塑料再生骨料轻质混凝土疲劳特性宏微观分析与疲劳寿命预测

Macro-micro Analysis of Fatigue Characteristics and Fatigue Life Prediction of Plastic Recycled Aggregate Lightweight Concrete

摘要

将塑料再生骨料替代天然骨料应用于轻质混凝土（CWC）是固废资源化的有效手段。然而，塑料再生骨料对CWC疲劳性能的影响与机理尚不明确。因此，通过四点弯曲疲劳试验研究不同塑料再生骨料粒径、替代率和应力水平下CWC宏观疲劳寿命变化规律，利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪揭示了塑料再生骨料粒径和替代率对CWC疲劳特性的影响机制；最后，建立了同时考虑塑料再生骨料替代率、粒径和应力水平的CWC统一疲劳寿命预测方程。结果表明：CWC疲劳寿命随5~10 mm和10~20 mm塑料再生骨料替代率的提升而增加，以5~10 mm塑料再生骨料更为显著，随着20~30 mm塑料再生骨料替代率的提升而降低，这是由于5~10 mm和10~20 mm塑料再生骨料可增强其与水泥砂浆界面过渡区致密性和水化程度，且其随着塑料再生骨料比表面积的增大而增强。提出的疲劳预测方程可同时表征塑料再生骨料粒径、替代率和应力水平对疲劳寿命的影响，且具有较好预测精度。

Abstract

The utilization of plastic recycled aggregate as a substitute for natural aggregates in lightweight concrete (CWC) represents an effective strategy for the recycling of solid waste. However, the influence and mechanism of plastic recycled aggregate on the fatigue properties of CWC are still unclear. Therefore, the study investigated the fatigue life of CWC under various conditions, including different plastic recycled aggregate sizes, plastic recycled aggregate substitution rates, and stress levels, through four-point bending fatigue tests. Additionally, SEM and XRD tests were conducted to elucidate the impact of plastic recycled aggregate size and substitution rate on the fatigue characteristics of CWC. Finally, a unified fatigue life prediction equation for CWC was established by simultaneously considering the plastic recycled aggregate substitution rate, particle size and stress level. The results show that the fatigue life of the CWC increases with 5~10 mm and 10~20 mm plastic recycled aggregate substitution rates (especially for the 5~10 mm plastic recycled aggregate), but decreases with 20~30 mm plastic recycled aggregate substitution rate. The 5~10 mm and 10~20 mm plastic recycled aggregate can improve the hydration process and compactness of interfacial transition zone between the aggregate and cement mortar, as well as increase the specific surface area of the plastic recycled aggregate. The proposed equation accounts for the influence of plastic recycled aggregate size, substitution rate, and stress level on the fatigue life of lightweight aggregate concrete, demonstrating satisfactory prediction accuracy.

Graphical abstract

关键词

轻质混凝土 / 疲劳 / 塑料再生骨料 / 替代率 / 粒径

Key words

Lightweight concrete / Fatigue / Plastic recycled aggregate / Substitution rate / Size

近年来，轻质混凝土能够在保持强度等级不降低的前提下，使自重较传统水泥混凝土降低20%以上，具有较为显著的工程价值，在结构工程领域得到越来越广泛的应用^[1]。轻质混凝土的配料核心在于利用特种骨料(如矿渣^[2]、陶粒^[3]、煤矸石^[4]、矿渣^[5]、珊瑚^[6]等)完全或部分代替天然骨料，这就要求特种骨料具备强度高、质量轻、性能稳定等特质，而这与塑料再生骨料的特点不谋而合。此外，将塑料再生骨料部分替代天然骨料应用于轻质混凝土，是处置废弃塑料的有效手段^[7]。因此，系统研究塑料再生骨料轻质混凝土(CWC)的力学性能和耐久性具有重要意义。在力学性能方面，肖力光等^[8]、梁炯丰等^[9]和屈琳琳等^[10]分别从制备工艺、力学强度和耐侵蚀特性的角度论证了将塑料再生骨料应用于轻质混凝土的可行性和可靠性；卢小玉等^[11]和郑永娟^[12]分析了不同养护制度和改良剂下CWC抗压强度的变化规律；张婷婷等^[13]和郑永娟^[14]揭示了塑料再生骨料掺量对CWC力学性能的影响；AHMED等^[15]、ADELEKE等^[16]和XIONG等^[17]也展开了类似研究；HAN等^[18]和YILMAZ等^[19]则应用机器学习方法对CWC力学性能予以预测；EL-AIDY等^[20]以物理力学特性最优为原则提出了CWC配合比设计方法。

相比力学强度，现有研究在CWC疲劳耐久性方面涉及较少。然而，工程结构在服役过程中不可避免地遭受疲劳荷载的作用^[21]。在低于静极限强度的疲劳荷载作用下，内部材料会发生损伤积累，导致混凝土结构整体破坏^[22]。目前，塑料再生骨料对CWC疲劳性能的影响与机理尚不明确，导致难以全方位把控CWC疲劳演化规律，这不利于CWC优化设计和推广应用。

基于此，本文采用四点弯曲疲劳试验研究不同塑料再生骨料粒径、替代率和应力水平下CWC疲劳寿命的变化规律；利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)揭示塑料再生骨料粒径和替代率对CWC疲劳性能演化的影响机制；最后，建立兼顾塑料再生骨料替代率、粒径和应力水平的统一疲劳预测方程。

1 实验部分

1.1 主要原料

水泥，P.O 42.5，山东山铝水泥有限公司；塑料再生骨料，聚乙烯塑料、天然骨料，玄武岩，粒径5~10、10~20、20~30 mm，杭州嘉路交通科技有限公司；河砂，细度模数为2.7，杭州嘉路交通科技有限公司；粉煤灰，Ⅱ级，石家庄恒博矿产品有限公司；聚羧酸高效减水剂，工业级，莱阳市宏祥建筑外加剂厂。

1.2 仪器与设备

高分辨场发射扫描电子显微镜(SEM)，Thermo Scientific Apreo 2S HiVac，美国Thermo Fisher公司；X射线衍射仪(XRD)，D8 Advance，德国布鲁克公司。

1.3 样品制备

采用水泥、塑料再生骨料、玄武岩天然骨料、河砂、Ⅱ级粉煤灰、聚羧酸高效减水剂制备CWC。其中，水胶比为0.28，砂率为36%，粉煤灰为水泥用量的30%，减水剂为水泥用量的2%。塑料再生骨料采用聚乙烯塑料，其与天然骨料的粒径规格均分为5~10、10~20、20~30 mm。表1为不同粒径塑料再生骨料对天然骨料的替代率。

1.4 性能测试与表征

疲劳试验：依据JTG 3420—2020，采用四点弯曲疲劳试验在应力加载模式下进行测试。加载频率为10 Hz，试件尺寸为550 mm×150 mm×150 mm。

SEM测试：采用高分辨场发射扫描电子显微镜进行测试，扫描范围为100 μm。

XRD测试：采用X射线衍射仪进行测试，扫描速率为10 (°)/min，扫描角度范围为10°~60°。

2 结果与讨论

2.1 CWC疲劳特性的宏观分析

2.1.1 疲劳试验结果

通过改变塑料再生骨料替代率(CAR)设计12组CWC。CAR是指某粒径塑料再生骨料体积占该粒径骨料总体积的比值。同时，选取0.55、0.65、0.75和0.85应力水平开展疲劳试验。应力水平的计算公式为：

S=\frac{{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{f_{\mathrm{r}}}(1)

式(1)中：S为应力水平；σ_max为疲劳试验峰值应力，MPa；f_r为90 d弯拉强度，MPa。

表2为不同CWC的90 d弯拉强度和疲劳寿命试验数据。

2.1.2 疲劳特性宏观分析

根据Weibull分布理论，在同一应力水平下，CWC的疲劳寿命分布函数可以用威布尔函数来表示^[23]。Weibull分布的概率密度函数f(N)和累积分布函数F(\overline{N})分别为：

f\left(N\right)=\frac{\alpha }{\mu -{\mu }_{\mathrm{0}}}{\left(\frac{N-{\mu }_{\mathrm{0}}}{\mu -{\mu }_{\mathrm{0}}}\right)}^{\alpha -\mathrm{1}}{\mathrm{e}}^{-{\left(\frac{N-{\mu }_{\mathrm{0}}}{\mu -{\mu }_{\mathrm{0}}}\right)}^{\alpha }}(2)

(3)

式(2)~式(3)中：N为疲劳寿命，次；α为形状参数，表示应力\sigma作用下Weibull斜率；μ为特征寿命参数，次；μ₀为最小寿命参数，次；\overline{N}为等效疲劳寿命，次；P为失效概率，%。

当μ₀=0时，疲劳寿命N和等效疲劳寿命\overline{N}服从双参数Weibull分布，从而可建立等效疲劳寿命、疲劳寿命和失效概率P之间的关系，表达式为：

\mathrm{l}\mathrm{n}\mathrm{l}\mathrm{n}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}-P_j}=\alpha \mathrm{l}\mathrm{n}{N}_j-\alpha \mathrm{l}\mathrm{n}\mu(4)

\mathrm{l}\mathrm{n}\mathrm{l}\mathrm{n}\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}-P}=\alpha \mathrm{l}\mathrm{n}\overline{N}-\alpha \mathrm{l}\mathrm{n}\mu(5)

式(4)~(5)中：N_j 为第j个试样的疲劳寿命，次；P_j 为第j个试样对应的失效概率，P_j =j/6，%。

表3为疲劳寿命的Weibull分布模型参数。

将表3中不同条件下的α和αln μ代入式(5)，可计算出不同失效概率下CWC等效疲劳寿命。根据已有研究，5%失效概率(即95%保证率)是混凝土结构设计中的重要参数^[24]，常用来描述混凝土极限疲劳承载力。因此，本研究主要分析了失效概率为5%时的等效疲劳寿命。图1为不同应力水平下的等效疲劳寿命变化规律。

从图1可以看出，随着5~10 mm和10~20 mm塑料再生骨料替代率的增加，CWC等效疲劳寿命增加，两种规格聚乙烯塑料废料替代率分别增加10%，不同应力水平下等效疲劳寿命平均提高64.87%和46.67%，这得益于5~10 mm和10~20 mm塑料再生骨料与水泥砂浆界面过渡区的良好连接。对于20~30 mm塑料再生骨料，当应力水平分别为0.55和0.65时，替代率每增加10%，CWC等效疲劳寿命衰减率分别为8.80%和12.07%，说明该规格聚乙烯塑料废料不利于CWC耐久性的提升；但在应力水平为0.75和0.85时，CWC等效疲劳寿命反而随替代率的增加而增加。这是因为在较高应力水平下，由于施加载荷较高，试样失效接近一次性破坏。在普通混凝土中，疲劳裂缝一般沿天然骨料与水泥砂浆的界面过渡区扩展，而在CWC中，疲劳裂缝更倾向于在聚乙烯塑料废料内部生成和扩展，尽管聚乙烯塑料废料强度低于天然骨料，但仍高于水泥砂浆，导致等效疲劳寿命增加。

2.2 CWC疲劳特性的微观分析

2.2.1 微观结构

为揭示塑料再生骨料对CWC宏观疲劳特性的影响机制，利用SEM进行测试。图2为天然骨料、不同粒径塑料再生骨料与水泥砂浆界面过渡区的SEM照片。

从图2可以看出，5~10、10~20 mm塑料再生骨料与水泥砂浆的界面过渡区连接较好，并未出现过多的微裂缝和微孔洞；天然骨料与水泥砂浆界面过渡区则存在明显裂缝。这是因为与相同粒径天然集料相比，5~10、10~20 mm塑料再生骨料与水泥砂浆界面黏附效果更好。此外，由于10~20 mm塑料再生骨料比表面积更小，使其料与水泥砂浆界面的有效接触面积减小，因而其对CWC疲劳性能提升效果较5~10 mm塑料再生骨料有所降低。20~30 mm塑料再生骨料与水泥砂浆的界面过渡区连接欠佳，在塑料再生骨料内部以及塑料再生骨料与水泥砂浆的界面过渡区发现大量的微裂缝，过多的微裂缝使混凝土形成薄弱区域，加速了疲劳破坏的发生。这可能是因为20~30 mm塑料再生骨料表面织构的不均匀性随着塑料再生骨料粒径的增大而增大，对胶结造成不利影响，导致等效疲劳寿命降低。因此在制备CWC时，可以适当提高5~10、10~20 mm塑料再生骨料替代率，以保证CWC抗疲劳性能和进一步降低自重，但必须严格控制20~30 mm塑料再生骨料的替代率。

2.2.2 水化产物

通过前文可知，5~10 mm塑料再生骨料对CWC疲劳特性的影响最为显著，因此进一步分析塑料再生骨料替代率对CWC疲劳特性的作用机制。图3为不同替代率5~10 mm塑料再生骨料与水泥砂浆界面过渡区的水化产物。

从图3可以看出，不同组成的CWC中，5~10 mm塑料再生骨料与砂浆界面过渡区C₂S和Ca(OH)₂含量均最低，天然骨料与砂浆界面过渡区C₂S和Ca(OH)₂含量均最高。这说明5~10 mm塑料再生骨料能够促使水泥熟料参与水化反应，促进Ca(OH)₂向C-S-H凝胶转化，加速界面过渡区的水化进程，从而提高CWC抗疲劳性能。此外，随着5~10 mm塑料再生骨料替代率的增加，5~10 mm塑料再生骨料与砂浆界面过渡区以及天然骨料与砂浆界面过渡的C₂S和Ca(OH)₂含量持续降低，也说明随着5~10 mm塑料再生骨料替代率的增加，“微泵效应”愈加明显，该效应促进了CWC水化进程，增强了材料整体强度，逐步提升CWC抗疲劳性能。

2.3 CWC疲劳寿命预测

考虑到疲劳试验过程复杂、设备昂贵、时间成本高等因素，无法完全通过室内试验获得疲劳寿命。因此，实际工程中常采用疲劳方程代替疲劳寿命试验来预测疲劳寿命。然而，经典疲劳方程仅能表征了应力水平与疲劳寿命之间的关系，无法同时表征塑料再生骨料粒径、替代率和应力水平等因素对疲劳寿命的影响。因此，有必要对CWC疲劳预测方程革新。根据疲劳方程的经典框架^[25]，可得到等效疲劳寿命与应力水平间的关系，计算公式为：

\overline{N}=a{S}^b(6)

式(6)中：\overline{N}为等效疲劳寿命，次；S为应力水平；a、b为拟合参数。

表4为等效疲劳寿命回归方程参数拟合值，其中C₁、C₂和C₃分别代表20~30、10~20、5~10 mm塑料再生骨料的替代率。

图4为a、b与C_i (i=1,2,3)的关系。

根据图4a可以推断出a和C_i 之间的关系(即a与不同塑料再生骨料替代率的关系)，计算公式为：

a=f(C_i)=m_i{\mathrm{e}}^{n_i{C}_i}(7)

根据图4b可以推断出b和C_i 之间的关系(即b与不同塑料再生骨料替代率的关系)，计算公式为：

b=g(C_i)=p_i{C}_i+q_i(8)

式(7)~式(8)中：C_i 为不同规格塑料再生骨料的替代率，%；m_i 、n_i 、p_i 、q_i 均为拟合参数。

将式(7)和式(8)代入式(6)，可得到CWC疲劳方程框架，计算公式为：

\begin{array}{c}\overline{N}=a{S}^b=f\left(C_i\right)S^{g\left(C_i\right)}=\\ \left(m_{\mathrm{1}}{\mathrm{e}}^{n_{\mathrm{1}}{C}_{\mathrm{1}}}+m_{\mathrm{2}}{\mathrm{e}}^{n_{\mathrm{2}}{C}_{\mathrm{2}}}+m_{\mathrm{3}}{\mathrm{e}}^{n_{\mathrm{3}}{C}_{\mathrm{3}}}\right)S^{\left(p_{\mathrm{1}}{C}_{\mathrm{1}}+p_{\mathrm{2}}{C}_{\mathrm{2}}+p_{\mathrm{3}}{C}_{\mathrm{3}}+q\right)}\end{array}(9)

将图1所示的等效疲劳寿命数据代入式(9)，即可得到相应的疲劳预测方程，计算公式为：

\overline{N}=\left(-\mathrm{4}\mathrm{099}{\mathrm{e}}^{-\mathrm{2.34}{C}_{\mathrm{1}}}+\mathrm{645}{\mathrm{e}}^{\mathrm{9.12}{C}_{\mathrm{2}}}+\mathrm{970}{\mathrm{e}}^{\mathrm{8.08}{C}_{\mathrm{3}}}\right)S^{\left(\mathrm{5.73}{C}_{\mathrm{1}}+\mathrm{12.33}{C}_{\mathrm{2}}+\mathrm{12.88}{C}_{\mathrm{3}}-\mathrm{12.52}\right)} (R² 为0.941)(10)

从式(10)可以看出，提出的疲劳方程具有可接受的预测精度。此外，提出的方程同时考虑了塑料再生骨料粒径、塑料再生骨料替代率和应力水平对CWC疲劳寿命的影响，具有便于工程应用的优势。此外，式(10)中的拟合系数可以看作是与所涉及的变量相关的影响权重，正负拟合系数可看作是塑料再生骨料与疲劳寿命的正负相关关系。该方程还可以表征塑料再生骨料对应力水平的敏感性。例如：5~10、20~30 mm塑料再生骨料对抗疲劳性的影响显著，而10~20 mm塑料再生骨料对抗疲劳性能的影响较弱。疲劳寿命与5~10、10~20 mm塑料再生骨料呈正相关，与20~30 mm塑料再生骨料呈负相关。5~10 mm塑料再生骨料对应力水平变化较为敏感，20~30 mm 塑料再生骨料对应力水平变化较不敏感。总的来说，该方程可表示不同因素对CWC疲劳寿命的影响。

图5为预测寿命与疲劳寿命的关系。从图5可以看出，疲劳寿命预测值基本位于95%置信带之内，体现了较好的预测精度。

3 结论

塑料再生骨料轻质混凝土疲劳寿命随着5~10、10~20 mm塑料再生骨料替代率的提升而增加，其中以5~10 mm塑料再生骨料更为显著。在低应力水平下，塑料再生骨料轻质混凝土疲劳寿命随20~30 mm塑料再生骨料替代率的增加而降低；在高应力水平下，塑料再生骨料轻质混凝土等效疲劳寿命反而随替代率的增加而增加。在塑料再生骨料轻质混凝土材料设计时，可适当增加5~10、10~20 mm塑料再生骨料替代率以增强CWC抗疲劳性能，但须严格控制20~30 mm塑料再生骨料替代率。所提出的预测方程能够同时考虑塑料再生骨料替代率、粒径和应力水平对塑料再生骨料轻质混凝土疲劳寿命的影响，为工程应用带来便利，且预测方程R²大于0.94，证明了预测方程的可靠性和准确性。

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基金资助

国家自然科学基金(51808326)