再生骨料混凝土横向变形系数及预测模型*

赵木子 徐成彦 王玉银 耿 悦,5 龚 超

(1.哈尔滨工业大学(深圳)材料科学与工程学院, 广东深圳 518055; 2.中冶建筑研究总院(深圳)有限公司, 广东深圳 518055; 3.哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室, 哈尔滨 150090;4.哈尔滨工业大学土木工程学院, 哈尔滨 150090; 5. 广东省现代土木工程技术重点实验室, 广州 510641)

0 引 言

近年研究发现,通过调整附加水用量[1-3]、优化拌和方式[4-5]、掺入适量矿物掺和料[6-8]等方式,可有效降低再生骨料的掺入对混凝土力学性能的不利影响,使其能够应用于结构工程中。再生混凝土在轴压荷载作用下的横向变形性能(轴压荷载作用下横向变形与纵向变形的比值)作为其关键力学性能之一,应予以关注。与天然骨料相比,再生骨料掺入会引入更多的界面过渡区(ITZ)及微裂纹[5,9],导致再生混凝土在轴压荷载作用下裂纹发展更为迅速,使得横向变形迅速发展所对应的荷载等级降低,提高横向变形系数。同时,再生骨料表面含大量水泥石,会显著影响混凝土的变形性能[5,10]。前期研究已发现,再生骨料取代率的变化及水灰比的变化会显著影响再生混凝土内部界面过渡区性质及水泥石总量[5],同时是影响其横向变形性能的关键因素,有必要对其进行系统研究。

目前,已有学者对再生混凝土在弹性阶段的横向变形系数(即泊松比)开展了系统研究[11-17],量化了再生骨料取代率[11-15]、混凝土水灰比[11]、养护龄期[17]、掺和料[14]等因素对泊松比的影响。然而,针对受压全过程的横向变形系数发展的研究十分有限,仅Revilla-Cuesta等学者[18]试验研究了不同再生骨料取代率对自密实再生混凝土横、纵向变形性能的影响,揭示了再生骨料取代率对横向塑性变形发展的影响规律。

然而,现有研究中再生骨料取代率较为固定(再生粗骨料取代率为100%,再生细骨料取代率为0%、50%、100%),并未揭示在不同再生粗骨料取代率及不同水灰比下再生细骨料对横向变形性能的影响,也尚未提出再生混凝土横向变形系数的预测模型。为此,以再生骨料取代率及再生混凝土水灰比为主要参数,进行再生混凝土横向变形性能试验,量化不同水灰比下再生粗、细骨料对横向变形性能的耦合影响。基于两相复合材料理论,提出横向变形系数预测模型,并将模型预测结果与试验结果进行对比,验证模型的可靠性。

1 试验方案

1.1 试验参数及混凝土配合比

为研究不同水灰比下取代率对再生混凝土横向变形系数的影响,以水灰比及再生骨料取代率为主要参数,设计制作14组共42个150 mm×150 mm×300 mm(a×a×h)的棱柱体试块,并对其进行试验研究。试验参数如表1所示。为便于对比分析,表中还给出了各组试件的配合比及基本力学性能。其中,fcu表示28 d立方体(边长为100 mm)试件的抗压强度平均值,fc表示28 d棱柱体试件的抗压强度平均值,Ec表示28 d混凝土试件的弹性模量平均值。

表1 不同取代率及水灰比的再生混凝土配合比及基本力学性能

以C100-F50-0.45为例说明不同配合比的再生混凝土命名方式:C100代表再生粗骨料取代率为100%;F50代表再生细骨料取代率为50%;0.45代表再生混凝土水灰比为0.45。

再生混凝土的配合比以相同目标水灰比(w/c)Target(不计入骨料预处理所加入的水)下的普通混凝土配合比为基准配合比,再生骨料取代方式为体积取代。

1.2 试验材料

采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥。为保证新拌混凝土的和易性,在拌和时掺入质量为1%水泥用量的HWR-S型萘系减水剂,该减水剂的密度为1 200 kg/m3。

采用的天然粗骨料(CNA)为石灰岩,天然细骨料(FNA)为普通河沙。天然粗、细骨料的粒径分别为5～25 mm、0.15～5 mm。所采用的混凝土再生骨料龄期为12 a。由于原始设计资料不详,采用回弹法测得废弃混凝土立方体抗压强度约为49 MPa。

为降低骨料级配对试验结果的影响,对试验中再生骨料与天然骨料级配进行调整,使二者级配基本相同,级配曲线如图1所示。其中,粗骨料的级配满足国家标准GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》[19]中对连续粒级的要求,细骨料级配满足规范GB/T 14684—2011《建设用砂》[20]中2区天然砂的相关要求。

图1 再生骨料与天然骨料级配

将骨料按上述级配混合后,依据JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[21]中的相关规定,对骨料表观密度,吸水率以及含水率进行测定,测量结果如表2所示。其中,CRM表示残余砂浆含量,根据Abbas等提出的冻融循环法进行测定[22]。具体而言,将适量质量(m1)的骨料浸泡在26%浓度的硫酸钠溶液中24 h,其后将浸泡有骨料的溶液进行5次冻融循环(即将该溶液放置于-17 ℃的冰箱中5 h,随后将其放置于80 ℃的烘箱中加热8 h);冻融循环结束后,将再生骨料取出用清水洗净,并将其置于烘箱中烘干至恒重;最后用橡胶锤轻轻敲击骨料使其表面附着的残余砂浆脱落并用孔径5 mm的方孔筛对骨料进行筛分,称得筛网上原天然骨料质量m2。残余砂浆含量可由式(1)计算得到。

(1)

表2 骨料基本性质

1.3 再生骨料制备及预处理

再生骨料的破碎及制备过程如下:首先,在施工现场采用钩机将大块废弃混凝土破碎成小块以便于运输;其次,采用手持电镐将其破碎为边长不超过150 mm的块体,并用颚式破碎机对块体进行进一步破碎;最后,采用标准方孔筛网对骨料进行筛分,并将筛分后的骨料采用图1所示级配进行混和备用。

为消除天然骨料内所含水分对混凝土水灰比的影响,在试件混凝土制备前将天然骨料提前风干24 h。与此同时,为降低再生骨料的高吸水性对新拌混凝土和易性的影响,须对再生骨料进行预处理。具体而言,对于再生粗骨料,在混凝土拌和前须将其放置于水中24 h,随后取出置于筛网上放置约2 h,直至骨料表面不反光,处于饱和面干状态;对于再生细骨料,考虑到其吸水率较高(约为再生粗骨料的1.5倍),若沿用再生粗骨料的饱和面干处理方式,可能导致混凝土总水灰比增大,使得混凝土性能显著降低,且在实际工程条件下难以有效控制再生细骨料的含水状态。因此,在本试验中采用Brito[2]建议的70%附加水法,即在拌和中加入附加水,附加水量为再生细骨料饱和吸水量的70%(即再生细骨料质量与其饱和吸水率乘积的70%)与再生细骨料天然含水量之差,如式(2)所示。

(2)

根据前期研究[2,9],该方法可在保证混凝土和易性的同时,其抗压强度降低幅度不大于5%。

1.4 试件制作及养护

试件混凝土的制备在哈尔滨工业大学结构与抗震实验室进行,采用容量150 L的单卧轴强制式搅拌机进行搅拌,制备过程如下:首先将所有骨料(包括天然骨料和再生骨料)与1/3左右的拌和水放入搅拌机中搅拌2 min,随后将水泥放入并继续搅拌3 min。最后,将余下的水与减水剂在1 min内先后加入并搅拌3 min。在搅拌结束后采用坍落度筒测定坍落度,随后将混凝土置于模具中并振捣。浇筑完成24 h后拆模,随后将试件放入(20.0±2.0)℃、相对湿度大于95%的标准养护室中养护至试验当天。

通过坍落度测试结果(表1)可以发现,新拌混凝土的坍落度在131～193 mm,满足结构用混凝土的要求。

1.5 加载与测量

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[23]的相关规定测定再生混凝土的抗压强度及弹性模量(表1)。由测量结果可知,再生细骨料对混凝土抗压强度及弹性模量的影响较小,分别为6.4%～12.0%、2.1%～14.1%。

混凝土横向变形系数试验在2 000 kN试验机上进行,试验装置及测量系统如图2所示。试验过程中的加载采用力控制,在达到预估峰值荷载的80%之前加载速率为1 kN/s,随后加载速率降至0.2 kN/s直至破坏。

在测量试件横、纵向变形时,于试件各表面中部分别布置横、纵向应变片,并通过泰斯特动静态信号测试分析系统(TST3827E)对二者数据进行同时采集。

2 试验结果与讨论

由于试件中同组3个试件的试验结果差异不大,因此下文均采用同组3个试件的平均值进行对比分析。

2.1 再生骨料取代率的影响

图3分析了当再生混凝土水灰比为0.45时,不同再生粗骨料取代率下再生细骨料取代率对横向变形系数εh/εv的影响。可以看出,在线弹性范围内所有试件的横向系数基本恒定,该值εh/εv即为混凝土的泊松比μc。随着荷载的增加,混凝土内部微裂纹产生并持续发展,使得比值εh/εv逐渐增大,最终所有试件横向变形系数均超过0.5。其后,随着比值εh/εv的提高,裂纹发展更为剧烈,混凝土体积逐渐提高。

a—rC=0%; b—rC=50%; c—rC=100%。

当再生粗骨料取代率为0%时,横向变形系数随再生细骨料取代率的增加而增加(图3a)。以纵向应变为1 000微应变左右时(εv≈1×10-3)为例,当再生粗、细骨料取代率为0%时,混凝土横向变形系数为0.28;当再生粗骨料取代率为0%且再生细骨料取代率为50%时,混凝土横向变形系数提高46.4%;当再生细骨料取代率增至100%时,该提高幅度增至66.4%。单一掺入再生细骨料会增大横向变形系数的原因主要是:再生细骨料的掺入会引入更多界面过渡区(ITZ)及微裂纹,使得试件在荷载作用下混凝土内部裂纹更容易发展且发展更为剧烈,这导致横向变形开始迅速增大所对应的纵向变形降低,使得再生混凝土的横向变形系数提高。与此同时,再生细骨料表面存在大量的残余水泥石[4-5],使得再生混凝土中水泥石总体积含量高于普通混凝土。与在混凝土加载过程中横向变形系数基本保持恒定的天然骨料相比,在塑性阶段水泥石横向变形会随着荷载的提高而迅速增大,因此水泥石体积含量的增加会显著提高混凝土横向变形,导致横向变形系数增大。

与仅掺入再生细骨料(rC=0%)对横向变形系数的影响相反,当再生粗骨料取代率为50%、100%时,再生细骨料的掺入会显著降低混凝土横向变形系数(图3b、3c),即再生粗、细骨料对混凝土横向变形系数存在耦合作用。以纵向应变为1 000微应变左右时(εv≈1×10-3)为例,当再生粗骨料取代率为100%时,以50%取代率替代天然细骨料会使得横向变形系数降低29.6%;当再生细骨料取代率为100%时,该降低幅度提高至52.9%。引起上述耦合作用的原因主要是:采用70%附加水法处理的再生细骨料仍可在混凝土硬化过程中持续吸水,导致再生粗骨料表面界面过渡区水灰比降低,使其结构更加致密[4],混凝土内部微裂纹更不易开展,横向变形开始迅速增大所对应的纵向变形提高,相同纵向变形下的横向变形降低,从而使得横向变形系数降低。上述影响与前期对钢管再生混凝土柱横向变形系数的研究结果相似[24]。

值得指出,对比图3b与图3c可以看出,再生粗、细骨料的耦合作用会随着再生粗骨料取代率的提高而增大。具体而言,当再生粗骨料取代率为50%时,50%取代天然细骨料可使得横向变形系数在纵向应变为1 000微应变左右时的横向变形系数降低12.5%;当再生粗骨料取代率为100%时,50%取代天然细骨料可导致横向变形系数降低29.6%。上述耦合作用差异的原因是:与全取代再生粗骨料相比,部分取代再生粗骨料的混凝土中可被强化的再生粗骨料表面界面过渡区较少,同时笔者前期电镜试验[4]发现天然粗骨料表面的界面过渡区并不会因再生细骨料的掺入而受到强化,因此与部分取代天然粗骨料的试件相比,再生细骨料的掺入对全取代天然粗骨料的再生混凝土横向变形系数影响较大。

对比不同再生混凝土水灰比下(w/c),再生细骨料对横向变形系数的影响规律,如图4所示。

a—w/c=0.3; b—w/c=0.6。

可以看出:与再生混凝土水灰比为0.45、0.6相比,水灰比为0.3时再生骨料的影响较小。以纵向应变为1 000微应变左右时(εv≈1×10-3)为例,当再生粗骨料取代率为100%且再生细骨料取代率为0%时,横向变形系数为0.227;再生细骨料取代率提高至50%,可使横向变形系数降低5.7%,当再生细骨料取代率为100%时横向变形系数降低19.3%。而当再生混凝土水灰比为0.45～0.6时,再生细骨料取代率从0%提升至100%可使得横向变形系数降低26.1%～52.9%。

水灰比为0.3时再生细骨料影响较小的原因主要是:在相同水泥掺量下,与高水灰比试件相比,低水灰比试件中所加入的水较少,使得未与水泥发生水化反应的水量较少[25]。当掺入以70%附加水法处理的再生细骨料时(仍具有吸水能力),这部分未参与水化反应的水主要被再生细骨料吸收。与高水灰比的混凝土相比,低水灰比混凝土在硬化过程中被再生细骨料吸收的水分较少,使得水灰比降低较小,再生粗骨料表面界面过渡区增强幅度(导致横向变形系数减小)较弱,此时因再生细骨料掺入所引入的微裂纹及残余水泥石的影响(导致横向变形系数增大)基本不变,最终导致横向变形系数受再生细骨料的影响较小。

2.2 再生混凝土水灰比影响

对比不同再生骨料取代率下水灰比对横向变形系数的影响,如图5所示。为方便对比,将横向变形系数进行了归一化处理。图中选取的数据点为当核心混凝土纵向应变达峰值应变左右时(εv≈2×10-3)的归一化εh/εv比值。

图5 不同再生骨料取代率下水灰比的影响

可以看出,不同取代率下水灰比的影响呈现先上升后下降的趋势。具体而言,对于仅掺入再生粗骨料的试件,当水灰比从0.3增加至0.45时,混凝土横向变形系数提高134%;当水灰比增至0.6时,该提高幅度降低为62.3%。对于再生细骨料取代率为50%和100%的试件,水灰比从0.3增至0.45可使得横向变形系数分别提高50.6%、45.4%;当水灰比为0.6时,该提高幅度分别降低为21.7%与4.7%。

3 横向变形系数预测模型

3.1 模型建立

采用相同纵向变形时再生混凝土与普通混凝土横向变形系数之比表示再生骨料的影响,如式(3)所示。

(3)

再生混凝土与普通混凝土纵向变形相同时,二者比值为1,式(3)可化简为式(4)。

(4)

为计算式(4),须确定再生混凝土与普通混凝土横向变形的关系。文献[4-5,10]基于两相复合材料理论,将再生混凝土认为由天然骨料(包括天然粗、细骨料)、残余砂浆以及新砂浆组成,并认为再生骨料表面残余砂浆与新砂浆物理性质相同且残余砂浆与天然骨料也满足两相复合材料理论,推导得到了再生混凝土与普通混凝土纵向变形之间的关系表达式[5,10]。考虑到混凝土横、纵向变形的主要影响因素相同、影响机理相似,因此本文将沿用两相复合材料理论描述再生混凝土横向变形与其各组分变形间关系,推导得到再生混凝土横向变形系数预测模型。

图6给出了常见的两相复合材料理论模型[5],由于各模型的基本假设不同,导致最终推导得到的模型预测精度与复杂程度也不同。为建立较为合理的再生混凝土横向变形系数预测模型,须对各模型进行深入分析。对于Voigt模型,其假设混凝土所受荷载等于骨料与砂浆各自所受荷载之和(图6a),并且混凝土横向变形等于骨料与水泥石各自所产生横向变形之和;对于Reuss模型而言,其假设在加载过程中混凝土中天然骨料与砂浆的横向变形相同。然而,当混凝土所受荷载较大且处于弹塑性阶段时,水泥石裂纹开展较为显著,横向变形较大;而天然骨料处于弹性阶段,横向变形较小,此时水泥石变形应远大于天然骨料变形,因此Ruess模型假设不合理。对于Hirsch模型与Counto模型而言(图6c～6e),虽然前期研究[5,10]显示其更能真实反映天然骨料与水泥石间的变形关系,但公式形式较为复杂且预测精度与Voigt模型接近(差异不超过5%)。因此,本文最终采用Voigt模型推导再生混凝土横向变形系数预测公式。

a—Voigt模型; b—Reuss模型; c—Hirsch模型;d—Counto模型-1; e—Counto模型-2。

基于Voigt模型,并根据文献[4-5]的建议认为再生骨料中原天然骨料与新天然骨料性质相同,且残余水泥石力学性能与新水泥石相同,因此再生混凝土与普通混凝土的横向变形可通过式(5)表示:

(5a)

(5b)

将式(5)代入式(4),kr-μ可由下式计算:

(6)

根据式(6)可得再生骨料影响系数为:

(7)

(8a)

(8b)

同时,模型中还须考虑再生粗、细骨料的耦合影响。该影响通过在再生骨料影响系数kr-μ中引入耦合影响修正系数kr-com予以考虑。此修正系数的计算表达式通过采用试验数据回归分析得到,如式(9):

(9a)

kr-com=

(-2.51wre/c+2.98)

(9b)

式中:(w/c)RAC、(w/c)NAC分别为再生混凝土和普通混凝土水灰比;wre/c为在混凝土硬化过程中再生细骨料可吸收的水量与水泥含量的比值,根据文献[4]的建议,可由式(10)计算。

(10)

式中:wa为再生细骨料吸水率;wn为再生细骨料天然含水率;wadd为附加水量,kg;c为水泥质量,kg。

3.2 模型验证

采用本文提出的再生混凝土横向变形系数模型预测不同再生骨料取代率及水灰比下再生混凝土横向变形系数随纵向变形的发展曲线,将试验结果与预测结果进行对比,如图7所示。

由图7可以看出,所提出的模型可以较好地预测再生混凝土横向变形系数随纵向变形的发展。预测结果与试验数据之比的平均值为1.000,变异系数为0.250。所提模型是否能够适用于更广参数范围,有待进一步试验进行验证。

4 结束语

1)当仅掺入再生细骨料时,再生骨料的掺入会引入更多的微裂纹、界面过渡区以及水泥石,使得混凝土横向变形系数增加。当再生细骨料取代率从0%增加至50%时,横向变形系数提高46.4%;当取代率增至100%时,提高幅度为66.4%。

2)再生粗、细骨料对横向变形系数存在显著耦合作用,当再生粗骨料取代率为0%时,全取代再生细骨料会使得横向变形系数提高66.4%;当再生粗骨料取代率为100%时,全取代再生细骨料会导致横向变形系数降低52.9%。

3)水灰比的增加会使得再生细骨料对横向变形系数的影响增大。当水灰比从0.3提高至0.6时,100%取代天然细骨料所导致的横向变形系数降低幅度从18.9%提高至26.1%。

4)基于两相复合材料理论,推导建立了可考虑不同水灰比下再生粗、细骨料耦合影响差异的横向变形系数预测模型,模型预测结果与试验结果吻合良好。