不同龄期再生混凝土直剪损伤分析及本构模型

晏 方,邱新生,付善春,杨子泉,郑振斌

(1.信阳学院 土木工程学院,河南 信阳 464000;2.信阳学院 信阳市重点装配式建筑重点实验室,河南 信阳 464000;3.申飞建设工程有限公司,河南 信阳 464000)

再生混凝土可有效实现固废利用,节能减排,保护生态环境,符合可持续发展的要求。目前,众多学者对再生混凝土的单轴抗压[1-2]、抗拉[3]及抗折[4]等力学性能进行了研究,但关于再生混凝土剪切方面研究相对较少,且试验结果由于试验方法的不同存在一定差异。R.C.K.Wong[5]通过混凝土压剪试验,确定了剪切强度构成要素,结合界面黏结、骨料咬合分析了混凝土的剪涨现象,并绘制了混凝土抗剪强度摩尔-库伦包络线。邓志恒[6]设计了不同取代率、压剪比再生混凝土试件进行压剪试验,研究了两者对再生混凝土抗剪强度的影响,并得出再生混凝土剪切强度的组成及占比计算公式。Shakeel Ahmad Waseem[7]研究了取代率、混凝土强度等级对再生混凝土剪切性能的影响,给出了再生混凝土剪切强度计算公式。王玉梅[8]考虑了取代率等因素设计了30组再生混凝土试件进行压剪试验,分析了取代率对极限抗剪强度的影响,得到基于八面体应力空间的再生混凝土压剪破坏准则。陈宇良[9]研究了取代率及尺寸效应对再生混凝土抗剪强度的影响,并建立了考虑尺寸效应的再生混凝土损伤模型。余振鹏[10]通过混凝土压剪试验得到剪切强度等特征参数,分析了混凝土压剪破坏三阶段对应力学特征,推导了剪切界面摩擦系数,提出了分段式破坏准则。肖阳[11]考虑加载速率、法向应力等因素设计了混凝土进行剪切试验,研究了两者对混凝土的剪切损伤演化的影响,区分了混凝土压剪损伤演化三阶段,并得出损伤模型。

实际工程中,为节省工期需要确定试件合理的养护时间,在保证混凝土强度、变形等性能达到设计要求后尽快进入下道工序。胡敏萍[12]探究了强度等级、龄期对再生混凝土抗压强度、弹性模量等的影响,并拟合得到早龄期再生混凝土强度计算公式。白卫峰[13]运用核磁共振及电镜技术对再生混凝土进行微观分析,探究不同龄期再生混凝土损伤发展及损伤机制,解释了再生混凝土的复杂应力-应变行为。刘杰[14]研究了龄期对普通混凝土直剪力学性能及损伤耗能的影响,给出了早龄期混凝土剪切强度、变形计算公式。梁鑫[15]研究了龄期、取代率对再生混凝土剪切强度、残余强度的影响,并给出不同龄期再生混凝土剪切强度换算方法。

综上,为丰富早龄期再生混凝土直剪试验数据,探究取代率、龄期对再生混凝土损伤演化的影响,本文制作了3种龄期、5种取代率再生混凝土试件进行直剪试验,获取剪切全过程荷载-位移曲线,分析损伤演变过程,基于损伤理论建立本构模型,以期为完善早龄期再生混凝土剪切基本理论提供试验依据。

1 试验概况

1.1 原材料

采用P·O42.5普通硅酸盐水泥作为胶凝材料,城市自来水作为拌合用水,细度模数2.38、表观密度2580kg/m3的中砂作为细骨料,经破碎筛分5～20mm连续级配再生骨料、天然同级配碎石作为粗骨料进行混凝土配制,再生骨料来源于试验梁,原生强度C20。天然粗骨料、再生粗骨料物理性能指标如表1。

1.2 配合比设计及试件制作

混凝土配合比设计参照《普通混凝土配合比设计规程》进行,目标强度等级C30,得到天然混凝土配合比:水泥353.9kg/m3,水195kg/m3,砂666.4kg/m3,天然碎石1184.7kg/m3。以天然混凝土配合比为基准,使用再生碎石按设计比例(即取代率r)等质量替代天然碎石,补偿两种粗骨料间吸水率差异造成的附加用水,得到不同取代率再生混凝土配合比设计,如表2。

考虑7天、14天、28天三种龄期,0%、30%、50%、70%、100%五种取代率,设计了45个试件进行直剪试验,每3块为一组,试件尺寸为边长150mm的立方体。

1.3 加载装置及量测

直剪试验采用高精度液压伺服试验机完成,采用位移控制进行加载,速度为0.02mm/s。加载时,先轴向预加载、横向预加载以消除剪切装置与试件间缝隙,再横向正式加载至试件破坏,横向荷载稳定后停止试验。试验中荷载、位移均由试验系统自动采集。试件加载现场、受力状态如图1所示。

2 试验过程与结果

2.1 试件破坏形态

不同龄期、取代率再生混凝土试件典型破坏形态如图2所示。观察各试件破坏形态可得,试件被整齐剪为等高两部分,正受剪面裂缝笔直,侧面裂缝整体呈一定角度。结合试件破坏横截面来看,7天龄期试件横截面颜色较深,面上松散颗粒状灰渣多,但表面骨料较为完整,表明骨料间界面破坏严重,这与7天龄期试件强度低有关,而随龄期的增长,试件中开始出现骨料剪断破坏,与界面破坏共存。

(a)不同龄期再生混凝土正受剪面对比

2.2 荷载-位移曲线

根据试验系统采集的荷载、位移数据,绘制了直剪作用下各龄期再生混凝土荷载位移曲线,如图3。荷载-位移曲线按曲率形状可分为三部分,对应于试件破坏的三个阶段。

(1)线性段:荷载随位移线性增大,对应于试件弹性阶段,试件完整无损伤,此时主要由混凝土界面粘结力抵抗剪力。

(2)上升段:荷载随位移增大而增大,但增大幅度逐渐降低,直至峰值荷载时增长速度降为0,对应试件弹塑性阶段,试件内出现微裂缝、产生损伤,且损伤发展速度快而稳定、不断累积,此时剪力由界面粘结力及骨料间咬合力抵抗,随位移增大咬合力占比降低。

(3)下降段:荷载随位移增大而减小,且减小幅度逐渐降低,直至降低为0,此时试件只发生相对滑移,对应试件塑性阶段,损伤发展速率随位移增大降低,直至稳定,此时只有骨料间咬合力与剪力平衡,随着界面骨料剪断,剪力逐渐降低。

2.3 特征参数

结合荷载-位移曲线,得到各组试件特征参数如表3所示,其中每组特征值取三块试块相应均值。

表3 再生混凝土特征参数

3 直剪损伤演变过程分析

3.1 损伤演变

损伤系数D可有效反应试件损伤发展,弹性极限前D=0,试件无损伤,完全破坏时,D趋于1。假设荷载-位移曲线上任意一点,其位移为s,剪力为v,试件损伤系数D按式(1)计算[9]。

(1)

式(1)中:WP为对应应变能;G0为初始变形模量(kN/mm),即荷载-位移曲线线性段斜率。

WP为从开始加载至位移s时所耗散能量,可近似计算为:

(2)

式(2)中:vi-1、vi为第i分段左右端点剪切力;si-1、si为相应位移。

3.2 取代率对再生混凝土损伤的影响

不同取代率再生混凝土损伤演化对比如图4。观察可得,取代率对损伤出现时间有影响,7天龄期时,损伤出现由早晚试件对应取代率依次为50%、70%、100%、30%、0%;14天龄期损伤与7天龄期相比,不同取代率试件开始出现损伤时间差异不显著,取代率30%试件出现最早,取代率50%试件出现最晚;28天龄期时,100%取代率试件最早出现损伤。再生骨料对试件整体性能的影响主要有两个方面,一方面在破碎过程中产生的微裂纹损伤,取代率越高,再生骨料越多,整体削弱越大,此为再生骨料不利的一面;另一方面,再生骨料表面未完全清除的水泥基不仅使骨料表面更为粗糙从而增强了骨料与水泥基体间咬合力,且旧砂浆再次水化使黏结界面更密实,此为再生骨料有利的一面。总体上再生骨料的削弱作用占主导地位,故整体来看,取代率低的试件损伤出现时间晚,但由于两方面共同存在相互抵消,故并非严格的取代率越低裂缝出现时间越晚。

(a)7天龄期(b)14天龄期(c)28天龄期图4 不同取代率再生混凝土损伤演化

3.3 龄期对再生混凝土损伤的影响

图5为不同龄期再生混凝土损伤演化对比。由图可见,相同取代率再生混凝土不同龄期损伤发展速度与初始损伤时间不同。从整体试件损伤出现时间来看,龄期28天试件损伤出现较早,14天龄期次之,7天龄期出现最晚,原因可能在于再生骨料由于破碎过程中产生的微裂缝在拌合过程中储存了毛细水,在后期强度发展过程中,微裂缝中毛细水逐步释放,起到了内养护的作用,龄期越早,内养护作用越明显,故早龄期试件损伤出现反而较晚。从整体损伤发展程度来看,14天龄期试件损伤发展速度快,28天龄期试件损伤发展速度慢,原因可能在于,28天龄期时,再生混凝土内水化反应基本完成,强度增长完全,此时试件整体抵御荷载能力较强,故损伤速度发展较慢。

(a)取代率0%(b)取代率30%(c)取代率50%(d)取代率70%(e)取代率100%图5 不同龄期再生混凝土损伤演化

4 直剪损伤本构

4.1 损伤本构模型

参考文献[13]-[15],以峰值点位移为界限,对再生混凝土损伤采用不同损伤模型,前段采用Weibull模型,后段采用改良后过镇海模型。具体如式(3)、式(4)所示。

(3)

V=s(1-D)G0

(4)

将式(3)代入式(4)可得,再生混凝土直剪全过程荷载-变形模型如式(5)所示。

(5)

式(5)中:s为位移;Vu为峰值剪力,su为相应位移;a、b为形状控制系数,可通过拟合得到;m、ρ为强度参数,按式(6)-式(7)计算。

(6)

(7)

4.2 模型验证

再生混凝土直剪损伤模型参数列于表4。由表可见,整体上随龄期增大,m、a值增大,ρ、b值减小。

表4 再生混凝土模型参数

根据表4给出拟合参数,得到损伤理论荷载-位移曲线,与试验曲线对比如图6。由图可见,拟合所得曲线与试验曲线吻合良好。

(a)取代率0%(b)取代率30%(c)取代率50%(d)取代率70%(e)取代率100%图6 损伤理论试验曲线对比

5 结论

以再生混凝土直剪强度试验为基础,对取代率、龄期对再生混凝土损伤的影响进行了分析,并建立了再生混凝土损伤本构曲线,得到如下结论。

(1)7天龄期再生混凝土直剪破坏横截面粗骨料较为完整,但随龄期增长粗骨料发生剪断破坏,从界面破坏转换为界面、粗骨料破坏共存。

(2)再生混凝土直剪荷载位移曲线可分为线性段、上升段与下降段三段,分别对应试件弹性阶段、弹塑性阶段与塑性阶段。

(3)粗骨料取代率低的再生混凝土损伤出现时间越晚,但并非取代率越低损伤出现时间越晚。

(4)三种龄期相比,28天龄期试件最早出现损伤但损伤发展速度相对较慢,14天龄期试件损伤发展速度最快,7天龄期再生混凝土损伤最晚出现。

(5)上升段使用Weibull模型,下降段使用过镇海模型,建立了直剪全过程损伤本构,给出再生混凝土损伤模型参数取值表,理论曲线与试验曲线吻合良好。