单轴受压下再生混凝土的损伤特性研究

安新正，王小学，姜新佩，张结太

(1.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸056038;2.河北工程大学附属中学，河北邯郸056038)

再生混凝土作为绿色混凝土材料在土木工程建设中有着广泛的应用前景［1]。再生混凝土工程会由于再生粗骨料、干缩、散热不均等原因而导致其内部结构中存在一定数量的初始微裂纹和微孔隙［2]。在压应力的作用下，随着服役时间的延长这些初始的微裂纹和微孔隙将会不断的发生变化，表现为随着压应力的增大，微裂纹和微孔隙将发育扩展，并最终在再生混凝土内部形成不可逆转的累积损伤，从而使得再生混凝土材料产生能量耗散和强度退化［3]，导致服役再生混凝土结构承载可靠性、耐久性的降低。

为了促进再生混凝土工程的科学化设计与利用，国内外学者针对侵蚀环境作用下的再生混凝土损伤进行了系列试验研究，并取得了一些研究成果［4－6]，但针对应力作用下再生混凝土损伤规律的试验研究却很少。超声波检测属无损伤检测且检测成本较小，利用该技术可方便实现对受荷再生混凝土结构损伤的连续检测［7－11]。因此，利用超声波检测技术来研究混凝土材料的受压损伤规律是既经济又合理的方法。本文进行了单轴受压状态下不同再生粗骨料取代率混凝土试件的超声波实时检测试验，分析单轴受压状态下基于超声波波速变化的混凝土损伤发展规律，结合超声波检测试验结果回归出再生混凝土损伤与再生混凝土初始(90 d)抗压强度、单轴受压应力的函数关系，为再生混凝土结构的科学化设计提供参考依据。

1 试验过程

1.1 试验仪器设备

木文在微机控制混凝土压力试验机(YAW－2000)上对再生混凝土试件进行设定受压条件下的加载试验，通过非金属超声波测试仪(TICO)对不同单轴受压作用下再生混凝土试件的超声波波速进行实时数据采集与存储。

1.2 试件的制备

(1)基准混凝土试件

基准混凝土试件，即再生粗骨料取代率r=0%的混凝土试件。基准混凝土试件的制备:拌和用水采用自来水;水泥采用邯郸产太行山普通硅酸盐水泥(P.O.42.5R);砂采用沙河产优质河砂，细度模数为2.6;粗骨料采用天然石灰石碎石，表观密度为2.76，压碎指标3.81%，粒径5 ～20 mm，连续颗粒级配。基准混凝土强度等级采用C30，其配合比(Kg·m－3)为:水/水泥/粉煤灰/矿渣粉/砂/石子 =0.629/1.000/0.025/0.025/2.530/3.793。粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，矿渣粉为S95级。混凝土采用机械强制拌和方式拌和2 min后注入150 mm×150 mm×150 mm钢试模之中，然后将钢试模放置于标准震动台上进行震捣成型，试件数量为9个。将完成震捣成型的钢试模移至标准养护室内静止养护1 d后拆模，并对试件进行编号，待室内标准养护28 d后移至室外进行自然养护。

(2)再生混凝土试件

再生混凝土试件，即采用只将基准混凝土中的天然石灰石碎石粗骨料的30%、60%和100%部分用再生粗骨料替代，而其它条件不变情况下生产的含有再生粗骨料的混凝土试件。再生粗骨料采用实验室自制的且满足文献［12] 要求的再生粗骨料。再生粗骨料的表观密度为2.45，压碎指标12.85%，粒径5～20 mm，连续颗粒级配。每组再生混凝土试件的制备数量为9个。首先将再生粗骨料与天然粗骨料混合，然后按照制作及养护基准混凝土试件的方法制备及养护再生混凝土试件。

1.3 试验原理及加载测试方案

试验时将试件安装在微机控制混凝土压力试验机的上、下压板之间并进行几何对中，并采用凡士林耦合剂将超声波发射头T1(T2)与接受头R1(R2)分别耦合在与试件压应力方向垂直的两对相互垂直的自由侧面A面与A1面以及B面与B1面的中心位置上，为了提高测试的准确度，在此利用弹性加紧钢板对发射头与接受头进行加紧固定，以增加超声波发射头与接受头安装位置耦合的准确性与可靠性。测试系统示意图详见图1所示。

在此，定义压应力系数Yσ为试验试件承受的单轴压应力与再生混凝土90 d抗压强度之比，即:

本文单轴受压试验设计的压应力系数Yσ取0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75 和 0.85 七组，加载速率为0.50 Mpa/s。单轴受压试验为分级并按照设定的压应力由小到大对试件依次施加，当施加的压应力达到某一设定压应力时，应将此设定压应力维持1～1.5 min，并在此时间内对试件的两对自由侧面的A面与A1面以及B面与B1面进行混凝土超声波的“对测法”试验，待完成超声波波速试验之后即可继续施加下一级荷载，直到完成全部的设定试验为止。

2 试验结果与分析

基准混凝土及再生粗骨料取代率r分别为30%、60%和100%，再生混凝土的90 d抗压强度(fcu，0)实测值分别为 33.7Mpa、30.2Mpa、28.5Mpa和25.6Mpa。基准混凝土与再生混凝土试件在90 d且无受压应力作用时的超声波波速平均值Vco，以及施加单向压应力作用后的超声波波速平均值Vcσ的实时测试结果列于表1。

为了研究单轴受压情况下混凝土的损伤变化规律，在此以混凝土单轴受压情况下的超声波波速相对于90 d且无受压时的超声波波速的衰减程度来度量受压后混凝土的损伤程度，设Dσ为单轴受压应力作用下基于超声波波速衰减的混凝土损伤度，则可有［13];

基于不同单轴压应力条件下各组试件的超声波波速测试试验结果，依据(2)式的计算方法，在表1中给出了不同单轴压应力作用下基准混凝土及再生混凝土损伤度Dσ的计算值。

2.1 不同单轴受压应力下再生混凝土损伤演化分析

依据表1数据，结合单轴压应力作用下试件的宏观试验现象不难看出，当压应力系数 Yσ≤0.35时，混凝土损伤度 Dσ随压应力系数Yσ的增大而减小，这主要是由于混凝土内部部分微裂纹等缺陷被压密所致。在Yσ=0.75之后，混凝土损伤度的增长幅度较大。

基准混凝土试件在累积受压荷载作用下，表现为:当压应力系数 Yσ≤0.75时，试件在外观上基本上处于完好状态;当0.75＜ Yσ≤0.85时，试件在外观上出现1条或几条微细裂缝;当0.85＜Yσ时，试件外观上的微细裂缝明显增多，范围也继续扩大;再生粗骨料取代率r=100%的再生混凝土试件在累积受压荷载作用下，表现为:当压应力系数Yσ≤0.65时，试件在外观上基本上处于完好状态;当0.65＜ Yσ≤0.75时，试件在外观上出现有限的几条微细裂缝;当0.75＜ Yσ≤0.85时，试件外观上的微细裂缝明显增多，范围也继续扩大;当0.85＜Yσ时，试件外观上的微细裂缝继续扩大，甚至出现贯通裂纹。

基于不同压应力系数Yσ下不同再生粗骨料取代率混凝土试件的损伤度计算结果，在图2中绘出了不同再生粗骨料取代率下单轴受压混凝土的损伤度Dσ随压应力系数Yσ的变化规律关系曲线。

比较各组试件的试验与计算结果(见图2)可以发现，混凝土在相同累积受压荷载作用下的外观损伤将随着再生粗骨料取代率的增加而增大，且不同再生粗骨料取代率混凝土的损伤度 Dσ均表现为随压应力系数 Yσ的增加呈非线性增大趋势。当0.75≤ Yσ时，各组试件的损伤度 Dσ均表现为随压应力系数 Yσ的增加而加速非线性增大。这也表明再生混凝土的单轴受压损伤过程是一个不可逆的非线性损伤累积过程。可见再生混凝土试件在受荷达到单轴极限压应力之前就已存在着受压损伤，且这一损伤在受荷接近单轴极限压应力时增长较大，不容忽视。

表1 单轴受压下基准混凝土与再生混凝土损伤度Tab.1 The damage of normal concrete and RAC unedr uniaxial pressure stress

2.2 再生混凝土损伤关系模型的建立

考虑到单轴压应力、混凝土90 d抗压强度是影响混凝土损伤度的主要因素，可以建立如下形式的关系模型:

式中，α0、α1、α2为试验常数。

基于单轴压应力下各组试件的超声波试验数据及损伤度的计算值，利用MATLAB中的非线性拟合函数对式(3)进行非线性回归分析，可得到试验常数 α0= － 0.0033，α1=0.5623，α2=3.9338。于是式(3)可改写为:

在再生混凝土工程的实际设计中，通过式(4)建立起来的再生混凝土损伤度与再生混凝土初始强度、压应力系数之间的函数关系，就可以较方便地获取相应的损伤程度，并可据此指导再生混凝土构件的相关设计。

3 结论

本文基于单轴受压下混凝土的超声波实时检测试验结果，以超声波波速的衰减来度量混凝土的受压损伤，对单轴受压下不同再生粗骨料取代率混凝土的损伤度变化规律进行了分析研究。得到的结论如下:

1)在单轴受压应力达到0.85倍极限应力时，基准混凝土的损伤度最小(Dσ=0.41);r=100%再生混凝土的损伤度最大(Dσ=0.537)，且试件的宏观损伤比较明显，所以极限压应力以前的损伤是不应该被忽视的。

2)与基准混凝土相比，再生粗骨料的掺入降低了混凝土的抗损伤能力。

3)基于单轴压缩条件下不同再生粗骨料取代率混凝土的试验与计算结果，建立了考虑单轴压应力、再生混凝土初始抗压强度因素影响的混凝土损伤关系模型，该损伤关系模型可为再生混凝土构件科学化设计提供理论指导。

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