再生混凝土轴心抗压强度试验研究_陈宗平-混凝土
2011年第9期(总第263期)Number 9in 2011(Total No.263)
混
凝
Concrete
土
理论研究
THEORETICAL RESEARCH
doi :10.3969/j.issn.1002-3550.2011.09.002
再生混凝土轴心抗压强度试验研究
2
陈宗平1,,薛建阳3,余兴国2,柯晓军2
(1. 福州大学土木工程博士后流动站,福建福州350108;2. 广西大学土木建筑工程学院,广西南宁530004;
3. 西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055)
摘
要:利用服役50年后的废旧混凝土电杆作为再生粗骨料原料,配制了11种不同粗骨料替代率的再生混凝土,替代率从0~100%变
化,级差10%,一共33个棱柱体试块。在电液伺服试验机上加载试验,观察了其破坏过程和破坏形态,并获取了其荷载-位移全过程曲线。在试验基础上,对各种骨料替代率再生混凝土的荷载-位移全过程曲线进行分析,研究并提出了其本构方程。结果表明:再生骨料混凝土与天然骨料混凝土相比,随着骨料替代率的增加,再生混凝土棱柱体抗压强度略有提高,应力应变曲线具有相似的形状,在上升阶段,再生混凝土与天然混凝土的应力应变曲线变化不大,但在下降段再生混凝土更为陡峭。关键词:再生混凝土;骨料替代率,轴心抗压强度;应力-应变关系;本构方程中图分类号:TU528.01
文献标志码:A
文章编号:1002-3550(2011)09-0004-04
Experimental research on the axial compression strength of recycled coarse aggregate concrete
2
CHEN Zong-ping 1,,XUE Jian-yang 3,YU Xing-guo 2,KE Xiao-jun 2
(1. Civil Engineering Post-doctoral Research Station ,Fuzhou University ,Fuzhou 350108,China ;2. College of Civil Engineering and Architecture ,Guangxi University ,Nanning 530004,China ;3. School of Civil Engineering ,Xi'an University of Architecture and technology ,Xi'an 710055,China )
Abstract:
In order to study the mechanical behavior of recycled aggregate concrete (RAC ),33RAC prisms specimens (150mm ×150mm ×300mm )
were mixed ,which have 11kinds of different recycled coarse aggregates replacement percentage RAC specimens ,every kind has 3specimens.And the replacement percentages recycled coarse aggregate from 0to 100%,the increment is 10%.Therecycled coarse aggregates come from waste electric pole concrete (produced in 1958).The failure patterns and loading-displacement curve can be obtained using an electro-hydraulic servo test machine. Based on the experimental results ,the stress-strain relationship curve of different recycled coarse aggregates replacement percentage RAC specimens are analyzed ,and the stress-strain relation calculation formula is obtained.Research results show that with the recycled coarse aggregates replacement percentage increasing ,the axial compression strength of RAC have slightly enhancements ;and the shape of stress-strain relationship curve is similar between RAC and normal aggregate concrete (NAC ),little change in ascending phase ,but ,in descending ,RAC is more precipitous decline than NAC. Key w ords:equation
recycled aggregate concrete (RAC );replacement percentage ;axial compression strength ;stress-strain relationship ;constitutive
0引言
将废旧混凝土经破碎,然后部分或全部代替天然骨料形成的混凝土,称再生混凝土(recycled coarse aggregate concrete ,简。称RAC )再生混凝土具有节约资源、保护环境等优点,符合可持续发展战略。对再生混凝土的研究和利用已经成为国内外的研究热点问题[1-6]。近年来,各国学者对再生混凝土的各种力学性能进行了的研究,并取得了一些重要成果,但针对再生粗骨料来源于服役期满(达到设计使用年限)的废旧混凝土的再生混凝土力学性能研究很少。众所周知,混凝土结构达到了设计使用年限后,结构的可靠性会降低,必然要拆除,将产生大量的废旧混凝土,如何对这些废旧混凝土进行科学处理和再次利用已经成为一个重要的研究课题。本研究以服役期满的废旧混凝土为再生粗骨料来源,进行再生混凝土的轴心受压试验研究,测试
收稿日期:2011-03-17
其应力-应变全过程曲线,分析不同骨料替代率对轴心抗压强度的影响,并研究确定其应力-应变本构方程,研究结果可为再生混凝土结构的进一步深入研究和推广应用提供参考和依据。
1试验概况
1.1试验材料
水泥采用海螺牌P ·O 32.5R 级水泥,砂采用普通天然黄砂,拌合水为自来水,天然粗骨料为连续级配的碎石,最大粒径为20mm 。再生粗骨料来源于南方电网1958年生产并且已经服役50年的废弃混凝土电杆,经破碎和筛分而成,该废弃混凝土电并且在破碎前对该批混凝土电杆进杆的原来设计强度为C30,
行回弹试验,废弃混凝土的实测强度为31MPa [7],再生粗骨料的最大粒径为20mm ,并且在试验前,对再生粗骨料和天然骨料采用同一筛网筛分,均为连续级配。
基金项目:国家自然科学基金(50908057);广西科学基金项目(桂科青0832004)
1.2试件设计
为了能较为精确地揭示再生粗骨料替代率对再生混凝土力学性能的影响,本试验设计了11种再生骨料替代率为0~100%的再生混凝土,中间级差10%。再生粗骨料的替代率是指再生混凝土的强度配制,粗骨料质量占全部粗骨料质量的百分比。
以替代率为0为基准,所有试件的水灰比为0.41,细骨料砂率为32%。各种不同骨料替代率的再生混凝土严格保持水泥、自来水、砂完全相同,粗骨料的总质量也一致,唯一改变的是粗骨。料的组成成分(即再生粗骨料增加时,天然粗骨料相应减少)再生混凝土的配合比见表1。每一种替代率的试件有3个尺寸为150mm ×150mm ×300mm 的棱柱体试块。
表1
试块编号水灰比RAC-0RAC-10RAC-20RAC-30RAC-40RAC-50RAC-60RAC-70RAC-80RAC-90
0.410.410.410.410.410.410.410.410.410.41
砂率[***********][***********][***********]4
[***********][**************]
混凝土的配合比
材料用量(/kg/m3)[***********][**************]
[***********][**************]
[***********][**************]
图2
试件的破坏形态图1
试件的加载装置
/%水泥自来水细骨料(砂)天然粗骨料再生粗骨料
力-应变曲线如图3所示。
σ=N Δl
,ε=A l
(1)
N ———试件的轴向压力;式中:
A ———再生混凝土试件的全截面面积;Δl ———试件受力过程中的压缩位移;l ———试件的总高度。
由图3可见:即使是试验材料和试验条件完全相同的3个混凝土试块之间,试验结果之间还是存在一定的离散性,但总体上能反映了试件的受力变化全过程。
根据各组试件的应力应变曲线可以得到各自的峰值应力和峰值应变,具体数值见表2。为了便于分析比较,每种替代率试件取3个试件的平均值。图4给出了不同骨料替代率再生混峰值应变的变化曲线。凝土峰值应力、
由图4可见:随着再生粗骨料替代率的增加,再生混凝土的轴心抗压强度与天然骨料混凝土相比,有略为增大之势,只有替代率为20%和50%的再生混凝土强度略低于天然骨料混凝土;试块达到峰值应力时对应的峰值应变呈现先减小后增大的变化规律,在替代率为10%和20%时再生混凝土的峰值应变略低于天然骨料混凝土。
RAC-1000.41
注:每组替代率试件有3个试块,所用试块在相同条件下制作、养
护和试验。
1.3试件的浇筑与养护
试件混凝土采用容量30L 的搅拌机搅拌。首先加入砂和水泥,搅拌均匀后,再加入粗骨料进行搅拌,最后加入水,搅拌3~5min 后,观测其坍落度,坍落度试验完毕后将混凝土拌合物注入钢模,采用振动台振捣密实并抹平,24h 后拆模,立即放入养护室养护,在标准条件下养护28d 后取出,自然晾干后进行试验。
1.4加载装置和试验方法
试验采用中国科学研究院武汉岩土研究所和SIMENS 公司联合研发的RMT-201岩石与混凝土力学试验压力机加载,加载装置如图1所示。为了获取试件受力过程中的荷载位移全过程利曲线,试验采用位移控制的加载制度,加载速率为0.005mm/s。用该加载装置的采集系统,获取试件的荷载-位移全过程曲线。
2试验实测数据及分析
2.1试件的破坏过程
加载初期,试件无肉眼可见的裂缝,当荷载接近峰值点时,试件中部出现第一条或几条平行的纵向裂缝,荷载达到峰值点后,部分试件裂缝发展迅速,突然破坏并丧失承载力,此时试验机无法采集下降段的数据;部分试件裂缝发展相对缓慢,随着轴向位移的增大,裂缝逐渐增大,把试块劈裂成几小块,同时荷载也慢慢降低,从破坏过程和形态看,再生骨料混凝土与天然骨料混凝土相比并无明显差异。部分试件的破坏形态如图2所示。
2.3骨料替代率对再生混凝土的峰值应力和峰值应
变的影响分析
对不同骨料替代率的再生混凝土的峰值应力和峰值应变分别与天然骨料混凝土(再生骨料替代率为0,即RAC-0),表3给出了各种骨料替代率再生混凝土与天然骨料混凝土的峰值应力和峰值应变比值,图5给出了峰值应力和峰值应变比值与骨料替代率之间的变化关系。
由图5可见:各种骨料替代率的再生混凝土的峰值应力与天然骨料混凝土相比变化不大,基本上在10%范围内波动;峰值应变的变化略大于峰值应力,波动范围也在20%之内。随着骨料替代率的增加,峰值应力和峰值应变比值,在替代率超过20%以后呈现近似平行的变化曲线,峰值应变比值的波动范围比峰值应力大。
2.2应力-应变曲线
由试验实测的荷载-位移曲线对应的数值,利用式(1)进行转化得到了试件受力过程中的应力-应变全过程曲线,试件的应
图3试件的应力-应变曲线
2.4无量纲再生混凝土的应力-应变全过程曲线
根据试验实测的应力应变曲线,在每一组试块中,抽取一个能够捕捉到下降段数据的曲线进行无量纲化分析,横坐标用ε/εc 表示(其中εc 为峰值应变),纵坐标用σ/σc 表示(其中σc 为。峰值应变)11组试块数据分别取RAC-0-2,RAC-10-2,RAC-20-2,RAC-30-2,RAC-40-2,RAC-50-1,RAC-60-3,RAC-70-2,RAC-RAC-90-1,RAC-100-2对应数值。无量纲应力-应变曲线80-3,
如图6所示。由图可见:不同骨料替代率再生混凝土在峰值应力以前的上升段变化不大,各曲线基本重合,但在峰值以后的下降段,曲线的离散性较大,并且随着骨料替代率的增加,呈现越来越陡峭的趋势。与天然骨料混凝土(RAC-0)相比,再生混凝弹塑性、峰值点、下降、下土的变化过程相似,均经历了从弹性、降段拐点到残余段的发展历程,在峰值点后的下降段,再生混
凝土明显比天然混凝土陡峭。
2.5再生混凝土的应力-应变本构方程
根据图6所示的无量纲化应力-应变曲线,可看出再生混凝可采用土应力-应变全曲线与普通混凝土在整体形状上的相似,普通混凝土单轴受压本构方程的形式进行拟合。
y =
≥
≥≥≥≥≥≥≥
ax +(3-2a )x 2+(a -2)x 30≤x
2
b (x -1)+x
x ≥1
(2)
式中:a ,b ———控制上升段和下降段的方程参数。
利用式(2)分别采用不同参数进行拟合,拟合结果如图7所示。由图可见,当上升段控制参数a =1.4时,上升段拟合曲线下降段拟和试验曲线基本重合;当下降段控制参数b =5~10时,合曲线和试验曲线基本接近,并且当b =10时,拟合曲线与试验
表2
试件编号RAC-0RAC-10RAC-20RAC-30RAC-40RAC-50RAC-60RAC-70RAC-80RAC-90RAC-100
41.88RAC-10-139.20RAC-20-139.64RAC-30-139.56RAC-40-142.62RAC-50-134.44RAC-60-143.08RAC-70-138.63RAC-80-143.33RAC-90-146.34RAC-100-141.49
峰值应力/MPa
RAC-0-1
RAC-0-237.73RAC-10-239.11RAC-20-235.97RAC-30-239.27RAC-40-240.65RAC-50-238.44RAC-60-239.68RAC-70-239.00RAC-80-242.06RAC-90-240.24RAC-100-244.87
试件的峰值应力和峰值应变
平均值
峰值应变/10-3
RAC-0-14.21RAC-10-13.41RAC-20-13.97RAC-30-13.81RAC-40-14.42RAC-50-13.81RAC-60-14.05RAC-70-13.75RAC-80-14.24RAC-90-14.51RAC-100-14.14
RAC-0-23.87RAC-10-23.16RAC-20-23.15RAC-30-23.92RAC-40-24.09RAC-50-24.17RAC-60-23.75RAC-70-24.51RAC-80-24.34RAC-90-24.52RAC-100-24.53
RAC-0-33.08RAC-10-34.00RAC-20-33.23RAC-30-33.88RAC-40-34.05RAC-50-33.67RAC-60-34.29RAC-70-33.72RAC-80-34.20RAC-90-34.17RAC-100-34.12
平均值3.723.523.453.874.183.884.033.994.264.404.26
RAC-0-338.39RAC-10-345.73RAC-20-338.47RAC-30-340.43RAC-40-342.92RAC-50-337.44RAC-60-341.14RAC-70-340.33RAC-80-337.81RAC-90-344.92RAC-100-338.52
39.3341.3538.0339.7542.0636.7741.3039.3241.0643.8341.63
图5
图4表3RAC-0RAC-10RAC-20RAC-30RAC-40RAC-50RAC-60RAC-70RAC-80RAC-90RAC-100
各种骨料替代率再生混凝土的峰值应力、
应变变化曲线再生混凝土与天然骨料混凝土的峰值应力、应变比值
39.3341.3538.0339.7542.0636.7741.3039.3241.0643.8341.63
1.001.050.971.011.070.931.051.001.041.111.06
3.723.523.453.874.183.884.033.994.264.404.26
1.000.950.931.041.121.041.081.071.151.181.15
再生混凝土与天然混凝土的峰值比与替代率的变化
骨料替代率峰值应力/MPa再生/天然峰值应变/10-3再生/天然
图6试件的无量纲化的应力-
应变曲线
峰值应力和峰值应变略有增加,峰值应力增加幅值在10%范围之内,峰值应变增加幅值在20%范围之内。
(2)再生混凝土的应力-应变曲线与天然混凝土相似,经历了从弹性、弹塑性、峰值点、下降、下降段拐点到残余段的发展历程,在荷载上升段,再生混凝土与天然混凝土基本重合,在峰值点后的下降段,再生混凝土比天然混凝土陡峭。
(3)本文给出的再生混凝土的应力-应变本构方程与试验实测结果符合较好,可供科学研究和工程应用提供参考。
·下转第11页
曲线的均值基本重合,故建议对再生混凝土可采用式(2)方程的表达形式,方程的控制参数取:a =1.4,b =10。
3结论
(1)再生骨料混凝土与天然骨料混凝土的破坏过程和形态相似,随着骨料替代率的增大,再生混凝土的轴心抗压强度的
图5
混凝土电通量随轴拉荷载水平的变化
(1)声发射事件与轴拉应力水平之间存在明显的对应关系,声发射事件的发展趋势反映了混凝土内部破坏的微观过程。
(2)轴拉荷载作用对混凝土内部孔隙率影响显著,随应力水平的增加,孔隙率明显增加,其变化规律与拉力作用下声发射所反映的微裂缝开展规律相协调。
(3)直流电量法快速评价结果表明,随着加载水平的增加,特别是当应力水平达到65%以混凝土抗氯离子侵蚀能力减弱。上时,电通量明显增大。
(4)孔隙率和电通量测试结果均表明,损伤混凝土经饱和Ca (OH )具有明显的自愈合特征。且损伤程度越2溶液再养护,严重,自愈合的效果越明显。
可见,在混凝土结构的设计和评估中,应合理考虑受拉荷载历史的影响,才能确保工程的安全性和耐久性。
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要研究方向:桥梁结构理论,混凝土结构耐久性。
联系地址:青岛理工大学土木工程学院(266033)联系电话:[1**********]
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图7拟合应力-应变曲线与试验曲线对比
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联系地址:广西南宁市大学路100号广西大学土木建筑工程学院
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