再生混凝土三軸受壓力學(xué)性能試驗研究

再生混凝土三軸受壓力學(xué)性能試驗研究

0再生混凝土力學(xué)性能建筑垃圾的再生利用對于節(jié)約資源、環(huán)境保護(hù)和社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。再生混凝土的相關(guān)技術(shù)研究已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點。國內(nèi)外學(xué)者對再生混凝土進(jìn)行了大量的試驗和理論研究[4,5,6,7,8,9,10,11,12],結(jié)果表明,再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通混凝土相似,具有較好的力學(xué)性能;骨料缺陷、原再生粗骨料強(qiáng)度、齡期等因素對彈性模量、峰值應(yīng)變有一定的影響。研究大多局限于單軸受壓的情況,對再生混凝土在多軸受壓下的研究卻鮮有報道,研究還不夠全面系統(tǒng)。由于再生骨料經(jīng)過破碎加工,不可避免存在著內(nèi)部微裂紋以及表面黏附水泥基體,使得再生混凝土在力學(xué)性能上有別于普通混凝土,已有相關(guān)研究[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]表明再生混凝土的力學(xué)性能以及耐久性能比普通混凝土略差。為了彌補(bǔ)再生混凝土在力學(xué)性能等方面的不足,國內(nèi)外學(xué)者提出了鋼管再生混凝土或螺旋箍筋約束再生混凝土的概念并進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[13-16]中,國內(nèi)學(xué)者對鋼管再生混凝土柱進(jìn)行了軸壓試驗研究,研究結(jié)果表明:鋼管再生混凝土表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能,其與普通鋼管混凝土構(gòu)件具有相同的剛度,且具有足夠的強(qiáng)度。受鋼管或螺旋箍筋約束的再生混凝土處于三向受力狀態(tài),其強(qiáng)度和變形能力得到改善。對再生混凝土進(jìn)行較為深入系統(tǒng)的三軸受壓力學(xué)性能研究顯得越來越必要,精細(xì)化的三軸受壓力學(xué)模型對指導(dǎo)鋼管或螺旋箍筋約束再生混凝土構(gòu)件的深入研究意義重大。目前對再生混凝土多軸受壓的研究尚不多見,其中Aqil等研究了三軸受壓再生混凝土的強(qiáng)度和變形,楊海峰等研究了常規(guī)三軸高強(qiáng)再生混凝土本構(gòu)關(guān)系,取得了一定的成果,但僅考慮了單因素的影響,尚不夠深入系統(tǒng)。為此,擬通過68個再生混凝土試件的三軸受壓試驗,揭示其破壞機(jī)理,并分析再生骨料取代率、側(cè)向圍壓值、齡期、混凝土強(qiáng)度和骨料來源等變化參數(shù)對再生混凝土三軸受壓力學(xué)性能影響。1試驗總結(jié)1.1再生粗骨料的設(shè)計再生混凝土以齡期T、取代率γ、圍壓值σw、強(qiáng)度等級、再生粗骨料來源為變化參數(shù),設(shè)計并制作68個直徑D=100mm、高度H=200mm的圓柱體試件。齡期考慮了15d和30d兩種情況,15d齡期設(shè)計了7個試件;考慮了4種取代率(0%,30%,70%,100%),每種取代率有9個試件;考慮了9種圍壓值(從0~27MPa之間變化,中間級差3MPa);強(qiáng)度等級考慮C35和C50兩種。各試件的編號及具體設(shè)計參數(shù)取值詳見表1。表中,RAC、GRAC試件的再生粗骨料來源為新建建筑垃圾,PRAC試件的再生粗骨料為服役期滿混凝土,RRAC試件的再生骨料為服役期混凝土;RAC、PRAC、RRAC試件的設(shè)計強(qiáng)度等級為C35,GRAC試件的設(shè)計強(qiáng)度等級為C50。1.2再生粗骨料與天然社會主義材料的配合比再生粗骨料來源取3類較具代表意義的廢棄混凝土:新建建筑垃圾、服役期滿(50a)混凝土和服役過程中(15a)因維修改造而廢棄的混凝土,3類廢棄混凝土均屬碎石類。經(jīng)鄂式破碎機(jī)破碎、篩分和清洗后獲得,天然碎石與再生粗骨料采用同條件篩分,粒徑5~20mm,連續(xù)級配;細(xì)骨料采用中粗河砂;42.5R普通硅酸鹽水泥和城市自來水。以取代率為0%(即天然混凝土)為基準(zhǔn),設(shè)計了2種強(qiáng)度等級的再生混凝土(C35和C50),設(shè)計配合比見表2。不同的取代率通過改變再生粗骨料與天然碎石的比例獲得,總的粗骨料質(zhì)量不變,且其他成分保持相同。1.3液壓油泵加載采用中科院和SIMENS公司聯(lián)合研發(fā)的RMT-201試驗機(jī)進(jìn)行三軸受壓加載,該設(shè)備內(nèi)設(shè)精密的傳感器、兩個液壓油泵和三軸壓力裝置,其中一個液壓油泵提供豎向荷載,另一個液壓油泵通過一根特制的油管與三軸壓力裝置連接,提供穩(wěn)定的圍壓加載裝置如圖1a所示。試驗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)施加側(cè)向圍壓值,在施加圍壓過程中,按1∶1比例同步施加豎向荷載,此后,保持側(cè)向圍壓值恒定,豎向荷載則采用位移控制的加載制度,其加載速率為0.01mm/s,直至試件破壞。試件的受力模型及加載制度如圖1b所示。2試驗結(jié)果及其分析2.1圍壓值為39mpa時試驗結(jié)束后,通過對試件進(jìn)行的細(xì)致觀察發(fā)現(xiàn),三軸受壓再生混凝土試件的破壞形態(tài)主要與側(cè)向圍壓有關(guān),而其他變化參數(shù)影響不大。當(dāng)圍壓值為0時,破壞時中部出現(xiàn)多條豎向裂縫,并由一條或幾條主裂縫貫穿試件兩端而破壞,此時試件的破壞形態(tài)為縱向劈裂破壞;當(dāng)圍壓值為3~9MPa時,試件表現(xiàn)為斜向劈裂破壞,斜向角度約為75°,圍壓值大于9MPa,破壞形態(tài)類似,均為斜向劈裂破壞,且隨著圍壓值增大,裂縫發(fā)展角度有減少的趨勢,斜向角度在75°~55°之間變化;當(dāng)圍壓值達(dá)到12MPa以后,試件的破壞形態(tài)發(fā)生改變,試件的破壞不再是劈裂成兩塊,而是呈現(xiàn)多個碎塊,且破壞面伴隨有粉末產(chǎn)生。由此可見,隨著圍壓的變化,試件的破壞形態(tài)呈現(xiàn)出本質(zhì)的不同:當(dāng)圍壓為0MPa時,試件主要為粗骨料的界面豎向劈裂破壞;而當(dāng)試件施加圍壓時,破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾毕蚺哑茐?破壞時剪切面上粗骨料被剪斷,局部伴有壓碎的粉末;隨著圍壓值的進(jìn)一步增大,裂縫的斜向角度呈減小趨勢,并出現(xiàn)少量的橫向裂縫。部分試件的破壞形態(tài)如圖2所示。2.2軸向壓縮變形試驗根據(jù)RMT-201試驗機(jī)自動采集的各試件加載全過程的軸向荷載-位移曲線,可轉(zhuǎn)換得到各試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線如圖3所示,轉(zhuǎn)換公式為:式中,N為軸向荷載,A為橫截面面積,Δl為軸向壓縮變形值,l為試件高度。由圖3可見,隨著圍壓增大,再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生了顯著的變化,圍壓值為0MPa(即單軸受壓)的試件,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和初始彈性模量明顯比有圍壓的試件小,特別是峰值點后的下降段更陡峭;圍壓值為3~6MPa時,試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降趨于緩慢,延性也更好;圍壓值為9~12MPa時,應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值點后的下降不明顯;圍壓值超過15MPa以后,再生混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線基本上不出現(xiàn)下降段。此外,隨著圍壓增大,應(yīng)力-應(yīng)變曲線包圍的面積也顯著增大。2.3基本特征點參數(shù)表3給出了試驗實測各試件的初始彈性模量、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變等特征點參數(shù)。表中E為初始彈性模量,σu為峰值應(yīng)力值,εu為峰值應(yīng)變值。3影響因素分析3.1剩余粗骨材料提取率的影響3.1.1評價參數(shù)的選取圖4給出了不同取代率下再生混凝土初始彈性模量變化曲線。由圖可見,不同圍壓值下,再生混凝土的初始彈性模量隨取代率的變化呈現(xiàn)出4種不同的趨勢。圍壓值為0時,隨著取代率的增大,RAC試件的彈性模量呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢,圍壓值為9MPa時,隨著取代率的增大,RAC試件的彈性模量呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢,如圖4a所示。圍壓值為6MPa和12MPa時,隨著取代率的增大,RAC試件的彈性模量呈現(xiàn)先小增后大增再減小的變化趨勢,如圖4b所示。圍壓值為3、15MPa及以上數(shù)值時,隨著取代率的增大,RAC試件的彈性模量呈現(xiàn)波動性增大的變化趨勢,如圖4b所示。為了便于分析這些復(fù)雜的變化規(guī)律,采用歸一化的方法對不同取代率的各種再生混凝土的彈性模量變化曲線進(jìn)行對比分析,同時為了消除圍壓等其他因素的影響,采取取平均值的對比方法,如圖4c所示。由圖可見:隨著取代率的增加,三軸受壓時再生混凝土的彈性模量并不比普通混凝土的低(其提高幅度在30%以內(nèi)),這是由于再生粗骨料表面附有一定水泥基體,在攪拌混凝土的過程中,吸收了部分水分,導(dǎo)致實際水灰比變小,從而提高混凝土強(qiáng)度的緣故。3.1.2取代率的影響圖5給出了不同取代率下再生混混凝土的峰值應(yīng)力對比關(guān)系,由圖可見,在相同的圍壓下,隨著取代率的增加再生混凝土的峰值應(yīng)力變化不大。從圖5b歸一化對比關(guān)系不難看出,取代率為30%、70%和100%時,再生混凝土的峰值應(yīng)力與天然混凝土相比總體上變化不大,在±5%的范圍內(nèi)波動,并且圍壓值的增大對這種波動幾乎沒有影響。3.1.3再生粗骨料菌群中的峰值應(yīng)變變化規(guī)律圖6給出了不同取代率下再生混凝土的峰值應(yīng)變特征值的對比情況,由圖可見,再生混凝土峰值應(yīng)變隨著取代率的增加呈現(xiàn)波動性變化,在側(cè)向圍壓值小于9MPa以前,隨著取代率的增加,再生混凝土的峰值應(yīng)變逐漸降低,而當(dāng)側(cè)向圍壓值大于9MPa以后時,隨著取代率的增加,再生混凝土的峰值應(yīng)變總體上呈增大趨勢。這種波動范圍總體上在-20%~15%之間。綜上分析,取代率的變化對再生混凝土的彈性模量、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的影響程度不同;取代率的變化對峰值應(yīng)力的影響不大,不超過±5%;但對初始彈性模量和峰值應(yīng)變則有較大的影響,影響的程度達(dá)到20%左右。出現(xiàn)這種現(xiàn)象,可認(rèn)為與再生粗骨料的特性有關(guān),由于再生骨料在破碎過程中內(nèi)部不可避免地存在著微裂紋以及表面粘附的水泥基,導(dǎo)致其力學(xué)性能有所差異,若側(cè)向圍壓值不大時(也就是說側(cè)向約束不夠強(qiáng)時),再生混凝土的破壞會有所提前,故其峰值應(yīng)變會有所變小。而取代率的變化對峰值應(yīng)力的影響不大,主要是由于再生粗骨料的特性具有對強(qiáng)度有利和不利兩方面影響所導(dǎo)致,再生骨料內(nèi)部微裂紋的存在會降低其強(qiáng)度,但表面粘附的水泥基在混凝土攪拌過程中迅速吸收掉部分拌合水,導(dǎo)致其實際水灰比減小,從而起到提高其強(qiáng)度的作用,這種有利與不利同時作用時,就會表現(xiàn)為總體變化不大的現(xiàn)象。3.2側(cè)壓的影響3.2.1彈性模量的確定圖7給出了不同圍壓值下再生混凝土的彈性模量變化趨勢,總體來說,隨著圍壓值的增大,再生混凝土的彈性模量有所增大,并且不同取代率時,其變化程度有所差異,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到以下計算公式:式中:E0為無圍壓時的彈性模量值;σ0為無圍壓時的峰值應(yīng)力(即單軸抗壓強(qiáng)度);σw為側(cè)向圍壓值;E為與側(cè)向圍壓值σw對應(yīng)的彈性模量;α為與取代率有關(guān)的系數(shù),將所有常齡期(30d)RAC試件統(tǒng)計分析,得α=0.003γ2-0.0245γ+1.4。3.2.2圍壓值對再生混凝土載荷的影響圖8給出了不同圍壓值下再生混凝土的峰值應(yīng)力變化線。由圖可見,圍壓值對再生混凝土的峰值應(yīng)力影響顯著,隨著圍壓值的增大,再生混凝土的峰值應(yīng)力基本呈現(xiàn)線性增大的趨勢。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),擬合得到的峰值應(yīng)力-圍壓的關(guān)系為式中,σu為與側(cè)向圍壓值σw對應(yīng)的軸向峰值應(yīng)力。3.2.3抗壓強(qiáng)度的影響圖9為不同圍壓下再生混凝土的峰值應(yīng)變的變化情況,由圖可見,圍壓對再生混凝土的峰值應(yīng)變影響顯著,隨著圍壓值的增大,再生混凝土的峰值應(yīng)變也基本上呈現(xiàn)線性上升的趨勢。根據(jù)試驗數(shù)據(jù),擬合得到峰值應(yīng)變-圍壓的關(guān)系為式中ε0為無圍壓時的峰值應(yīng)變值。綜上分析,側(cè)向圍壓對再生混凝土的彈性模量、峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的影響顯著,隨著圍壓值的增大,基本上呈線性增長的趨勢。這是因為側(cè)向圍壓,對再生混凝土起到了很好的橫向約束作用,限制了再生混凝土內(nèi)部骨料舊裂縫和新裂縫的發(fā)展,提高了其強(qiáng)度和抗變形能力。3.3年齡影響3.3.1初始彈性模量圖10給出了相同取代率下兩種不同齡期的再生混凝土在側(cè)向圍壓下的彈性模量對比情況。由圖10可見:在各級圍壓下,30d齡期試件的初始彈性模量均比15d齡期試件的大,其比值在1.2~2.4范圍內(nèi)波動,均值約為1.8?？梢?過早投入使用的早齡期再生混凝土,會導(dǎo)致其彈性模量顯著降低。3.3.2載荷的下對比圖11給出了兩種不同齡期的再生混凝土在側(cè)向圍壓下的峰值應(yīng)力的對比。由圖11可見,在各種不同的圍壓值下,30d齡期與15d齡期再生混凝土試件的峰值應(yīng)力變化不大,其比值約為1.0。3.3.3再生混凝土的極限應(yīng)變分析圖12給出了兩種不同齡期的再生混凝土在各側(cè)向圍壓下的峰值應(yīng)變的對比。由圖12可見,各級圍壓下,30d齡期再生混凝土的峰值應(yīng)變均比15d齡期的小,其比值在0.6上下波動。這可能是由于時間越長,再生混凝土內(nèi)部水化反應(yīng)越充分,其脆性性質(zhì)越顯著所致。3.4混凝土強(qiáng)度的影響3.4.1土彈性模量對比圖13給出了相同取代率的兩種強(qiáng)度等級的再生混凝土在側(cè)向圍壓下的彈性模量對比,圖中數(shù)據(jù)為圍壓,MPa。由圖可見,C50再生混凝土的彈性模量普遍比C35的大,其平均比值約為1.4。3.4.2圍壓值對再生混凝土三軸應(yīng)力的影響圖14給出了兩種強(qiáng)度等級的再生混凝土在圍壓下的峰值應(yīng)力對比,由圖可見,隨著強(qiáng)度的提高,再生混凝土三軸受壓時峰值應(yīng)力有所增大,但其增大的程度隨圍壓值的增大有所下降,當(dāng)圍壓值到達(dá)一定數(shù)值后(如6~12MPa)時,其變化趨于恒定。3.4.3再生混凝土強(qiáng)度的影響圖15給出了兩種強(qiáng)度等級的再生混凝土在側(cè)向圍壓下的峰值應(yīng)變對比,由圖可見,隨著再生混凝土強(qiáng)度的提高,其峰值應(yīng)變卻變小,脆性性質(zhì)更顯著,并且這種脆性隨著圍壓值的增大也無法改變。3.5服務(wù)年限的影響3.5.1再生骨料混凝土彈性模量圖16給出了同等條件下3種服役年限再生骨料的再生混凝土的彈性模量對比,為便于分析取平均值,由圖可見:隨著再生骨料服役年限的增長,再生混凝土的彈性模量有所差異,服役15a再生骨料混凝土的彈性模量比新建再生混凝土的大,而服役50a再生骨料混凝土的彈性模量卻比新建混凝土的低。究其原因,可能是由于服役年限越長,再生骨料的水化反應(yīng)越充分,其強(qiáng)度越高,導(dǎo)致在破碎過程中服役50a的再生骨料的微裂紋及附著水泥基越多的緣故。3.5.2再生骨料染色后再生混凝土的力學(xué)特性圖17給出了3種服役年限再生骨料混凝土在圍壓下的峰值應(yīng)力對比,由圖可見,3種不同服役年限再生骨料混凝土的峰值應(yīng)力總體上變化不大,且再生骨料服役年限較長的再生混凝土的峰值應(yīng)力還略有增加,由此可見,服役期滿與服役期中的廢棄混凝土再生利用后的抗壓強(qiáng)度并不比新建再生混凝土的差。3.5.3再生骨料混凝土的峰值應(yīng)變圖18給出了不同服役年限再生骨料混凝土與新建再生混凝土的峰值應(yīng)變對比,由圖可見,各級圍壓下,不同服役年限再生骨料混凝土峰值應(yīng)變有一定波動,但總體看來,其波動范圍不大,均值約為1.0。4再生混凝土力學(xué)性能1)三軸受壓再生混凝土的破壞形態(tài)受側(cè)向圍壓影響較大,隨著圍壓值的增大,試件的破壞面逐漸由豎向劈裂破