利用 WFM 和 SEM 研究最大骨料粒径对再生骨料混凝土断裂参数的影响

《Journal of Building Engineering》：Influence of maximum aggregate size on fracture parameters of recycled aggregate concrete using WFM and SEM

　　

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  研究了最大骨料粒径对再生混凝土断裂行为的影响。
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  采用断裂能法（WFM）和尺寸效应法（SEM）表征了再生混凝土（RAC）的断裂参数。
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  骨料粒径和水灰比共同影响再生混凝土的断裂行为。
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  WFM和SEM在所测试的混凝土配合比中呈现出可比较的趋势。
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  建立了多变量预测模型以预测再生混凝土的断裂参数。

引言

随着城市区域的不斷扩张，大量建筑物已达到设计使用寿命的终点，导致大规模的拆除并产生大量建筑废弃物[1]。将拆除的混凝土和天然废弃物进行回收再利用以生产新混凝土，是一种在许多国家积极推广的可持续发展途径[2]。将建筑废料转化为再生混凝土骨料以实现再利用已获得国际共识[3]。

与此同时，由于基础设施建设，天然骨料资源（如河砂和碎石）的消耗导致严重的环境问题[4]。为此，多个国家已颁布法规限制天然骨料的开采[5]。鉴于天然骨料稀缺且开采成本高昂，迫切需要寻找可持续的替代方案[4], [6]。因此，开发将混凝土废料转化为副产品的工艺具有重要的环境和经济意义。

其中一种方法就是利用再生骨料生产混凝土，这在节约自然资源、减少碳排放和减少环境污染方面支持了可持续建筑的发展[7]。大量研究探讨了再生细骨料和粗骨料对混凝土力学和物理性能的影响（例如[8], [9]），结果表明，与使用天然骨料的混凝土相比，使用再生骨料通常会降低混凝土的密度、强度和弹性模量。Rezaei等人[8]报告称，用再生粗骨料替代天然粗骨料后，抗压强度、弹性模量和抗拉强度分别降低了约15%、14%和11%，而吸水率和孔隙率则分别增加了86%和72%。类似地，Fang等人[9]发现，由于水泥浆与再生骨料之间粘结力较弱，再生混凝土的弹性模量和界面过渡区（ITZ）刚度较低。Shirvani等人[10]研究了再生细骨料混凝土的力学性能，采用50%和100%的替代率。其结果表明，弹性模量、抗压强度和抗拉强度分别最高降低了23%、21%和13%。

尽管对再生骨料混凝土（RAC）的力学性能已进行了广泛研究，但其断裂行为的研究仍较为有限。断裂力学为混凝土设计提供了有价值的框架，因为它能有效描述材料的峰值后行为和裂纹扩展。混凝土是由骨料、硬化的水泥浆体和界面过渡区组成的复合材料，其断裂行为受各组分粒径、形状和分布的影响。由于骨料占混凝土体积的60%~70%以上，它们在混凝土的断裂特性中发挥着关键作用。以往的研究[11], [12]表明，使混凝土断裂所需的能量远高于水泥砂浆，说明骨料的加入提高了断裂韧性。骨料与基体之间的模量差异、界面过渡区粘结薄弱、水泥浆体中的孔隙以及加载类型等因素均会导致微裂纹的产生和扩展[13]。

骨料特性（尤其是最大骨料粒径d_max）对断裂性能的影响已在传统混凝土中得到了广泛研究。研究人员报告称，增大粗骨料的粒径和用量可提高断裂能，这是由于骨料间的相互嵌锁作用和骨料参与承载效应增强所致[14], [15]。较大的骨料会在骨料-浆体界面产生较高的应力集中，导致粘结失效；而较小的骨料则界面应力较低，裂纹扩展路径也更简单。Beygi等人[16]研究了d_max对自密实混凝土断裂性能的影响，报告称当d_max从9.5 mm增加到19 mm时，断裂能从107.3 N/m增加至144.2 N/m。Ghasemi等人[17]在纤维增强自密实混凝土中观察到了类似趋势，断裂能从226.19 N/m上升至249.25 N/m。Karamloo等人[18]发现，轻质自密实混凝土在相同的d_max变化下断裂韧性提高了67%。Sadrmomtazi等人[19]报告称，当d_max从12.5 mm增加到25 mm时，重混凝土的断裂能提高了20%。

然而，将这些结论直接推广到再生混凝土中并不简单。再生骨料表面含有附着的老砂浆，且其表面纹理、孔隙率和力学性能的变异性比天然骨料更大。这些特征会改变再生混凝土的微观结构，尤其是界面过渡区，并可能改变裂纹的起始位置、裂纹扩展路径和能量耗散机制[20]。此外，混凝土的断裂响应对断裂评估方法的选择十分敏感[21]。基于能量的方法如断裂能法（WFM）可直接从完整的荷载-位移响应中量化断裂能，而基于尺寸效应的方法如尺寸效应法（SEM）则通过不同尺寸几何相似试件的标度定律来评估断裂参数[22]。尽管两种方法均广泛应用于准脆性材料，但在不同d_max和水灰比条件下，针对再生混凝土的WFM与SEM断裂参数的系统比较仍然有限。

基于上述文献综述，可以识别出几个研究空白。首先，尚未采用基于断裂力学的系统方法全面研究d_max对再生混凝土断裂行为的影响。其次，尽管不同方法（特别是WFM和SEM）所得断裂参数之间的关系对断裂性能的一致解释至关重要，但针对再生混凝土的这种关系尚未得到明确建立。第三，尚缺乏能够根据关键配合比变量（如d_max和水灰比）估算再生混凝土断裂参数的预测模型。

为填补上述空白，本研究对d_max对再生混凝土断裂参数和延性影响进行了全面的实验研究。本研究的创新之处在于：同时应用并对比WFM和SEM来表征再生混凝土的断裂行为；系统评估d_max和水灰比对断裂能、断裂韧性和断裂过程区特征的影响；以及建立两种方法所得断裂能之间的定量关系。此外，基于实验数据开发并验证了多变量预测模型，为再生混凝土断裂参数的估算提供了实用工具。本研究共考虑了三种d_max（9.5 mm、12.5 mm和19 mm）和两种水灰比（0.35和0.50）。总共在三点弯曲条件下对138根带缺口梁进行了测试，其中18根试样用于WFM，120根试样用于SEM。断裂参数分别采用WFM和SEM进行评估。本研究的结果有助于更好地理解再生混凝土的断裂行为，并为可持续混凝土材料的基于断裂的设计和性能评估提供支持。

章节摘要

基于WFM的断裂参数

Hillerborg等人[23]首次提出了虚拟裂缝模型，其中断裂能的计算如下：$$$$其中，G_F为总断裂能，单位为N/mm，$$为荷载-位移曲线下方对应的面积，即总断裂能耗散能，单位为N·mm。此外，b、h和a₀分别表示梁的宽度、梁的高度和缺口深度，均以mm为单位。

Hillerborg等人[23]在以下方面描述了材料的脆性和延性

材料与配合比设计

本研究使用了三种最大粒径分别为9.5 mm、12.5 mm和19 mm的再生粗骨料，其饱和面干（SSD）密度为2.43 g/cm³。图1展示了再生骨料的外观。所有配合比均采用碎石砂作为细骨料，其细度模数为2.66，饱和面干密度为2.61 g/cm³，吸水率为2.1%，最大粒径为4.75 mm。

本研究使用的胶凝材料为II型波特兰水泥，其物理性能

最大骨料粒径对再生混凝土力学性能的影响

抗压强度、抗拉强度和弹性模量的结果见表3。图5展示了在水灰比为0.35和0.50两种条件下，不同d_max下再生混凝土的归一化力学性能。

根据图5，当最大骨料粒径从9.5 mm增大到19 mm时，在水灰比为0.35和0.50的条件下，抗压强度分别提高了约1.3%和9.1%。类似地，弹性模量也提高了约

结论

影响混凝土断裂特性的关键因素之一是最大骨料粒径（d_max）。因此，本研究采用断裂能法（WFM）和尺寸效应法（SEM），在两种水灰比（w/c）水平下，考察了d_max对再生骨料混凝土（RAC）力学性能和断裂参数的影响。利用伺服控制系统在三点弯曲条件下对138根带缺口梁进行了测试。得出以下结论：

作者贡献声明

Hossein Fallahnejad：论文撰写 – 初稿、验证、方法论、形式分析。Seyedrasoul Nabavian：论文撰写 – 初稿、验证、方法论、调查研究、形式分析。Aliakbar Gholampour：论文撰写 – 审阅与编辑、初稿撰写、验证、形式分析。

声明

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结论的数据可从通讯作者处合理获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的与本论文所述工作相关的竞争性经济利益或个人关系。

Seyed Rasoul Nabavian|Hossein Fallahnejad|Aliakbar Gholampour