含砖粒再生混凝土悬臂梁阻尼性能试验与分析

安新正, 边金明, 申彦利

(河北工程大学土木工程学院, 邯郸 056038)

将经处理后的建筑垃圾部分或全部替代天然骨料制成再生混凝土应用于混凝土工程,是实现建筑垃圾资源化和倡导节能环保的新途径,已成为中外学者聚焦的话题[1-2]。据报道,中国年均需处理的由废弃混凝土和废弃砖为主的建筑垃圾产量达1亿t以上[2],由于将其分类回收成本较高,一般是将其统一回收、加工再利用。但是目前所研究的再生混凝土中再生粗骨料多为单一的废弃混凝土或废弃砖块[2-3],对由以上统一回收的非单一成分组成的建筑垃圾作为再生骨料研究较少。为解决这部分由废弃混凝土和废弃砖组成的建筑垃圾的出路问题,对其作为再生粗骨料制备含砖粒再生混凝土进行研究意义重大。另外,阻尼是进行结构设计的重要参数,又是体现材料本身耗能能力的重要指标,对结构振动过程中能量耗散贡献显著。为加速含砖粒再生混凝土在更广范围内应用,有必要对其阻尼性能进行探讨。

直到20世纪80年代,随着人们对结构振动反应分析日趋广泛,对混凝土材料的阻尼选取引发中外学者广泛关注[4]。关于再生混凝土材料阻尼性能,近年来学者们对其展开研究。梁超锋等[5-6]基于三点弯曲梁试验,探讨了再生粗骨料取代率、粒径对再生混凝土材料阻尼性能的影响，结果表明,再生混凝土的阻尼耗能比普通混凝土高3%～10%，并借助微观试验得出孔隙和薄弱界面是再生混凝土阻尼耗能的重要因素。Jordan[7]详细研究了应力水平、频率、养护条件和龄期等因素对混凝土阻尼性能的影响,认为微裂缝是阻尼产生的重要原因。肖建庄等[8]采用悬挂和悬臂两种试验方法对再生混凝土材料阻尼进行系统研究,结果表明悬臂法阻尼测试结果高于悬挂法。柯国军等[9]研究表明混凝土材料阻尼比随抗压强度和弹性模量的增加而降低。

从以上研究可以看出,以往研究主要集中在单一成分再生粗骨料配制的再生混凝土的阻尼性能,且研究结果由于试验方法的不同和再生粗骨料性能的复杂而有所出入,对含砖粒再生混凝土材料阻尼性能的研究涉及尚少。鉴于此,现将以砖粒含量约50%的建筑垃圾作为再生粗骨料制备81根含砖粒再生混凝土梁,通过悬臂梁自由振动试验,研究含砖粒再生粗骨料(brick-containing recycled coarse aggregate,BRCA)取代率、水胶比、粉煤灰掺量、试件尺寸对含砖粒再生混凝土阻尼比的影响,以期为含砖粒再生混凝土在工程中推广应用以及工程抗震设计提供基础性参考。

1 试验概况

1.1 试验原材料

①水泥(cement, C):红旗牌 42.5普通硅酸盐水泥；②细骨料(natural fine aggregate, NFA):天然河砂,细度模数为1.6；③粗骨料:天然粗骨料(ma-tural coarse aggregate,NCA):粒径范围为5～20 mm,连续级配,表观密度为2 703 kg/m3,24 h吸水率为1.06%,压碎指标为9.8%；含砖粒再生粗骨料(BRCA):由邯郸全有生态建材有限公司生产提供,粒径范围为5～20 mm,连续级配,表观密度为2 514 kg/m3,24 h吸水率为11.5%,压碎指标16.1%；④粉煤灰(fly ash,FA):Ⅱ级粉煤灰；⑤减水剂(water reducer,WR):高效聚羧酸液态减水剂,减水率25%；⑥水(water,W):市供自来水。

1.2 试件制作及配合比

试验共制作9组试件。试验编号为B0～B8。其中B0～B4表示BRCA取代率为0%、30%、50%、70%、100%(水胶比为0.57、FA掺量为10%)的5组试件；B5～B6表示FA掺量为0%、20% (水胶比为0.57、BRCA取代率为100%)的2组试件；B7～B8表示水胶比为0.47、0.65(BRCA取代率为100%、FA掺量10%)的2组试件。每组配合比下均浇筑截面边长为100 mm,长分别为1 000 mm(A1)、515 mm(A2)、400 mm(A3)的长方体梁试件,每种尺寸各3根,共81根梁,用于材料阻尼性能测试；另外每组同批浇筑边长为100 mm的立方体试块各6块,用于28 d抗压强度和劈拉强度测试[10]。薄膜覆盖养护28 d。本试验配合比如表1所示。

表1 各组试件配合比Table 1 Mixture ratio of each group of test pieces

1.3 试验方法及测试内容

1.3.1 超声波测试

试验采用瑞士TICO非金属超声波检测仪测试超声波在梁中传播的波速,采用对测法。使用耦合剂将超声波发射探头和接收探头贴合在梁试件纵向对立测试面的不同测点上,且保持在同一水平轴线上,测试时保证换能器与梁试件表面耦合良好。其均值作为该配合比下的超声波波速值。

1.3.2 材料阻尼测试

含砖粒再生混凝土不同配合比下梁试件的阻尼比测试采用悬臂梁自由振动衰减法。将梁试件固定于TYA-2000 型数显压力试验机上,形成悬臂梁系统。用力锤轻击图1所示的激励位置,通过DH5902动态信号采集系统进行数据采集和分析。试验测得梁试件振动的加速度时程曲线如图2所示,梁试件的阻尼比计算公式为

图1 悬臂梁自由振动试验装置Fig.1 Free vibration test device of cantilever

图2 加速度时程曲线Fig.2 Acceleration time history curve

(1)

式(1)中:ξ为阻尼比；Ai、Ai+n为悬臂梁自由振动衰减第i、i+n周期的加速度峰值。

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

含砖粒再生混凝土抗压强度、劈拉强度、阻尼比及超声波波速的实测结果如表2所示。

2.2 强度分析

由表2可知,抗压强度和劈拉强度均随BRCA取代率的增加而下降,其降幅分别为11.7%～30.9%和13.6%～34.5%。当BRCA取代率低于30%时,抗压强度和劈拉强度降幅较小。因此,建议用于考虑承载力结构设计的再生混凝土BRCA取代率不宜超过30%。这是因为BRCA自身强度低,宏观破坏表现出废弃砖粒及废弃混凝土骨料本身的断裂破坏。另外废弃砖粒孔隙率较高且存在初始缺陷轴向拉压时在薄弱处易引起应力集中[3]。

表2 再生混凝土相关性能参数Table 2 Relevant performance parameters of recycled concrete

含砖粒再生混凝土抗压强度和劈拉强度均随FA掺量的增加呈先增加而后减少趋势。相对于B5,B4的抗压强度和劈拉强度增幅分别为1.3%和8.0%。而B6的抗压强度和劈拉强度分别下降了4.6%、12.2%。表明FA掺量为10%有利于激发水泥活性,促进水泥水化,改善内部孔隙结构,提高其强度。FA掺量为20%时,由于粉煤灰活性低于水泥,其水化反应缓慢,存在未水化部分,引起强度降低。含砖粒再生混凝土的抗压强度和劈拉强度均随水胶比的增大而降低,与普通混凝土规律基本相似。

2.3 材料阻尼性能分析

2.3.1 BRCA取代率和FA掺量的影响

不同BRCA取代率下含砖粒再生混凝土的阻尼比如图3所示。A1、A2、A3阻尼比均随BRCA取代率的增加而增加,与文献[4-5]增长趋势一致。相比于B0,B1、B2、B3、B4的平均阻尼比分别增加了4.7%、8.6%、14.2%、13.2%,BRCA对混凝土材料阻尼性能提高显著。在不同取代率下含砖粒再生混凝土与文献[4-5]中再生混凝土材料相比,其阻尼比均有明显提高,约是文献[4-5]的1～2.5倍。主要原因是:BRCA中包含废弃砖粒和废弃混凝土两部分。废弃砖粒疏松多孔、孔径大,而文献[4-5]中废弃混凝土作为再生粗骨料相对砖粒孔隙率较低、密实度较高。已有试验表明[6],碎砖掺量10%的全再生混凝土存在大孔和界面裂隙,其总孔体积和平均孔径均大于不掺碎砖的全再生混凝土。另外,BRCA中部分废弃混凝土颗粒表面局部区域附着带有微小孔隙的旧硬化水泥砂浆。BRCA在破碎过程中内部也产生了大量微裂纹。总之,含砖粒再生混凝土内部孔隙和损伤裂纹均是阻尼耗能的原因。

图3 阻尼比随含砖粒再生粗骨料取代率变化Fig.3 Damping ratio changes with BRCA substitution rate

另一方面,表面附着老旧砂浆的次生骨料、废旧砂浆颗粒以及废弃砖粒与新硬化水泥砂浆结合,均存在薄弱黏结过渡界面。微观试验显示[11],薄弱界面过渡区存在空隙大且密实度低的氢氧化钙的定向结晶和钙矾石晶体。所以,薄弱黏结过渡界面随BRCA取代率的增加而增加,在振动过程中更易产生相对滑移,有利于阻尼耗能。

在取代率R=70%时,平均阻尼比达到最大值,而R=100%时略有降低。主要因为粗骨料全部为BRCA时,由于存在过多BRCA粗糙面,提高了与水泥砂浆间的有效结合面积,增强了彼此间的机械咬合力,彼此间的紧密结合抑制了薄弱黏结界面的相对滑移。

不同FA掺量下含砖粒再生混凝土的阻尼比如图4所示。A1、A2、A3阻尼比均随FA掺量的增加而增加。与B5相比,B4、B6的平均阻尼比分别增加了1.6%、7.8%。原因是:一方面,FA比表面积较大,随着FA掺量的增加,增大了其与水泥砂浆之间接触表面积,从而使界面产生相对滑移运动时的摩擦阻尼增加[12],使机械能转化为热能而引起了能量的耗散。另一方面,FA由实心或空心的球状微颗粒组成[5],颗粒内部含有空气,在振动过程中形成了空气的缩胀挤压作用,增加阻尼耗能。

图4 阻尼比随粉煤灰掺量变化Fig.4 Change of damping ratio with fly ash content

由此可见,水胶比一定时,从提高含砖粒再生混凝土的阻尼比角度出发,B6组可作为最佳选择；但以破坏强度和耗能综合考虑,B1组为最优选择。这样既可以保证含砖粒再生混凝土的强度,又可以提高其耗能能力。

2.3.2 水胶比的影响

不同水胶比下含砖粒再生混凝土的阻尼比如图5所示。含砖粒再生混凝土阻尼比随着水胶比的增大而增大。与基准组B4相比,B7的平均阻尼比降低了4.9%；B8的平均阻尼比提高了6.6%。这是由于水胶比越大,水化后含砖粒再生混凝土内部孔隙越多,孔隙是振动过程中引起耗能的重要因素之一。另外,在振动过程中,孔隙外部周围由于孔隙形状不规则而存在应力集中现象,容易产生塑性变形[6],从而增加耗能。且孔隙内填充有空气,大量孔隙和微气泡均具有缓冲过渡作用[13],也有助于耗散振动能量。

图5 阻尼比随水胶比变化Fig.5 Variation of damping ratio with water binder ratio

2.3.3 试件尺寸的影响

由表2可知,在BRCA取代率、FA掺量、水胶比3种影响因素下,不同试件尺寸得到的含砖粒再生混凝土阻尼结果存在差异,A2、A3阻尼比测试结果比A1分别降低0.09%～1.21%、0.86%～1.57%,降幅波动范围较小,且3种试件尺寸测试结果在不同影响因素下的变化规律和总体趋势基本一致,如图3～图5所示。因此,试件尺寸对含砖粒再生混凝土阻尼性能影响较小,与文献[14]结果相吻合。

2.4 阻尼比与抗压强度及超声波波速的关系

2.4.1 阻尼比与抗压强度的关系分析

已有研究表明,钢筋混凝土构件阻尼比与混凝土强度具有较好的相关性[15],考虑到BRCA取代率、FA掺量、水胶比以及试件尺寸等因素对含砖粒再生混凝土阻尼比与抗压强度二者之间关系影响较小[9],对试验数据进行分析得到了含砖粒再生混凝土阻尼比与抗压强度的关系,如图6所示。由图6可知,含砖粒再生混凝土与普通混凝土类似,其阻尼比随着抗压强度增加而降低,二者呈负相关关系。基于文献[15],为了更好地得到含砖粒再生混凝土阻尼比与抗压强度关系,通过非线性回归得到表达式(2)。式(2)决定系数为0.895 3,可以在一定程度上反映含砖粒再生混凝土阻尼比与抗压强度的关系。含砖粒再生混凝土抗压强度越高,内部密实度越高,其耗能能力越低。

图6 阻尼比与抗压强度的关系Fig.6 Relationship between damping ratio and compressive strength

ξ=-1.109e-0.020fcu+5.087

(2)

2.4.2 阻尼比与超声波波速的关系分析

超声波波速是超声波在介质中传播的速度,其大小反映了混凝土内部的损伤和缺陷程度,而其内部的损伤和缺陷则是引起材料阻尼耗能的重要因素。不同取代率下的含砖粒再生混凝土超声波波速和阻尼比如表2所示。通过MATLAB对各组试件的阻尼比与超声波波速进行相关分析,二者的相关系数为0.972 2。说明含砖粒再生混凝土阻尼比与超声波波速具有较好的相关性。由于试验BRCA孔隙大,破碎时又存在初始损伤裂纹,随着BRCA取代率的增加,含砖粒再生混凝土内部缺陷增多,最终导致超声波波速降低的同时耗能能力反而有所提高。所以考虑BRCA取代率R的影响,为了更好地建立二者之间的关系,引入R作为变化因子,对阻尼比与超声波波速进行回归分析,得出以v和R为变量的含砖粒再生混凝土ξ的计算式为

ξ=4.772×10-2+3.343×10-4R-4.243×10-6v

(3)

式(3)的决定系数为0.945 6,说明其在一定程度上能够较好反映不同BRCA取代率下含砖粒再生混凝土材料阻尼比与超声波波速的关系。由于试件尺寸的影响较小,以A1为例,将含砖粒再生混凝土材料阻尼比实测值ξ1与基于式(3)的计算值ξ2相比,其结果如表3所示。ξ1与ξ2比值的总体偏差在0.98～1.01,其平均值为0.99,均方差为0.011,变异系数为0.011,说明含砖粒再生混凝土阻尼比按式(3)进行计算与试验结果吻合较好。

表3 阻尼比的理论值与实测值对比Table 3 Comparison of theoretical value and measured value of damping ratio

3 结论

(1)与普通混凝土相比,不同取代率下的含砖粒再生混凝土抗压强度和劈拉强度均有一定程度的降低,而阻尼比增加4.7%～13.2%。对于部分承压混凝土构件,综合考虑建议BRCA取代率不宜超过30%,可以保证强度降低不大而阻尼比有所提高。

(2)当BRCA取代率为100%时,掺入粉煤灰可提高含砖粒再生混凝土的阻尼比,但当掺入量为20%时,虽能提高其耗能能力但导致强度较未掺时有所降低。试件尺寸对含砖粒再生混凝土阻尼比影响不明显。

(3)含砖粒再生混凝土阻尼比随抗压强度增加呈显著降低趋势,与普通混凝土类似。给出了含砖粒再生混凝土阻尼比与抗压强度的计算模型。另外,超声波波速能较好地反应材料内部特征,依据BRCA取代率和超声波波速,采用构建的量化模型在一定程度上可以预测含砖粒的再生混凝土材料阻尼比。