再生混凝土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

摘 要：再生混凝土是指將廢棄混凝土經(jīng)過(guò)破碎、清洗、篩分、分級(jí)和按一定比例相互配合后制成再生混凝土骨料，用其部分或全部代替天然骨料配制的新混凝土。關(guān)于再生混凝土力學(xué)特性的研究并不多見(jiàn)。通過(guò)一系列的相關(guān)試驗(yàn)，分析和研究了再生混凝土取代率對(duì)其靜力學(xué)性能的影響；在進(jìn)行再生混凝土的全應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)過(guò)程中同步測(cè)試了其超聲波傳播特征參數(shù)，研究再生混凝土聲波傳播特征參數(shù)隨再生混凝土軸向壓縮變形的變化規(guī)律。為了分析再生混凝土的循環(huán)動(dòng)力損傷特征，進(jìn)行了再生混凝土單軸豎向循環(huán)加載試驗(yàn)，研究再生混凝土在循環(huán)動(dòng)荷載作用下變形的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，為工程應(yīng)用作參考。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；取代率；超聲波；循環(huán)加載；變形規(guī)律

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 501 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前 言

　　近些年來(lái)隨著城市建設(shè)的發(fā)展，住房建設(shè)的加快，而新建工程施工和舊建筑物的維修、拆除過(guò)程中產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土[1]。廢棄混凝上大多堆積于城市郊區(qū)公路、河流附近，既惡化了生態(tài)環(huán)境、占用了良田，又浪費(fèi)了許多寶貴的建筑原材料，極大地影響了生態(tài)環(huán)境。為此，一些國(guó)家嘗試開(kāi)發(fā)和利用再生混凝土。再生混凝土是指將廢棄混凝土經(jīng)過(guò)破碎、清洗、篩分、分級(jí)和按一定比例相互配合后制成再生混凝土骨料，用其部分或全部代替天然骨料配制的新混凝土。

　　利用垃圾廢料作為建筑材料，既可以減少垃圾的排放量、減輕環(huán)境污染，又可以節(jié)省建筑原材料的消耗，如果這種新型混凝土研制成功并在生產(chǎn)中應(yīng)用，將會(huì)對(duì)建筑行業(yè)帶來(lái)極大的影響，必會(huì)產(chǎn)生良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[2]。再生混凝土是廢棄混凝土有效利用途徑之一，是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色混凝土[3]。

　　為了研究再生混凝土在靜荷載作用下的強(qiáng)度和變形特征，本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了6 類(lèi)再生混凝土試樣，試驗(yàn)在多功能數(shù)控液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)試了再生混凝土單軸豎向壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究再生混凝土的承載力和變形特征。在進(jìn)行再生混凝土試塊的單軸全應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)時(shí)，同步測(cè)試了再生混凝土的超聲波傳播參數(shù)，研究在外荷載作用下再生混凝土聲學(xué)傳播參數(shù)（波速、波幅）的變化特征；為了分析再生混凝土的循環(huán)動(dòng)力損傷特征，進(jìn)行了再生混凝土單軸豎向循環(huán)加載試驗(yàn)，研究再生混凝土在循環(huán)動(dòng)荷載作用下變形的發(fā)生及其發(fā)展規(guī)律。

2 再生混凝土靜力學(xué)性能研究

2.1 再生混凝土試驗(yàn)材料及配合比

　　再生混凝土試驗(yàn)所用的材料為：（1）再生粗骨料：原強(qiáng)度為C30 的混凝土經(jīng)破碎和清洗后粒徑小于4 cm 骨料；（2）天然粗骨料：粒徑小于4 cm 的天然碎石；（3）水泥：礦渣水泥325#；（4）細(xì)骨料：天然河砂，連續(xù)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)為2.7；（5）水：武漢市自來(lái)水。

　　混凝土的配合比往往直接地影響到混凝土的力學(xué)性能。為了保證再生混凝土澆注時(shí)的工作流動(dòng)性和養(yǎng)護(hù)成型后的強(qiáng)度，此次再生混凝土試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配合比為水泥：水：細(xì)骨料：粗骨料=1：0.5：1.5：3.0，其中粗骨料由天然粗骨料和再生粗骨料組成。根據(jù)取代率的不同，將試樣分為6 種類(lèi)型，如表1所列。

2.2 再生混凝土靜力學(xué)試驗(yàn)

　　進(jìn)行了6 種類(lèi)型再生混凝土的單軸全應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)曲線的分析，得出再生混凝土在加載過(guò)程中的應(yīng)力峰值、應(yīng)變峰值、彈性模量及變形模量，詳細(xì)結(jié)果如表2 所列。根據(jù)表2 繪出再生混凝土的應(yīng)力峰值隨取代率的變化曲線，如圖1 所示。

　　根據(jù)表2 和圖1 可以看出，隨著再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的應(yīng)力峰值在減小，即再生混凝土的極限承載力在減小。此次試驗(yàn)中當(dāng)取代率為0（即天然混凝土）時(shí)，混凝土的應(yīng)力峰值為29.9 MPa，而當(dāng)再生混凝土取代率為30 %時(shí)其應(yīng)力峰值為25.4 MPa，強(qiáng)度為全部由天然粗骨料配制成的天然混凝土強(qiáng)度的84.9 %。

　　根據(jù)表2 繪出再生混凝土彈性模量和取代率之間的關(guān)系曲線如圖2 所示。

　　由圖2 可以看出，隨著再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的彈性模量在減少。當(dāng)再生混凝土的取代率超過(guò)20 %時(shí)，再生混凝土的彈性模量隨取代率的增加而減小的趨勢(shì)相對(duì)較快；當(dāng)再生混凝土的取代率為30 %的時(shí)候，其彈性模量為天然混凝土的彈性模量的63.3 %。

　　根據(jù)表2 繪出再生混凝土變形模量和取代率之間的關(guān)系曲線如圖3 所示?？梢钥闯?，再生混凝土的變形模量隨著混凝土取代率的變化特征同彈性模量隨著混凝土取代率的變化特征基本相同，都是隨著再生混凝土取代率的增加而減少。當(dāng)再生混凝土的取代率為30 %時(shí)，其變形模量為天然混凝土變形模量的59.7 %，不同的是當(dāng)再生混凝土的取代率超過(guò)15 %的時(shí)候，再生混凝土的變形模量變化相對(duì)較大，這比彈性模量隨再生混凝土取代率突變的起始點(diǎn)偏低，這表明變形模量隨再生混凝土取代率變化的敏感性比彈性模量隨再生混凝土取代率變化的敏感性高。

3 再生混凝土壓縮試驗(yàn)聲波特征分析

　　本次進(jìn)行再生混凝土的單軸豎向壓縮全應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)時(shí)，同步測(cè)試了再生混凝土的聲學(xué)參數(shù)（波速和波幅），分析了再生混凝土在外荷載作用下的聲學(xué)傳播參數(shù)的變化特征。再生混凝土試件C-15-50-1 單軸豎向壓縮試驗(yàn)時(shí)超聲波傳播參數(shù)測(cè)試結(jié)果如表3 所列。

3.1 再生混凝土壓縮試驗(yàn)聲波波速特征

　　根據(jù)表3 的結(jié)果繪出再生混凝土試件C-15-50-1超聲波傳播波速隨其軸向壓縮變形的變化曲線，如圖4 所示。由圖4 中的曲線可以看出，再生混凝土試件C-15-50-1 聲波傳播波速隨著混凝土的軸向壓縮變形先增大后減小，當(dāng)再生混凝土試件的軸向壓縮變形達(dá)到2.01×10-3 的時(shí)候，再生混凝土的超聲波傳播波速最大；當(dāng)軸向壓縮應(yīng)變達(dá)到6.03×10-3 的時(shí)候，再生混凝土的傳播波速為初始波速的90.2 %，對(duì)該曲線進(jìn)行擬合，可得出再生混凝土試件C-15-50-1超聲波傳播波速隨軸向壓縮變形的曲線方程為

y= −24.937x2 + 75.545x + 5 065.8

　?。?）式中： y 為超聲波傳播波速； x 為再生混凝土軸向壓縮應(yīng)變。該曲線擬合的相關(guān)系數(shù)R2 = 0.965，說(shuō)明用二次曲線擬合再生混凝土聲波傳播波速隨軸向壓縮變形的變化是合適的。

3.2 再生混凝土壓縮試驗(yàn)聲波波幅特征

　　根據(jù)表3 也可以繪出再生混凝土試件C-15-50-1超聲波傳播波幅隨其軸向壓縮變形的變化曲線，如圖5 所示。可以看出，再生混凝土試件C-15-50-1 在單軸豎向壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，超聲波在再生混凝土中傳播的波幅先增大后減小，這與波速在再生混凝土中的傳播規(guī)律相同。當(dāng)再生混凝土的軸向應(yīng)變達(dá)到1.34×10-3 時(shí)，超聲波在再生混凝土中傳播的波幅最大，這是因?yàn)樵趯?duì)再生混凝土進(jìn)行軸向壓縮的時(shí)候，再生混凝土原有的裂紋在加壓初期得到愈合，再生混凝土被壓密實(shí)，超聲波傳播時(shí)的阻抗變大，波速和波幅增大，但是隨著應(yīng)力的增大再生混凝土內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)破壞裂紋，隨著破壞裂紋的增多，聲波傳播時(shí)候的阻抗變小，這樣超聲波傳播時(shí)候的波速和波幅也就會(huì)變小。

4 循環(huán)荷載作用下再生混凝的變形規(guī)律

　　在循環(huán)荷載作用下再生混凝土由于變形的發(fā)展而最終導(dǎo)致破壞，研究再生混凝土在循環(huán)荷載作用下變形的發(fā)生及發(fā)展規(guī)律是研究再生混凝土力學(xué)性能的重要部分。本次研究在多功能數(shù)控液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了不同配合比的再生混凝土試塊單軸豎向循環(huán)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)測(cè)試了在單軸豎向應(yīng)力作用下再生混凝土的豎向變形。由于裂紋前方損傷過(guò)度區(qū)的存在，再加載過(guò)程一開(kāi)始就是非彈性的[4]。

　　在每一次循環(huán)作用下再生混凝土的豎向變形都是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化值，為了較好地研究循環(huán)荷載作用下再生混凝土變形規(guī)律，筆者選擇在每一次循環(huán)荷載作用下的殘余變形進(jìn)行研究。再生混凝土試件C15-50-6 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表4 的結(jié)果，繪出再生混凝土在軸向循環(huán)荷載作用下變形演化曲線，如圖6 所示。在軸向循環(huán)荷載作用下再生混凝土的損傷變形發(fā)展可分為三個(gè)階段：

　　第一階段：再生混凝土的循環(huán)壓密變形階段?；炷羶?nèi)部常常含有大量微、細(xì)觀裂紋，這些微裂紋是材料原始存在的[5]，在初始階段隨著循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土內(nèi)部原有的裂紋被壓實(shí)，再生混凝土的密實(shí)度越來(lái)越高。這一階段的變形曲線可以擬合為冪函數(shù)方程y = axb ，其中a 為反映在同樣的循環(huán)荷載應(yīng)力比的作用下再生混凝土的初始變形性能的參數(shù)；b 為反映在循環(huán)加載過(guò)程中不同類(lèi)型的再生混凝土在相同的應(yīng)力比作用下的變形快慢參數(shù)。

　　第二階段：再生混凝土循環(huán)加載下變形線形增長(zhǎng)階段。這一階段的變形發(fā)展可以用一階線性方程進(jìn)行擬合，即Y=cx+d，其中c 反映這一階段循環(huán)荷載作用下變形速率的參數(shù)。

　　第三階段：再生混凝土循環(huán)加載下加速破壞階段。這一階段的變形發(fā)展可以用指數(shù)函數(shù)來(lái)表示，即Y=ee ^fx ，其中f 是反映再生混凝土變形加速發(fā)展快慢的參數(shù)。

5 結(jié) 論

　　通過(guò)對(duì)再生混凝土進(jìn)行一系列試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

　　（1）隨著再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的應(yīng)力峰值在減少，即再生混凝土的極限承載力在減少。

　　（2）隨著再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的彈性模量減少。特別是當(dāng)取代率超過(guò)20 %的時(shí)候，再生混凝土的彈性模量隨取代率增大而減小的變化趨勢(shì)相對(duì)較快。

　?。?）再生混凝土的變形模量隨著混凝土取代率的變化特征同彈性模量隨混凝土取代率的變化特征基本相同，都是隨著再生混凝土取代率的增加而減少。但是變形模量隨混凝土取代率變化的起點(diǎn)比彈性模量相對(duì)較低，變形模量隨再生混凝土取代率變化的敏感性比彈性模量隨混凝土取代率變化的敏感性高。

　?。?）再生混凝土聲波傳播波速隨著再生混凝土的軸向壓縮變形先增大后減小，再生混凝土超聲波傳播波速與再生混凝土的軸向壓縮變形關(guān)系符合二次曲線變化特征。

　?。?）在再生混凝土軸向壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，超聲波在再生混凝土中傳播的波幅先增大后減小，與波速在再生混凝土中的傳播特征相同。

　?。?）再生混凝土在軸向循環(huán)荷載的作用下，其變形發(fā)生和發(fā)展經(jīng)歷了3 個(gè)階段，分別為循環(huán)壓密階段、線形變形階段和加速破壞階段。

參 考 文 獻(xiàn)

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