再生混凝土凍融循環(huán)后力學(xué)性能試驗研究

再生混凝土凍融循環(huán)后力學(xué)性能試驗研究

0再生混凝土的凍融性能混凝土自古以來就是一種廣泛使用的人工建筑材料。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的加快，混凝土用量也顯著增加。與此同時因災(zāi)害等原因倒塌或不能滿足功能要求需拆除的混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)量也在逐步增長。據(jù)統(tǒng)計近年來全世界混凝土的年產(chǎn)量約28億t,中國混凝土的年產(chǎn)量占世界總量的48%,約13~14億t。同時,混凝土原材料中的粗細(xì)集料約占混凝土總量的75%,不難推得,全世界每年需要粗細(xì)集料約21億t,中國約需10億t。廢棄混凝土對自然資源的占用及其對環(huán)境造成的負(fù)面影響也越來越顯現(xiàn)出來,混凝土材料的可持續(xù)發(fā)展成為了當(dāng)今社會關(guān)注的重點之一。把廢棄混凝土破碎后作為骨料制作成再生混凝土,對其進(jìn)行開發(fā)和研究會帶來顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益,對社會的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。再生混凝土要在工程中應(yīng)用,除滿足強(qiáng)度要求外,抗凍性也是重要指標(biāo)之一。RoumianaZaharieva對再生骨料的特征以及其對再生骨料混凝土的影響進(jìn)行過研究,同時就再生骨料的摻量以及水飽和度等對再生骨料抗凍性能影響進(jìn)行了探討,并與普通混凝土的各項性能進(jìn)行了比較。Malhotrah和Buck先后進(jìn)行了不同水灰比再生混凝土的抗凍融性試驗,研究結(jié)果表明再生混凝土的抗凍融性并不低于普通混凝土,有些情況下甚至優(yōu)于普通混凝土。但是,Zaharieva和Salem等對再生混凝土的抗凍性進(jìn)行了研究,試驗發(fā)現(xiàn),飽和再生混凝土的抗凍性較差,不建議在惡劣的環(huán)境中使用。Oliveira的試驗得出,再生粗集料的水飽和度對再生混凝土抗凍性能的影響很大,降低再生粗集料的水飽和度可提高再生混凝土抗凍性能。Cokce和張雷順等的試驗結(jié)果均表明降低水灰比(摻加減水劑)可以較大地提高再生混凝土抗凍性能。總之,目前國內(nèi)外再生混凝土主要應(yīng)用于路面、橋面板等方面,研究的主要方向為再生混凝土骨料的摻量、配合比、基本力學(xué)性能、凍融性,而對凍融循環(huán)后再生混凝土力學(xué)性能的研究不多,對再生混凝土凍融后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線尚沒有做過相關(guān)研究。鑒于普通混凝土在嚴(yán)寒地區(qū)所受到的不利影響,開展凍融循環(huán)后再生混凝土力學(xué)性能的研究是十分必要的,它將為進(jìn)一步推廣應(yīng)用再生混凝土及其在凍融環(huán)境下的工作機(jī)理與計算模式的研究提供依據(jù)。1試驗總結(jié)1.1減水劑和引氣劑的選用水泥為由哈爾濱水泥廠生產(chǎn)的天鵝牌普通硅酸鹽水泥(P.O42.5R);天然粗骨料為碎石,粒徑10~31.5mm連續(xù)級配,壓碎指標(biāo)為5.3%;砂子為中砂,細(xì)度模數(shù)2.43,含泥量1.5%;減水劑和引氣劑分別采用黑龍江省水利科學(xué)研究院的SM高效減水劑和SB-G引氣劑。再生粗骨料為工地廢棄混凝土塊運回實驗室后,先經(jīng)人工初次破碎為大小約10cm×10cm的碎塊,再用鄂式破碎機(jī)二次破碎成最大粒徑為30mm左右的骨料顆粒,用5mm篩子篩分得到再生粗骨料,粒徑5~31.5mm連續(xù)級配,按照《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗方法》(JGJ53—92)規(guī)定的測試方法,分別測得堆積密度為1190kg/m3,表觀密度為2640kg/m3,壓碎指標(biāo)為16.2%,吸水率為5.6%。1.2再生粗骨料附加水用量按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》(GB50081—2002)及《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ_82—1985)規(guī)定,棱柱體試件尺寸為100mm×100mm×400mm,共14組,每組3個試件,立方體試件尺寸為150mm×150mm×150mm,共4組,每組6個試件。按混凝土強(qiáng)度等級為C30試配。再生混凝土的配合比中另增附加水,試配中控制坍落度在30~50mm之間,含氣量在5%~6%之間以及附加水為再生粗骨料飽和吸水時的約80%來確定附加水用量。各試件水灰比為0.42,減水劑摻量為0.9%,引氣劑摻量為2.5‰?；炷猎嚰浜媳热绫?所示。1.3凍融之間的轉(zhuǎn)換根據(jù)快凍法規(guī)定,試件養(yǎng)護(hù)24d后從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出,進(jìn)行外觀檢查,然后將試件放入溫度為15~20℃的水中浸泡,浸泡時水面至少應(yīng)高出試件頂面20mm,試件浸泡4d后進(jìn)行凍融試驗。每次凍融循環(huán)應(yīng)在2~4h內(nèi)完成,其中用于融化的時間不得小于整個凍融時間的1/4。在凍結(jié)和融化終了時,試件中心溫度應(yīng)分別控制在-17±2℃和8±2℃。每塊試件從6℃降至-15℃或從-15℃升至6℃所用的時間分別不得少于凍結(jié)時間的1/2或融化時間的1/2,試件內(nèi)外溫差不宜超過28℃。凍融之間的轉(zhuǎn)換時間不宜超過10min。凍融試件達(dá)到以下三種情況之一時停止試驗:達(dá)到300次凍融循環(huán);相對動彈性模量下降到60%以下;重量損失率超過5%。凍融試驗結(jié)束后,進(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗,試驗采用普通材料試驗機(jī)上加設(shè)剛性元件,提高試驗裝置的整體剛度的方法測應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€下降段。上升段加載速率為200N/s,下降段加載速率為100N/s,當(dāng)荷載讀數(shù)為試件極限承載力的20%左右時,結(jié)束試驗。2試驗結(jié)果及分析2.1再生混凝土強(qiáng)度各試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后立方體抗壓強(qiáng)度見表2。由表可見,再生混凝土強(qiáng)度低于普通混凝土,再生混凝土的強(qiáng)度比普通混凝土下降了20%~28%,但再生混凝土強(qiáng)度和再生粗骨料摻量關(guān)系不大。2.2凍融次數(shù)對再生混凝土抗凍性的影響普通混凝土和再生混凝土經(jīng)凍融后表面變化很大。普通混凝土表面水泥漿的剝落隨凍融次數(shù)增加而增加,其表面變得凸凹不平,凍融次數(shù)超過100次后棱柱柱頭開始有一定的損壞,但凍融次數(shù)超過200次后也沒有粗骨料剝落的現(xiàn)象發(fā)生。再生混凝土隨凍融次數(shù)增加,除了水泥漿的剝落外,當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)100次以上時,一部分再生粗骨料也酥化剝落,粗骨料剝落數(shù)量隨凍融次數(shù)和再生粗骨料摻量增加而增加,凸凹不平情況嚴(yán)重,柱頭也有一定程度的損壞。其中:RC-33系列再生混凝土抗凍性較好,試件凍融次數(shù)達(dá)200次后只有少量粗骨料剝落下來,部分棱柱柱頭開始破壞;RC-66系列再生混凝土凍融次數(shù)達(dá)100次后開始有粗骨料剝落,棱柱柱頭開始破壞,凍融次數(shù)達(dá)200次后粗骨料剝落嚴(yán)重,棱柱體柱頭損壞嚴(yán)重;RC-100系列再生混凝土凍融次數(shù)達(dá)100次后粗骨料剝落已較嚴(yán)重,棱柱柱頭破壞已相當(dāng)嚴(yán)重,當(dāng)凍融次數(shù)達(dá)200次時試件被凍壞。可見,再生混凝土抗凍性隨再生粗骨料摻量和凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。再生混凝土抗凍性比普通混凝土的差。2.3抗凍融試驗結(jié)果相對動彈性模量和重量損失率是評價混凝土抗凍性能的主要凍融性能參數(shù)。混凝土試件的相對動彈性模量損失率如式(1)所示計算,混凝土試件凍融后的重量損失率如式(2)所示計算。式中:△Pn為經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的相對動彈性模量損失率/%;fn為n次凍融循環(huán)后試件的橫向基頻/Hz;f0為凍融循環(huán)試驗前試件橫向基頻初始值/Hz。式中:△Wn為經(jīng)n次凍融循環(huán)后試件的重量損失率/%;0G為凍融試驗前的試件重量/kg;Gn為n次凍融循環(huán)后的試件重量/kg。規(guī)范要求,普通混凝土耐快速凍融循環(huán)次數(shù)應(yīng)以同時滿足經(jīng)凍融循環(huán)后相對動彈性模量在60%以上,重量損失率不超過5%時的最大循環(huán)次數(shù)來表示。試件每隔50次循環(huán)作一次橫向重量測量和基頻測量。凍融循環(huán)試件數(shù)據(jù)如表3所示,重量損失率與凍融次數(shù)關(guān)系曲線見圖1,相對動彈性模量損失率與凍融次數(shù)關(guān)系曲線見圖2。由圖1可見,重量損失率隨凍融次數(shù)和再生粗骨料摻量的增加而增加,這是因為試件表面水泥漿的剝落引起的,由于再生粗骨料中含有大量水泥石以及其內(nèi)部存在缺陷,在凍融過程中有一部分再生粗骨料剝落下來導(dǎo)致再生混凝土重量損失率大于普通混凝土的,且重量損失率隨再生粗骨料摻量的增加而增加。普通混凝土在凍融50次時,重量出現(xiàn)增加現(xiàn)象,這主要是由于水泥進(jìn)一步水化,吸水量大于試件的剝落量所致。普通混凝土與RC-33系列再生混凝土在凍融中重量損失率相近,抗凍融效果較好;RC-33系列凍融到200次時重量損失率小于3.08%,滿足抗凍性要求;RC-66系列再生混凝土凍融到200次時重量損失率達(dá)6.35%,已超過標(biāo)準(zhǔn);RC-100系列再生混凝土重量損失更為嚴(yán)重,且沒能凍融到200次時試件已破壞。RC-66系列與RC-100系列再生混凝土抗凍融效果較差。由圖2可見,相對動彈性模量損失率隨凍融次數(shù)和再生粗骨料摻量的增加而增加。普通混凝土和再生混凝土相對動彈性模量損失率在凍融200次后都小于40%,滿足抗凍要求。再生混凝土的相對動彈性模量損失率大于普通混凝土的,這是由于再生骨料本身具有很多微裂縫導(dǎo)致再生混凝土吸水量增大,在凍融過程中水結(jié)成冰,體積膨脹9%,產(chǎn)生冰脹壓,使其周圍產(chǎn)生拉應(yīng)力,使得再生混凝土相對動彈性模量損失率大于普通混凝土的,且相對動彈性模量損失率隨再生粗骨料的增加而增加。本試驗結(jié)果與文,一致。根據(jù)表3建立的各系列混凝土相對動彈性模量損失率與凍融次數(shù)相關(guān)公式如式(3)~(6)所示,再生混凝土的相對動彈性模量損失率與凍融次數(shù)和再生粗骨料摻量X相關(guān)公式如式(7)所示。RC-0(相關(guān)系數(shù)為R2=0.978):RC-33(相關(guān)系數(shù)為R2=0.957):RC-66(相關(guān)系數(shù)為R2=0.949):RC-100(相關(guān)系數(shù)為R2=0.992):△Pn與n和X公式(相關(guān)系數(shù)為R2=0.934):2.4凍融循環(huán)作用力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)如表4所示。由表可見,RC-0,RC-33,RC-66系列試件峰值應(yīng)力在凍融循環(huán)200次之前降低較慢,RC-100系列試件在凍融循環(huán)100次時峰值應(yīng)力已下降約28%,下降較快。峰值應(yīng)力與彈性模量隨再生粗骨料摻量、凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小。這是因為再生粗骨料摻量增加,使得其中含有的水泥漿量增加,試件強(qiáng)度降低?；炷羶?nèi)部水結(jié)冰膨脹產(chǎn)生凍脹應(yīng)力以及正負(fù)溫度交替產(chǎn)生溫度應(yīng)力使得混凝土內(nèi)部進(jìn)一步產(chǎn)生微裂損傷,并且該損傷在多次凍融循環(huán)作用下,逐步積累擴(kuò)展,造成混凝土試件逐漸酥松開裂。對于RC-0系列和RC-33系列試件,峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,這是由于峰值應(yīng)力隨凍融次數(shù)增加而降低。對于RC-66系列試件,凍融循環(huán)次數(shù)在小于100次時,峰值應(yīng)力隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低,峰值應(yīng)變也隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低;凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)大于100次后,凍融破壞作用增大,混凝土裂縫擴(kuò)展,內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得酥松,受壓變形加大,此時峰值應(yīng)變隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加明顯增大。對于RC-100系列試件,峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而增加,這是由于再生粗骨料摻量增加,試件強(qiáng)度降低,使得凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)100次時內(nèi)部結(jié)構(gòu)就變得酥松,裂縫擴(kuò)展,受壓變形加大。各系列試件橫向變形系數(shù)隨縱向應(yīng)力的增加而增大,隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小,橫向變形系數(shù)在0.1~0.3之間,與普通混凝土相近。3再生粗骨料應(yīng)力-應(yīng)變中系數(shù)的擬合本文采用文的全曲線方程的表達(dá)形式,見下式:式中:x＝ε/εc,y＝uf073/fc0當(dāng)為RC-66系列時,對凍融為次數(shù)n=0,50,100,200的再生混凝土,擬合得再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變中系數(shù)a,b與△Pn關(guān)系式如下:凍融循環(huán)次數(shù)n=100,擬合得再生粗骨料摻量為0%,33%,66%,100%的再生混凝土擬合應(yīng)力-應(yīng)變中系數(shù)a,b與△Pn關(guān)系式如下:擬合式(8)曲線與試驗曲線對比見圖3~6,其中圖3,4,6中擬合公式的系數(shù)a,b由式(10)得,圖5擬合公式的系數(shù)a,b由公式(9),(10)計算的數(shù)值平均而得,由圖3~6可見兩者擬合程度較好。4再生粗骨料摻量和凍融循環(huán)次數(shù)對再生混凝土性能的影響(1)再生混凝土經(jīng)凍融后重量損失率和相對動彈性模量損失率隨再生粗骨料摻量和凍融循環(huán)次數(shù)增加而增加。再生混凝土抗凍性隨再生粗骨料摻量和凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低。再生混凝土抗凍性比普通混凝土差。(2)再生混凝土峰值應(yīng)力和彈性模量隨再生粗骨料摻量和凍融循環(huán)次數(shù)增加而降低。再生混凝土峰值應(yīng)力和彈性模量較普通混凝土小。(3