再生混凝土的力学性能试验及应用研究

赵嵩颖，徐 凯，张晓航

1吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118 2青岛中德生态园管理委员会,青岛 266426

在应对气候变化的背景下,废弃混凝土因可回收利用性,在工程建设中得到了广泛使用.将废弃混凝土用到新的建筑物上,不仅能降低成本,节省天然资源,缓解骨料供求矛盾,还能减轻废弃混凝土对环境的污染,是可持续发展战略的一个重要组成部分[1].但混凝土是应变敏感性材料,在控制混凝土结构设计中,安全是最重要的环节.因此,探究应变率对再生混凝土力学特性的影响具有重要意义.

早在1917年,Abrams[2]就开展了应变率对混凝土抗压强度的研究.1953年,Watstein[3]研究了应变率对两种不同强度混凝土的影响,试验表明混凝土抗冲击能力是通过吸收应变能的能力来测量的,也随着荷载的施加速率而增加.近年来,国内学者也开始了对再生混凝土的研究.王长青等[4]通过约束再生混凝土单轴受压动态力学试验,研究了应变率效应对约束再生混凝土力学参数的影响,并提出约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变动态放大系数函数模型.陈旭勇等[5]利用由两种再生粗骨料按比例混合后取代天然骨料的混凝土试块,研究了不同再生粗骨料的品质和掺量对再生混凝土抗压强度、抗劈裂抗拉强度和轴心抗压强度的影响.王建超[6]等采用压力机对7组不同再生大骨料-自密实砂浆堆石混凝土试块进行试验,研究了再生骨料粒径、再生骨料原始强度和自密实砂浆强度对再生大骨料-自密实砂浆堆石混凝土力学性能的影响.白卫峰等[7]开展了再生混凝土单轴受压动态力学性能试验,利用统计损伤模型分析了再生混凝土细观损伤演化规律,定义临界状态作为局部破坏的前兆.本试验设计4种不同加载应变率,对32块再生骨料取代率不同的混凝土试件采用液压伺服试验,进行单轴压缩性能试验研究,得到不同加载应变率下混凝土的破坏特征和应力-应变曲线,通过试验结果分析混凝土力学性能随应变率变化的规律.

1 试验材料及方案

1.1 试验材料

本试验中,采用的细骨料为河砂,基本性能见表1.粗骨料为天然骨料和再生骨料,再生骨料为废弃混凝土,粒径均为5 mm～20 mm,基本性能见表2.水泥采用同力水泥有限责任公司水泥厂生产的P·O 42.5级普通硅酸盐水泥.粉煤灰生产于铂润耐火材料有限公司水泥厂.拌合水为自来水,外加粉状十二烷基硫酸钠引气剂和聚羧酸减水剂.

表1 细骨料基础试验数据Table 1 Fine aggregate basic test data

表2 粗骨料基础试验数据Table 2 Coarse aggregate basic test data

1.2 试验方案

本试验中再生骨料取代率用R来表示,R取0 %,100 %进行设计.根据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》确定混凝土配合比,见表3.设计混凝土试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm,在试件浇筑过程中分两次加入模具,并用振捣棒捣实.浇筑完成后放在振动台振动两次共60 s,用工具将试块表面抹平后自然风干24 h脱模,送入(20±1)℃,相对湿度≥97 %的标准养护环境养护28 d.

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix

图1 加载示意图Fig.1 Loading diagram

加载应变率分别为10-5/s,10-4/s,10-3/s和10-2/s,以10-5/s作为准静态应变率.混凝土单轴压缩试验,如图1所示.试验前加载面要保持平整,并且在加载面和试块底部涂上石蜡减小摩擦保证受力均匀使试件轴心受力,然后开始预加载,首先使用遥控器来缩小加载面与混凝土试件间的距离,直到加载面与混凝土试件即将接触后开始正式加载,加载应变率采用以上4种,当加载到试件完全破坏后,加载停止.不同取代率在同一加载速率下的混凝土试件为4个.通过电液伺服压力试验机传感器得到试件的位移数据,通过安装在侧边的引伸计得到试件的轴向应变,根据所得数据处理后绘制应力-应变曲线图.

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

随着应变率的增大,以再生骨料取代率为100 %的混凝土在应变率为3×10-5/s时的破坏过程为例描述试验现象.荷载加载初期,混凝土试件处于弹性阶段能够承受压应力,试件表面没有裂缝产生.随着荷载接近峰值应力时,试件两侧表面保护层脱落,正表面两端产生竖向和倾斜细长的裂缝.荷载达到峰值应力时,裂缝增加开始分叉并向四周蔓延形成贯通缝,能明显观察到混凝土受压由内向外膨胀,整个试块开始逐渐开裂,直到丧失承载力,最终形成破坏形态.

混凝土在不同应变率下的破坏特征是不相同的.低应变率下,裂缝主要产生在粗骨料和砂浆接触面,部分试件最后形成贯通性裂缝,保护层脱落,如图2、图3、图6和图7所示.在高应变率下,试件的整个破坏过程发展迅速,破坏现象明显.部分试件的裂缝会迅速产生延申形成贯通,混凝土大面积脱落.在应变率为10-2/s时,部分试件在毫无裂缝产生下,伴随低沉的声音,会突然出现竖向和倾斜的贯通裂缝向试件核心区蔓延,混凝土崩塌脱落,其中有些粗骨料被压碎,如图4、图5、图8和图9所示.由图2至图9可知,在相同应变率下,再生骨料取代率100 %的混凝土试件比取代率为0 %的试件破坏形态更明显,原因在于再生骨料表面残留的旧砂浆降低了骨料与新砂浆之间的粘结力和摩擦力.

图2 应变率为10-5/s再生骨料取代率为0 % 混凝土的破坏形态Fig.2 Failure modes of concrete with strain rate of 10-5/s and replacement rate of recycled aggregate of 0 %

图3 应变率为10-4/s再生骨料取代率为0 % 混凝土的破坏形态Fig.3 Failure modes of concrete with strain rate of 10-4/s and replacement rate of recycled aggregate of 0 %

图4 应变率为10-3/s再生骨料取代率为0 % 混凝土的破坏形态Fig.4 Failure modes of concrete with strain rate of 10-3/s and replacement rate of recycled aggregate of 0 %

图5 应变率为10-2/s再生骨料取代率为0 % 混凝土的破坏形态Fig.5 Failure modes of concrete with strain rate of 10-2/s and replacement rate of recycled aggregate of 0 %

图6 应变率为10-5/s再生骨料取代率为100 % 混凝土的破坏形态Fig.6 Failure modes of concrete with strain rate of 10-5/s and replacement rate of recycled aggregate of 100 %

图7 应变率为10-4/s再生骨料取代率为100 % 混凝土的破坏形态Fig.7 Failure modes of concrete with strain rate of 10-4/s and replacement rate of recycled aggregate of 100 %

图8 应变率为10-3/s再生骨料取代率为100 % 混凝土的破坏形态Fig.8 Failure modes of concrete with strain rate of 10-3/s and replacement rate of recycled aggregate of 100 %

图9 应变率为10-2/s再生骨料取代率为100 % 混凝土的破坏形态Fig.9 Failure modes of concrete with strain rate of 10-2/s and replacement rate of recycled aggregate of 100 %

2.2 试验结果

混凝土单轴压缩试验结果见表4,表中数据为每组试件试验数据取平均值.ε为应变率,εc为峰值应力,σc对应的峰值应变,Ec为割线弹性模量.

表4 试验结果Table 4 The test results

2.3 峰值应力和峰值应变

图10表示两种不同的再生骨料取代率的混凝土试件在相同应变率下的峰值应力大小.由图10可知,在应变率相同的情况下,再生骨料取代率为0 %的混凝土的抗压强度大于取代率为100 %的混凝土.

如图11所示,在准静态率为10-5/s的状态下,取代率为0 %和100 %的混凝土的峰值应力分别为33.2 MPa和32.4 MPa.取代率为0 %的混凝土在其余3种动态加载状态下,峰值应力分别增长了6.6 %,14.8 %和20.8 %.同样,取代率为100 %的混凝土峰值应力分别增长了5.9 %,11.7 %和18.7 %,由图11可知,随着应变率的增大,峰值应力呈线性增长.

由图12可知,峰值应变随着应变率的增大有升有落,无明显变化规律,但总体趋势是下降的.峰值应变从应变率10-5/s时的25.29和30.21降低到10-2/s时的24.92和24.78,分别降低了1.5 %和22 %.

图10 峰值应力柱状图Fig.10 Peak stress histogram

图11 峰值应力点线图Fig.11 Peak stress point diagram

图12 峰值应变Fig.12 The peak strain

图13 弹性模量Fig.13 Modulus of elasticity

2.4 弹性模量

弹性模量是反映混凝土单轴压缩应力-应变关系的一个重要的参数.本试验按照公式(1)用应力-应变关系曲线图8和图9计算的割线模量确定混凝土的弹性模量:

(1)

式中,f0.4表示应力为峰值应力的40 %,MPa;ε0.4表示应力为f0.4时的应变值;ε0表示初始应力为0.5 MPa所对应的应变值.

混凝土弹性模量结果见表4.对于取代率0 %和100 %的混凝土,弹性模量分别从应变率10-5/s时的21 300 MPa和15 195 MPa增长到应变率10-2/s时的38 561 MPa和27 815 MPa.增长率分别为81 %和83 %.从图13可看出,混凝土弹性模量随应变率的增大呈线性增长.

2.5 应力-应变曲线

图14和图15分别表示不同应变率下再生骨料取代率为0 %和100 %的混凝土单轴压缩应力-应变关系曲线图.

从图14,图15中可以看出,每一条曲线都由上升段和下降段两部分组成.在峰值应变前,曲线上升段趋势与应变率有关,应变率越大曲线越陡峭,近似于一条直线呈线性相关,形状相似.应变率为10-5/s，10-4/s，10-3/s的3条曲线在峰值应力点后转折向下,下降趋势随应变率的增大而增大.应变率为10-2/s的曲线下降趋势逐渐平缓.应力-应变关系曲线呈现出混凝土的塑性性质.

图14 不同应变率下再生骨料取代率0 %的混凝土 单轴压缩应力-应变关系曲线Fig.14 Stress-strain relationship curves of concrete with 0 % replacement rate of recycled aggregate under different strain rates under uniaxial compression

图15 不同应变率下再生骨料取代率100 %的混凝土 单轴压缩应力-应变关系曲线Fig.15 Stress-strain relationship curves of concrete with 100 % replacement rate of recycled aggregate under different strain rates under uniaxial compression

3 结论

本文主要对两种不同再生骨料取代率混凝土的动态力学性能及在生态护坡中的应用进行了研究,得出以下结论:

(1) 在动态加载过程中,再生混凝土力学特性和破坏状态与普通混凝土特征相似.

(2) 两种混凝土单轴压缩应变-应变关系曲线均呈先增大后减小最终平缓的趋势,曲线上升段具有相似性.曲线上升段随着应变率的增大逐渐变陡,下降段趋势差异性明显.

(3) 随着应变率的增大,峰值应力和弹性模量呈线性增长,峰值应变呈总体下降趋势.