再生卵石混凝土剪切力学性能试验研究

陈宇良，张绍松，叶培欢，李洪，姜锐; CHEN Yuliang; ZHANG Shaosong; YE Peihuan; LI Hong; JIANG Rui

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陈宇良 ^1,2,3,4
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张绍松 ¹
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叶培欢 ^1,2,3
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李洪 ^1,3
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姜锐 ¹

1. 广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006； 2. 广西科技大学广西装配结构安全防控工程研究中心，广西柳州 545006； 3. 广西科技大学柳州市绿色先进土木工程材料应用重点实验室，广西柳州 545006； 4. 广西科技大学广西高校防灾减灾与预应力技术重点实验室，广西柳州 545006

中图分类号： TU528.01

最近更新：2023-05-30

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2023.05.002

摘要

基于再生卵石混凝土直剪试验，研究了再生卵石骨料取代率和试件尺寸对再生卵石混凝土剪切力学性能的影响.结果表明：与天然卵石混凝土相比，再生卵石混凝土的抗剪强度有较大提升，再生卵石骨料取代率为50%时抗剪强度提升最大，提高幅度最大为47%；峰值位移随着再生卵石骨料取代率的增大而增大，最大提高了115%；再生卵石骨料取代率和试件尺寸对混凝土剪胀性能影响较小；最后，给出了尺寸换算系数，建立了再生卵石混凝土抗剪强度尺寸效应律公式，计算值和实测值吻合良好.

关键词

再生卵石; 再生混凝土; 直剪性能; 尺寸效应

卵石具有强度高、耐腐蚀等优点，是沿江地区主要的混凝土骨料之一^［

1‑3］.但卵石表面光滑，与水泥基体的黏结性能较差，会降低混凝土的力学性能^{［参考文献 4

百度学术}4］.中国在20世纪建设了一大批卵石混凝土建筑，目前这部分建筑已到服役年限.将废弃卵石混凝土破碎制成再生卵石骨料，既有利于生态环境，又能对卵石资源进行循环利用；另外，再生卵石骨料表面较天然卵石粗糙，在一定程度上能够改善天然卵石骨料和水泥基体黏结性能差的缺点.再生卵石骨料和再生碎石骨料由于在表面形状特征等方面有所不同，两者作为粗骨料得到的混凝土性能必然存在差异，因此不能直接套用再生碎石骨料混凝土的研究成果来指导再生卵石混凝土的工程应用.

抗剪强度是混凝土力学性能的主要组成部分之一，对混凝土构件的整体性能和破坏起着重要的作用.王建民等^［

5］提出了陶粒轻骨料与普通混凝土黏结试件的剪切破坏准则；Liu等^{［参考文献 6

百度学术}6］研究了3种再生碎石骨料混凝土的剪切性能，并建立了其强度转换方程；Abdi Moghadam等^{［参考文献 7

百度学术}7］给出了高温下钢纤维混凝土的抗剪强度计算公式；陈宇良等^{［参考文献 8‑9}8‑9］得到了直剪作用下再生碎石骨料混凝土的尺寸换算系数；Jin等^{［参考文献 10‑12}10‑12］提出了一种考虑最大骨料粒径的混凝土抗压强度尺寸效应定律；苏捷等^{［参考文献 13‑14}13‑14］建立了超高性能混凝土抗压、抗折性能尺寸效应律公式.综上，关于混凝土尺寸效应的研究主要集中于普通混凝土和超高性能混凝土，对于再生卵石混凝土的尺寸效应研究鲜有报道.而再生卵石混凝土作为一种水泥基材料，尺寸效应是其固有特性，因此对再生卵石混凝土开展力学性能尺寸效应研究具有重要意义.

本文通过改变再生卵石骨料取代率和试件尺寸，研究再生卵石混凝土的抗剪性能及其尺寸效应，并建立再生卵石混凝土抗剪强度尺寸效应律公式，以期为再生卵石混凝土抗剪强度预测和工程设计提供参考.

1 试验

1.1 原材料

再生卵石骨料（RPA）由某市环江旧城改造的建筑废弃混凝土经颚式破碎机破碎、筛分、清洗后获得，粗骨料粒径为5~20 mm，再生卵石骨料及天然卵石骨料（NPA）的形貌见图1.依据GB/T 14685—2011《建筑用卵石、碎石》，测试天然卵石骨料和再生卵石骨料的物理性能，结果见表1.细骨料采用河砂，细度模数为2.38；水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥；拌和水采用城市自来水.

图1 再生卵石骨料及天然卵石骨料的形貌

Fig.1 Morphology of RPA and NPA

表1 再生卵石骨料及天然卵石骨料的物理性能

Table 1 Physical properties of RPA and NPA

Aggregate type	Moisture content(by mass)/%	Water absorption rate(by mass)/%	Apparent density/(kg·m^-3)	Bulk density/(kg·m^-3)	Crush index(by mass)/%
NPA	0.06	0.26	2 619	1 615	12.02
RPA	0.26	1.08	2 573	1 508	16.92

1.2 试件设计及制备

混凝土设计强度为C30，再生卵石骨料取代率

）r取0%、50%、100%，水灰比m_W/m_C均为0.55，砂率均为0.36，其余配合比如表2所示.试件设计小、中、大3种尺寸，分别为150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×200 mm、200 mm×200 mm×200 mm，记作S、M、L.试件编号采用“尺寸+取代率”的形式，如S‑50代表再生卵石骨料取代率为50%的小尺寸试件.采用搅拌机搅拌混凝土，搅拌完成后将混凝土拌和物注入模具，放在振动台振捣密实并抹平，养护24 h后拆模，自然养护至28 d后进行试验.

表2 混凝土配合比

Table 2 Mix proportions of concretes

r/%	Mix proportion/(kg·m^-3)
r/%	Cement	Water	Sand	NPA	RPA
0	353.9	195.0	666.4	1 184.7	0
50	353.9	195.0	666.4	592.4	592.4
100	353.9	195.0	666.4	0	1 184.7

1.3 试验装置及加载

试验采用基于RMT‑301岩石与混凝土力学试验压力机自行研发的剪切加载装置^［

9，15］进行直剪加载.加载装置如图2所示，可通过调整剪切盒的大小来加载不同尺寸的试件.采用位移控制，加载速率为0.02 mm/s，首先进行垂直方向预加载，然后进行水平方向预加载，预加载完成后进行正式加载，直至试件破坏.剪切荷载（F_τ）、剪切位移（d）和垂直位移（

Δ

）等均为试验装置自动采集得到.

图2 加载装置

Fig.2 Test setup

2 试验结果及讨论

2.1 破坏形态

试件的破坏形态如图3所示.由图3可见：所有试件均呈脆性破坏，即试件破坏前没有明显征兆，在达到峰值荷载时，试件突然被剪切为两部分，破坏过程迅速.相较于M、L试件，S试件的相对水平行程较大，破坏的水泥基体掩盖了剪切破坏面上的卵石，导致剪切破坏面未能清晰看出卵石，故在S试件的破坏形态图上标注了暴露骨料和卵石脱落痕迹的大致轮廓.由图3还可见，当r=0%时，试件的剪切破坏面上留有大量卵石脱落的痕迹，说明试件的裂缝主要是沿卵石与水泥基体的黏结界面延伸及发展，这主要是因为天然卵石表面光滑，和水泥基体之间的黏结较差，黏结强度较低；当r=50%时，试件的剪切破坏面上存在部分卵石脱落痕迹以及少部分粗骨料剪断的现象，卵石脱落由天然卵石骨料和水泥基体黏结较差导致，粗骨料剪断由再生卵石骨料带有微裂纹导致；当r=100%时，试件的剪切破坏面上几乎没有粗骨料脱落痕迹，存在部分再生卵石骨料被剪断的现象，这主要是因为再生卵石经过破碎制得，与天然卵石相比，其表面更为粗糙且附着旧水泥砂浆，与水泥基体之间的黏结强度更大；另外，破碎过程可能会使再生卵石骨料内部存在微裂纹，促使其强度降低，从而存在被剪断的现象.随着试件尺寸的增大，破坏过程变得迅速，破坏时的剪切位移减小.

图3 试件的破坏形态（剪切破坏面）

Fig.3 Failure modes of specimens（shear failure surface）

2.2 特征点参数

试验实测特征点参数见表3，其中F_τp表示峰值剪切荷载，τ_p表示抗剪强度，S_p表示峰值位移（峰值剪切荷载对应的位移）.由表3可见，再生卵石骨料取代率和试件尺寸对再生卵石混凝土的抗剪强度和峰值位移影响显著.这是因为再生卵石骨料的表面形状特征及物理性能（吸水率和破碎指标等）和天然卵石有较大差异；另外，尺寸效应是混凝土材料的一种固有特性，大尺寸试件的内部缺陷更多^［

16］，从而导致抗剪强度更低.

表3 特征点参数

Table 3 Characteristic point parameters

Specimen	F_τp/kN	τ_p/MPa	S_p/mm
S‑0	44.95	2.00	0.57
S‑50	57.83	2.57	1.03
S‑100	50.63	2.25	1.10
M‑0	52.47	1.75	0.37
M‑50	77.41	2.58	0.65
M‑100	59.12	1.97	0.78
L‑0	61.95	1.55	0.33
L‑50	86.96	2.17	0.45
L‑100	74.47	1.86	0.71

2.3 荷载-位移曲线

图4为混凝土的荷载-位移曲线.结合图4及过镇海^［

17］关于混凝土受力破坏的机理，可以将荷载-位移曲线大致分为4个阶段：（1）弹性阶段（0~0.6F_τp），剪切荷载近似呈线性增大；（2）弹塑性阶段（0.6F_τp~F_τp），混凝土的塑性变形和微裂缝逐渐发展，曲线斜率逐渐减小，当剪切荷载达到峰值时，宏观裂缝迅速贯穿，试件被剪切为两部分，此时主要由水泥基体间的黏聚力来承担荷载；（3）破坏阶段（F_τp~0.3F_τp），剪切荷载随着剪切位移的增大而迅速下降，此时主要由剪切破坏面的机械咬合力和摩擦力来共同承担荷载；（4）残余阶段（0.3F_τp~0.2F_τp），随着剪切位移的增大，剪切荷载下降缓慢，最后曲线近似平行于横坐标轴，此时主要由摩擦力承担荷载.由图4还可见：随着再生卵石骨料取代率的增大，试件的峰值荷载呈现先增大后减小的趋势，可见再生卵石骨料取代率对混凝土的荷载-位移曲线影响较大；随着试件尺寸的增大，试件的峰值位移逐渐减小，可见试件尺寸对混凝土的荷载-位移曲线影响较为显著.

图4 混凝土的荷载-位移曲线

Fig.4 Load‑displacement curves of concretes

2.4 垂直位移-剪切位移曲线

图5为混凝土垂直位移-剪切位移（ $Δ$ ‑d）曲线.由图5可见，再生卵石混凝土的 $Δ$ ‑d曲线大致可以分为以下2个阶段：加载初期，随着剪切位移的增大，试件的垂直位移基本不变，属于稳定阶段；随着剪切位移的继续增大，试件的垂直位移近似呈线性增大，试件产生剪胀现象，属于剪胀阶段.产生剪胀现象的原因是：在加载过程中，随着剪切位移的增大，试件的内部裂缝不断发展延伸，形成的剪切破坏面粗糙、不规则，随着剪切破坏面的形成，试件的垂直位移不断加大，直至试件完全破坏.部分试件（例如试件M‑50、L‑100） $Δ$ ‑d曲线的剪胀阶段存在1个平台段，可能是因为在该阶段再生卵石骨料被剪断，所以呈现为剪切位移增大而垂直位移不变.Zhang等^［

18］用

Δ

‑d曲线剪胀阶段斜率的绝对值来表征混凝土的剪胀性能.由图5可见，随着再生卵石骨料取代率和试件尺寸的增大，试件剪胀阶段的斜率变化较小，说明再生卵石骨料取代率和试件尺寸对再生卵石混凝土的剪胀性能影响不显著.

图5 混凝土垂直位移-剪切位移曲线

Fig.5 Vertical displacement‑shear displacement curves of concretes

2.5 再生卵石骨料取代率对抗剪强度的影响

图6为再生卵石骨料取代率对混凝土抗剪强度的影响.由图6可见：随着再生卵石骨料取代率的增大，试件的抗剪强度呈现先增大后减小的趋势；相较于试件S‑0，试件S‑50、S‑100的抗剪强度分别增大了29%、13%；相较于试件M‑0，试件M‑50、M‑100的抗剪强度分别增大了47%、13%；相较于试件L‑0，试件L‑50、L‑100的抗剪强度分别增大了40%、20%.这是因为混凝土的抗剪强度主要由骨料强度、基体强度及骨料与基体之间的黏结强度共同决定.这三者中最弱的一方对混凝土的抗剪强度起主要作用，再生卵石骨料具有多个破碎面且破碎面相对粗糙，增大了其与水泥基体的黏结强度，而天然卵石骨料表面光滑，与水泥基体的黏结强度较弱，导致天然卵石骨料混凝土的抗剪强度要弱于再生卵石骨料混凝土.另外，r=50%的试件抗剪强度提升幅度大于r=100%的试件，原因可能是再生卵石骨料在制备过程中不可避免地会产生微裂纹，且其压碎指标大于天然卵石骨料，故其强度比天然卵石骨料稍低；当其取代率过大时，r=100%的试件抗剪强度低于r=50%的试件（见表3）.

图6 再生卵石骨料取代率对混凝土抗剪强度的影响

Fig.6 Effect of RPA replacement rate on concrete shear strength

2.6 再生卵石骨料取代率对峰值位移的影响

图7为再生卵石骨料取代率对混凝土峰值位移的影响.由图7可见：随着再生卵石骨料取代率的增大，试件峰值位移增大；相较于试件S‑0，试件S‑50、S‑100的峰值位移分别增大了81%、93%；相较于试件M‑0，试件M‑50、M‑100的峰值位移分别增大了76%、111%；相较于试件L‑0，试件L‑50、L‑100的峰值位移分别增大了36%、115%.这是因为天然卵石骨料的形状多为类球形，表面光滑，与砂浆基体之间的黏结性能不足，裂缝容易在界面过渡区发展延伸且速度较快，再生卵石骨料由于破碎面较为粗糙且表面附有水泥砂浆，导致其与新的水泥基体黏结性能更好，裂缝在界面过渡区的发展更为缓慢.

图7 再生卵石骨料取代率对混凝土峰值位移的影响

Fig.7 Effect of RPA replacement rate on peak shear displacement of concretes

2.7 损伤分析

根据上述荷载-位移曲线及破坏形态分析可得，再生卵石混凝土试件的破坏过程主要分为弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段和残余阶段.从弹塑性阶段开始，试件的荷载-位移曲线呈现非线性增长，说明直剪作用下再生卵石混凝土试件存在一个损伤演变的过程.基于损伤力学理论，引入损伤变量D来描述再生卵石混凝土的损伤过程^［

19］：

D = 1 - \frac{E}{E_{0}}

（1）

式中：E₀为材料初始变形模量，取值为0.4F_τp处的割线模量；E为材料割线模量.

图8为试件的损伤曲线.由图8可见：相对于r=0%的试件，r=50%、100%的试件初始损伤位移更大，说明r=0%的试件损伤相对较早发生，主要是因为天然卵石骨料表面较再生卵石骨料更为光滑，导致天然卵石骨料与水泥基体的黏结界面较弱；随着试件尺寸的增大，试件初始损伤位移逐渐减小，说明加大试件的尺寸，会导致试件的损伤提前出现，主要原因是大尺寸试件的粗骨料更多，意味着试件内部的初始黏结裂缝更多，从而导致大尺寸试件呈现出更小的初始损伤位移.

图8 试件的损伤曲线

Fig.8 Damage curves of specimens

3 尺寸效应分析

3.1 尺寸换算系数

各规格试件尺寸换算系数按照下式计算：

C_{i} = \frac{τ_{p S}}{τ_{p i}}

（2）

式中：C_i为尺寸换算系数，i取M、L；τ_pS是尺寸为S的试件抗剪强度；τ_p_i是尺寸为i的试件抗剪强度.

各再生卵石骨料取代率下试件的尺寸换算系数如图9所示.由图9可见：随着再生卵石骨料取代率的增大，各规格再生卵石混凝土试件的尺寸换算系数呈现先减小后增大的趋势；其中r=0%时，尺寸换算系数最大；r=50%时，尺寸换算系数最小，说明天然卵石混凝土的尺寸效应最弱，采用适量的再生卵石骨料取代天然卵石骨料可以加强天然卵石混凝土的尺寸效应.M、L规格试件的平均尺寸换算系数分别为1.09、1.23，而GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》中规定尺寸为200 mm×200 mm×200 mm的普通混凝土试件抗压强度尺寸换算系数为1.05，说明再生卵石混凝土的尺寸效应要弱于普通混凝土.

图9 各再生卵石骨料取代率下试件的尺寸换算系数

Fig.9 Size conversion coefficient of specimens under different RPA replacement rates

3.2 尺寸效应律参数

基于Bazant能量释放准则^［

20］提出的试件在受压破坏时名义强度和试件尺寸的关系式，结合本文工况，提出了再生卵石混凝土在剪切破坏时抗剪强度和试件尺寸的关系式：

τ_{p} = a {A_{s}}^{- \frac{2}{5}} + b

（3）

式中：A_s为试件剪切破坏面的面积，cm²；a、b为尺寸效应律参数.

图10给出了抗剪强度和剪切面面积的关系.对图10中的数据进行整理，获得参数a、b与再生卵石骨料取代率的关系式，见式（4）、（5），从而得到抗剪强度尺寸效应律公式如式（6）所示.为简化计算公式，根据再生卵石骨料取代率的不同，给出了相应a、b的建议值：当r=0%时，a、b的建议取值分别为19.12、-0.19；当r=50%时，a，b的建议取值分别为16.65、0.74；当r=100%时，a、b的建议取值分别为16.65、0.32.最终得到再生卵石混凝土的抗剪强度尺寸效应律公式，如式（7）所示.图11为抗剪强度计算值与实测值的对比图，其中τ_p，c为根据式（6）、（7）得到的抗剪强度计算值，τ_p，t为抗剪强度实测值.由图11可见，式（6）、（7）计算得到τ_p，t/τ_p，c的平均值为0.998，变异系数为0.029，说明本文提出的再生卵石混凝土抗剪强度尺寸效应律公式计算值与实测值吻合良好.

图10 抗剪强度和剪切面面积的关系

Fig.10 Relationship between shear strength and area of shear plane

a = 19.12 - 7.56 r + 5.12 r^{2}

（4）

b = - 0.19 + 3.21 r - 2.70 r^{2}

（5）

τ_{p} = (19.12 - 7.56 r + 5.12 r^{2}) {A_{s}}^{- \frac{2}{5}} - 0.19 + 3.21 r - 2.70 r^{2}

（6）

τ_{p} = \{\begin{matrix} 19.12 {A_{s}}^{- \frac{2}{5}} - 0.19 \begin{matrix} , & r = 0 % \end{matrix} \\ 16.65 {A_{s}}^{- \frac{2}{5}} + 0.74 \begin{matrix} , & r = 50 % \end{matrix} \\ 16.65 {A_{s}}^{- \frac{2}{5}} + 0.32 \begin{matrix} , & r = 100 % \end{matrix} \end{matrix}

（7）

图11 抗剪强度计算值与实测值对比

Fig.11 Relationship between τ_p，c and τ_p，t

4 结论

（1）随着再生卵石混凝土试件尺寸的增大，试件破坏时的剪切位移逐渐减小；试件剪切破坏面的骨料脱落程度随着再生卵石骨料取代率的增大而减小.

（2）再生卵石骨料取代率r对试件的抗剪强度、峰值位移影响显著.与r=0%的试件相比，r=50%、100%的试件抗剪强度最大提高幅度分别为47%、20%，峰值位移的最大提高幅度分别为81%、115%.

（3）再生卵石混凝土的尺寸效应要弱于普通混凝土，但强于天然卵石混凝土.随着再生卵石骨料取代率的增大，再生卵石混凝土的尺寸换算系数先减小后增大.尺寸为150 mm×150 mm×200 mm、200 mm×200 mm×200 mm的试件尺寸换算系数平均值分别为1.09、1.23.

（4）基于Bazant能量释放准则，提出了再生卵石混凝土抗剪强度与试件尺寸、再生卵石骨料取代率的计算关系式，计算值与实测值吻合较好，可用于预测不同尺寸、不同再生卵石骨料取代率下再生卵石混凝土的抗剪强度，供工程结构设计和分析时参考.

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