再生保温混凝土受拉应力应变全曲线的研究

马钢 ，都思哲 ，高宇璇 ，张玉

（1.太原理工大学 力学学院，山西 太原 030024；2.太原理工大学 建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

0 前言

为了化解废弃混凝土的占地和污染，解决现有保温系统结构开裂、材料脱落、节能失效等问题，本课题组在前期对于保温混凝土研究成果[1]的基础上，将“废旧建筑材料的再生利用”与“自保温混凝土”相结合，提出再生保温混凝土（Recycled Aggregate Thermal Insulation Concrete，RATIC）[2－3]，赋予结构性混凝土新的功能，有助于实现结构自保温，为再生混凝土的推广应用提供新的思路。RATIC的特征为：在普通混凝土（NC）的基础上，采用旧建筑拆除混凝土经过破碎、分类、清洗、筛分之后形成的再生粗骨料（RCA）作为部分或全部粗骨料，采用无机保温材料玻化微珠（GHB）作为部分细骨料，并加入一定外掺料和外加剂以提高强度及和易性，采用预湿、预拌技术制备而成。其强度等级为C20～C60，与普通混凝土强度等级一致；其导热系数为0.20～0.55 W/（m·K），保温隔热性能接近绝热材料[导热系数≤0.23 W/（m·K）的材料]，约为普通素混凝土导热系数[1.51 W/（m·K）]的15%～35%。RATIC中大量使用再生粗骨料代替天然粗骨料，将建筑废弃物循环利用，并通过合理的外掺料与配合比设计，使再生骨料与玻化微珠轻骨料在其中充分发挥各自的优势，使RATIC在承重的基础上衍生出新的特点。一方面，由于RATIC材料的自保温性能提高使用者的舒适度，节省建筑保温层施工工序；另一方面，RATIC较NC自重轻，提高整体建筑结构抗震能力，降低钢材使用量及地基处理费用。目前课题组对RATIC配合比设计、保温性能、力学性能等方面进行了基础研究，证明RATIC有着优良的承压能力[4－5]。工程上进行混凝土结构设计时，较少考虑混凝土的抗拉能力，但对于抗裂性而言，混凝土的抗拉强度和拉伸变形能力至关重要，特别是当混凝土所受拉应力超过其抗拉极限应力后，混凝土裂缝的发展、裂缝宽度的演变、力和变形的计算等都需要以混凝土抗拉应力－应变全过程的研究为基础[6]。

单纯采用现有的普通混凝土或者轻骨料混凝土的抗拉强度计算方法作为RATIC的抗拉强度的评价指标缺乏科学性，且计算结果往往存在较大误差，进一步导致RATIC的结构设计与计算方法存在缺陷。考虑到RATIC具有良好的工程应用前景，有必要对其抗拉能力做出较为科学合理的评估。基于此，本文采用刚性框架法进行RATIC的受拉应力应变全曲线以及其与再生骨料取代率的关联性试验研究，考察拉应力作用下RATIC的力学与变形特征。

1 试件与试验方法

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5水泥，比表面积为 340 m2/kg。

（2）粉煤灰：某热电厂Ⅱ级灰，细度（45μm筛筛余）≤25%，烧失量≤8%，28 d活性指数≥70%。

（3）玻化微珠：粒径 0.5～1.5 mm，密度 80～130 kg/m3，导热系数0.032～0.045 W/（m·K）。

（4）天然粗骨料：5～20 mm碎石，性能指标符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的要求。

（5）再生粗骨料：来自山西某高层建筑拆迁所得废弃混凝土，钻芯取样测得原生混凝土实际平均强度等级为C40。经颚式破碎机破碎、筛分出5～20 mm的石子制得，再生粗骨料除混凝土与所粘附的旧水泥浆外，其余杂物含量为0.7%。

（6）细骨料：中粗砂，细度模数 2.7～3.0，粒径为 0.35～0.50 mm，级配良好，堆积密度1630 kg/m3，饱和吸水率2.5%。

（7）聚羧酸高效减水剂：减水率≥25%。

1.2 试验设计及加载方式

RATIC配合比见表1，再生粗骨料取代率分别为0、30%、50%、70%、100%。

轴心受拉试验在太原理工大学结构试验室万能试验机上进行。考虑到试验设备的刚度要求，并保证试件在受拉过程中在均匀受拉区范围内发生稳定破坏，本试验受拉试件形状尺寸及夹具的选择采用如图1所示，采用哑铃型试件，夹持段截面为边长150 mm的正方形，中间段截面为边长100 mm的正方形，整个试件总高度为300 mm，中间段高度为200 mm。

表1 RATIC的配合比设计 kg/m3

图1 受拉试件形状

试验中，于试件相对侧面各贴4片电阻应变片，分别用于测试RATIC的纵向应变和横向应变。用环氧树脂把传力钢板粘结在试件的2个端面；拧紧螺帽，使拉杆建立初始拉力，此时试件受压，框架充分发挥作用，安装变形传感器；开动试验机，均匀而缓慢地加载，试件预压应力减小并消失，而后转为受拉，直至试件断裂，由测力杆和位移传感器通过应变仪直接绘制应力－应变全曲线。

为避免试件由于未严格对中而造成传力线偏心及附加弯矩，本研究在刚性框架上下各安装一部球铰，在试验机开始加载初期，由于两端铰接，传力线不一致造成的附加弯矩会使得试件自动进行位置微调，直至传力线重合。在调整完毕后，将球铰部位螺栓拧紧，球铰与绞盘之间由于巨大的摩擦力实现自锁，从而避免在试验过程中随试件的微裂缝的不均与开展产生的偏心弯矩而发生转动。

该研究中，试验机刚度是测试RATIC受拉应力应变全曲线的关键。在RATIC拉伸加载过程中，试验机将储存大量弹性变形能。当试件达到其抗拉强度后，一旦试验机刚度小于RATIC的卸载刚度，试验机迅速释放的弹性能将导致混凝土试件发生不稳定断裂破坏，无法准确有效地得出RATIC的下降段特征。鉴于此，本研究在平行于试件的方向增设刚性架，用以吸收试件开裂时释放的变形能，有效避免应力达到峰值后混凝土试件的不稳定开裂，得出RATIC的峰后软化相关力学指标和受拉应力应变全曲线。本试验过程主要采用位移加荷，加载控制速率取0.002 mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 受拉试件的开裂过程及破坏形态

RATIC受拉断裂后的断面形貌如图2所示。RATIC试件破坏后，断裂面基本与试件的长轴线垂直，且极不规则、粗糙起伏，破坏截面上及其邻近的混凝土上没有肉眼可见的裂缝。

图2 RATIC受拉断裂后的断面形貌

混凝土是一种脆性材料，内部结构由胶凝材料、骨料以及骨料与胶凝材料结合处的过渡区3个部分构成。混凝土中胶凝材料在水化及凝固过程中，会在粗骨料界面处形成大量强度较低的Ca（OH）2结晶体，成为混凝土强度的薄弱区，并在其中存在众多的微裂缝。这些微裂缝形成应力集中点，并在混凝土承受拉应力不断增加的过程中，裂缝沿着粗骨料界面不断扩展，并与界面区以及胶凝材料中的其余裂缝合并形成大裂缝。所以，混凝土结构中存在的原始微裂缝是混凝土材料最终受拉破坏的根本原因。而混凝土材料一旦开裂，其开裂的部分将完全丧失抗拉承载力。在本试验中，断裂在试件的不同位置都有发生，且位置随机分布。由于无缺口试件中拉应力均匀分布，断裂位置应与试件内部的随机缺陷分布相关。

2.2 混凝土受拉应力-应变曲线特征

荷载变形全曲线示意如图3所示。

图3 荷载变形全曲线示意

由图3可见，所有曲线均存在4个特征点，分别为：弹性极限点E、应力峰值点P、明显开裂点C及试件断裂点F。RATIC试件开始受拉后，应力-应变曲线呈线性，在约为最大应力的50%时达到其弹性极限E。此后混凝土试件进入塑性变形，应力-应变曲线斜率逐渐减小，当应变约为120×10-6时，曲线的切线呈水平，达到最大应力点P点，得出轴心抗拉强度。随后，承载力开始下降。试件破坏时砂浆部分逐步退出工作，剩余部分的应力增大，但名义应力减小。当到达C点附近时，试件表面开始出现1～2条明显裂缝，表面裂缝一旦出现便迅速沿截面四周贯通，此时截面中央有效面积不断缩减，最终试件从裂缝处拉断。

2.3 受拉应力-应变全曲线

RATIC的受拉应力-应变曲线见图4，轴拉试验结果见表2。

图4 各试件实测的荷载变形全曲线

表2 RATIC的轴拉试验结果

2.3.1 NC与RATIC－0性能比较

从图4和表2可以看出，RATIC－0的受拉应力应变曲线与普通混凝土NC外形相似，都由斜率逐渐减小的上升段与相对平滑的下降段组成。RATIC－0的最大应力比同强度等级的NC高9%，而NC上升段的斜率明显要高于掺玻化微珠的RATIC－0，在下降段二者的斜率变化相差不大。

这一差别主要是由RATIC独特的微观结构及内部传力特点所决定。相比普通粗细骨料，作为轻骨料的玻化微珠有着相对较强的吸水能力，在混凝土拌合过程中玻化微珠内部存储大量游离水，而在胶凝材料的水化过程中，玻化微珠内部游离水溢出至轻骨料界面区，使得界面区水化反应比较充分且玻化微珠与胶凝材料之间形成较强的结合力，玻化微珠轻骨料界面处结构致密且不易形成微裂缝，这为玻化微珠与胶凝材料在RATIC受力过程中的协同工作提供了基础。一方面，所有混凝土材料内部均存在薄弱区，一旦受力很容易在内部薄弱区形成微裂缝。在RATIC内部拉应力增加的过程中，试件内部已经开始出现微米级的微裂缝，裂缝尖端的应力集中作用导致微裂缝迅速扩张延伸，众多微裂缝相互连通成贯通裂缝是混凝土抗拉承载力迅速下降的主要原因。由于玻化微珠的强度及弹性模量远低于胶凝材料，粒径小且形状规则的玻化微珠相当于大量固体气泡均匀密布于RATIC的胶凝材料中，其在混凝土中受拉过程中起到“气弹簧”的缓冲作用，在同样外部拉力下，RATIC－0有着比NC更好的拉升变形能力。另一方面，当胶凝材料中的微裂缝受应力集中的作用扩展至玻化微珠界面处时，玻化微珠将限制裂缝的进一步扩展，并削弱裂缝尖端的应力集中作用，使得RATIC在拉应力作用下产生的内部裂缝在加载初期互相之间很难迅速发展贯通，使得RATIC在相对变形较大的情况下，依然保持较高的抗拉承载力。玻化微珠同时也限制了后期贯通裂缝的发展速度，使得再生骨料取代率较低的RATIC的受拉应力应变全曲线的下降段较普通混凝土更加缓慢，且变形相对充分。

2.3.2 不同再生粗骨料取代率的RATIC性能比较

从图4和表2可以看出，所有RATIC受拉应力应变曲线在上升段相差不大，但RATIC－0的轴心抗拉强度ft比其余掺有再生骨料的混凝土高27%～55%，且随着再生粗骨料取代率的不断增加，RATIC的轴心抗拉强度有逐渐降低的趋势。RATIC的这一特点是由再生骨料的特点决定的，再生骨料是由废弃混凝土破碎筛分而成，在其制造过程中必然会在骨料表面及内部形成原始裂缝，在外界拉力的作用下，这些原始裂缝迅速发展，降低了混凝土的抗拉能力。

由图4还可以看出，RATIC－30曲线的下降速度要远远快于RATIC－0，再生粗骨料内部所含的原始裂缝加快了RATIC抗拉承载力下降速度，受拉应力应变曲线的下降段也越陡。由图2可以看出，在RATIC的受拉破坏面上，再生粗骨料出现断裂，且大部分骨料断裂均处于再生粗骨料的新旧混凝土界面。而随着再生粗骨料取代率的继续增大，RATIC－30、RATIC－50、RATIC－70与 RATIC－100的曲线下降段区别不明显，这可能是由于随着再生粗骨料的取代率加大，RATIC内部所含的原始裂缝数量更多，但在RATIC受拉后期最终起决定性作用并迅速发展贯通的只有其中1～2条裂缝，这条决定性裂缝的发展在一定程度上降低了其余原始裂缝尖端应力集中效应的影响，所以再生粗骨料取代率及骨料内部原始裂缝数量对拉伸作用后期的影响有限。

2.4 受拉应力－应变全曲线的表达式

轴拉与轴压应力－应变全曲线的共同点在于都是光滑的单峰曲线，不同点在于轴拉应力－应变曲线更陡峭。国内外学者对混凝土的应力－应变曲线多采用上升段和下降段曲线的统一方程。鉴于此，本研究采用在峰值点连续的2个方程分别描述全曲线的上升段和下降段，曲线变量分别以应力和应变的相对值表示，图中坐标取为：

式中：εP——峰值应变；ΔP——峰值变形；σ、ε、Δ——试件对应于某时刻的应力、应变与变形量。

2.4.1 上升段

迄今为止，众多学者对混凝土应力－应变曲线的上升段提出了多种数学表达式。本研究采用过镇海[8]提出的受拉应力应变全曲线两段式模型作为原始模型：

由受拉应力应变全曲线的曲线形状可推出上升段的曲线方程需要满足如下边界条件：

为了考虑再生骨料对RATIC轴拉应力－应变曲线的影响，本研究引入了参数r，r为再生骨料取代率。结合试验结果（见表2），回归得到RATIC轴拉应力－应变曲线上升段的表达式（4）：

2.4.2 下降段

RATIC轴拉应力－应变曲线的下降段仍采用过镇海[8]建议的表达式，见式（5）：

由受拉应力应变全曲线的曲线形状可推出下降段的曲线方程需要满足如下边界条件：

不少学者对下降段参数α做了大量的研究工作，过镇海[9]对C20～C40普通混凝土建议的计算公式如式（6）：

本文考虑试验装置及方法的不同以及试验材料的不同，结合试验结果进行拟合回归得到下降段的参数α、β如下：

根据式（4）、式（5）、式（7）得到了不同再生骨料掺量的RATIC轴拉理论应力－应变全曲线，如图5所示，与试验结果吻合较好。

图5 轴拉理论应力－应变全曲线

3 结论

（1）RATIC的抗拉应力应变全曲线形状与普通混凝土类似，均存在有弹性极限点E、应力峰值点P、明显开裂点C及试件断裂点F等4个特征点。随着再生粗骨料取代率的增大，曲线下降段越来越陡，断裂脆性更加明显。

（2）C40强度等级的普通混凝土NC与RATIC－0的轴心抗拉强度值均为轴心抗压强度的10%左右。掺加再生骨料后，RATIC 的轴心抗压强度有所降低，RATIC－30、RATIC－50、RATIC－70、RATIC－100的轴心抗压强度较 RATIC－0分别降低了6.1%、15.6%、20.0%、31.3%。而抗拉应力应变则呈现不同的特点，与NC相比，RATIC－0的轴心抗拉强度提高9.4%；掺加再生骨料后，RATIC的抗拉强度有所下降，RATIC－30、RATIC－50、RATIC－70、RATIC－100 的轴心抗拉强度较 RATIC－0 分别下降21.4%、25.4%、27.8%、35.5%。掺加再生粗骨料使得RATIC的抗拉强度显著降低；但在取代率为30%的基础上进一步增大再生骨料的取代率对抗拉强度的影响较小。

（3）与普通混凝土相比，RATIC－0的初始抗压弹性模量和抗拉弹性模量分别降低24.7%和34.4%，而RATIC的抗拉弹性模量与再生骨料取代率之间关联较小。且RATIC的Et，0/Ec，0保持在0.813～0.862之间，相比NC有所降低，这是由于RATIC掺加了多种超细填料，水泥体本身相对较大的刚度导致其Et/Ec与同强度等级的普通混凝土相比有所降低。

（4）RATIC的峰值应变比NC高25.8%，而随着再生骨料掺量的逐渐增加，峰值应变有所下降，RATIC－30、RATIC－50、RATIC－70、RATIC－100的峰值应变分别比普通混凝土高14.6%、14.0%、11.9%、9.6%。

（5）采用在峰值点连续的方程组分别描述全曲线的上升段和下降段，该公式用于RATIC抗拉强度计算所得结果与试验结果吻合较好。