1.0%、1.5%，编号为RC50-NS0.5、RC50-NS1.0、RC50-NS1.5。（4）再生骨料取代率100%下掺加纳米SiO2组。掺量为0.5%、0.8%、1.0%、1.2%、1.5%，编号为RC100-NS0.5、RC100-NS0.8、RC100-NS1.0、RC100-NS1.2、RC100-NS1.5。

表1　混凝土配合比及力学性能参数

注：其中纳米SiO2指的是纳米SiO2分散液中溶质的质量（SiO2分散液中SiO2含量为15%）。

混凝土配合比设计、立方体28 d抗压强度（150 mm×150 mm×150 mm）试验值见表1，表中弹性模量值是通过对三点弯曲梁法求得的P-CMOD曲线上升段进行线性拟合后，得到上升段斜率倒数ci，进而求得弹性模量E［22］。

由表1可见，再生混凝土28 d抗压强度随着再生骨料取代率的增加而降低，降低的幅度在1.4%～19.0%之间，弹性模量整体随取代率的增加而减小；适量的纳米SiO2掺量使再生混凝土的抗压强度提高，但提高的幅度不大，其中，再生骨料取代率50%、100%时，纳米SiO2掺量为1.0%时抗压强度较未掺加纳米SiO2的再生混凝土分别提高5.4%和9.8%，当纳米SiO2掺量超过1.0%时，再生混凝土的抗压强度反而降低，且纳米SiO2掺量越多，抗压强度下降程度越快。这是由于纳米SiO2极易团聚，掺量较大时团聚处会成为试件受力的薄弱环节，使混凝土的抗压强度降低。

2.3　三点弯曲梁法　试验采用三点弯曲梁法测定混凝土的双K断裂参数，制作了12组共60根三点弯曲梁试件。试件尺寸为750 mm×150 mm×75 mm（长×高×厚），跨高比为4，跨度S600 mm，缝高比0.3，缝高45 mm。试件尺寸如图1所示。本文试验采用MTS疲劳试验机（250kN）进行断裂试验，通过位移控制加载速率，加载速率为0.0005 mm/s，利用量程为1～3 mm的夹式引伸计对试验过程中试件裂缝张口位移进行测量，从而得到荷载-裂缝张口位移（P-CMOD）曲线。

图1　三点弯曲梁几何尺寸（单位：mm）

2.4　双K断裂参数计算　徐世烺等［16-17］将Hillerborg等［23］虚拟裂缝模型和Jenq等［24］的弹性等效方法进行结合，通过大量的试验和数据分析后提出了双K断裂模型，其采用起裂断裂韧度和失稳断裂韧度作为控制的参数。

起裂断裂韧度按下式计算［22］：

其中

式中：Fini为起裂荷载，kN；m为试件支座间的质量，kg，用试件总质量按S/L比折算，S、L分别为试件两支座间的跨度和试件长度，m；a0为初始裂缝长度，m；t、h分别为试件的厚度和高度，m。

失稳断裂韧度KIcun按下式计算［22］：

其中

其中，ac为有效裂缝长度，m，按下式计算：

式中：h0为固定夹式引伸计刀口的钢片厚度，m；Vc为裂缝张开位移临界值，μm；E为计算弹性模量，GPa，按下式计算：

式中：ci为初始柔度，ci=(C　MOD)i/Pi，对P-CMOD曲线上升段进行线性拟合，得到上升段的斜率，即可得出初始柔度ci。

2.5　起裂荷载的测定　本文通过电测法［25］进行混凝土起裂荷载的测定。采用标距10 mm、间距20 mm的应变片进行试验。在裂缝尖端两侧各10 mm对称布置两枚标距为10 mm的应变片并与两枚补偿应变片组成全桥来测量起裂荷载。除裂缝尖端两侧外，在其他高度对称布置4组全桥应变片用来监测裂缝扩展的过程，通过32通道IMC动态数据采集系统采集数据。电阻应变片布置［26］如图2所示。

图2　电阻应变片布置

混凝土起裂之前，在裂缝尖端两侧会产生拉应变，且伴随着荷载增加而增大。当预制裂缝尖端处的拉应变达到极限时，混凝土因为应力集中现象而发生断裂，此时拉应变不再变化而荷载持续增大；混凝土发生断裂后，预制裂缝尖端两侧的变形发生释放表现为应变值的回缩［28］。各试验组每组有5根三点弯曲梁试件，电测法测得的部分试验组P-ε曲线见图3，各组起裂荷载试验值见表2。

图3　部分试件的P-ε曲线

由表2可见，再生混凝土起裂荷载整体随着再生骨料取代率的增加而降低，再生骨料取代率为50%、70%和100%时，起裂荷载较普通混凝土NC分别降低了29.6%、54.2%和42.3%；纳米SiO2的掺入提高了再生混凝土的起裂荷载，其中，再生骨料取代率50%和100%、纳米SiO2掺量为1.0%时，起裂荷载较未掺纳米SiO2的再生混凝土分别提高了39.9%、27.3%，但纳米SiO2掺量超过1%后起裂荷载有所降低。因此，适量的纳米SiO2对起裂荷载有提升的作用，但过多的纳米SiO2掺量对混凝土的起裂荷载的改善作用不明显甚至降低。

表2　起裂荷载和最大荷载试验结果

注：表中数值均为各试验组有效数据的算术平均值。

3　试验结果与分析

3.1　试验结果　采用三点弯曲梁法进行断裂试验得到P-CMOD曲线，每个试验组5根试件，限于篇幅，图4仅列出部分试验组试件的P-CMOD曲线。

图4　部分试件的P-CMOD曲线

12组试验组28 d双K断裂参数试验结果见表3。由表3可见，各试验组计算得到的变异系数较小，在0.0106～0.1017之间，说明试验结果的离散性较小，可信度较高。

表3　三点弯曲试件试验结果　（单位：MPa·m1/2）

注：表中数据均为各试验组有效数据的算术平均值。

3.2　再生骨料取代率对双K断裂参数的影响　将再生骨料取代率为50%、70%、100%的混凝土（RC50、RC70、RC100）和普通混凝土（NC）的双K断裂参数进行对比，见图5。

由图5可见，再生混凝土起裂韧度随再生骨料取代率的增加而降低，取代率50%、70%和100%的再生混凝土相比于普通混凝土起裂韧度降低了23.6%、42.8%和33.5%。但在取代率100%时，相较取代率70%时有所回升。回升的原因可能是由于取代率100%的再生混凝土中参与断裂路径扩展的砂浆数量增加，使得裂缝并不能很快的扩展，从而使起裂韧度提高。再生混凝土失稳韧度随再生骨料取代率的增加而降低，取代率50%、70%和100%的再生混凝土相较普通混凝土失稳韧度降低了26.4%、31.3%和32.6%。主要是因为再生骨料空隙较多，内部具有较多的裂缝，强度低的特点，使得其失稳韧度降低。

3.3　纳米SiO2掺量对双K断裂参数的影响　试验首先对再生骨料取代率50%和100%下不同纳米SiO2掺量（0.5%、1.0%、1.5%）的双K断裂参数进行研究，结果发现，再生骨料取代率50%、纳米SiO2掺量为1.0%时其断裂性能最优，且趋势明显，而再生骨料取代率100%时，其纳米SiO2最优掺量趋势并不明显。因此，对再生骨料取代率100%的再生混凝土增加纳米SiO2掺量为0.8%、1.2%的断裂性能试验，结果表明，纳米SiO2掺量1.0%时，再生混凝土具有较好的断裂性能。试验结果见图6。

图5　取代率对双K断裂参数的影响

图6　纳米SiO2掺量对双K断裂参数影响

由图6可见，再生骨料取代率50%的再生混凝土、纳米SiO2掺量0.5%时，起裂韧度较无掺加纳米SiO2的再生混凝土（RC50）提高了14.0%，失稳韧度较RC50提高了2.4%；纳米SiO2掺量为1.0%时，起裂韧度和失稳韧度同时达到最优值，分别较RC50提高了27.7%和4.7%。再生骨料取代率100%时，起裂韧度和失稳韧度随着纳米SiO2掺量的增加而提高，在纳米SiO2掺量为1.0%时，达到最优值，分别较RC100提高了17.6%和8.6%。掺量超过1%后，起裂韧度和失稳韧度提高幅度下降；特别是纳米SiO2掺量为1.5%时，起裂韧度较RC100降低了0.3%。

3.4　相同纳米SiO2掺量下不同再生骨料取代率对双K断裂参数的影响　试验在同一纳米SiO2掺量（0%、0.5%、1.0%、1.5%）下研究不同再生骨料取代率（50%、100%）对再生混凝土起裂韧度及失稳韧度的影响，见图7。

由图7可见，在相同纳米SiO2掺量下，起裂韧度和断裂韧度整体随着再生骨料取代率的增加而降低，但在纳米SiO2掺量1.5%时，再生骨料取代率100%的起裂韧度和断裂韧度反而分别提高了4.9%和4.7%，说明纳米SiO2对再生混凝土的改性效果不仅与纳米SiO2掺量相关，还与再生骨料取代率有关。

通过分析不同取代率和不同纳米SiO2掺量后发现，适量的纳米SiO2可以提高混凝土的断裂韧度，主要是因为纳米SiO2可以填充混凝土内部空隙，起到“填充效应”，还能细化氢氧化钙晶粒，有利于界面强度的提高。但纳米SiO2掺量不宜过大，对于纳米SiO2掺量1.5%来说，在再生骨料取代率50%下，起裂韧度和失稳韧度较RC50相比下降的幅度较大，可能是由于纳米SiO2比表面积大，拌合后吸附了大量表层水，减少了参与水化的水量，使得水化程度降低，导致水化不完全，影响了再生混凝土断裂性能。再生骨料取代率100%下，纳米SiO2掺量1.5%的再生混凝土较再生混凝土（RC100）相比起裂韧度和失稳韧度变化不大，其原因是再生混凝土外围包裹了较多的老砂浆，虽然纳米SiO2掺量较多，但可改善的界面过渡区也更多，有较多的纳米SiO2可以发挥其效用，但由于纳米SiO2掺量较多，可能发生了团聚现象，水泥浆的稠度大幅度增大，无法发挥纳米SiO2的填充效应和晶核效应，最终并不能有效的改善混凝土的断裂性能。

图7　相同纳米SiO2掺量下再生骨料取代率对双K断裂参数的影响

4　结论

（1）再生混凝土的双K断裂参数随着再生骨料取代率的增加而降低。（2）掺加适量的纳米SiO2能有效改善再生混凝土的断裂性能，再生骨料取代率50%、纳米SiO2掺量1.0%时，起裂韧度达0.6929 MPa·m1/2，基本接近普通混凝土的起裂韧度0.7104 MPa·m1/2，且失稳韧度较RC50提升幅度最大，达到1.3073 MPa·m1/2；再生骨料取代率100%、纳米SiO2掺量1.0%时，混凝土起裂韧度和失稳韧度较RC100分别提高了17.6%和8.6%，达到0.5552 MPa·m1/2和1.2410 MPa·m1/2，可以看出纳米SiO2掺量1.0%时提升再生混凝土断裂性能的效果最好，因此1.0%掺量可作为改善再生混凝土断裂性能的最优掺量。（3）过多的掺入纳米SiO2对再生混凝土的断裂性能的改善并不明显，甚至可能会由于团聚效应使再生混凝土的断裂性能降低。