养护条件对掺再生微粉活性粉末混凝土力学性能影响研究

Study on the Effect of Curing Condition on Mechanical Properties of Reactive Powder Concrete with Recycled Powder

摘要

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是一种超高性能水泥基复合材料。再生微粉是由废弃混凝土和废弃烧结砖经破碎、粉磨制成的微细粉末，其含有未水化的活性颗粒，可作为补充胶凝材料掺于RPC中。本文研究了养护条件对再生微粉RPC力学性能的影响。试验研究了蒸汽养护和标准养护条件下再生微粉RPC 3 d、7 d和28 d龄期的抗折强度、抗压强度和28 d龄期的轴心抗压强度、杨氏模量。试验结果表明，蒸汽养护对再生微粉RPC的3 d、7 d的抗折、抗压强度提升作用明显，可提高28 d抗压强度和轴心抗压强度，但是会降低28 d抗折强度，对28 d弹性模量影响不大。此外，蒸汽养护会降低试件折压比，即降低试件的韧性和抗裂性能。利用有限元软件ANSYS在细观层次上对再生微粉RPC受力性能进行模拟，模拟结果与试验结果较吻合。

Abstract

Reactive Powder Concrete （RPC） is an ultra-high performance cement-based composite material. Recycled powder is produced from waste concrete and waste brick by crushing and grinding. It includes unhydrated particles and could act as complementary cement materials for RPC. This paper studied the flexural， compressive strength at 3 d， 7 d， 28 d and axial compressive strength， elastic modulus at 28 d under two different curing conditions （steam curing and standard curing）. Results show that steam curing greatly increases flexural and compressive strength of RPC at 3 d and 7 d. Steam curing improves the compressive strength and axial compressive strength at 28 d， but decreases 28 d flexural strength and has little effect on 28 d elastic modulus. In addition， steam curing reduces flexural strength to compressive strength ratio （toughness and crack resistance）. Then ANSYS was used to simulate the mechanical properties of recycled RPC concrete at the mesoscopic level， and the simulation fits well with the experiments.

Graphical abstract

关键词

RPC / 再生微粉 / 养护条件 / 力学性能 / 弹性模量

Key words

RPC / recycled powder / curing condition / mechanical properties / elastic modulus

0 引 言

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，或称RPC）问世于1990年左右，后由法国Bouygues公司推广，是一种新型建筑材料^［1］。RPC具有超高强度、高耐久性、高韧性和高体积稳定性等优异性能。再生微粉是废弃的混凝土和烧结黏土砖经破碎、粉磨至一定细度制成的微细粉末^［2］。由于其含有未水化的活性颗粒，在RPC的制备中可作为水泥的部分替代掺合料^［3］。使用再生微粉作为RPC的掺合料，不仅能减少建筑垃圾对环境造成的污染，还能降低RPC的使用成本^［3］。

混凝土的养护条件，尤其是温度与湿度，对混凝土的抗折强度、抗压强度和轴心抗压强度等力学性能有重要影响。养护条件的制定（湿度、温度、时间等）并没有明确的标准规定^［4］。国内外学者进行了大量的试验，以得出适合RPC力学性能发展的养护条件。

常见的养护方式包括标准养护、水养护、热水养护、自然养护、蒸汽养护、蒸压养护、低压蒸汽养护、热空气养护、加速养护以及养护期间施加预压应力等^［4-5］。不同的养护方式可以混合使用，一些学者通过试验对比，确定了一些对RPC力学性能有利的个性化养护方式。Ipek等^［5］的试验表明，蒸汽养护后高温干热养护的试样抗压强度高于其他养护方法。Aydin等^［6］研究发现，初凝过程施加预压应力后进行高压釜养护能够有效提高RPC的抗压强度。Mostofinejad等^［7］的试验表明3 d高压蒸汽养护（125 ℃）后进行7 d热养护（220 ℃）是提升无钢纤维RPC抗压强度的一种有效养护方式。Xu等^［8］发现提高抗压强度的最优养护方式是水中预养护2 d后80 ℃高温蒸汽养护2 d。

试验表明，蒸汽养护和高压养护往往能增加抗压强度，对劈裂抗拉强度影响不大，对抗折强度和韧性有不利影响^［9］。相比于标准养护，热水养护条件对RPC的抗压强度有显著的提升效果^［10］，温度的升高可充分激发活性石英粉末的火山灰效应，从而提高RPC的抗压强度和抗冲击性，但RPC抗折强度不如标准养护的试件。Zhu等^［11］研究发现再生微粉的水化活性及火山灰活性对混凝土抗压、抗弯强度起主要贡献，其中水化活性对混凝土早期抗压、抗弯强度有较大影响，火山灰活性对其后期抗压、抗弯强度有较大影响。

此外，养护条件与其他因素（如钢纤维含量、龄期、配合比等）之间存在相互作用，Zhang等^［12］在自然养护、标准养护和复合养护（先热水养护，后自然养护）条件，对钢纤维含量为1%~5%的RPC试件进行了抗压强度试验。结果表明，在钢纤维掺量低于4％的前提下，钢纤维掺量越高，试件的抗压强度越高。在钢纤维含量小于3%时，标准养护对7 d龄期试件抗压强度的提升效果最显著，但在钢纤维含量大于3%时，复合养护对抗压强度的提升更为显著，而在28 d龄期时，复合养护更适合用于低钢纤维含量的试件，养护条件的变化对高钢纤维含量试件的抗压强度并无显著影响^［2］。Chen等^［3］的研究表明不同的粉煤灰替代率下高压釜养护的最佳压力值是不同的，10%替代率下为1 MPa，20%和30%替代率下为1.5 MPa。最佳养护压力取决于CaO/Si的摩尔含量比^［4］。

不同养护方式的最佳养护时间不同。高压釜养护时间与抗压强度之间并不是正相关关系，Chen等^［3］和Bahedh等^［13］的研究表明高压釜养护的最佳时间为10 h，超过这个时间会降低RPC的抗压强度。这表明RPC可能存在最佳结晶极限，低于或超过这个极限都不能使RPC达到最佳结晶度^［4］。Hiremath^［15］研究了不同类型的养护方案，在养护时长为3 h时，加速养护对抗压强度的提升最大。在养护时长为12 h时，热水养护的效果最好。

综合国内外学者关于养护条件对RPC的力学性能影响的研究可知，养护条件对于RPC的力学性能有较大影响^［2］。目前对于养护条件对掺再生微粉RPC力学性能的影响研究有限，需要进一步研究^［2］。本文通过试验分析了蒸汽养护和标准养护条件对再生微粉RPC不同龄期抗折强度、抗压强度以及杨氏模量的影响，并对再生微粉RPC受力性能进行了有限元模拟。

1 再生微粉RPC力学性能试验

1.1　主要原材料

本试验选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其颗粒的平均粒径为17 μm，比表面积为12 754 cm²/cm³，化学成分如表1所示。硅灰颗粒的平均粒径为0.26 μm，化学成分和物理性质如表2和表3所示。本实验所选用的细砂为天然砂，平均粒径为487 μm。再生微粉由上海德滨环保科技有限公司生产，平均粒径为16.143 μm，由废弃混凝土和废弃烧结黏土砖制成，生产工艺主要包含如下四个步骤：①初级破碎，剥离钢筋；②分拣筛选，水洗，除杂；③二次破碎，烘干；④均匀混合，精细研磨。再生微粉的化学成分使用X射线荧光光谱分析，结果如表4所示。上述材料粒度分析见图1所示。

本实验使用的减水剂是上海建科院生产的TF—8101B多元羧酸减水剂，其减水率为31.8%，固体占比为40%。此外本实验还选用了镀铜微丝钩端钢纤维，其物理参数如表5所示。

1.2　试验设计与准备

1.2.1　配合比设计

Mao等^［16］对再生微粉RPC的配合比进行了优化设计，建议水灰比为0.16，胶凝材料中再生微粉替代率为30%，胶凝材料中硅灰替代率为15%，钢纤维体积含量取2%。基于改进后的Dinger-Funk模型计算和试验研究^［16］，最终选用的配合比参数如表6所示。减水剂掺量需满足其中固体含量为胶凝材料（水泥、微粉、硅灰）掺量的1.00%。

1.2.2　试件制作

本文依据GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》^［17］，制作了用于抗折、抗压强度试验的试件，尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，共设计三种龄期，为3 d、7 d和28 d，每种养护条件下9个试件。依据GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》^［18］，制作尺寸为160 mm×100 mm×300 mm的用于轴心抗压强度试验和弹性模量测试的非标准试件，设计龄期为28 d，每种养护条件下6个试件，其中3个试件用于轴心抗压强度试验，测量的结果将作为弹性模量测试的加压标准，另外3个试件用于弹性模量试验。

材料搅拌制度如下：①根据设计配合比计算所需原料质量，称取相应质量的原料；②将水泥、硅灰和再生微粉投入搅拌机中，慢速干拌2 min；③加入75％的减水剂和水，慢速搅拌3 min；④加入天然砂，缓慢搅拌3 min；⑤加入剩余25％的减水剂和水，慢速搅拌3 min后继续快速搅拌3 min；⑥加入钢纤维，快速搅拌3~5 min后，慢速搅拌1 min。

分别采用标准养护与蒸汽养护两种养护方式。

标准养护条件依据规范GB/T 50081—2019规范^［18］中规定的养护要求进行设置。试样制作完成后，在标准养护室中静置1 d待试件凝固成型，而后将试件编号、拆模并在标准养护室中养护至设计龄期。

蒸汽养护条件下，先将试件置于标准养护室中养护1 d，保证其稳定成型，而后编号、拆模，将试件移至蒸汽养护箱中，养护时间为3 d。蒸汽养护结束后，再将试件移回标准养护室中养护至试件设计龄期。

控制标准养护室温度为（20±2） ℃，相对湿度（RH）≥95%。Ipek等^［5］的研究中设计了多种养护方式，其中90 ℃的蒸汽养护后进行200~300 ℃高温干热养护对RPC28 d抗压强度的提升作用最为显著，参照其研究结果，设置本试验蒸汽养护箱温度≥90 ℃。

1.2.3　试件加载

（1） 抗折强度试验

使用SYE-2000型电液式压力试验机进行抗折强度试验，参照GB/T 17671—2021规范^［17］，试件长轴垂直于支撑圆柱，加载圆柱以50 N/s±10 N/s的速度均匀垂直加载直至试件折断。

（2） 抗压强度试验

参照GB/T 17671—2021规范^［17］进行试验，保持抗折试验得到的半截棱柱体表面处于潮湿状态直至抗压强度试验。同样使用SYE-2000型试验机进行测试，在半棱柱体一侧进行抗压强度试验，半截棱柱体中心与压力机压板受压中心差需在\pm \mathrm{0.5} mm内，加载速度为2 400 N/s±200 N/s，均匀垂直作用于混凝土侧面。

（3） 轴心抗压强度试验

使用SYE-2000型试验机，参照GB/T 50081—2019规范^［18］进行试验，保持试件表面和承压板干净，保证试件轴心对准上下压板中心，启动试验机连续均匀地加载直至破坏，加载速率为0.8~1.0 MPa/s。

（4） 弹性模量试验

使用SYE-2000型试验机，参照GB/T 50081—2019规范^［18］进行试验，使用齿轮式千分表测量变形，测量标距为150 mm，根据轴心抗压强度测试的参考值确定弹性模量测试的加载值。加载速率仍为0.8~1.0 MPa/s，先加载至应力为0.5 MPa，记此时的荷载为基准荷载F_{\mathrm{0}}，持荷60 s后尽快记录变形读数{\epsilon }_{\mathrm{0}}。记录完毕后，立即均匀连续地加荷至应力为轴心抗压强度的1/3，记此时的荷载为F_a，持荷60 s后尽快记录变形读数{\epsilon }_{\mathrm{a}}。确认两侧千分表变形误差在20%以内，以相同的速度卸荷至F_{\mathrm{0}}，持荷60 s，后以相同的加荷和卸荷速度至少进行两次反复预压，每次荷载改变的持荷时间均为60 s。最后一次预压完成后，重复上述加卸载流程进行正式加载。根据记录的荷载和变形计算弹性模量。

1.3　试验结果与分析

1.3.1　试件破坏形态

（1） 抗折强度试验破坏形态

不同龄期、养护条件下的试件所呈现出的破坏形态类似，如图2所示。以3 d龄期的蒸汽养护试件的加载破坏过程为例，随着荷载不断增加，再生微粉RPC下部开裂出现裂缝，裂缝处可见钢纤维，此时试件仍具有一定的承载力。垂直裂缝不断开展，钢纤维在开裂面上不断被脱粘拔出，试件逐渐失去承载力最后破坏。钢纤维的存在延后了裂缝的开裂和试件的破坏过程^［2］。

（2） 抗压强度试验破坏形态

在抗压强度试验中，不同龄期、两种养护条件下试件所呈现出的破坏形态类似。试件的上下受压面边缘首先出现裂缝，并沿着试件的高度方向不断开展。随着荷载持续增加，裂缝在整个试件侧面继续发展直至试件发生破坏，如图3所示。

（3） 轴心抗压强度试验破坏形态

两种养护条件下的试件破坏形态无显著区别，如图4所示。裂缝从试件两端面的角部开始产生，并不断向中间延伸，部分斜裂缝不断向试件上下两端延伸发展，最后试件破坏。

1.3.2　抗折强度

按照公式（1）计算试件抗折强度：

R_{\mathrm{f}}=\frac{\mathrm{1.5}{F}_{\mathrm{f}}L}{b^{\mathrm{3}}}（1）

式中：R_{\mathrm{f}}为抗折强度，单位为\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}；F_{\mathrm{f}}为棱柱体折断荷载，单位为N；L为棱柱体支撑距离，单位为\mathrm{m}\mathrm{m}；b为试件正方体截面边长，单位为mm。

再生微粉RPC试件在标准养护和蒸汽养护条件下、不同龄期试的抗折强度列于表7—表8和图5。

分析上述图表的试验结果可以发现，在蒸汽养护条件下，标准养护条件下3 d、7 d龄期的试件为同条件下28 d龄期强度的61%和76%，而蒸汽养护条件下同龄期抗折强度分别达到28 d龄期强度的85%和93%，说明蒸汽养护提升了抗折强度的增长速率。

与同龄期标准养护条件下的试件抗折强度相比，蒸汽养护条件下试件3 d和7 d的抗折强度分别增加了18%、3%，28 d抗折强度则降低了15%，说明蒸汽养护在提升试件早期抗折强度的同时，并不利于中后期的抗折强度增长^［2］。

1.3.3　抗压强度

按照公式（2）计算试件抗压强度：

R_{\mathrm{c}}=\frac{F_{\mathrm{c}}}{A}（2）

式中：R_{\mathrm{c}}为抗压强度，单位为\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}；F_{\mathrm{c}}为试件受压破坏最大荷载，单位为\mathrm{N}；A为受压面积，单位为\mathrm{m}{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}。

再生微粉RPC试件在标准养护和蒸汽养护条件下、不同龄期的抗压强度列于表9—表10和图6所示。

分析上述图表的试验结果可以发现，在蒸汽养护条件下3 d和7 d龄期试件的抗压强度分别为28 d龄期抗压强度的96%和102%，而标准养护条件下的试件为同条件下28 d龄期强度的62%和77%，说明蒸汽养护提升了抗压强度的增长速率。

蒸汽养护条件下试件各个龄期的抗压强度与同龄期标准养护条件下的试件抗折强度相比分别增长了84%、57%和18%，说明蒸汽养护对不同龄期的RPC试件抗压强度有不同程度的提升效果，但提升效果随着龄期的增长而逐渐减弱。

在本组抗压强度试验中，蒸汽养护条件下28 d龄期抗压强度略低于7 d龄期抗压强度，这与蒸汽养护的作用机理有关，将在1.4节详细阐述。

Türkel和 Alabas的试验^［19］发现，在85 ℃的蒸汽养护下，随着龄期增长，混凝土抗压强度明显下降，其28 d抗压强度比7 d抗压强度低10%左右。而本文试验设置的养护温度是90 ℃，试件在蒸汽养护下28 d抗压强度仅比7 d抗压强度低2%，说明补充胶凝材料（如再生微粉、火山灰^［20-21］等）的加入有助于降低蒸汽养护对RPC造成的损伤。

1.3.4　折压比

混凝土抗折强度与抗压强度之比称为折压比，是混凝土的韧性指标。折压比越大说明混凝土的韧性和抗裂性能越好，反之则更倾向于脆性^［22］。通过前文试验结果可以计算不同养护条件下再生微粉RPC的折压比，如表11和图7所示。

由图表可知，标准养护条件下，试件折压比随着龄期的增长略有提高。蒸汽养护下，试件折压比随着龄期的增长有较明显的提高。蒸汽养护条件下，全龄期试件的折压比明显低于标准养护条件下对应试件，说明蒸汽养护极大地降低了混凝土的韧性和抗裂性能，使之更倾向发生脆性破坏。

1.3.5　轴心抗压强度与弹性模量

轴心抗压强度按照式（3）计算：

f_{\mathrm{c}\mathrm{p}}=\frac{\mathrm{0.95}F}{A}（3）

式中：f_{\mathrm{c}\mathrm{p}}为轴心抗压强度，单位为\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}；F为试件受压破坏最大荷载，单位为\mathrm{N}；A为受压面积，单位为\mathrm{m}{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}。

由于采用100 mm×100 mm×300 mm非标准试件，需要乘以0.95换算系数。

弹性模量按照式（4）计算：

E_{\mathrm{c}}=\frac{F_{\mathrm{a}}-F_{\mathrm{0}}}{A}\times \frac{L}{{\epsilon }_{\mathrm{a}}-{\epsilon }_{\mathrm{0}}}（4）

式中：E_{\mathrm{c}}为混凝土弹性模量，单位为\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}；F_{\mathrm{0}}为试件应力为\mathrm{0.5}\mathrm{M}\mathrm{P}\mathrm{a}时试验机所施加的荷载，单位为N；F_{\mathrm{a}}为试件应力为\mathrm{1}/\mathrm{3}轴心抗压强度时试验机所施加的荷载，单位为\mathrm{N}；A为受压面积，单位为\mathrm{m}{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}；L为测试标距，本实验为\mathrm{150}\mathrm{m}\mathrm{m}；{\epsilon }_{\mathrm{0}}为荷载为F_{\mathrm{0}}时试件两侧平均变形，单位为\mathrm{m}\mathrm{m}；{\epsilon }_{\mathrm{a}}为荷载为F_{\mathrm{a}}时试件两侧平均变形，单位为\mathrm{m}\mathrm{m}。

28 d龄期下不同养护条件下再生微粉RPC试件轴心抗压强度和弹性模量测试的结果如表12所示。

试验结果表明，蒸汽养护大幅度提高了再生微粉RPC的轴心抗压强度，比标准养护条件下的试件提高了37.52%。

蒸汽养护条件下再生微粉RPC弹性模量略有提升，比标准养护条件下的试件提高了3.54%，可以认为养护条件对RPC弹性模量的影响不大。规范GB/T 31387—2015规定活性粉末混凝土的弹性模量不低于40 GPa，两种养护条件的试验结果均满足要求。

1.4　养护条件影响机理分析

蒸汽养护对早期（3 d、7 d）的抗折和抗压强度均有明显的提升作用，但对28 d的强度有不同程度的降低。此外，蒸汽养护提升了28 d轴心抗压强度，对28 d试件的弹性模量无明显影响。下面从化学因素和微观角度分析蒸汽养护对试件的作用机理：

（1） 蒸汽养护加速了水化反应进行的速度，使水化产物不能沉淀并均匀地分散到整个试件。研究表明^［23-25］，在一天的标准养护后，水泥浆中有AFt（\mathrm{高硫}\mathrm{型水}\mathrm{化硫}\mathrm{铝酸}\mathrm{钙}）生成，\mathrm{A}\mathrm{F}\mathrm{t}在90 ℃蒸汽养护条件下非常不稳定，极易降解为\mathrm{A}\mathrm{F}\mathrm{m}（单硫型水化硫铝酸钙）、\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{2}-}、\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{\mathrm{2}+}和\mathrm{A}\mathrm{l}{\left(\mathrm{O}\mathrm{H}\right)}_{\mathrm{4}}^{-}，这些成分进一步反应生成一层致密的水化硅酸钙（\mathrm{C}-\mathrm{S}-\mathrm{H}）包裹在未水化的活性颗粒周围，从而阻碍了活性颗粒的进一步水化。因此再生微粉RPC早期的抗折强度增长很快，但由于水化反应的不充分性和水化产物分布的不均匀性，其28 d强度低于标准养护条件下的相同试件或早期强度。蒸汽养护条件下抗压强度达到峰值的龄期远早于标准养护条件，同样由于上述原因在28 d出现了强度下降。

（2） 加速水化反应通常会导致混凝土内部孔隙分布不均匀或形成较粗的孔隙结构^［20］。Shi等^［26］指出，蒸汽养护环境下水蒸气可能导致水泥浆之间的初始孔隙不易被填满，冷却后水蒸气在这些孔隙中凝结，降低了孔隙内部压力，使得混凝土变脆。Deschner等^［27］指出温度对孔隙分布有重要影响，试验观察到，随着温度的升高，胶凝材料变得疏松，微裂纹不断扩展。上述因素共同致使蒸汽养护试件下28 d龄期抗折强度和折压比显著低于同龄期标准养护的试件，说明蒸汽养护降低了试件的韧性和抗裂性能。同时28 d龄期的抗压强度下降，轴心抗压强度试验与弹性模量试验的都是受压试验，故与抗压强度呈现出相似特征。

2 RPC力学性能数值模拟

2.1　有限元建模

本试验中再生微粉RPC材料未添加粗骨料，将再生微粉、水泥、细骨料等形成的混凝土部分看作基体，建立几何模型。掺入的钢纤维依据随机钢纤维模型建立几何模型。在进行力学性能试验数值模拟时，分别选择相应的单元和材料本构。将钢纤维与混凝土基体通过一定的约束方程耦合，模拟钢纤维与混凝土基体的粘结。

2.1.1　随机钢纤维模型

为简化建模，假定每根钢纤维完全相同且直径可忽略不计，将其简化为固定长度的线单元。随机钢纤维模型的建立是使一定数量的线单元随机且均匀地分布在混凝土基体几何模型中，如图8所示。

2.1.2　单元选择

采用Solid65单元模拟混凝土基体。该单元由8个节点定义，每个节点有3个位移方向的自由度。

采用Link8单元模拟钢纤维模型。Link8单元的每个节点有3个位移自由度，可以承受在单元里均匀分布的弯矩。

2.1.3　材料模型

采用前期无钢纤维的再生微粉RPC应力应变全曲线试验结果的本构关系模拟再生微粉RPC材料性能^［16］，采用多线性随动强化模型KINH来定义混凝土基体的应力应变关系。

钢纤维在本试验中可以看成微型的钢筋，其本构关系采用单轴的应力-应变关系。本试验所用钢纤维参数如表5所示，容易计算得到其屈服应变为14 250×10^-6。本试验的破坏形态由混凝土控制，在发生破坏时，钢纤维仍处于弹性阶段。因此，钢纤维单元使用理想弹塑性本构，建模时采用双线性随动强化模型BKIN。

2.1.4　网格划分

混凝土实体的网格划分用vmesh命令进行，网格划分结果如图9所示。钢纤维线单元的网格划分用lmesh命令进行，由于纤维数量较多，为保证计算效率，将钢纤维划分成5段。

2.1.5　单元耦合设置

耦合方程是一种联系自由度值的线性方程，形式为：

\mathrm{C}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{s}\mathrm{t}={\displaystyle \sum _{I=\mathrm{1}}^N}Coefficient\left(I\right)\times U\left(I\right)（5）

式中：U(I)为自由度项；Coefficient\left(I\right)为自由度项的系数；N为方程中项的编号。

使用ceintf命令完成Link单元和Solid单元的耦合。破坏前，混凝土单元和钢纤维单元通过约束方程耦合，开裂后裂缝处的混凝土单元与钢纤维单元则不再满足约束方程条件。

2.1.6　荷载与边界条件

在抗折试验中，荷载施加面为试件上表面中心约10 mm宽度的区域，沿Z轴负方向对该范围内混凝土单元节点施加竖向位移荷载，控制加载速度与实际试验相同。试件支撑间距为100 mm，在本模拟中，约束面施加在下表面中心左右各50 mm处宽度为10 mm的区域内，约束X、Y、Z三个方向的位移；在抗压试验中，受压荷载施加在模型上表面中心面积为40 mm×40 mm的区域内。约束面设置在试件下表面中心40 mm×40 mm的区域内，约束X、Y、Z三个方向的位移。沿Z轴负方向对受压面积范围内混凝土单元节点施加竖向位移荷载，控制加载速度与实际试验相同。

2.2　模拟结果与分析

2.2.1　强度

不同龄期再生微粉RPC数值模拟与试验强度计算结果如图10和表13所示。

对比曲线图和试验数据表可知，再生微粉RPC抗折强度与抗压强度数值模拟值与实际试验值较为接近，绝对百分误差基本在10%左右，说明模拟结果与试验较为吻合。

2.2.2　变形

在抗折试验ANSYS数值模拟中，选取位移矢量和的变形云图来分析试件的变形过程，不同龄期试件的变形过程类似，以3 d龄期数值模拟为例，如图11所示。荷载施加初期，试件上表面受压点开始变形，下表面支座约束点位移不变。随着荷载的不断增加，试件上表面位移不断增大，中部位移不断发展，模拟过程变形发展与实际试验比较吻合。

在抗压试验数值模拟中，不同龄期试件的变形过程接近，以3 d龄期试件的数值模拟为例，如图12所示。变形主要发生在试件的中部。随着荷载不断增加，试件上表面位移不断增大，整个模拟过程变形发展与实际试验比较吻合。

2.2.3　裂缝发展

ANSYS用积分点上的圆圈表示单元开裂，每个积分点最多在3个方向开裂，产生1、2、3个方向的裂缝分别用红色、绿色和蓝色的圆圈表示，若裂缝开裂后又闭合，则在圆内显示交叉符号。

在抗折试验ANSYS数值模拟中，以3 d龄期试件的数值模拟为例，如图13所示。由模拟结果可知，底部中间裂缝首次出现于第12荷载子步。随着荷载继续增加，底部裂缝不断发展，两侧支撑点裂缝出现于第19荷载子步，并且随着荷载的不断增大，裂缝不断由底部向上延伸。模拟过程裂缝发展符合实际试验。

在抗压试验ANSYS数值模拟中，以3 d龄期试件的数值模拟为例，如图14所示。由模拟结果可知，裂缝首次出现于第2荷载子步，裂缝方向沿着垂直加载面方向发展，主要分布在加载区边缘。随着荷载的施加，裂缝不断增多，并沿着垂直加载面边缘的方向不断增多。第13荷载子步时，加载面中心可见大量裂缝，并不断发展增多。裂缝发展过程符合实际试验。

3 结 论

本文所介绍的试验用再生微粉替代了活性粉末混凝土胶凝材料中的一部分水泥，以提高RPC的经济效益和环保效益，论证了掺再生微粉的活性粉末混凝土具有较高的强度。本文设计并探讨了不同养护条件对再生微粉RPC力学性能的影响，并结合试验和数值模拟，对再生微粉RPC的抗折性能和抗压性能进行了研究。主要结论如下：

（1） 蒸汽养护对再生微粉RPC早期（3 d、7 d）抗折强度提升作用明显，且会加速RPC抗折强度的增长速率，但会降低其28 d龄期的抗折强度。

（2） 蒸汽养护对再生微粉RPC的全龄期抗压强度提升作用明显，且会加速RPC抗压强度增长速率，抗压强度在7 d或者28 d前已达到稳定。

（3） 再生微粉的添加有助于降低蒸汽养护对RPC试件造成的损伤。

（4） 蒸汽养护可较大程度地降低再生微粉RPC的折压比，即降低其韧性和抗裂性能。标准养护下再生微粉RPC折压比随着龄期的增长变化不大，蒸汽养护下再生微粉RPC折压比随着龄期的增长有明显提升。

（5） 蒸汽养护可大幅度提高再生微粉RPC的28 d轴心抗压强度，但对弹性模量影响不大。

（6） 基于ANSYS有限元软件对再生微粉RPC抗折、抗压性能进行了数值仿真模拟，结果表明，数值模拟与试验结果吻合较好。

参考文献

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基金资助

国家重点研发计划(2022YFC3801100)

国家自然科学基金(51208373)