趙嵩穎，徐 凱，張曉航

1吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長春 130118 2青島中德生態(tài)園管理委員會,青島 266426

在應(yīng)對氣候變化的背景下,廢棄混凝土因可回收利用性,在工程建設(shè)中得到了廣泛使用.將廢棄混凝土用到新的建筑物上,不僅能降低成本,節(jié)省天然資源,緩解骨料供求矛盾,還能減輕廢棄混凝土對環(huán)境的污染,是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個重要組成部分[1].但混凝土是應(yīng)變敏感性材料,在控制混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中,安全是最重要的環(huán)節(jié).因此,探究應(yīng)變率對再生混凝土力學(xué)特性的影響具有重要意義.

早在1917年,Abrams[2]就開展了應(yīng)變率對混凝土抗壓強度的研究.1953年,Watstein[3]研究了應(yīng)變率對兩種不同強度混凝土的影響,試驗表明混凝土抗沖擊能力是通過吸收應(yīng)變能的能力來測量的,也隨著荷載的施加速率而增加.近年來,國內(nèi)學(xué)者也開始了對再生混凝土的研究.王長青等[4]通過約束再生混凝土單軸受壓動態(tài)力學(xué)試驗,研究了應(yīng)變率效應(yīng)對約束再生混凝土力學(xué)參數(shù)的影響,并提出約束再生混凝土受壓峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變動態(tài)放大系數(shù)函數(shù)模型.陳旭勇等[5]利用由兩種再生粗骨料按比例混合后取代天然骨料的混凝土試塊,研究了不同再生粗骨料的品質(zhì)和摻量對再生混凝土抗壓強度、抗劈裂抗拉強度和軸心抗壓強度的影響.王建超[6]等采用壓力機對7組不同再生大骨料-自密實砂漿堆石混凝土試塊進行試驗,研究了再生骨料粒徑、再生骨料原始強度和自密實砂漿強度對再生大骨料-自密實砂漿堆石混凝土力學(xué)性能的影響.白衛(wèi)峰等[7]開展了再生混凝土單軸受壓動態(tài)力學(xué)性能試驗,利用統(tǒng)計損傷模型分析了再生混凝土細觀損傷演化規(guī)律,定義臨界狀態(tài)作為局部破壞的前兆.本試驗設(shè)計4種不同加載應(yīng)變率,對32塊再生骨料取代率不同的混凝土試件采用液壓伺服試驗,進行單軸壓縮性能試驗研究,得到不同加載應(yīng)變率下混凝土的破壞特征和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,通過試驗結(jié)果分析混凝土力學(xué)性能隨應(yīng)變率變化的規(guī)律.

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

本試驗中,采用的細骨料為河砂,基本性能見表1.粗骨料為天然骨料和再生骨料,再生骨料為廢棄混凝土,粒徑均為5 mm～20 mm,基本性能見表2.水泥采用同力水泥有限責(zé)任公司水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥.粉煤灰生產(chǎn)于鉑潤耐火材料有限公司水泥廠.拌合水為自來水,外加粉狀十二烷基硫酸鈉引氣劑和聚羧酸減水劑.

表1 細骨料基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)Table 1 Fine aggregate basic test data

表2 粗骨料基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)Table 2 Coarse aggregate basic test data

1.2 試驗方案

本試驗中再生骨料取代率用R來表示,R取0 %,100 %進行設(shè)計.根據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》確定混凝土配合比,見表3.設(shè)計混凝土試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm,在試件澆筑過程中分兩次加入模具,并用振搗棒搗實.澆筑完成后放在振動臺振動兩次共60 s,用工具將試塊表面抹平后自然風(fēng)干24 h脫模,送入(20±1)℃,相對濕度≥97 %的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護環(huán)境養(yǎng)護28 d.

表3 混凝土配合比Table 3 Concrete mix

圖1 加載示意圖Fig.1 Loading diagram

加載應(yīng)變率分別為10-5/s,10-4/s,10-3/s和10-2/s,以10-5/s作為準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變率.混凝土單軸壓縮試驗,如圖1所示.試驗前加載面要保持平整,并且在加載面和試塊底部涂上石蠟減小摩擦保證受力均勻使試件軸心受力,然后開始預(yù)加載,首先使用遙控器來縮小加載面與混凝土試件間的距離,直到加載面與混凝土試件即將接觸后開始正式加載,加載應(yīng)變率采用以上4種,當(dāng)加載到試件完全破壞后,加載停止.不同取代率在同一加載速率下的混凝土試件為4個.通過電液伺服壓力試驗機傳感器得到試件的位移數(shù)據(jù),通過安裝在側(cè)邊的引伸計得到試件的軸向應(yīng)變,根據(jù)所得數(shù)據(jù)處理后繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

隨著應(yīng)變率的增大,以再生骨料取代率為100 %的混凝土在應(yīng)變率為3×10-5/s時的破壞過程為例描述試驗現(xiàn)象.荷載加載初期,混凝土試件處于彈性階段能夠承受壓應(yīng)力,試件表面沒有裂縫產(chǎn)生.隨著荷載接近峰值應(yīng)力時,試件兩側(cè)表面保護層脫落,正表面兩端產(chǎn)生豎向和傾斜細長的裂縫.荷載達到峰值應(yīng)力時,裂縫增加開始分叉并向四周蔓延形成貫通縫,能明顯觀察到混凝土受壓由內(nèi)向外膨脹,整個試塊開始逐漸開裂,直到喪失承載力,最終形成破壞形態(tài).

混凝土在不同應(yīng)變率下的破壞特征是不相同的.低應(yīng)變率下,裂縫主要產(chǎn)生在粗骨料和砂漿接觸面,部分試件最后形成貫通性裂縫,保護層脫落,如圖2、圖3、圖6和圖7所示.在高應(yīng)變率下,試件的整個破壞過程發(fā)展迅速,破壞現(xiàn)象明顯.部分試件的裂縫會迅速產(chǎn)生延申形成貫通,混凝土大面積脫落.在應(yīng)變率為10-2/s時,部分試件在毫無裂縫產(chǎn)生下,伴隨低沉的聲音,會突然出現(xiàn)豎向和傾斜的貫通裂縫向試件核心區(qū)蔓延,混凝土崩塌脫落,其中有些粗骨料被壓碎,如圖4、圖5、圖8和圖9所示.由圖2至圖9可知,在相同應(yīng)變率下,再生骨料取代率100 %的混凝土試件比取代率為0 %的試件破壞形態(tài)更明顯,原因在于再生骨料表面殘留的舊砂漿降低了骨料與新砂漿之間的粘結(jié)力和摩擦力.

圖2 應(yīng)變率為10-5/s再生骨料取代率為0 % 混凝土的破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of concrete with strain rate of 10-5/s and replacement rate of recycled aggregate of 0 %

圖3 應(yīng)變率為10-4/s再生骨料取代率為0 % 混凝土的破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of concrete with strain rate of 10-4/s and replacement rate of recycled aggregate of 0 %

圖4 應(yīng)變率為10-3/s再生骨料取代率為0 % 混凝土的破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of concrete with strain rate of 10-3/s and replacement rate of recycled aggregate of 0 %

圖5 應(yīng)變率為10-2/s再生骨料取代率為0 % 混凝土的破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of concrete with strain rate of 10-2/s and replacement rate of recycled aggregate of 0 %

圖6 應(yīng)變率為10-5/s再生骨料取代率為100 % 混凝土的破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of concrete with strain rate of 10-5/s and replacement rate of recycled aggregate of 100 %

圖7 應(yīng)變率為10-4/s再生骨料取代率為100 % 混凝土的破壞形態(tài)Fig.7 Failure modes of concrete with strain rate of 10-4/s and replacement rate of recycled aggregate of 100 %

圖8 應(yīng)變率為10-3/s再生骨料取代率為100 % 混凝土的破壞形態(tài)Fig.8 Failure modes of concrete with strain rate of 10-3/s and replacement rate of recycled aggregate of 100 %

圖9 應(yīng)變率為10-2/s再生骨料取代率為100 % 混凝土的破壞形態(tài)Fig.9 Failure modes of concrete with strain rate of 10-2/s and replacement rate of recycled aggregate of 100 %

2.2 試驗結(jié)果

混凝土單軸壓縮試驗結(jié)果見表4,表中數(shù)據(jù)為每組試件試驗數(shù)據(jù)取平均值.ε為應(yīng)變率,εc為峰值應(yīng)力,σc對應(yīng)的峰值應(yīng)變,Ec為割線彈性模量.

表4 試驗結(jié)果Table 4 The test results

2.3 峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變

圖10表示兩種不同的再生骨料取代率的混凝土試件在相同應(yīng)變率下的峰值應(yīng)力大小.由圖10可知,在應(yīng)變率相同的情況下,再生骨料取代率為0 %的混凝土的抗壓強度大于取代率為100 %的混凝土.

如圖11所示,在準(zhǔn)靜態(tài)率為10-5/s的狀態(tài)下,取代率為0 %和100 %的混凝土的峰值應(yīng)力分別為33.2 MPa和32.4 MPa.取代率為0 %的混凝土在其余3種動態(tài)加載狀態(tài)下,峰值應(yīng)力分別增長了6.6 %,14.8 %和20.8 %.同樣,取代率為100 %的混凝土峰值應(yīng)力分別增長了5.9 %,11.7 %和18.7 %,由圖11可知,隨著應(yīng)變率的增大,峰值應(yīng)力呈線性增長.

由圖12可知,峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變率的增大有升有落,無明顯變化規(guī)律,但總體趨勢是下降的.峰值應(yīng)變從應(yīng)變率10-5/s時的25.29和30.21降低到10-2/s時的24.92和24.78,分別降低了1.5 %和22 %.

圖10 峰值應(yīng)力柱狀圖Fig.10 Peak stress histogram

圖11 峰值應(yīng)力點線圖Fig.11 Peak stress point diagram

圖12 峰值應(yīng)變Fig.12 The peak strain

圖13 彈性模量Fig.13 Modulus of elasticity

2.4 彈性模量

彈性模量是反映混凝土單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的一個重要的參數(shù).本試驗按照公式(1)用應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖8和圖9計算的割線模量確定混凝土的彈性模量:

(1)

式中,f0.4表示應(yīng)力為峰值應(yīng)力的40 %,MPa;ε0.4表示應(yīng)力為f0.4時的應(yīng)變值;ε0表示初始應(yīng)力為0.5 MPa所對應(yīng)的應(yīng)變值.

混凝土彈性模量結(jié)果見表4.對于取代率0 %和100 %的混凝土,彈性模量分別從應(yīng)變率10-5/s時的21 300 MPa和15 195 MPa增長到應(yīng)變率10-2/s時的38 561 MPa和27 815 MPa.增長率分別為81 %和83 %.從圖13可看出,混凝土彈性模量隨應(yīng)變率的增大呈線性增長.

2.5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖14和圖15分別表示不同應(yīng)變率下再生骨料取代率為0 %和100 %的混凝土單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖.

從圖14,圖15中可以看出,每一條曲線都由上升段和下降段兩部分組成.在峰值應(yīng)變前,曲線上升段趨勢與應(yīng)變率有關(guān),應(yīng)變率越大曲線越陡峭,近似于一條直線呈線性相關(guān),形狀相似.應(yīng)變率為10-5/s，10-4/s，10-3/s的3條曲線在峰值應(yīng)力點后轉(zhuǎn)折向下,下降趨勢隨應(yīng)變率的增大而增大.應(yīng)變率為10-2/s的曲線下降趨勢逐漸平緩.應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)出混凝土的塑性性質(zhì).

圖14 不同應(yīng)變率下再生骨料取代率0 %的混凝土 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.14 Stress-strain relationship curves of concrete with 0 % replacement rate of recycled aggregate under different strain rates under uniaxial compression

圖15 不同應(yīng)變率下再生骨料取代率100 %的混凝土 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.15 Stress-strain relationship curves of concrete with 100 % replacement rate of recycled aggregate under different strain rates under uniaxial compression

3 結(jié)論

本文主要對兩種不同再生骨料取代率混凝土的動態(tài)力學(xué)性能及在生態(tài)護坡中的應(yīng)用進行了研究,得出以下結(jié)論:

(1) 在動態(tài)加載過程中,再生混凝土力學(xué)特性和破壞狀態(tài)與普通混凝土特征相似.

(2) 兩種混凝土單軸壓縮應(yīng)變-應(yīng)變關(guān)系曲線均呈先增大后減小最終平緩的趨勢,曲線上升段具有相似性.曲線上升段隨著應(yīng)變率的增大逐漸變陡,下降段趨勢差異性明顯.

(3) 隨著應(yīng)變率的增大,峰值應(yīng)力和彈性模量呈線性增長,峰值應(yīng)變呈總體下降趨勢.