再生透水混凝土应力—应变全曲线试验研究

丁 黔，胡 争，张淼鑫，李治斌，丁 琳

(1 黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2 黑龙江大学 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

再生骨料透水混凝土是基于透水混凝土，选用再生骨料部分替代或者是全部代替天然骨料，使得混凝土的透水、导热、吸声性能都能得到改善[1]。随着我国经济的高速发展，城市化进程的加快推进，城市建设及国家基础建设日益增多，据统计，中国每年的水泥消耗量高达8.2亿t，占世界总消耗量的55%[2]。因此,再生混凝土的推广应用可以缓解我国自然资源过度消耗的问题，实现建筑垃圾的回收再利用[3]。另外，应力—应变本构关系是混凝土宏观力学性能的综合反映，对于再生骨料透水混凝土的强度性能和混凝土的本构关系，国内外都对此有很深入的研究。例如，丁琳等[4]系统研究了泡沫混凝土的长期抗压强度的发展规律与天然混凝土有一定差异，分析了混凝土各龄期的抗压强度影响很大；此外，肖建庄[5]还通过对上海某机场的废弃混凝土进行处理得到再生混凝土，试验发现再生混凝土的峰值应变大于普通混凝土，但弹性模量明显低于普通混凝土，再生混凝土的应力—应变全曲线的总体形状与普通混凝土相似；N.K.Bairagi和Kishore Ravande[6]通过试验得到，不同再生粗骨料取代率下的再生混凝土本构关系具有相似性；李学良，杨海峰等[7]通过改变石粉含量和再生骨料取代率，试验得到不同SP含量下的应力—应变曲线的形状相似，且在各RCA取代率下，SP含量为10%时峰值应力最大，不含SP时峰值应力最小；丁琳等[8]通过试验得到，混凝土的抗裂峰值应变变化规律。

本文选取哈尔滨某路面废弃混凝土，通过研究其不同替代率、不同龄期下再生混凝土的抗压性能的变化规律，并建立起相应的本构关系，以期为相关研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验原材料

水泥为天鹅牌P.O42.5普通硅酸盐水泥，拌合水为自来水，天然粗骨料为连续级配碎石，再生粗骨料由哈尔滨某路面废弃混凝土加工而成。粗骨料基本性能如表1。

表1 粗骨料基本性能

1.2 试验配合比

本文共设计了4种再生骨料取代率，即r=0、r=30%、r=70%、r=100%。其中，当r=0时，即为普通混凝土，作为空白对照组，其强度等级为C30。混凝土的配合比如表2。

表2 混凝土的配合比

1.3 试验设备与方法

立方体抗压强度试验和应力—应变全曲线试验用600 kN电液伺服万能试验机(型号为E64.605)，加载速率为0.033 mm/s。试验过程中，轴压力和轴向位移均由计算机自动采集，其中纵向变形值为试块在中部100 mm标距范围内的压缩量，每个棱柱体试块在正式加载前均进行预加载4次。

2 结果与分析

2.1 抗压强度

不同龄期不同取代率下再生骨料混凝土的立方体抗压强度和棱柱体抗压强度值(4块试样的平均值，且已考虑尺寸修正系数)见表3。

(1)

式中：ρr为再生骨料混凝土的表观密度，kg/m3；A=-89.338r2+131.49r+37.572;R为统计回归系数。

表3 不同龄期再生混凝土立方体抗压强度与棱柱体抗压强度

2.2 弹性模量

图1 不同龄期再生混凝土弹性模量

随着再生骨料替代率的增加，不同龄期的混凝土试块的弹性模量降低明显，当骨料替代率达到100%时，28 d的弹性模量减小了51.0%，而7 d 和3 d的弹性模量减小量为39.3%和39.4%，这说明再生骨料混凝土的弹性模量没有普通混凝土的弹性模量高，这是由于再生粗骨料的弹性模量较低。

3 应变应力全曲线方程

图2 28 d再生骨料混凝土量纲应力—应变曲线

由图2所示，应力—应变曲线上升阶段与下降阶段有显著区别，利用过镇海[13]在《混凝土的强度和本构关系》一书提出的方程(见式2)进行拟合。

(2)

利用最小二乘法将试验所得的数据拟合，得到不同再生骨料替代率下待定参数a值和b值及相应的拟合优度相关系数R2，如表4所示，曲线上升阶段相关系数R2均大于0.98，下降阶段相关系数R2均大于0.92，可以看出用拟合效果很好。且在上升阶段普通混凝土的a值大于再生混凝土a值，而在下降阶段随着替代率的增加b值越来越大，说明了试块随着再生骨料的增加而变脆。

表4 相关系数R2

4 结 论

(1)再生混凝土的破坏形态与普通混凝土破坏形态相似，破坏裂纹直径大小与再生骨料替代率相关，替代率高的混凝土试块裂纹初期裂纹较宽；最终破坏面与荷载垂线方向夹角与养护龄期相关，养护龄期越长夹角越小。

(2)再生骨料混凝土应力—应变曲线与普通混土应力应变曲线类似，可分为上升阶段和下降阶段，均存在比例极限点、临界应力点，峰值及拐点，龄期显著影响上升阶段应力—应变的斜率，龄期越长，应力—应变全曲线斜率越大，再生骨料替代率显著影响下降阶段的曲线，替代率的增高，曲线变陡，说明了再生骨料替代率越高脆性越高，刚度越低。

(3)随着龄期的增长，再生骨料混凝土立方体、棱柱体抗压强度均增强，弹性模量增大，随着再生骨料替代率的增加，立方体、棱柱体试块抗压强度减小，弹性模量减小，且棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值增大且大于普通混凝土的比值。

(4)采用过镇海在《混凝土的强度和本构关系》提出的函数拟合单轴抗压应力—应变曲线，上升阶段相关拟合系数R2均大于0.98，下降阶段相关拟合系数R2仅一条大于0.92，其余均大于0.98，说明了拟合结果与试验结果基本一致。