高温后再生混凝土单轴受压应力_应变关系试验研究_徐明

文章编号：1000-6869（2015）02-0158-07DOI：10．14006/j．jzjgxb．2015．02．019

高温后再生混凝土单轴受压应力-应变关系试验研究

徐

1

明，王

21韬，陈忠范

（1．东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点试验室，江苏南京210096；

2．苏州工业园区设计研究院股份有限公司，江苏苏州215021）

细骨料取代率尺寸为100mm×100mm×摘要：利用废弃混凝土经机械破碎后制成的再生粗、细骨料，制作168个不同再生粗、

300mm的再生混凝土试件，经历20～800℃作用后进行单轴受压应力-应变全曲线试验，分析了不同再生粗、细骨料取代情况和经历温度对再生混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比和单轴受压应力-应变全曲线的影响。结果表明：相同温度作用后，随着不同再生骨料取代率的增加，峰值应变增大，弹性模量减小，单轴受压应力-应变曲线峰值应力减小，峰值应变增大，脆性增大；随着经历温度的升高，峰值应变与泊松比先降后增，并在温度400℃后增幅最大，而峰值应力与弹性模量均持续减小，应力-应变曲线渐趋扁平，与横轴包围面积显著减小；再生粗、细骨料单独掺入对混凝土受力性能的影响比较一致，同时掺入时性能退化较快。通过回归分析，建立各组再生混凝土试件单轴受压分段式应力-应变本构方程。关键词：再生混凝土；再生粗细骨料；高温试验；应力-应变曲线

中图分类号：TU502文献标志码：A

Experimentalresearchonuniaxialcompressivestress-strain

relationshipofrecycledconcreteafterhightemperature

XUMing1，WANGTao2，CHENZhongfan1

（1．KeyLaboratoryofC＆PCStructuresofChinaMinistryofEducation，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China；

2．SuzhouIndustryParkDesign﹠ＲesearchInstituteCo．，Ltd，Suzhou215021，China）

Abstract：Theuniaxialcompressivestress-straincurveexperimentswereconductedon168recycledconcretespecimensmadeofdifferentreplacementraterecycledcoarseandfineaggregateswiththesizeof100mm×100mm×300mmafterbeingexposedto20-800℃．Theeffectsofrecycledaggregatescontentandexposuretemperatureonpeakstress，peakstrain，elasticmodulus，Possion’sratioandstress-straincurveofrecycledconcretewereinvestigated．Thetestresultsshowthat：afterthesametemperature，thepeakstrainandbrittlenessincreasewiththeincreaseofrecycledaggregatereplacementrate，theelasticmodulusdecreases，thepeakpointmovesdownandright，andtheductilitydeterioratesgradually．Asthetemperatureincreases，thepeakstrainandthePoisson’sratioincreaseafterthefirstdrop，whilethepeakstressandelasticmoduluscontinuedecreasing．Besides，thestress-straincurveturnstobeflatandtheareawhichissurroundedbytheXaxisalsoreducessignificantly．TheperformanceofＲCCandＲFCareconsistent，whiletheＲCdeterioratesfaster．Throughregressionanalysis，thesegmentedconstitutiveequationofrecycledconcreteunderuniaxialcompressionisproposedtofitthetestresults，andthefittingcurveisingoodagreementwiththetestresults．

Keywords：recycledconcrete；recycledcoarseandfineaggregate；hightemperaturetest；stress-straincurve

：“十二五”国家科技支撑计划（2011BAJ08B04）。基金项目

mail：[email protected]作者简介：徐明（1972—），男，黑龙江大庆人，工学博士，高级工程师。E-收稿日期：2014年3月

158

0引言

（ＲCC50、ＲCC100）；取代率50%、100%再生细骨料

ＲFC100）；取代率50%、100%再生混凝土（ＲFC50、

ＲC100），粗、细骨料混凝土（ＲC50、均经历6种温度：

20、100、200、400、600、800℃。试件分为42组，每组4个试件，共计168个，试件几何尺寸为100mm×100mm×300mm。再生混凝土拌合物采用50L机械搅拌机搅拌，搅拌3～5min后进行坍落度测定，然后注入试模，在振动台上振密实，用刮刀插实周边，抹平表面，放置24h后拆模，然后放入标准养护室养护28d后取出，置于干燥、通风环境中放置1周，使含水率降至正常状态，再进行高温试验。1.2原材料及配合比

水泥为42.5普通硅酸盐水泥；天然细骨料（NFA）为黄砂，细度模数为2.7；拌和水为自来水；天5～31.5mm连续级配；再生然粗骨料（NCA）为碎石，粗、细骨料取自旧房拆迁的废弃混凝土，再生粗骨料（ＲCA）为5～31.5mm连续级配，吸水率4.4%，再生细骨料（ＲFA）细度模数为3.1，吸水率6.7%。试验中采用基于自由水灰比（自由水与水泥用量之比）的配合比设计方法，用水量由参与水化反应的自由水与根据再生骨料吸水率确定的附加水构成。试验配合比见表1。1.3

高温试验

高温试验采用箱式电阻炉，内部尺寸为400mm×600mm×1200mm，各组混凝土试件所要达到的目标100、200、400、600、800℃。当炉温达温度依次为20、

到目标温度后恒温3h，以使试件内外温度趋于一致，然后敞开炉门，自然冷却至室温后取出试件。1.4单轴受压试验

与普通混凝土相似，再生混凝土在受压破坏时急速变形，为此，采用普通液压试验机加载无法获得应力-应变曲线的下降段。为了获得稳定且完整的应力-应变全曲线，各组试件经历高温作用后，在东南大学九龙湖校区土木交通实验室，采用50t的MTS电液伺服试验机进行单轴受压试验，按位移控制加载，加载速率为0.005mm/s，全过程由计算机自动控制。

再生混凝土是由废弃混凝土经破碎处理获得的

骨料制成的新型建筑材料，将其推广应用可保护生态环境，符合国家可持续发展战略。国内外学者对再生混凝土常温与高温后力学性能进行了广泛研［1-3］，主要集中于抗压、抗拉等基本力学性能，应力-究

应变本构关系的研究仍比较欠缺。已有的再生混凝土应力-应变本构关系的研究主要针对再生粗骨料混凝土单轴受压

，认为再生粗骨料混凝土应力-应变

关系与普通混凝土类似，只是曲线上各特征点的应力与应变值有所区别，随着再生粗骨料的增加，再生混凝土峰值应变增加，而峰值应力和弹性模量减小。另外，随着温度的升高，再生粗骨料混凝土高温后受压应力-应变曲线趋于平缓，峰值应力不断降低，峰值应变逐渐增大

［5］［4］

。

相对于再生粗骨料，再生细骨料的利用研究则

相对较少，在配制混凝土时大多将再生细骨料筛分去除，造成资源的浪费。再生细骨料的掺入对混凝土的影响主要是抗压强度、耐久性能等方面，研究不够全面，结果离散性较大。另外，再生粗、细骨料同时掺入后的混凝土性能变化鲜见报道。为此，不同再生骨料取代率下高温后的再生混凝土单轴受压应力-应变关系的研究，对再生混凝土结构防火设计与火灾后的评估修复具有参考价值。

本文作者对高温后再生混凝土单轴受压应力-应变关系进行试验研究，分析不同再生粗、细骨料取代率对经历温度作用后的再生混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比等的影响，建立各组再生混凝土试件单轴受压分段式应力-应变本构方程。

1

1.1

试验概况

试件制作与养护

试验中设计7种再生骨料取代率混凝土：普通

100%再生粗骨料混凝土混凝土（N）；取代率50%、

表1再生混凝土的配合比

Table1Mixproportionofrecycledconcrete

组别NＲCC50ＲCC100ＲFC50ＲFC100ＲC50ＲC100

水灰比0.500.500.500.500.500.500.50

单位体积用量/（kg·m－3）

水泥[***********]370

天然粗骨料1173572—[1**********]—

再生粗骨料

—5721115——5681100

天然细骨料

[1**********]3—306—

再生细骨料

———[1**********]3

拌和水[***********]185

附加水[1**********]70

159

6］，试验量测方法同文献［其中用于测定变形部

分的标距为100mm。试验前对试件进行预压，以减少表面不平整以及受压面与加载面之间的空隙产生的影响，预压加载至轴心抗压强度的30%左右后卸载，重复3次。单轴受压试验加载装置如图1所示。

斜角θ为70°～75°，明显大于斜剪破坏情况，并且斜

向裂缝断口整齐，破坏面不仅沿着骨料表面和砂浆内部发生，而且部分粗骨料也被剪坏。2.2峰值应力

各组试件的单轴受压峰值应力fc，T平均值与经历最高温度T的相关曲线见图3。由图3可见：1）常温下，普通混凝土峰值应力最高，为38.4MPa，而ＲC100组试件的峰值应力最小，ＲCC组仅28.8MPa，与ＲFC组试件的峰值应力介于两者中间，而且ＲCC组与ＲFC组试件之间不同取代率的峰值应力均比较接近；2）ＲC50组试件在温度较低时峰值应力低于ＲCC100组与ＲFC100组试件，可见再生粗、细骨料的同时掺入比单独掺入对其抗压强度的影响更加显著；3）当T＜200℃时，随着再生骨料取代率的增加，峰值应力降低的幅度逐渐减缓，表明再生混凝土经历20～200℃高温后峰值应力退化速度比普通混凝土慢，原因是再生骨料表面粗糙多孔，形成的砂浆层能减缓高温下自由水的蒸发，使峰值应力降低幅度减缓；4）当T≥400℃时，再生混凝土的相对峰值应力低于普通混凝土，下降幅度随着再生骨料取代率的增大而渐趋明显，说明此时再生骨料自身存在的缺陷不利于高温作用

。

图1单轴受压试验加载装置示意Fig．1Setupforuniaxialcompressiontest

2

2.1

试验结果及其分析

破坏过程与形态

各组再生混凝土棱柱体试件单轴受压破坏形态相似，主要为斜剪破坏与斜向劈裂破坏，如图2所示。其中斜剪破坏发生于常温状态以及经历最高温度400℃及以上的各组混凝土试件，破坏阶段第1条裂缝细而短，平行于受力方向，处于试件中间。随着应变继续增大，出现多条不连续的纵向短裂缝，应力下降比较平缓，破坏面斜角θ为64°～70°，破坏后剖开试件，可见斜剪破坏基本沿骨料表面和砂浆内部发生，粗骨料极少破坏。对于温度高于600℃的试件，斜向破裂带更宽，沿着破裂面碎渣掉落较多，且出现更多的不规则树枝状裂缝

。

Fig．2

图2单轴受压典型破坏形态

Typicalfailuremodesunderuniaxialcompression

图3再生混凝土峰值应力与温度的关系曲线Fig．3Ｒelationshipofpeakstressforrecycled

concretewithtemperature

斜向劈裂破坏发生于经历最高温度为100、200℃的各组混凝土试件。第1条可见裂缝细而长，随着应变的增大，裂缝快速沿纵向延伸，并发出轻微劈裂声响，应力下降较快，新裂缝很少出现，破坏面

2.3

峰值应变

高温后再生混凝土峰值应变εc，T与经历最高温度T的关系曲线如图4所示。由图4a可见，峰值应

16

图4Fig．4再生混凝土峰值应变与温度的关系Ｒelationshipofpeakstrainforrecycledconcretewithtemperature

图5再生混凝土弹性模量与温度的关系曲线Fig．5Ｒelationshipofelasticmodulusforrecycled

concretewithtemperature

7-8］变随再生骨料取代率的增大而增大，这与文献［的研究结论一致。ＲCC组与ＲFC组试件关系曲线类似，表明再生粗、细骨料单独取代的影响基本一致，ＲC50组试件峰值应变略高于ＲCC100组试件、

ＲFC100组试件，而ＲC100组试件随温度升高峰值应变远大于其他试件，这是由于再生骨料表面的硬化砂浆层多孔且弹性模量较低，再生骨料内部也存在微裂缝，导致峰值应变的增大。

由图4b可见，在T≤200℃时，峰值应变小幅下降；当T＞200℃时，峰值应变持续增大，当T为600～800℃时，普通混凝土以及再生粗、细骨料取代率较小的混凝土试件，峰值应变增大幅度远小于100%再T=生骨料取代率的情况。尤其是ＲC100组试件，800℃时峰值应变已达到普通混凝土的1.34倍。2.4

弹性模量

弹性模量定义为应力-应变曲线上升段从原点至40%峰值应力点对应的割线模量。高温后再生混凝土的弹性模量ET与经历最高温度T的关系曲线见图5。由图5a可以看出，相同温度下再生混凝土的弹性模量均低于天然混凝土，取代率越高，试件弹性

ＲC100组试件在各类试件中最低。另外，模量越低，

ＲFC组试件也略低于ＲCC组试件的弹性模量，这是由于再生细骨料制成的混凝土水泥砂浆层内部缺陷

较多，导致再生细骨料混凝土弹性模量偏低。

由图5b可以看出，当T≤100℃时，

试件弹性模

量基本保持不变；而当T＞100℃时，其弹性模量迅速

ＲC100组试件在温度达下降，尤其是ＲC50组试件、ＲC100组试件经历到200～400℃时降幅更为显著，

400℃高温后弹性模量仅为常温下的19.5%，N组试件N组、经历400℃高温后弹性模量仍为常温下的46%，ＲCC50组、ＲFC50组试件在温度达到200～600℃时基本呈线性下降。T=800℃时，各组试件弹性模量为常温下的3%～6%，再生骨料种类的影响已经较小。2.5

泊松比

试验中泊松比取应力-应变曲线上升段40%峰值应力点处的横向应变与纵向应变的比值。图6为高温后再生混凝土泊松比νc，T与温度T的关系曲线。由图可见，常温时各组再生混凝土试件泊松比介于0.185～0.208之间，当T≥200℃时，泊松比显著增大，当T在100～200℃时，泊松比较常温有所降低，说明试件受力过程中随着应力的增加横向变形较小，内部微裂缝开展不明显，这与2.1节中T为100～200℃时试件曲线进入下降段后，出现较为突然且急促的变形，发生斜向劈裂破坏的现象比较一致。

3高温后再生混凝土应力-应变全曲线

3.1

不同高温后单轴受压应力-应变全曲线不同高温后各组再生混凝土试件的应力-应变曲线如图7所示。由图7可知，再生混凝土应力-应变

161

图6再生混凝土泊松比与温度的关系曲线Fig．6ＲelationshipofPossion’sratiofor

recycledconcretewithtemperature

全曲线总体形状与普通混凝土基本相似，均随着温

度的升高，曲线渐趋平缓，峰值应力减小，峰值应变在100℃与200℃之间先减小，之后持续增加，同时上升段曲线斜率显著减小，曲线与横轴包围的面积也逐渐减小。经历最高温度高于400℃的试件，下降段曲线较为平缓，承载力下降速度较慢。当T≥600℃时，峰值点已经不再明显，曲线整体平缓。3.2

不同取代率下再生混凝土的应力-应变全曲线

图8与图9为常温和经历800℃高温后各组再

图7Fig．7

不同高温后再生混凝土单轴受压

应力-应变全曲线Stress-straincurvesforrecycledconcreteafterelevatedtemperature

生混凝土试件典型的应力-应变关系曲线。

9可见，由图8、在相同温度下，随着再生骨料取代率的增加，应力-应变曲线峰值应力逐渐减小，峰值

应变逐渐增加，上升段斜率逐渐减小。再生粗、细骨料单独取代时曲线特征比较一致，而再生粗、细骨料

ＲC组试件曲同时取代的试件，其性能退化最显著，ＲFC组试件，线与横轴包围的面积远小于ＲCC、说明

经历不同温度后，再生粗、细骨料同时取代的情况对混凝土性能影响最大，试件吸收能量的能力较弱。3.3

单轴受压应力-应变全曲线本构方程

将各单轴受压应力-应变曲线换算成横坐标x=

y=

{

ax+（3－2a）x2+（a－2）x3xb（x－1）

2

（0≤x≤1）（x≥1）

（1）

+x

式中：a值数值上为初始切线模量与峰值点割线模量

b值反映下降段曲线的比值，反映变形模量的变化，与应变轴包围的面积大小。

经过拟合分析，得出各类再生混凝土经历不同b值，高温后的参数a，发现不论随着再生骨料取代率的增加，或者随着经历温度的升高，均总体表现出参数a值逐渐减小，而参数b值逐渐增大的趋势，说明再生骨料的掺入与所受温度的升高均使混凝土吸收能量的能力减弱。经过数据统计回归分析，得到各类再生混凝土参数a和b与经历最高温度T的关系：

纵坐标y=σ/fc无量纲化后的标准曲线，ε/εc，发现高温后各类再生混凝土的标准应力-应变曲线与常温下普通混凝土的应力-应变曲线具有相似的几何特征，因此本文中采用过镇海压分段式本构方程，即

：

［9］

建议的混凝土单轴受

162

Fig．8

图8常温时不同再生骨料取代率混凝土的应力-应变曲线

Stress-straincurvesofdifferentreplacementratesrecycledconcreteat20

℃

Fig．9

图9800℃时不同再生骨料取代率混凝土的应力-应变曲线

Stress-straincurvesofdifferentreplacementratesrecycledconcreteat800℃

N组：ＲC50组：

2

{{

a=1.940.76T－20

800

[()b=2.88[－0.72(T－20)800[()b=3.85[－0.97(T－20)800

a=1.681.01

T－20

800

－20

[(T800)b=5.26[0.10(T－20)800a=1.260.27

22

－1.23T－20+1

800

2

)]+1.79(T－20)+1]800

（2）

(

{{

4

a=1.590.99T－20

800

[()

T－20

b=3.80[0.38(800)

2

2

2

()]

+0.58(T－20)+1]800

－1.26T－20+1

800

（7）

ＲCC50组：

－1.29T－20+1

800

2

ＲC100组：

)]T－20

+1.72(+1]800)

（3）

(

－20

[()－1.11(T800)+1]

T－20

b=4.65[－0.24(T－20)+0.92(+1]800800)a=1.690.71T－20

800

2

（8）

式（2）～（8）中温度T在20～800℃之间，参数a，b拟合后的相关系数均在0.96以上。

ＲCC100组：

{{{

2

()]

+0.60(T－20)+1]800

－0.47T－20+1

800

（4）

结论

ＲFC50组：

－20

[()－0.96(T800)+1]b=2.95[－0.24(T－20)+1.13(T－20)+1]800800a=1.630.62T－20

800

22

1）不同取代率下再生混凝土单轴受压破坏形态分为斜剪破坏与斜向劈裂破坏。斜剪破坏发生于常温以及经历最高温度400℃及以上的试件，斜向劈裂破坏发生于经历最高温度为100℃与200℃的试件。

2）相同温度下，再生粗、细骨料单独取代对混凝土性能影响比较类似，应力-应变曲线特征也较为一致。而再生粗、细骨料同时取代时混凝土性能退化最为显著，尤其是取代率为100%的情况。

3）再生混凝土的峰值应力、弹性模量小于普通混凝土，峰值应变大于普通混凝土，再生粗、细骨料同时取代时弹性模量最小。随着再生骨料取代率的

（5）

ＲFC100组：

－20

[()－0.67(T800)+1]

T－20

b=3.92[－0.12(+0.61(T－20)+1])800800a=1.270.45T－20

800

22

（6）

163

增大，单轴受压应力-应变曲线峰值应力减小，峰值应变增加，上升段曲线斜率减小。4）随着经历温度的升高，峰值应力与弹性模量减小，峰值应变与泊松比先减小后增大，经历温度较高时，再生骨料取代率大的混凝土受力性能退化更为显著。

5）采用三次多项式和有理分式表达再生混凝土

b值与温度的关系应力-应变曲线方程，根据参数a，建立了相应理论公式。

参

考

文

献

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第四届建筑结构基础理论与创新实践学术论坛

（征文通知）

、《建筑结构学报》“第四届建筑结构基础理论与创新实践学由中国建筑学会杂志社、大连理工大学主办的

、《建筑结构学报》术论坛”将于2016年5月在辽宁大连举行。本次论坛将邀请国内外土木工程界著名专家编委以及有成就的中青年学者进行学术交流。为使更多的学术研究成果和工程实践经验在论坛上得以交流与

推广，会议将广泛征集论文，并提交学术委员会评审，评审通过者发表在《建筑结构学报》正刊及增刊上（正刊和增刊均为EICompendex收录），现征文如下：征文主题：

建筑结构基础理论研究结构加固与改造技术

结构设计创新与实践新技术、新材料、新工艺研究与应用

结构防灾减灾工程与防护工程建筑结构信息化技术

建筑节能与可持续发展

征文要求：论文须为原创作品；论点鲜明、论据充分、数据详实可靠；文稿总体框架层次分明，文笔流畅，插图清晰。《建筑结构学报》“投稿须知”。具体要求可登陆网站（http：//jzjgxb．chinaasc．org），参考下载中心的收稿日期：2015年9月10日前投稿至邮箱：jzjgxblt4@126．com（不接收其他形式投稿）拟用通知：评审通过的论文，编辑部将于2015年10月30日前通过邮件告知作者。

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