本文是一篇土木工程论文，本文通过对不同种类的再生混凝土在不同取代率、水灰比和砂率时的力学性能进行数值分析，以抗折强度为设计标准，找出适合用于道路面层的再生混凝土最优配合比。同时利用有限元软件，研究了数值模拟对抗压、抗折以及劈裂抗拉强度预测的准确性，并分析了三种强度试验的应力、应变分布特征，研究结果具有一定的适用性。
1 绪论
1.1 课题背景与研究意义
随着我国经济的快速着增长，建筑行业也迎来了一段快速发展的时期，大量的基础设施被建设起来。其中公路、桥梁等公共设施的建设力度不断加大，行业对满足道路使用要求的混凝土材料需求量越来越多，这无疑加重了对自然资源的开采和对环境的破坏。截止 2019 年，中国城镇化率达到了 60.6%[1]，不断发展的土木工程行业也给我们的环境造成了巨大的负担，随着老旧建筑不断废弃拆除，产生了大量的建筑垃圾。据估算，到 2020 年底，我国每年会产生 20 亿吨的建筑垃圾，数量已接近城市总垃圾量的 40%，并以每年 10%的速度增长[2]。大量的垃圾不仅严重污染环境，还侵占大量土地，同时一部分有害物质还会随雨水等渗入地下，进一步污染地下水。相较于国内，国外在建筑垃圾再利用方面已经有充分的实践经验。日本很早就开始实行建筑垃圾再利用，其回收利用率已经达到了98%。早在 2011 年，欧盟国家间的建筑垃圾回收利用率就达到了 10%-40%，并在2020 年将建筑垃圾利用率提高至 70%[3]。美国在道路工程中使用经过处理的沥青建筑垃圾制作再生混凝土，利用率达到了 100%，且具有和新沥青混凝土同样的性能。我国在 1997 年时已经把建筑垃圾的综合利用作为推广项目，并应用到实际工程中，并在 2011 年先后制定并实施了《混凝土和砂浆用再生细骨料》（GB/T 25176—2010）、《混凝土用再生骨料》（GB/T 25177—2010）和《再生骨料应用技术规程》[4]（JGJ/T 240—2011）。随着第十四个五年计划的发布，我国对建筑类行业在环境保护方面提出了更高的要求，我们应该进一步发展适合国内现状的再生混凝土技术，推进建筑行业高效、绿色和可持续的发展。
由于大量建筑项目投入，使得天然骨料资源出现短缺，价格上涨。以砂石为例，在建筑市场上，砂石的市场价格整体呈上升趋势[5]。与此同时，由于国家对非法采砂的严厉打击，使得砂石短缺进一步加重。为了应对不断紧张的天然建筑材料供应需求和日益严格环境保护要求，推进再生混凝土的利用势在必行。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 再生混凝土配合比设计研究现状
再生混凝土的配合比设计目前还没有统一的标准[8]，再生骨料的性质具有离散性。再生骨料的来源不同，性能差别就会很大，而且再生骨料相对于天然骨料有更高的吸水率和孔隙率，以及再生骨料的高压碎值和低表观密度等缺点，造成了再生混凝土配合比设计方法无法统一。再生混凝土的配合比设计方法有基于自由水灰比和基于正交试验两种。张学兵[9]研究发现再生骨料的吸水率和吸水速率明显大于天然碎石和天然砾石骨料，并给出了相应的经验公式。H. Z.Cu[10]发现，通过对再生骨料进行预湿水处理，或者增加额外用水量，可以显著提高再生混凝土的强度。VWY Tam[11-13]发现，在混凝土搅拌时分两次加水可以提高再生混凝土的强度。国内对再生混凝土配合比设计的研究更多的以天然混凝土配合比设计方法为基础，并以此进行改进。史魏[14]和张亚梅[15]分别以自由水灰比为基础，提出了再生混凝土配合比设计方法和再生骨料预吸水的方法。邓寿昌[16]等的研究发现，以普通混凝土的水灰比计算方法为基础，通过额外加入再生混凝土的附加含水量，并根据其提出的再生混凝土的附加含水量计算公式，即可计算出最终适合用于再生混凝土的水灰比。苏荔兴[17]的研究发现，在再生混凝土中加入高效减水剂、粉煤灰矿渣等矿物掺料可以大幅提高力学性能，同时使坍落度满足泵送要求，但弹性模量相比普通混凝土提升不高。白文辉[18]等在自由水灰比再生混凝土配合比设计法的基础上进一步总结了自由水灰比再生混凝土初步配合比设计步骤。Rajkumar B[19]等研究发现，相比于天然混凝土，在相同用水量时，再生混凝土的坍落度更低，流动性变差，保水性增强。如果在再生骨料中掺入粉煤灰、矿渣和外加剂等可以增强再生混凝土的和易性。彭小芹[20]等通过嵌挤骨架密实法优化再生混凝土配合比设计，研究表明，这种方法适用于不同种类的再生骨料，且相比普通配合比设计方法制成的再生混凝土有更好的力学性能。
现阶段再生混凝土配合比设计方法更多的聚焦于通过补充再生骨料额外所需的水分，弥补再生混凝土吸水率较高的缺点。通过研究影响再生混凝土力学性能的因素，通过正交试验法等确定各个因素对再生混凝土力学性能的影响程度，通过控制主要的影响因素来保证再生混凝土的力学性能。本质上由于再生骨料的表面有旧砂浆，使得再生骨料有高吸水性和低密度等缺点，因此再生混凝土的配合比设计必须考虑这些不利因素，根据再生骨料的具体情况有针对性的调整配合比设计方法，从而保证再生混凝土的力学性能。
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2 试验材料与方案设计
2.1 试验原材料及性质
根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》[54] (JTG/T F30-2014)的相关规定，水泥混凝土公路面层粗骨料应选择碎石、破碎砾石或砾石，因此本试验选择碎石和砾石两种粗骨料作为混凝土的天然骨料。
2.1.1 水泥
本次试验水泥选自吉林省长春市某水泥厂生产的普通硅酸盐水泥（P.O42.5），密度为 3100kg/m3。根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》[52]（JTG 3420-2020）规定，本试验中水泥相关性能指标均满足要求，详见表 2-1。
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2.1.2 粗骨料
粗骨料各项数据均按照《公路工程集料试验规程》[53]（JTG E42-2005）中规定的试验方法获得，粗骨料的各项性质要求均满足规范[54]的相关规定。天然粗骨料采用通榆县某石料场生产的最大公称粒径为 31.5 mm 的天然砾石和天然碎石；再生粗集料采用通榆县某再生骨料处理厂生产的再生粗骨料，对天然粗骨料进行孔径为 4.75~9.5 mm、9.5~19 mm 和 19~31.5 mm 的粗骨料筛分试验，确定天然粗骨料各孔径合成级配占比为 25%、35%和 40%。
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2.2 试验方法
正交法常用于研究多种因素对试验结果的影响，通过合理的因素组合，可以在减少试验次数的同时，选择有代表性的组合进行试验，在保证试验结果准确性的前提下，提高效率，节约材料。
本文以的配合比设计方法参考规范[54]，以再生骨料取代率、水灰比和砂率为三因素，每种因素下设置三个水平，采用正交法，为碎石组和砾石组各设置 9组配合比，制作了两种类型的再生混凝土试件。养护后，对立方体和棱柱体试件进行力学性能试验，并对试验数据进行了数值分析。
2.2.1 正交表及用法
正交表是一套满足一定规则的表格，用来安排试验方案。使用时只需将分配好的因素水平填到正交表对应的位置，即可得到符合正交试验要求的正交表。此时正交表中的各组试验均具有一定的代表性，减少试验次数，提高试验效率。以本论文试验为例，采用对比法进行进行试验时，一共需要 27 组试验，两种再生混泥土则一共需要 54 组试验。而根据正交试验法并以 L9(34)正交表为基础设计本次试验各因素水平的组合，则每种再生混凝土仅需要进行 9 组试验，两种再生混凝土一共仅需要进行 18 组试验。
根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》[55]（GB_T50081-2019）制作三种尺寸的试件。抗压强度试验用试件为边长 150mm 的立方体，抗折强度试验用试件尺寸为150mm×150mm×550mm的棱柱体，劈裂抗拉强度试验用试件尺寸为边长 100mm 立方体。试验时测试再生混凝土坍落度的大小，主要分布在 200mm 左右，含气量分布在 3.5~4.5%之间。本次试验的混凝土面层配合比将作为道路面层施工配合比，混凝土搅拌站制作商品泵送混凝土，运往距离搅拌站 10 公里外的施工工地，耗时约 30min~50min。必须保证施工所需求的工作性能。混凝土搅拌结束后，测试坍落度和含气量，测试结果满足要求后进行装模。采用的模具为新型工程塑料模具，在装模前，需在试模内壁均匀的涂抹一层润滑机油。当模具中的混凝土装入一半时，插捣均匀后继续装填至满，放置振动台振捣均匀密实后，刮去多余水泥浆体，使用抹刀将试件表面抹平，使混凝土表面光滑无气泡，放置水平地面并编号。
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3 再生混凝土力学性能分析 ....................... 21
3.1 再生混凝土抗压强度试验 ................................. 21
3.1.1 碎石组、砾石组抗压强度 ....................... 21
3.1.2 结果分析 ................................ 23
4 基于 ABAQUS 的再生混凝土力学性能模拟 ...................... 33
4.1 混凝土塑性损伤理论 ............................ 33
4.2 再生混凝土的本构关系 ................................... 35
4.3 塑性损伤模型参数设置 .................................... 35
5 结论与展望 .............................. 48
5.1 结论 ....................................... 48
5.2 展望 ............................................. 49
4 基于 ABAQUS 的再生混凝土力学性能模拟
4.1 混凝土塑性损伤理论
有限元分析采用的理论模型为塑性损伤模型。该理论以塑性变形为基础，将混凝土视为各向同性材料，认为混凝土的破坏是由于拉伸和压缩导致了材料的损伤开裂[64]。该模型是以 Lubliner[65]和 Lee and Fenves[66]提出的理论为基础建的。图 4-1、图 4-2 为塑性损伤模型中，混凝土在拉伸和压缩时的非弹性应力-应变曲线。
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5 结论与展望
5.1 结论
本文以再生骨料取代率，水灰比和砂率为影响因素，选用碎石和砾石两种天然粗骨料，采用正交法，为碎石组和砾石组各设置 9 组试验，制作再生混凝土试件，养护后对立方体和棱柱体试件进行力学性能试验，并对试验数据进行了数值分析，找出两种天然骨料下再生混凝土强度的影响因素及规律。同时确定了以道路面层抗折强度为设计指标时的最优配合比，为工程实践提供设计依据。利用ABAQUS 有限元软件模拟抗压、抗折和劈裂抗拉强度试验，通过比较数值模拟和试验的结果，总结数值模拟在再生混凝土强度预测上的特点，总结如下：
（1）在三种强度试验中，再生骨料虽然强度不如天然骨料，但在某些条件下却可以提高再生混凝土的强度。由于再生骨料的旧砂浆和微裂缝使其吸水率较高，造成再生混凝土在硬化成型的过程中实际水灰比降低，提高了再生混凝土的强度；而再生骨料本身的微裂缝和旧砂浆等缺陷是再生混凝土的强度降低。两种因素同时作用影响着再生混凝土的抗压、抗折和劈裂抗拉强度。
（2）天然骨料的种类会一定程度影响成型后的再生混凝土的强度。即使在相同的配合比下，天然骨料的不同也会使成型后的再生混凝土的强度产生显著的差别。
（3）天然骨料与再生骨料性质差别较大时，再生骨料取代率就会成为影响试件强度的主要因素，当天然骨料与再生骨料性质差别较小时，水灰比将会成为影响再生混凝土强度的最重要的因素，砂率对不同种类的再生混凝土的强度影响均较小。
（4）以抗折强度为设计标准时，以砾石组为例验证了本次试验的再生混凝土最优组合为再生骨料取代率 30%，水灰比 0.37，砂率 0.32。试验确认优化后砾石组再生混凝土的抗折强度可达到 5.1Mpa，为 9 组正交试验中抗折强度最高。
（5）砂率在不同再生骨料取代率下对劈裂抗拉强度的影响并未表现出明显的规律性，但是取代率的变化对这两种再生混凝土的劈裂抗拉强度影响的程度不同。
（6）通过对比数值模拟结果和试验发现，裂缝往往产生于应变最大处，并向上下表面扩展，直至贯穿整个试件，使试件丧失承载能力。劈裂抗拉试验中，试件的应力分布最复杂，存在拉-压-拉三层应力包裹的情况，由于较为复杂的应力分布，使得数值模拟误差较大。
参考文献（略）