1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
1.1.1 选题背景
相关资料表明，在我国东北、华北和西北地区的水工建筑物以及北方沿海地区的港工建筑物均存在不同程度的冻融破坏[1]。在寒冷地区，长期的冻融循环将导致混凝土结构的耐久性能受到极大的损坏，耐久性能的减弱致使建筑物无法继续承载压力而破坏[2]。加之近年我国南方地区存在部分省份受到雨雪、低温、冰冻灾害等影响，因此混凝土结构在冻融环境下的耐久性问题必须引起重视。
另一方面，当前有很多由于使用年限到期或受不可抗力影响而出现损坏的建筑物面临被拆除，而往往将房屋拆除后都会产生大量废旧的混凝土。根据最新的统计发现，每年我国因建筑物拆除而产生的废旧混凝土总量大约有 1550Mt，并且该总量呈现出继续上升的趋势[3]。针对数量庞大的废旧混凝土目前常用的处理方式主要有露天堆放和直接填埋两种方法，这两种处理方式不仅会严重浪费自然资源，同时还会对环境造成较大的破坏。而且每年我国大约还要消耗 1500~2000 Mm3的新拌混凝土，全世界每年因建设需要所消耗的砂石、水泥的总量大约分别为 13120Mt 和 2620Mt[4,5]，大量的消耗必将造成自然资源的过度开采以及环境污染，所以将废弃混凝土重新利用是缓解当前资源过度浪费与环境污染的一种新出路，能否成功的将再生混凝土应用于寒冷地区成为当前我们关注的热点问题[6]。
再生混凝土顾名思义是指将建筑物拆除后产生的废旧混凝土重新收集起来进行打碎、清洗、分级后按照一定的比例替代普通的粗集料，然后再与水、水泥拌和形成的一种全新混凝土。为了能更好的将废弃混凝土进行重复利用，提高废弃混凝土的利用效率，所以需对再生混凝土的各项力学性能进行研究，从而达到高效利用废旧混凝土的目的[7]。
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1.2 再生混凝土的力学性能研究现状
1.2.1 再生混凝土的抗冻性能
抗冻性能作为衡量混凝土耐久性的一个重要指标，对其进行研究具有重要的意义。
王健[11]通过研究 9 个再生混凝土棱柱体试件在冻融后质量与动弹模量的损失情况发现，随着冻融次数的增加，棱柱体试件质量的损失程度先增大后减小；当冻融次数达 200次时，试件质量和相对动弹模量的损失率分别为 0.77%和 5.4%。
陈爱玖等[12]利用正交试验研究再生混凝土试件的抗冻耐久性受粗骨料、纤维和减水剂等因素的影响。结果发现，减水剂对混凝土的抗冻性能影响最大，粗骨料和纤维的影响较小，再生混凝土抗冻融的能力会随着粗骨料掺量的增加而逐渐降低。
万连建[13]通过室内试验探讨再生混凝土应用于公路基层的可行性，结果表明，全再生混凝土的抗冻性能比普通混凝土差。
焦隽隽等[14]选取再生粗、细骨料双掺成型再生混凝土研究再生骨料混凝土受冻融损伤的问题，采用快速冻融方法研究其质量损失与相对动弹性模量变化的规律。结果表明，在冻融循环下质量损失逐渐增大,相对动弹性模量逐渐变小。
冯嘉等[15]通过对影响再生混凝土抗冻性的两个因素（骨料替代率、矿物掺量）进行研究发现，再生混凝土的质量损失率与粗骨料替代率成反比关系，当取代率越大时，质量损失率越小。
Hasaba 和 Kawamura[16]研究发现，再生混凝土在冻融过程中最先出现破坏的位置是混凝土内部的新老砂浆界面处，此处老砂浆与新砂浆粘结较弱，造成再生混凝土的抗冻性能减弱。
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2 再生粗骨料制备及再生混凝土试块制作
2.1 再生粗骨料制备
目前用于混凝土破碎的方法主要有两种，分为机械破碎法与人工破碎法。机械破碎法主要是采用颚式破碎机对混凝土进行破碎，它具有破碎速度快、耗能大等特点；而人工破碎则是借助人力采用小型工具（如铁锤）对混凝土进行破碎，其具有速度慢、耗能相对少等特点。由于本次试验所需的粗骨料较多，同时也为节省试验时间，通过对比后决定采用机械破碎法对混凝土进行破碎。
试验采用的废弃混凝土来源于一栋使用时间为 20 年的废旧房屋，建造该房屋的原混凝土强度等级为 30 MPa。由于废弃混凝土的组成成分较丰富，所以在粗骨料制作前需依据强度等级和使用年限提前将废旧混凝土进行归类，然后除去混凝土内所含有的杂质（如木渣和钢筋等），接着使用鄂式破碎机将混凝土破碎到合适的粒径，最后使用圆孔筛子对破碎的粗骨料进行筛分，将筛分好的粗骨料装袋备用。本试验中采用的粗骨料粒径范围在 5-31.5 mm 之间，由于粒径过小的粗骨料会对混凝土的力学性能产生削弱，所以一般不建议采用。如图 2.1 所示的是筛分后的再生粗骨料与普通粗骨料，图 2.2 为制作再生粗骨料的基本流程，图 2.3 所示为再生粗骨料与天然粗骨料的级配曲线图。
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2.2 再生粗骨料特性指标
再生粗骨料与天然粗骨料的区别主要在于再生粗骨料中砂浆含量较高、颗粒棱角多、孔隙率大、针片状含量高和堆积密度小，其基本性能对再生混凝土的力学性能影响较大。经试验测得所制备粗骨料的特性指标见表 2.1 所示：
（1）表观密度与堆积密度
由于再生粗骨料是从废弃混凝土中剔选得到的，往往在其表面存在一层水泥砂浆，水泥砂浆致使再生粗骨料相比普通砂石的表面更粗糙且棱角更多，再加上混凝土在破碎的过程中由于会受到外力的猛烈撞击而产生较大的损伤，从而使破碎后的骨料内部出现较多微小的裂缝，裂缝数量的增多导致再生粗骨料的吸水率升高、表观密度与堆积密度降低。
（2）压碎指标
压碎指标是用于表示在压力增加的情况下粗骨料所能承受压碎的能力。当粗骨料越坚硬时此值越小，相反，当粗骨料越软时则此值越大。由于在压力的作用下再生骨料相比普通骨料的压碎值更大，说明天然粗骨料的抗压能力更强。
（3）工作性能
当不考虑添加附加水时制作的再生混凝土通常其流动性和坍落度比天然混凝土小，粘聚性、保水性较天然混凝土好。但是当考虑添加附加水时，此时制作的再生混凝土与天然混凝土有着几乎相同的流动性和坍落度，而且粘聚性及保水性均比天然混凝土更好[50-52]。
（4）吸水率
由于再生粗骨料的表面通常会存在一层水泥砂浆且再生粗骨料的内部含有大量的微裂缝，所以往往再生粗骨料的吸水率远大于天然粗骨料
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3 再生混凝土冻融循环试验及破坏机理分析 .......................................... 16
3.1 混凝土冻融条件 ...................................... 16
3.2 冻融循环试验流程 .................................. 16
3.3 冻融试验结果分析 ...................................... 17
再生混凝土冻融循环后的力学性能研究 ............................ 23
4.1 霍普金森压杆原理及试验 ................................... 23
4.1.1 霍普金森压杆原理 ................................... 23
4.1.2 霍普金森压杆试验 ............................. 27
5 冻融循环后再生混凝土静态抗压有限元分析 ................................ 41
5.1 引言 ................................ 41
5.2 混凝土本构模型 ................................. 41
5.3 再生混凝土抗压试验有限元分析 ................................... 42
5 冻融循环后再生混凝土静态抗压有限元分析
5.1 引言
采用有限元软件对混凝土的力学性能进行模拟对于充分发挥材料强度、提高设计水平、降低工程造价具有十分重要的意义。随着计算机的迅速发展，有限元数值模拟技术应用于混凝土研究方面也越来越成熟。由于材料、试验条件和环境等因素会使得试验所得结果产生较大偏差，难以测得再生混凝土冻融后的真实力学特性，从而无法达到预期的研究目的。此次数值模拟的目的是为了对前面试验所得出的部分结果进行验证，利用有限元数值模拟技术对冻融后再生混凝土进行静态抗压模拟分析，将模拟得出的结果与试验实测结果进行对比，若发现试验结果与数值模拟结果偏差较大，则及时对试验过程和试验条件进行检查、调整，然后重新展开试验，直到得出更为准确的结果，为更好的推广和利用再生混凝土提供有力的理论支撑。
虽然国内外学者针对混凝土提出了多种不同的本构模型，但截至到当前为止还没有一种本构模型被大家所公认，目前本构模型主要分为如下四种类型：
（1）线弹性本构模型
线弹性本构模型是假定材料在加卸载时应力与应变的比值为常数值，该数值也被称为弹性模量，而且当完全卸载后材料内部无残余变形。到目前为止，线弹性本构模型是所有模型中发展最为成熟的一个本构模型，同时其他类型的本构模型也是基于该模型基础上逐渐发展起来的。由于混凝土是非线性材料，所以从理论上讲该模型并不适合用于描述混凝土，但是在某些特殊情况下可使用线弹性本构模型进行分析计算，而且计算过程也较为简便。
（2）非线弹性本构模型
非线弹性本构模型中应力与应变的比值不再为固定值，该值主要与应变有关，当应变越大时该值越小。但是在卸载阶段，应力应变曲线与原曲线相同，即不会产生残余变形。该模型是在试验基础上得出的计算表达式和具体参数值，它不仅有较好的计算精度同时模型的参数表达式也较为简洁，易于计算和应用，但它不能反映加卸载的区别，因此不能用于卸载、非比例加载和加卸载循环等情况。
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6 结论与展望
6.1 结论
本文利用霍普金森压杆动态冲击试验、静态抗压试验和巴西劈裂抗拉试验对普通混凝土和再生混凝土的力学性能进行研究，并利用有限元软件对冻融后混凝土的力学性能进行模拟分析，最后将试验值与模拟值进行对比，主要得出如下结论：
（1）由冻融循环试验得知，在不同强度等级下，水灰比越大则吸水率越大；在相同强度等级下，粗骨料取代率越大则吸水率越大；
（2）由动态冲击试验得知，在未冻融情况下，再生混凝土的动态抗压强度会随着粗骨料替代率的增大而逐渐降低；而在冻融情况下，天然混凝土与全再生混凝土的透射波波峰值几乎相同，说明全再生混凝土和天然混凝土的强度相差较小。
（3）对于同类型的 C30 或 C40 混凝土试件在冻融前后其抗拉强度损失率最高达14.29%和 4.60%，说明混凝土的强度等级越高抗拉强度损失率越小，表明强度等级越高的混凝土更适合应用于寒冷地区；
（4）从抗压试验可得，水泥砂浆体的损坏是造成普通混凝土或再生混凝土破坏的主要原因，同时粗骨料与砂浆的分离也会削弱混凝土的抗压强度。混凝土破坏的走向与力加载的方向相同，通常在其表面会出现肉眼清晰可见的裂缝并伴随有砂浆的剥落，再生混凝土破碎的程度比普通混凝土更加严重、砂浆掉落更厉害，表明在寒冷地区再生混凝土的抗压强度低于普通混凝土；
（5）将有限元模拟所得结果与试验实测结果对比发现，模拟值与实测值相差较小，二者相互验证，说明模拟结果与实测结果真实可靠，为更好的了解再生混凝土的力学性能提供了有力的理论依据。
参考文献（略）