1、公路 年月第期 基金项目：国家自然科学基金项目，项目编号 ；陕西省自然科学基础研究计划重点项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：纳米碳酸钙改性再生混凝土抗压性能研究邓友生，张克钦，付云博，李文杰，宋虔（西安科技大学建筑与土木工程学院西安市 ；西安科技大学桩承结构研究中心西安市 ）摘要：以再生粗骨料取代率、纳米改性为主要影响因素，通过抗压试验及有限元方法分别探究纳米改性再生混凝土的宏观与细观力学性能。研究结果表明：混凝土抗压强度随再生粗骨料取代率增大而降低，纳米 可以提高混凝土、强度，适宜掺量为；而通过细观分析得到纳米 改性可加强砂浆和粗骨料砂浆界面过渡区，同时有限元计
2、算得到的力学性能与试验结果较为吻合，可为工程应用提供理论依据。关键词：再生混凝土；纳米 ；力学性能；有限元分析混凝土作为土木工程中使用最多的建筑材料，我国每年约消耗 亿混凝土，随着城市建设发展带来的老龄建筑、路面拆除、重建或改造等，每年约产生亿建筑废弃物。目前许多公路在重新铺装时会使用一部分废弃混凝土作为再生混凝土，但其力学性能较普通混凝土低，抗压强度损失高达。在混凝土中掺入纳米 （）能够加快水泥水化速率和水泥浆的密实度，从而增强混凝土的抗压强度。对于纳米材料改性再生混凝土，等发现再生混凝土的抗压强度和微观结构随着纳米 掺量的增加而提高。曲成平等发现时 可以平均提高再生混凝土抗压强度 ，时提高
3、 ，时较普通混凝土略有下降，但较再生混凝土平均提高 。纳米增强再生混凝土的研究在不断发展，但缺乏宏细观机理研究。因此，本文在现有研究的基础上，进行纳米改性再生混凝土抗压试验，辅以有限元计算，综合分析各影响因素对 改性再生混凝土抗压特性的影响。试验方法 试件制备试验纳米 粉末参数如表所示。水泥采用 级普通 硅酸 盐 水泥，技 术 指 标 见表。砂为普通河砂，用实验室自来水淘洗晒干后测得细度模数为 ，吸水率 ，表观密度为 。天然粗骨料为粒径 的花岗岩碎石，测得其堆积密度为 ，吸水率 ，含泥量 ，压碎指标 。再生粗骨料为建筑垃圾破碎后制成，筛余后选取粒径，堆积密度为 ，吸水率 ，含泥量 ，压碎指标
4、。减水剂采用 型高效减水剂。水为实验室用普通自来水。表纳米 的物理性能状态平均粒径 纯度 值杂质含量白色粉末 表水泥物理力学性能比表面积 抗压强度 抗折强度 初凝时间 终凝时间 烧失量 配合比设计根据 再生混凝土结构技术标准（），设计混凝土强度 ，砂率，在种有效水胶比（，）下，改变 掺量和再生粗骨料取代率，变量分别为、和、。将种不同水胶比分别记为 、，再生粗骨料记为，掺量记为，未掺加则不记。部分混凝土配合比如表所示。表部分再生混凝土配合比 编号水胶比水泥 天然骨料再生骨料砂净用水附加水减水剂 试验内容将分散的纳米溶液与再生骨料搅拌 ，使再生骨料得到充分强化；加入水泥、砂和天然骨料搅拌 ；加入剩
5、余水进行充分搅拌。将搅拌均匀的混凝土拌和物装入试模，振捣成型，拆模并放入养护箱养护。抗压试件为 的立方体，每组配合比个试块，分别用于测试、抗压强度。并依据 普通混凝土强度测试方法标准（）进行试验。结果及分析 破坏形态观察图发现，再生混凝土破坏过程基本与普通混凝土相同，破坏后试件为棱锥体，破坏前出现砂浆脱落，属于黏结面破坏。图（）中，普通混凝土破坏后粗骨料表面砂浆较少，随着再生粗骨料取代率的增加，部分骨料裹挟着一层砂浆，在破坏界面上孔隙也随之增多。相同加压速率下，掺入再生粗骨料的块体破坏形态更彻底。由图（）、图（）可以看出，的掺入能有效改善混凝土内部孔隙结构。受压破坏后，破坏界面孔隙明显低于未掺
6、加 混凝土。图混凝土受压破坏形态 再生粗骨料取代率的影响由图（）可知，对于水胶比为 （）且未掺加 的混凝土，较 抗压强度降低 ，降幅为 ，较 抗压强度降低 ，较 降低 ，降幅分别为 、；水胶比为 、时整体规律与水胶比为 时相同。由图（）可知，龄期为时，组抗压强度为 ，与 、组比相差很小，差值分别为 、。在水胶比不变时，各配合比的抗压强度相差很小，不同水胶比下，抗压强度会随着水胶比的增大而整体减小。这是由于时混凝土强度等级相对不高，早期水泥水化反应的程度对抗压强度起决定性作用，主要由有效水胶比决定混凝土早期强度。当龄期达到 时，未掺 条件下，、等组抗 压强 度差辐 变大，组 最 大为 ，组最小为
7、 ，强度相差 ，差辐 。这是由于水泥的水化速度放缓，再生骨料吸水再释放，未能充分强化的再生混凝土实际水胶比偏大，再生骨料中的部分孔隙未能水化填充，致使整体强度增长缓慢。纳米 掺量的影响由图可知，在 条件下，试块中掺入适量 强化了混凝土 抗压强度。掺量为 时，组抗压强度达到最大 ，相对于 组提升 。但 掺量继续增加，抗压强度出现负增长，掺量 时，较 组降低了 ，且低于 掺量为时 抗压强度，在 、条件下出现相同的零增长规律。由此认为普通混凝土中掺入适量 可利用其微集料效应和晶核效应改善界面过渡区强度，强化水泥砂浆强度，从而增加混凝土抗压强度。但掺入过量的 会导致活性过高而发生集聚现象，未能充分填充
8、各相间微裂缝并改善水泥浆强度，对整体强度起到负面影响。公路 年第期 年第期邓友生等：纳米碳酸钙改性再生混凝土抗压性能研究图材料参数对抗压强度的影响图 掺量与水胶比对抗压强度的影响由图对比 改性再生混凝土和普通混凝土不同龄期下抗压强度发现，掺入 对混凝土早期强度影响较弱。时 组抗压强度为 ，较 组降低 。时 组抗压强度较 组 强 度 增 长 ，组 比 组 强 度 降 低 ，较 组 高 。说明 改性对普通混凝土早期强度增长的影响较弱，对后期强度具有一定有利影响，在掺入再生粗骨料时，纳米改性明显提升了混凝土强度。可以认为 能够较好地改善再生骨料，填充旧砂浆中微裂缝，改善新硬化水泥砂浆，增加混凝土的后
9、期强度。图龄期对抗压强度的影响细观有限元分析 细观模型的建立细观模型选取二维随机骨料模型，根据文献对于细观再生混凝土的处理方法，将再生骨料分为由骨料、旧砂浆骨料过渡层（）、老硬化水泥砂浆、新砂浆骨料过渡层（）以及新硬化水泥砂浆组成的五向复合材料，并根据试验数据及文献 中 公式计算出各粒径范围内粗骨料在二维平面内的个数。在混凝土细观模拟中，各组成材料的参数往往难以通过试验测得。本文结合阮征等提出的一种由混凝土强度推算出砂浆强度的公式和 等提出的混凝土在 范围内砂浆抗压强度、抗拉强度、弹性模量之间的关系计算式，由试验得到的混凝土抗压强度确定砂浆的强度参数。研究认为 的弹性模量和强度约为砂浆的 ，取
10、 弹性模量和强度为砂浆的，为。由于试验中即使试块破坏，粗骨料仍能保持较好的完整性，因此在建模中将粗骨料定义为弹性，不考虑其塑 性 破 坏，取 弹 性 模 量为 ，泊 松 比 。由前述分析可知，的改性主要作用于硬化砂浆与 ，因此可以通过增强硬化砂浆和 层的材料参数来体现 改性混凝土。选取、的抗压强度试验数据作为依据，分别为 、，计算各材料抗压强度如表所示。表各材料抗压强度材料抗压强度 新硬化砂浆 旧硬化砂浆 在 中通过 脚本随机生成圆形骨料，将生成的骨料根据再生骨料掺入量随机选取部分向外扩展 的 和 的旧硬化砂浆层，同时所有骨料最外层均需要扩展 的 。选用 自 带 的 混凝土 塑 性 损 伤 本
11、 构 模 型（）结 合 等 提 出 的 基 于 混 凝 土 结 构 设 计 规 范（）用于混凝土细观有限元分析的改进 本构模型进行材料的赋予，最终建立模型如图所示。图细观混凝土模型 有限元计算结果由图可知，由于混凝土材料的离散性较大，使得有限元计算结果与实际试验之间有些许误差，但计算结果大多偏于安全。没有掺入再生骨料情况下有限元计算的误差较小，分别为 和 ，均在误差允许范围内。但掺入再生骨料后，有限元计算误差较大，为 左右，这是由于细观分析中，再生骨料上覆盖的 强度为项材料中最低，破坏大多由此产生，但实际试验中由于黏结力及水泥砂浆硬化，再生骨料上覆盖层并不会产生较多破坏，使得计算的数值较实际数
12、值偏低。但 改性以及再生骨料对混凝土抗压强度的影响规律仍然与试验情况一致。图抗压强度试验值与计算值对比由图对比观察在相同应变条件下掺入及未掺入 改性的混凝土塑形损伤情况。由图可以看到，混凝土的裂缝大多以 的斜裂缝形式出现，与实际情况相符，证明了有限元计算结果的有效性；没有掺入再生骨料时，损伤会首先由 处出现，并沿骨料向砂浆扩展，基本不会由砂浆处产生，掺入再生骨料后，损伤大多先从再生骨料的 层出现；掺入 改性后，层的损伤明显减少，同时砂浆处损伤大幅下降，验证了前述分析，可以有效改善 和水泥砂浆，使其更加致密，遏制裂纹的扩展，增加了混凝土的耐久性与力学强度。同时，掺入再生骨料的混凝土受 改性效应的
13、影响明显强于普通混凝土，可更大程度发挥 的改性效应，有效减少因再生骨料原始缺陷带来的强度缩减问题。因此，可以认为 改性是一种高效增强再生混凝土的方式。公路 年第期 年第期邓友生等：纳米碳酸钙改性再生混凝土抗压性能研究图混凝土受压位移 时裂纹扩展结语（）由于再生粗骨料自身劣性的影响，拌入混凝土后抗压强度有所降低，且随掺入比例的增大，降低幅度也随之增大。早期水泥水化反应程度对抗压强度起决定性作用，不同再生取代率混凝土早期抗压强度影响较小，龄期下差别较大，再生粗骨料取代率时抗压强度最高降低 。（）纳米 可以促进水泥水化反应，对、混凝土强度均有提高，适宜掺量为。的 掺量对混凝土强度具有不利影响。水胶比
14、对抗压强度影响较为显著，随水胶比增大强度逐渐减少。（）在试验测得混凝土的基本力学强度参数后，可通过材料参数处理方法得到混凝土各组成部分参数，并建立有限元模型对再生混凝土进行细观分析，计算结果偏安全，基本在误差允许范围内。通过细观分析混凝土裂缝展开得出 改性可降低混凝土孔隙率，加强再生粗骨料砂浆界面层，填充内部微裂缝，增强混凝土力学性能。参考文献：刘锟，陈宣东，黄达再生混凝土的研究现状及未来研究趋势分析混凝土，（）：，（）：，（）：，：曲成平，孙燕群，张鹏 纳米 对再生混凝土力学性能的影响研究混凝土，（）：刘琼，肖建庄，李文贵 再生混凝土轴心受拉性能试验与格构 数 值 模 拟 四 川 大 学 学
15、 报：工 程 科 学 版，（）：，（）：阮征，陈力，洪建，等 骨料和砂浆等影响混凝土强度的细观层次机理分析 建筑材料学报，（）：，（）：，（）：，（，；，）：，：；，；，：；欢迎订阅 年 公路 期刊 公路 期刊于 年创刊。是我国公路行业出版较早的综合技术类科学技术期刊；全国中文核心期刊。公路 期刊由中国交通建设集团有限公司主管，由 公路 杂志社有限公司主办、出版。公路 期刊 年获第二届全国优秀科技期刊三等奖；年评为双效期刊；年荣获第三届国家期刊奖百种重点期刊。年国家新闻出版广电总局认定为学术期刊 类。公路 期刊为大 开。栏目主要有道路、桥梁、公路养护与环保、材料与试验、隧道、综合等等；读者对象主要是从事与公路建设的有关人员，重点包括公路交通、大中专院校师生及市政、铁路、水利、林业、机场、矿业及石油等行业的有关人员。年度报刊杂志征订工作已经开始，请您到当地邮局办理订阅手续。公路 期刊邮发代号：。年每期每本单价：元。若订阅不便的读者，可直接在我部办理零售业务。年零售价全年每套 元（免全年邮寄费）。另本刊还有 公路 年 年合订本，每年度合订本 元（免邮寄费）。年、年、年合订本，每年度 元（免邮寄费）。欢迎选购。零售部联系电话：联系人：孙卓 地址：北京市东城区东四前炒面胡同 号座（）公路 杂志社有限公司网站 ：公路 年第期