钢筋再生骨料混凝土的抗剪性能：断裂表面粗糙度和基体强度的作用

《Theoretical and Applied Fracture Mechanics》：Shear capacity of reinforced recycled aggregate concrete: Roles of fracture-surface roughness and matrix strength

再生粗骨料混凝土（RAC）的断裂行为与抗剪性能受基质强度及裂纹形态影响，表面粗糙度通过改变应力传递机制调控抗剪能力，传统设计标准因未计入裂纹粗糙度导致安全系数不一致。

　　

Sourav Chakraborty | Kolluru V.L. Subramaniam

印度理工学院帕特纳分校土木工程系，比哈尔邦，邮政编码：801106，印度

摘要

回收粗骨料（RCA）作为天然骨料（NA）的可持续替代品，在混凝土领域越来越受欢迎。然而，为了在结构应用中广泛采用RCA，必须对其在各种加载条件下的行为有深入的了解。特别是，需要关注控制其破坏的机制以及回收骨料混凝土（RAC）在脆性破坏模式下的性能。在这种情况下，两个关键场景是I型断裂（与拉伸裂纹相关）和弯曲-剪切加载条件，这些条件通常决定了钢筋混凝土构件的极限强度和适用性。本文研究了两种不同混凝土基体强度下RAC的I型断裂和弯曲-剪切加载下的裂纹行为。虽然RAC的机械强度低于天然骨料混凝土（NAC），但裂纹轮廓的3D映射显示，剪切性能受裂纹形态的影响。提高基体强度会使RAC的裂纹表面更加粗糙，从而增强应力传递。使用数字图像相关（DIC）技术分析了弯曲-剪切裂纹的进展。破坏是通过主剪切裂纹处剪切应力传递的丧失来识别的。抗拉强度（f_t），用抗压强度的平方根表示，并不能完全解释RAC中观察到的剪切性能变化。本研究表明，RAC中较低的裂纹粗糙度会导致低强度混合物的弯曲-剪切性能整体下降，而较高的粗糙度则会抵消高强度RAC中的抗拉强度。因此，基于抗压强度的传统设计标准提供的安全裕度并不一致，因为没有考虑裂纹粗糙度这一因素。需要考虑表面粗糙度作为输入变量来制定一致的安全设计标准。

引言

来自旧混凝土结构的回收粗骨料（RCA）作为一种环保的天然骨料替代品而受到欢迎[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]。RCA在节约自然资源的同时，减少了天然骨料（NA）生产对环境的影响[9], [10], [11]。RCA是由拆除的混凝土结构、路面和实验室测试的混凝土试样制成的[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]。加工过程包括去除不需要的材料，按成分分类，并将其破碎成可用的碎片[12]。RCA的生产过程涉及破碎和碾压旧混凝土——在加工过程中，旧混凝土沿薄弱平面断裂，产生骨料大小的颗粒。因此，RAC是一种由旧骨料颗粒和粘附的砂浆组成的复合材料。每种RCA中的砂浆比例取决于旧混凝土中骨料和砂浆的相对强度以及骨料的大小[13]。

当骨料放置在混凝土基体中时，由于壁效应，在骨料表面附近会形成一个多孔的界面过渡区（ITZ）。界面过渡区由三层组成：多孔的浆体基质、薄的水层和Ca(OH)₂晶体[14], [15], [16], [17]。混凝土的强度和耐久性取决于ITZ的孔隙率，而ITZ的孔隙率又取决于基体成分。使用RCA制成的混凝土中，新的砂浆和RCA骨料相与旧砂浆之间的现有ITZ共同形成了一个多孔区域，这会影响吸水性、工作性和整体强度[13], [18], [19]。然而，这个多孔区域有助于RAC快速吸水、更快凝固并尽早获得强度[20]。现有ITZ和新ITZ的相对强度决定了混凝土中的裂纹路径[21]。通过密实化提高基体强度通常可以改善新ITZ的孔隙率分布。对于抗压强度超过45 MPa且RCA替代比例较低的混凝土等级，新ITZ的孔隙率低于参考混凝土[14]。骨料中捕获的水分可以参与基质中额外水泥的水化作用，从而通过延迟某些部分水泥浆体的水化来改善混凝土的性能。

由于在破碎和粉碎过程中旧混凝土产生的裂纹面，RCA的结构完整性会发生变化。生产过程往往会导致RAC中预先存在裂纹，使骨料本身变得脆弱[22], [23], [24]。RAC中的拉伸裂纹在较低的应力水平下发生，且其分裂裂纹的数量比NAC更多[25]。由于新砂浆界面处的孔隙率较高，RAC的抗拉断裂能量降低了40%，使其更加脆性[2], [26]。

混凝土的基体强度对其抗拉断裂响应起着关键作用。随着基体强度的增加，混凝土的抗拉强度也随之增加。然而，抗压强度的增加幅度相对更大。抗拉强度大致与抗压强度的平方根成正比[11]。与NAC相比，RCA的抗压强度随基体强度的增加而增加的比例较小[20]。抗压强度和抗拉强度之间的对应关系也被报道为线性关系[20]。

基体强度的影响不仅限于抗拉响应。它还显著影响钢筋混凝土的抗剪性能。随着基体强度的增加，抗拉断裂表面发生变化，这通过减少骨料之间的互锁（粗糙裂纹面之间的摩擦和咬合）来影响抗剪能力[24], [27], [28]。用RCA替代NA时，剪切裂纹的形状和角度没有观察到显著变化[3], [29]。然而，钢筋RAC梁的弯曲-剪切强度有所变化，一些研究表明，当全部用RCA替代NA时，抗剪强度降低了约12%至18%[29], [30], [31], [32], [33], [34]。即使在没有剪切加固的梁中，当NAC完全被RCA替代时，也观察到了更大的抗剪能力降低[35]。然而，其他研究则表明抗剪强度与NA相似或略有提高[36], [37], [38], [39], [40]。在理解剪切破坏机制方面，已经研究了RAC斜剪切试件中的界面粗糙度效应[5]。但这些研究仅限于RAC与NA界面的抗剪强度以及增加界面粗糙度的影响。还进行了推出试验，以寻找断裂表面粗糙度与抗剪强度之间的相关性[41]。这些先前的研究并未关注钢筋混凝土梁在实际弯曲-剪切破坏机制方面的行为。RAC中形成的弯曲-剪切裂纹的行为对于剪切载荷响应至关重要，但目前对此了解不足[28], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48]。

在先前的研究中，由于RCA内部产生了薄弱平面，导致抗拉断裂响应的变化[22]。然而，基体强度与RCA抗拉断裂表面特征之间的具体关系仍不甚清楚。同样，基体强度对实际情况下剪切裂纹形成和抗剪能力的影响（这与裂纹的粗糙度有关）也基本上未被探索。进一步研究这些领域可以为RAC在结构应用中的设计提供有价值的见解。

本研究建立在之前关于抗拉断裂（使用黏聚断裂建模）和剪切破坏（使用基于DIC的分析）的研究基础上[49]。它研究了RAC中的基体强度与其对钢筋混凝土梁中剪切裂纹形成影响之间的关系。钢筋混凝土梁的抗剪能力与RAC中的抗拉断裂特性和弯曲-剪切裂纹中的应力传递有关。评估了使用3D表面扫描量化的抗拉断裂表面对抗剪载荷抵抗力的影响。对使用不同抗压强度的RAC制成的钢筋混凝土梁进行了剪切裂纹的实验评估。通过改变基体成分和骨料含量来实现不同的抗压强度。评估了RAC和天然骨料混凝土的抗拉断裂，并将其与观察到的剪切裂纹进行了关联。钢筋混凝土梁的抗剪能力由剪切裂纹中的剪切应力传递决定，这与不同等级混凝土中的抗拉断裂表面特性有关。本研究还采用了一种新方法，建议校准回收骨料混凝土的膨胀关系，并使用膨胀斜率（$\mathrm{裂纹开口位移}/\mathrm{裂纹滑移位移}$）作为与设计相关的参数，以便比当前规范规定更准确地预测钢筋回收骨料混凝土梁的抗剪能力。

实验程序

实验程序

评估了研究中使用的天然骨料和回收骨料的物理性质。制定了不同等级混凝土相对于骨料的混合比例。使用数字图像相关（DIC）技术获得了天然骨料混凝土（NAC）和RAC在弯曲和弯曲剪切下的拉伸裂纹传播信息。开发了一种方法

断裂响应

图4展示了从NAC和RAC梁的断裂测试结果中得出的典型载荷-CMOD响应。对于M30和M50等级的混凝土，加入RCA后，断裂测试响应的峰值载荷明显降低。除了峰值载荷的降低外，峰值载荷前后的断裂响应也有显著差异。RAC梁的峰值前刚度也小于NA梁。

M30等级混凝土

图11展示了NAC和RAC变体的钢加固M30梁的弯曲-剪切行为。尽管两种混凝土类型的载荷-位移曲线大致相似，但RAC试样的峰值强度明显下降。具体来说，含有回收骨料的梁的极限抗剪能力有所降低。每个测试组内单个试样的数据保持

讨论

实验断裂数据显示，两种混凝土等级都呈现出一致的趋势：加入RCA导致CMOD响应的峰值载荷降低，随后抗拉强度也降低[22], [23]。虽然M30等级的抗拉强度下降了14%，与其抗压强度的下降相匹配，但M50等级的抗拉强度下降幅度较小，仅为9%，尽管其立方体抗压强度下降了25%。随着基体强度的增加，

结论

评估了不同基体强度下NAC和RAC的抗拉断裂和弯曲剪切性能。本研究探讨了基体强度对含有回收粗骨料的钢筋混凝土梁的抗拉强度和弯曲剪切能力之间关系的影响。对于M30混凝土，观察到RAC的峰值载荷和初始刚度低于其NAC对应物。随着混凝土等级的提高，断裂行为也表现出类似的模式

符合伦理标准

作者声明没有利益冲突。

CRediT作者贡献声明

Sourav Chakraborty：撰写——原始草稿、验证、调查。Kolluru V.L. Subramaniam：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。