再生砂粉混凝土抗壓強度與細觀損傷研究

馬 泉,肖建莊,田 豐,晏文品,宋 敏,付 杰,楊 超,曹 雪

(1.同濟大學土木工程學院,上海 200092;2.中建三局集團有限公司,西安 710065)

0 引 言

隨著城市化進程的持續推進,舊建筑的拆除與大型基礎設施的建設催生出了大量的建筑垃圾。其中廢棄混凝土占據建筑垃圾的80%以上,若不經合理處置將會極大占據城市土地空間?！笆奈濉币巹澝鞔_指出要全面提高資源利用效率,因此回收廢棄混凝土塊和粉末用于替代傳統混凝土中的粗、細骨料以及水泥成為熱點課題。

研究表明,再生混凝土的力學性能和耐久性能均劣于普通混凝土。肖建莊等[1-2]研究了再生粗、細骨料取代率對再生混凝土抗壓強度的影響,發現再生骨料的摻入會使混凝土的抗壓強度降低?；炷翉奈⒂^層面可以分為骨料、砂漿基體以及兩者間的界面過渡區,其中界面過渡區被廣泛認為是混凝土內部最薄弱的區域,決定了混凝土的力學強度和抗離子滲透性能。再生骨料表面難以去除的舊砂漿使再生骨料混凝土在天然骨料和舊砂漿、舊砂漿和新砂漿間分別存在舊、新界面過渡區,增大了混凝土內薄弱區域的總體體積。另外,再生骨料表面疏松多孔的舊砂漿也削弱了骨料與新砂漿基體間的黏結強度。陳立俊等[3]研究了再生微粉、粉煤灰及硅灰對混凝土力學性能的影響,發現再生微粉摻量大于20%(質量分數)會對混凝土產生不利影響,但復摻粉煤灰和硅灰后會有所改善。通過試驗手段研究再生混凝土力學性能具有真實可靠的特點,但也存在周期長、資源耗費等問題,并且較難觀測在外力作用下其內部損傷情況。

細觀數值模擬法為連接混凝土宏觀、細觀破壞的橋梁,能較為準確地反映其內部損傷演化全過程。目前對再生混凝土的模擬研究逐漸趨于精細化,以反映更多材料內部微觀結構。姚澤良等[4]建立二維隨機凹凸多邊形骨料再生混凝土模型,對模型進行了細觀力學性能計算,研究了含磚再生混凝土的損傷破壞模式。Peng等[5-6]建立了圓形骨料和凸多邊形隨機骨料模型,模擬骨料取代率為100%(質量分數)的再生粗骨料混凝土裂縫擴展,結果表明裂縫最初出現的區域總是在界面過渡區,然后裂縫延伸、貫通直至破壞。

目前已有大量關于再生粗、細骨料混凝土基本性能的試驗研究,并且理論模型較為完善,然而對含有再生細骨料和再生微粉的混凝土的性能測試,特別是通過有限元模擬觀察再生砂粉混凝土在受壓過程中的內部損傷仍然不足。為研究再生細骨料和再生微粉對混凝土力學性能的影響,本文采用試驗與數值模擬相結合的方法,以C30強度等級的普通混凝土為基準,在細觀層次上,建立了再生砂粉混凝土的有限元模型,通過模擬受壓加載過程,探究再生砂粉混凝土的損傷破壞情況,并與試驗結果進行對比驗證。本研究的試驗數據與模擬結果可為再生砂粉混凝土的應用提供一定的理論依據和技術支撐。

1 再生砂粉混凝土隨機骨料模型

為了更加準確地模擬再生砂粉混凝土的力學性能,本文基于Python語言對ABAQUS進行二次開發,建立了再生砂粉混凝土的三維多相有限元模型。該模型將混凝土看作骨料、新砂漿、老硬化砂漿、新界面過渡區和老界面過渡區等五相復合材料,并根據ABAQUS混凝土塑性損傷模型(CDP模型)定義各相材料的力學性能參數。為避免因單元尺寸太小導致網格扭曲和單元數過多,將粒徑不大于0.075 mm的再生微粉顆粒視為新砂漿基體。

1.1 隨機球形骨料的生成投放

本文將骨料簡化為球形骨料?；诿商乜_法概率統計原理,采用Python語言編寫骨料投放算法,通過random函數生成球形骨料的隨機粒徑和隨機坐標,從而模擬再生砂粉混凝土骨料的隨機分布。以邊長為L的混凝土立方體試塊為例,生成的球形骨料投放在混凝土砂漿區域內,并且不侵入其他骨料,需滿足式(1)、(2)所示的條件。

(1)

(2)

式中:(Xi,Yi,Zi,Ri)為目前投放第i個骨料的位置坐標及半徑;(Xj,Yj,Zj,Rj)為先前投放第j個骨料的位置坐標及半徑,通過循環算法將目前生成骨料與先前所有骨料進行侵入判別。

根據規范《建設用砂》(GB/T 14684—2022)[7]、《建設用卵石、碎石》(GB/T 14685—2022)[8]和《混凝土和砂漿用再生細骨料》(GB/T 25176—2010)[9],粗骨料的粒徑為4.75～31.5 mm。為避免1 mm以下的骨料引起網格畸變,影響計算準確性,細骨料的粒徑設計為1～4.75 mm?？紤]混凝土內部骨料達到最大密實度,將骨料半徑從大到小進行排序并依次投放。如果生成骨料滿足上述條件,則接受該位置坐標數據,若不滿足,則重復上述步驟生成新的骨料坐標。粗、細骨料分布如圖1(a)所示。

圖1 再生砂粉混凝土細觀模型Fig.1 Microstructural model of recycled sand/powder concrete

1.2 再生砂粉混凝土三維細觀模型

在混凝土空間內生成三維球形骨料后,將所有骨料半徑適當放大,再將部分細骨料適當放大,生成新的球形骨料,通過布爾差集運算批量化切分隨機骨料的舊砂漿層、新界面過渡區(interfacial transition zone 1,ITZ1)和舊界面過渡區(interfacial transition zone 2,ITZ2),不同再生細骨料替代率的隨機骨料模型見圖1(b)和圖1(c)。汪奔等[10]和杜敏等[11]在進行研究時,設定界面過渡區厚度為1 mm,該條件下數值模擬結果與試驗結果的誤差不超過2%。因此本文的新、舊界面過渡區厚度設置為1 mm,老砂漿厚度要大于界面過渡區厚度,簡化處理設定為1.5 mm。新形成的立方砂漿模型見圖1(d)。布爾運算切分完成后,對各項材料進行合并,然后進行網格劃分,網格選取四面體網格,網格大小為5 mm,再生砂粉混凝土細觀模型見圖1(e)。

1.3 各相材料參數

基于張潞偉[12]對再生微粉的研究,隨著再生微粉摻量的增加,水泥砂漿的抗壓強度降低,測試結果如圖2所示?，F有研究[4]表明,界面過渡區的彈性模量和強度約為水泥砂漿的70%。結合肖建莊等[13]、劉瓊[14]對再生混凝土的研究,本文確定的各相材料參數如表1所示。

表1 再生砂粉混凝土各相材料參數Table 1 Parameters of different phase materials of recycled sand/powder concrete

圖2 再生微粉對水泥砂漿抗壓強度的影響[11]Fig.2 Effect of recycled micro powder on compressive strength of cement mortar[11]

采用ABAQUS混凝土塑性損傷模型,即CDP模型,研究再生砂粉混凝土的損傷機制。CDP模型首先定義各相材料的塑性參數,包括膨脹角為30°～36°,偏心率為0.1,雙軸抗壓強度與單軸抗壓強度之比為1.16,屈服面形態系數為0.667,黏性系數為0.000 5。CDP模型還需定義各相材料的彈性模量及損傷本構關系,參照《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[15]關于混凝土單軸受拉、受壓損傷的本構方程,確定各項材料的本構關系。以再生細骨料摻量30%(質量參數)、再生微粉摻量10%(質量參數)的再生砂粉混凝土為例,圖3展示了各組分的受壓應力-應變曲線和受拉應力-應變曲線,其中σ為應力,ε為應變。在混凝土受壓破壞過程中,骨料基本不產生破壞,處于彈性階段,彈性模量和強度最大;新砂漿的強度大于老舊砂漿的強度;界面過渡區是混凝土的最薄弱區域,其彈性模量和強度最小,新界面過渡區(ITZ1)的力學性能優于舊界面過渡區(ITZ2)的力學性能。

1.4 邊界條件

本文采用位移加載方式,模擬再生砂粉混凝土試塊單軸受壓試驗。在模型上部中心位置處創建關鍵點(RP-1),RP-1與試塊上表面相互耦合,在RP-1處施加位移轉角約束,釋放豎向位移約束,向下施加0.4 mm位移荷載,等效模擬試塊上表面單軸受壓,底部為固定約束,位移加載及邊界條件見圖4。

圖4 位移加載及邊界條件Fig.4 Displacement loading and boundary conditions

2 再生砂粉混凝土抗壓強度試驗模擬

2.1 再生砂粉混凝土抗壓強度試驗

為驗證再生砂粉混凝土細觀模型的有效性,測量對應立方體抗壓強度。以C30普通混凝土配合比為基準,水膠比為0.43;水采用普通自來水;粉煤灰由金川電廠提供;廢棄混凝土破碎后進行篩選,粒徑不大于0.075 mm的為再生微粉、粒徑在0.075～4.75 mm的為再生細骨料;水泥采用普通硅酸鹽水泥P·O 42.5;減水劑采用聚羧酸;天然細骨料采用天然河砂,粗骨料采用碎石。其中再生細骨料替代天然細骨料,替代率分別為0%、15%、30%(質量分數);再生微粉替代粉煤灰及水泥,替代率分別為0%、10%、20%、30%(質量分數)。參照《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)[16],制備再生砂粉混凝土試塊,尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,混凝土配合比如表2所示。

表2 再生砂粉混凝土配合比Table 2 Mix ratio of recycled sand/powder concrete

依照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)[17]對再生砂粉混凝土進行立方體抗壓強度試驗,所有試塊養護28 d后測抗壓強度,試驗結果見圖5?？梢钥闯?摻入再生細骨料和再生微粉均會導致混凝土抗壓強度下降,這主要是因為再生細骨料表面包裹老舊砂漿層削弱了與新砂漿基體間的黏結強度,并且疏松多孔的舊砂漿促進了裂縫的擴展。而再生微粉的活性不高,摻量過多,取代粉煤灰和部分水泥時,降低了混凝土內膠凝材料的水化效率,導致混凝土抗壓強度降低。

圖5 不同再生砂粉摻量下混凝土的抗壓強度Fig.5 Compressive strength of concrete under different proportion of recycled sand/powder

對于單摻情況,當再生細骨料和再生微粉摻量分別由0%增加至30%時,混凝土抗壓強度值分別下降33.81%、22.61%,可見摻量同為30%時,再生細骨料對普通混凝土的力學性能影響更大。對于復摻情況,當再生細骨料摻量由15%增加至30%時,再生微粉含量為10%、20%、30%的混凝土的抗壓強度分別下降23.71%、19.26%、17.59%;類似地,當再生微粉含量由10%增加至30%時,再生細骨料含量分別為15%、30%的混凝土抗壓強度分別下降15.70%、7.60%,可見復摻情況下,再生細骨料對混凝土的力學性能影響也相對更大,與單摻情況類似。

2.2 再生砂粉混凝土抗壓強度數值模擬

2.2.1 數值模擬結果分析

根據前文試驗,分別對12組不同配合比的再生砂粉混凝土進行單軸抗壓數值模擬,計算得出各組再生砂粉混凝土的抗壓強度,將數值模擬結果與試驗結果進行對比,見圖6。由圖6可以看出,數值模擬結果與試驗結果的差異隨再生細骨料摻量的增加而增大,當再生細骨料摻量由0%增加至30%時,最大誤差由3.45%增加至10.65%,總體誤差不超過15%,可見本文建立的細觀有限元模型能夠較為準確地反映再生砂粉混凝土的力學性能,可用于模擬混凝土抗壓強度隨再生砂粉摻量的變化規律。

各組不同配合比的再生砂粉混凝土應力-應變曲線見圖7。各組應力-應變曲線的直線上升段斜率表示混凝土的彈性模量,可以看出隨著再生細骨料和再生微粉摻量的增加,混凝土的彈性模量呈下降趨勢,但變化幅度較小;各組應力應變曲線均在18 MPa左右,接近界面過渡區的強度,并且再生細骨料和再生微粉摻量越多,差異越明顯,這可能是因為混凝土的力學性能隨再生微粉和再生細骨料摻入而降低,其界面過渡區(ITZ1、ITZ2)的強度也隨之降低,初始裂縫更容易在此薄弱區域產生,導致混凝土更易產生塑性形變。表3為各組應力-應變曲線的峰值應力、峰值應變數據,可看出峰值應力隨再生細骨料和再生微粉摻量的增加而降低,并且峰值應變也基本隨之減小,說明再生細骨料及再生微粉的加入會使混凝土的延性降低。達到峰值應力后,再生細骨料和再生微粉的摻量越多,混凝土強度越低,下跌越平緩,脆性越不明顯。

表3 再生砂粉混凝土的峰值應力及峰值應變Table 3 Peak stress and peak strain of recycled sand/powder concrete

圖7 再生砂粉混凝土數值模擬應力-應變曲線Fig.7 Numerical simulation stress-strain curves of recycled sand/powder concrete

2.2.2 細觀損傷分析

以RSC30-10為例,再生砂粉混凝土試塊的軸向壓縮細觀損傷演化過程見圖8。舊界面過渡區是再生砂粉混凝土試塊最薄弱處,初始損傷首先在此區域產生,接著在新界面過渡區(ITZ1)產生,然后損傷延伸至兩者之間的老舊砂漿,并且在新砂漿損傷擴展,隨著繼續壓縮,最終形成貫通的損傷致使試塊破壞。再生砂粉混凝土試塊破壞主要集中于骨料與新舊砂漿之間的黏結破壞,呈“正”與“反”相連八字形的“X”形式,這與試驗現象基本一致。

圖8 再生砂粉混凝土細觀損傷的演化過程Fig.8 Evolution process of micro-damage of recycled sand/powder concrete

不同再生砂粉摻量下混凝土試塊破壞情況見圖9,不難看出,無論單摻還是復摻條件下,隨著再生細骨料及再生微粉摻量的增加,混凝土試塊的損傷裂紋都隨之增多,并且裂紋擴展程度也更高。其主要原因是再生細骨料摻量越多,舊砂漿及舊界面過渡區(ITZ2)的含量也越多,導致混凝土試塊強度下降,初始裂紋更多,損傷程度也更高;而再生微粉摻量越多,對水化反應的不利影響更大,骨料與新砂漿的結合能力更弱,導致混凝土試塊裂紋損傷情況更加嚴重。

圖9 不同再生砂粉摻量下混凝土損傷破壞情況Fig.9 Damage situation of concrete under different recycled sand/powder content

3 結 論

1)本文基于Python語言對ABAQUS進行二次開發,通過算法建立了不同再生細骨料摻量下再生砂粉混凝土的三維細觀模型,能夠較好地反映再生砂粉混凝土的損傷破壞情況。

2)基于抗壓強度試驗,再生砂粉混凝土的抗壓強度隨再生細骨料和再生微粉摻量的增加呈下降趨勢,不論單摻情況還是復摻情況,再生細骨料對混凝土的力學性能的不利影響均更大。

3)再生砂粉混凝土的抗壓強度數值模擬結果與試驗結果誤差較小(基本在10%以內);試塊破壞主要是黏結破壞,集中于骨料與新舊砂漿之間,整體破壞呈“X”形式,與試驗現象基本一致;再生砂粉摻量越多,混凝土的彈性模量、峰值應力越小,延性越低,損傷擴展程度越高。