安新正，王小學(xué)，姜新佩，張結(jié)太

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲056038;2.河北工程大學(xué)附屬中學(xué)，河北邯鄲056038)

再生混凝土作為綠色混凝土材料在土木工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用前景［1]。再生混凝土工程會由于再生粗骨料、干縮、散熱不均等原因而導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在一定數(shù)量的初始微裂紋和微孔隙［2]。在壓應(yīng)力的作用下，隨著服役時間的延長這些初始的微裂紋和微孔隙將會不斷的發(fā)生變化，表現(xiàn)為隨著壓應(yīng)力的增大，微裂紋和微孔隙將發(fā)育擴(kuò)展，并最終在再生混凝土內(nèi)部形成不可逆轉(zhuǎn)的累積損傷，從而使得再生混凝土材料產(chǎn)生能量耗散和強(qiáng)度退化［3]，導(dǎo)致服役再生混凝土結(jié)構(gòu)承載可靠性、耐久性的降低。

為了促進(jìn)再生混凝土工程的科學(xué)化設(shè)計與利用，國內(nèi)外學(xué)者針對侵蝕環(huán)境作用下的再生混凝土損傷進(jìn)行了系列試驗研究，并取得了一些研究成果［4－6]，但針對應(yīng)力作用下再生混凝土損傷規(guī)律的試驗研究卻很少。超聲波檢測屬無損傷檢測且檢測成本較小，利用該技術(shù)可方便實(shí)現(xiàn)對受荷再生混凝土結(jié)構(gòu)損傷的連續(xù)檢測［7－11]。因此，利用超聲波檢測技術(shù)來研究混凝土材料的受壓損傷規(guī)律是既經(jīng)濟(jì)又合理的方法。本文進(jìn)行了單軸受壓狀態(tài)下不同再生粗骨料取代率混凝土試件的超聲波實(shí)時檢測試驗，分析單軸受壓狀態(tài)下基于超聲波波速變化的混凝土損傷發(fā)展規(guī)律，結(jié)合超聲波檢測試驗結(jié)果回歸出再生混凝土損傷與再生混凝土初始(90 d)抗壓強(qiáng)度、單軸受壓應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系，為再生混凝土結(jié)構(gòu)的科學(xué)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 試驗過程

1.1 試驗儀器設(shè)備

木文在微機(jī)控制混凝土壓力試驗機(jī)(YAW－2000)上對再生混凝土試件進(jìn)行設(shè)定受壓條件下的加載試驗，通過非金屬超聲波測試儀(TICO)對不同單軸受壓作用下再生混凝土試件的超聲波波速進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集與存儲。

1.2 試件的制備

(1)基準(zhǔn)混凝土試件

基準(zhǔn)混凝土試件，即再生粗骨料取代率r=0%的混凝土試件?；鶞?zhǔn)混凝土試件的制備:拌和用水采用自來水;水泥采用邯鄲產(chǎn)太行山普通硅酸鹽水泥(P.O.42.5R);砂采用沙河產(chǎn)優(yōu)質(zhì)河砂，細(xì)度模數(shù)為2.6;粗骨料采用天然石灰石碎石，表觀密度為2.76，壓碎指標(biāo)3.81%，粒徑5 ～20 mm，連續(xù)顆粒級配?；鶞?zhǔn)混凝土強(qiáng)度等級采用C30，其配合比(Kg·m－3)為:水/水泥/粉煤灰/礦渣粉/砂/石子 =0.629/1.000/0.025/0.025/2.530/3.793。粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，礦渣粉為S95級。混凝土采用機(jī)械強(qiáng)制拌和方式拌和2 min后注入150 mm×150 mm×150 mm鋼試模之中，然后將鋼試模放置于標(biāo)準(zhǔn)震動臺上進(jìn)行震搗成型，試件數(shù)量為9個。將完成震搗成型的鋼試模移至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)靜止養(yǎng)護(hù)1 d后拆模，并對試件進(jìn)行編號，待室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后移至室外進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。

(2)再生混凝土試件

再生混凝土試件，即采用只將基準(zhǔn)混凝土中的天然石灰石碎石粗骨料的30%、60%和100%部分用再生粗骨料替代，而其它條件不變情況下生產(chǎn)的含有再生粗骨料的混凝土試件。再生粗骨料采用實(shí)驗室自制的且滿足文獻(xiàn)［12] 要求的再生粗骨料。再生粗骨料的表觀密度為2.45，壓碎指標(biāo)12.85%，粒徑5～20 mm，連續(xù)顆粒級配。每組再生混凝土試件的制備數(shù)量為9個。首先將再生粗骨料與天然粗骨料混合，然后按照制作及養(yǎng)護(hù)基準(zhǔn)混凝土試件的方法制備及養(yǎng)護(hù)再生混凝土試件。

1.3 試驗原理及加載測試方案

試驗時將試件安裝在微機(jī)控制混凝土壓力試驗機(jī)的上、下壓板之間并進(jìn)行幾何對中，并采用凡士林耦合劑將超聲波發(fā)射頭T1(T2)與接受頭R1(R2)分別耦合在與試件壓應(yīng)力方向垂直的兩對相互垂直的自由側(cè)面A面與A1面以及B面與B1面的中心位置上，為了提高測試的準(zhǔn)確度，在此利用彈性加緊鋼板對發(fā)射頭與接受頭進(jìn)行加緊固定，以增加超聲波發(fā)射頭與接受頭安裝位置耦合的準(zhǔn)確性與可靠性。測試系統(tǒng)示意圖詳見圖1所示。

在此，定義壓應(yīng)力系數(shù)Yσ為試驗試件承受的單軸壓應(yīng)力與再生混凝土90 d抗壓強(qiáng)度之比，即:

本文單軸受壓試驗設(shè)計的壓應(yīng)力系數(shù)Yσ取0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75 和 0.85 七組，加載速率為0.50 Mpa/s。單軸受壓試驗為分級并按照設(shè)定的壓應(yīng)力由小到大對試件依次施加，當(dāng)施加的壓應(yīng)力達(dá)到某一設(shè)定壓應(yīng)力時，應(yīng)將此設(shè)定壓應(yīng)力維持1～1.5 min，并在此時間內(nèi)對試件的兩對自由側(cè)面的A面與A1面以及B面與B1面進(jìn)行混凝土超聲波的“對測法”試驗，待完成超聲波波速試驗之后即可繼續(xù)施加下一級荷載，直到完成全部的設(shè)定試驗為止。

2 試驗結(jié)果與分析

基準(zhǔn)混凝土及再生粗骨料取代率r分別為30%、60%和100%，再生混凝土的90 d抗壓強(qiáng)度(fcu，0)實(shí)測值分別為 33.7Mpa、30.2Mpa、28.5Mpa和25.6Mpa?；鶞?zhǔn)混凝土與再生混凝土試件在90 d且無受壓應(yīng)力作用時的超聲波波速平均值Vco，以及施加單向壓應(yīng)力作用后的超聲波波速平均值Vcσ的實(shí)時測試結(jié)果列于表1。

為了研究單軸受壓情況下混凝土的損傷變化規(guī)律，在此以混凝土單軸受壓情況下的超聲波波速相對于90 d且無受壓時的超聲波波速的衰減程度來度量受壓后混凝土的損傷程度，設(shè)Dσ為單軸受壓應(yīng)力作用下基于超聲波波速衰減的混凝土損傷度，則可有［13];

基于不同單軸壓應(yīng)力條件下各組試件的超聲波波速測試試驗結(jié)果，依據(jù)(2)式的計算方法，在表1中給出了不同單軸壓應(yīng)力作用下基準(zhǔn)混凝土及再生混凝土損傷度Dσ的計算值。

2.1 不同單軸受壓應(yīng)力下再生混凝土損傷演化分析

依據(jù)表1數(shù)據(jù)，結(jié)合單軸壓應(yīng)力作用下試件的宏觀試驗現(xiàn)象不難看出，當(dāng)壓應(yīng)力系數(shù) Yσ≤0.35時，混凝土損傷度 Dσ隨壓應(yīng)力系數(shù)Yσ的增大而減小，這主要是由于混凝土內(nèi)部部分微裂紋等缺陷被壓密所致。在Yσ=0.75之后，混凝土損傷度的增長幅度較大。

基準(zhǔn)混凝土試件在累積受壓荷載作用下，表現(xiàn)為:當(dāng)壓應(yīng)力系數(shù) Yσ≤0.75時，試件在外觀上基本上處于完好狀態(tài);當(dāng)0.75＜ Yσ≤0.85時，試件在外觀上出現(xiàn)1條或幾條微細(xì)裂縫;當(dāng)0.85＜Yσ時，試件外觀上的微細(xì)裂縫明顯增多，范圍也繼續(xù)擴(kuò)大;再生粗骨料取代率r=100%的再生混凝土試件在累積受壓荷載作用下，表現(xiàn)為:當(dāng)壓應(yīng)力系數(shù)Yσ≤0.65時，試件在外觀上基本上處于完好狀態(tài);當(dāng)0.65＜ Yσ≤0.75時，試件在外觀上出現(xiàn)有限的幾條微細(xì)裂縫;當(dāng)0.75＜ Yσ≤0.85時，試件外觀上的微細(xì)裂縫明顯增多，范圍也繼續(xù)擴(kuò)大;當(dāng)0.85＜Yσ時，試件外觀上的微細(xì)裂縫繼續(xù)擴(kuò)大，甚至出現(xiàn)貫通裂紋。

基于不同壓應(yīng)力系數(shù)Yσ下不同再生粗骨料取代率混凝土試件的損傷度計算結(jié)果，在圖2中繪出了不同再生粗骨料取代率下單軸受壓混凝土的損傷度Dσ隨壓應(yīng)力系數(shù)Yσ的變化規(guī)律關(guān)系曲線。

比較各組試件的試驗與計算結(jié)果(見圖2)可以發(fā)現(xiàn)，混凝土在相同累積受壓荷載作用下的外觀損傷將隨著再生粗骨料取代率的增加而增大，且不同再生粗骨料取代率混凝土的損傷度 Dσ均表現(xiàn)為隨壓應(yīng)力系數(shù) Yσ的增加呈非線性增大趨勢。當(dāng)0.75≤ Yσ時，各組試件的損傷度 Dσ均表現(xiàn)為隨壓應(yīng)力系數(shù) Yσ的增加而加速非線性增大。這也表明再生混凝土的單軸受壓損傷過程是一個不可逆的非線性損傷累積過程。可見再生混凝土試件在受荷達(dá)到單軸極限壓應(yīng)力之前就已存在著受壓損傷，且這一損傷在受荷接近單軸極限壓應(yīng)力時增長較大，不容忽視。

表1 單軸受壓下基準(zhǔn)混凝土與再生混凝土損傷度Tab.1 The damage of normal concrete and RAC unedr uniaxial pressure stress

2.2 再生混凝土損傷關(guān)系模型的建立

考慮到單軸壓應(yīng)力、混凝土90 d抗壓強(qiáng)度是影響混凝土損傷度的主要因素，可以建立如下形式的關(guān)系模型:

式中，α0、α1、α2為試驗常數(shù)。

基于單軸壓應(yīng)力下各組試件的超聲波試驗數(shù)據(jù)及損傷度的計算值，利用MATLAB中的非線性擬合函數(shù)對式(3)進(jìn)行非線性回歸分析，可得到試驗常數(shù) α0= － 0.0033，α1=0.5623，α2=3.9338。于是式(3)可改寫為:

在再生混凝土工程的實(shí)際設(shè)計中，通過式(4)建立起來的再生混凝土損傷度與再生混凝土初始強(qiáng)度、壓應(yīng)力系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，就可以較方便地獲取相應(yīng)的損傷程度，并可據(jù)此指導(dǎo)再生混凝土構(gòu)件的相關(guān)設(shè)計。

3 結(jié)論

本文基于單軸受壓下混凝土的超聲波實(shí)時檢測試驗結(jié)果，以超聲波波速的衰減來度量混凝土的受壓損傷，對單軸受壓下不同再生粗骨料取代率混凝土的損傷度變化規(guī)律進(jìn)行了分析研究。得到的結(jié)論如下:

1)在單軸受壓應(yīng)力達(dá)到0.85倍極限應(yīng)力時，基準(zhǔn)混凝土的損傷度最小(Dσ=0.41);r=100%再生混凝土的損傷度最大(Dσ=0.537)，且試件的宏觀損傷比較明顯，所以極限壓應(yīng)力以前的損傷是不應(yīng)該被忽視的。

2)與基準(zhǔn)混凝土相比，再生粗骨料的摻入降低了混凝土的抗損傷能力。

3)基于單軸壓縮條件下不同再生粗骨料取代率混凝土的試驗與計算結(jié)果，建立了考慮單軸壓應(yīng)力、再生混凝土初始抗壓強(qiáng)度因素影響的混凝土損傷關(guān)系模型，該損傷關(guān)系模型可為再生混凝土構(gòu)件科學(xué)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

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