陳宗平，應(yīng)武擋，陳宇良，姚 侃

（1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，廣西 南寧 530004；3.同濟大學(xué) 建筑工程系，上海 200092）

隨著城市建筑垃圾的累增，再生混凝土的相關(guān)性能已成為當前國內(nèi)外研究的熱點問題.再生混凝土是指將廢棄混凝土經(jīng)過破碎、篩分、清洗，并按一定比例和級配重新配制的混凝土.它能有效解決建筑垃圾處理的問題，實現(xiàn)建筑材料的循環(huán)利用，具有很好的應(yīng)用前景.國內(nèi)外學(xué)者［1－8］對再生混凝土的強度、彈性模量和斷裂能等力學(xué)性能進行了深入研究，分析了再生粗骨料規(guī)格、取代率、原生混凝土強度以及骨料缺陷等因素對再生混凝土力學(xué)性能的影響，為再生混凝土的推廣應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ).然而已有成果主要集中于再生混凝土在單軸應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能方面，對其在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下力學(xué)性能的研究成果尚不多見.而實際工程中混凝土結(jié)構(gòu)常處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，如梁柱節(jié)點核心區(qū)混凝土、螺旋箍筋約束混凝土、鋼管混凝土、大體積混凝土等，僅僅掌握單軸應(yīng)力狀態(tài)下再生混凝土的力學(xué)性能，尚不能滿足工程應(yīng)用的實際需求.此外，在實際工程中，迫于工期緊張、加快模板周轉(zhuǎn)等現(xiàn)實需要，常在滿足使用要求和承載力要求的條件下適當縮短混凝土結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護齡期，力求取得較好的經(jīng)濟效益.在30d的短齡期內(nèi)再生混凝土力學(xué)性能如何變化，特別是其在三軸受壓狀態(tài)下承載能力及變形性能如何，目前在國內(nèi)外文獻中尚未見相關(guān)報道.為了豐富再生混凝土的研究內(nèi)容并進一步推廣其應(yīng)用，本文以齡期和圍壓值為變化參數(shù)，設(shè)計了14個再生混凝土試件進行三軸受壓試驗，研究其力學(xué)性能及其本構(gòu)關(guān)系.

1 試驗

1.1 試驗材料

再生粗骨料來源于某省級工程檢測中心測試完畢的強度等級為C35的碎石類混凝土試塊，經(jīng)顎式破碎機破碎、篩分和清洗后獲得，粒徑為5～20mm，連續(xù)級配，堆積密度為1 270kg／m3，吸水率為3.18%（質(zhì)量分數(shù)）；細骨料為中粗河砂；水泥采用42.5R 普通硅酸鹽水泥；水為城市自來水.再生混凝土設(shè)計強度為C35，其配合比為m（水）∶m（水泥）∶m（砂）∶m（再生粗骨料）＝1.00∶2.50∶2.71∶5.77.

1.2 試件設(shè)計

以試件齡期（t）和圍壓值（σw）為變量，設(shè)計直徑為100mm、高度為200mm 的圓柱體試件14個，各試件的設(shè)計參數(shù)見表1.

1.3 加載裝置及加載制度

再生混凝土的三軸受壓試驗在中科院和SIMENS公司聯(lián)合研發(fā)的RMT－201試驗機上完成，采用荷載和位移混合控制的加載制度.首先按預(yù)定設(shè)計參數(shù)施加圍壓值（σw），并按與圍壓值1∶1的比例同步施加軸向荷載（σv），然后，保持圍壓值恒定（荷載控制），軸向荷載以0.01 mm／s的速率加載（位移控制），直到試件破壞.試件的受力模型如圖1所示，其中σi為各試件對應(yīng)的圍壓值.

圖1 試件受力模型Fig.1 Mechanical model of specimen

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)

圖2 試件的破壞形態(tài)Fig.2 Failure patterns of specimens

部分試件的破壞形態(tài)如圖2所示.由圖2可見：圍壓值σw＝0MPa時，破壞時試件中部出現(xiàn)多條豎向裂縫，其中1條或幾條豎向裂縫貫穿試件兩端；隨著σw的增大，裂縫由豎向逐漸向斜向發(fā)展，當σw＝9MPa時，斜裂縫發(fā)展方向與水平方向呈60°～70°夾角；隨著σw繼續(xù)增大，夾角有微量減小的趨勢；當σw＞6MPa時，斜裂縫貫穿整個試件，并出現(xiàn)少量的橫向裂縫，裂縫兩側(cè)的混凝土相對剪切錯開，并在試件中部局部鼓出，且σw越大，這種現(xiàn)象越為明顯.通過對斷裂界面的細致觀察，發(fā)現(xiàn)再生粗骨料和水泥砂漿均為剪切破壞，局部出現(xiàn)壓碎粉末.

2.2 軸向應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖3為各試件的軸向應(yīng)力－應(yīng)變（σ－ε）曲線.各試件的峰值應(yīng)力（σu）、峰值應(yīng)變（εu）和彈性模量（E）等力學(xué)性能見表1.峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變?nèi)≥S向應(yīng)力－應(yīng)變曲線最高點對應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變值；彈性模量取曲線在0.4σu處的割線模量.

圖3 試件的軸向應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Axial stress－strain curves of specimens

表1 試件的設(shè)計參數(shù)及力學(xué)性能Table 1 Designed parameters and mechanical properties of specimens

由圖3和表1可見，隨著圍壓值σw的變化，再生混凝土試件的軸向應(yīng)力－應(yīng)變曲線發(fā)生了顯著的變化.σw為零時（即單軸受壓狀態(tài)下），試件的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量均比有圍壓時的試件小，并且過峰值后曲線下降段陡峭；隨著σw的增加，試件的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量逐漸增大，特別是過峰值后曲線下降段有較為顯著的變化；σw為3，6MPa時，曲線還存在下降段，σw達到9，12 MPa時，曲線過峰值后保持水平，幾乎不再下降；σw為15，18MPa時，曲線一直上升，在應(yīng)變達到40×10－3時，依然沒有下降段，這說明圍壓能夠顯著改善再生混凝土的脆性.

由圖3 和表1 還可見，σw相同時，齡期為15，30d再生混凝土試件的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變相差不大，軸向應(yīng)力－應(yīng)變曲線走勢也大致相同，但是齡期30d試件的軸向應(yīng)力－應(yīng)變曲線在初始階段的斜率明顯大于齡期15d的試件.

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 齡期的影響

表2給出了不同圍壓值下再生混凝土30d峰值應(yīng)力σu2和15d峰值應(yīng)力σu1的比值（σu2／σu1）.由表2可見，σu2／σu1基本保持在1附近，這表明短齡期內(nèi)齡期的變化對再生混凝土三軸受壓時的極限承載力影響不大.這可能是由于受到圍壓的約束，再生混凝土試件的破壞形態(tài)發(fā)生了改變，不僅再生粗骨料和水泥漿體界面之間的黏結(jié)失效，而且再生粗骨料本身也被剪斷；三軸受壓強度的大小主要取決于再生粗骨料的抗剪能力，而短齡期對再生粗骨料本身的抗剪能力影響不大.

表2 不同齡期試件的力學(xué)性能比較Table 2 Mechanical properties comparison of specimens under different aging times

再生混凝土試件30d峰值應(yīng)變εu2和15d峰值應(yīng)變εu1的比值（εu2／εu1）見表2.由表2可見，試件30d峰值應(yīng)變比15d峰值應(yīng)變要小，其比值在0.6附近上下波動.這可能是由于隨著齡期的適當延長，再生混凝土內(nèi)部的水泥漿體水化反應(yīng)更為充分，導(dǎo)致其更脆的緣故.

表2還給出了再生混凝土30d彈性模量E2和15d彈性模量E1的比值（E2／E1）.由表2可見，試件30d彈性模量普遍比15d彈性模量要大，其比值在1.5上下波動.

2.3.2 圍壓值的影響

不同圍壓值下，短齡期再生混凝土的15，30d峰值應(yīng)力變化趨勢基本一致.隨著圍壓值的增大，再生混凝土的峰值應(yīng)力基本呈線性上升的趨勢.參照文獻［9］的研究方法，結(jié)合實測值（見表1），利用圍壓值與軸向應(yīng)力的關(guān)系確定再生混凝土峰值應(yīng)力σu的計算公式為：

式中：σ0為圍壓值為零時（即單軸應(yīng)力狀態(tài)下）試件的峰值應(yīng)力.計算值與實測值的相對誤差在7%以內(nèi)，表明該公式可用于三軸受壓再生混凝土峰值應(yīng)力的計算.

不同圍壓值下，短齡期再生混凝土的峰值應(yīng)變變化趨勢基本一致.隨著圍壓值的增大，再生混凝土的峰值應(yīng)變基本呈線性上升的趨勢，但不同齡期試件峰值應(yīng)變的上升速率不一致.根據(jù)表1的試驗數(shù)據(jù)，擬合了不同齡期再生混凝土在不同圍壓值下峰值應(yīng)變εu的計算公式：

式中：ε0為圍壓值為零時試件的峰值應(yīng)變；α 為齡期的修正系數(shù)，齡期15，30d 時其值分別取1.2 和1.0.計算值與實測值的相對誤差在6%以內(nèi).

隨著圍壓值的增大，再生混凝土的彈性模量基本呈線性上升的趨勢，但不同齡期試件彈性模量的上升速率不一致.根據(jù)表1 的試驗數(shù)據(jù)，參照文獻［10］的研究方法，擬合了不同齡期再生混凝土在不同圍壓值下彈性模量E 的計算公式：

式中：E0為圍壓值為零時試件的彈性模量；β為齡期修正系數(shù)，齡期15，30d時其值分別取0.5和1.0.

3 再生混凝土的三軸受壓強度計算

國內(nèi)外學(xué)者［9－11］對普通混凝土的三軸受壓強度計算方法進行了大量研究，并取得許多重要成果，部分成果已經(jīng)應(yīng)用到規(guī)范中［12－13］.本文嘗試運用文獻［12－13］的方法計算再生混凝土的三軸抗壓強度，并與σu實測值進行對比分析，如表3所示.由表3可見：參照CEB－FIP（1990）方法的計算值σc1與實測值吻合較好；參照GB 50010—2010方法的計算值σc2比實測值小，偏于安全，并且隨著圍壓值的增大，計算值與實測值的偏差越來越大，這可能是由于GB 50010—2010規(guī)范給出了最高強度的限制，且圍壓值越大，最高強度的限制效果越明顯，從而導(dǎo)致偏差值較大的緣故.

表3 計算值與實測值比較Table 3 Comparison between calculated results and experimental results

4 應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)方程

為方便再生混凝土三軸抗壓性能的理論分析和工程應(yīng)用，需確定其軸向應(yīng)力－應(yīng)變曲線的數(shù)學(xué)表達式.為消除變化參數(shù)的影響，以σ／σu為縱坐標，ε／εu為橫坐標，給出歸一化處理后的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，見圖4.齡期15，30d時的歸一化應(yīng)力－應(yīng)變曲線形態(tài)相似，但其上升段的曲線斜率不同.參照文獻［11］的研究方法，并考慮σw的影響，提出了以下分段式本構(gòu)方程：

當圍壓值σw＝0MPa時：

式中：Y＝σ／σu；x＝ε／εu；A，B 分別為曲線上升段和下降段的控制參數(shù).齡期15 d 時，A＝1.1，B＝10.0；齡期30d時，A＝1.2，B＝8.5.

當圍壓值σw≠0MPa時：

式中：C 為上升段參數(shù)，其計算公式見式（6）；D 為下降段參數(shù)，當曲線無明顯下降時D 取0.1，其計算公式見式（7）.

全部試件按式（4）～（7）擬合后的歸一化應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖4所示.由圖4可見，除試件RAC－4（t＝15d，σw＝9 MPa）外，其余試件擬合得到的歸一化應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系曲線均與試驗結(jié)果吻合良好.

圖4 試驗與理論計算的歸一化應(yīng)力－應(yīng)變曲線對比Fig.4 Comparison between calculated and experimental normalized stress－strain curves

5 結(jié)論

（1）圍壓能有效提高短齡期再生混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變以及彈性模量.

（2）齡期從15d延長到30d時，再生混凝土的峰值應(yīng)力變化不大，但其峰值應(yīng)變減小，彈性模量變大.

（3）采用CEB－FIP（1990）中的方法，計算再生混凝土的三軸抗壓強度，計算值與實測值吻合較好.采用GB 50010—2010中的方法，計算值比實測值小，偏于安全.

（4）基于試驗數(shù)據(jù)建立了短齡期再生混凝土三軸受壓狀態(tài)下的應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)方程，以及不同圍壓值下各齡期再生混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量的計算公式，計算值與實測值吻合較好，可供再生混凝土研究領(lǐng)域的強度計算、數(shù)值模擬分析和工程應(yīng)用參考.

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