再生混凝土力學特性試驗研究

摘 要：再生混凝土是指將廢棄混凝土經(jīng)過破碎、清洗、篩分、分級和按一定比例相互配合后制成再生混凝土骨料，用其部分或全部代替天然骨料配制的新混凝土。關(guān)于再生混凝土力學特性的研究并不多見。通過一系列的相關(guān)試驗，分析和研究了再生混凝土取代率對其靜力學性能的影響；在進行再生混凝土的全應(yīng)力-應(yīng)變試驗過程中同步測試了其超聲波傳播特征參數(shù)，研究再生混凝土聲波傳播特征參數(shù)隨再生混凝土軸向壓縮變形的變化規(guī)律。為了分析再生混凝土的循環(huán)動力損傷特征，進行了再生混凝土單軸豎向循環(huán)加載試驗，研究再生混凝土在循環(huán)動荷載作用下變形的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律，為工程應(yīng)用作參考。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；取代率；超聲波；循環(huán)加載；變形規(guī)律

中圖分類號：TB 501 文獻標識碼：A

1 前 言

近些年來隨著城市建設(shè)的發(fā)展，住房建設(shè)的加快，而新建工程施工和舊建筑物的維修、拆除過程中產(chǎn)生了大量的廢棄混凝土[1]。廢棄混凝上大多堆積于城市郊區(qū)公路、河流附近，既惡化了生態(tài)環(huán)境、占用了良田，又浪費了許多寶貴的建筑原材料，極大地影響了生態(tài)環(huán)境。為此，一些國家嘗試開發(fā)和利用再生混凝土。再生混凝土是指將廢棄混凝土經(jīng)過破碎、清洗、篩分、分級和按一定比例相互配合后制成再生混凝土骨料，用其部分或全部代替天然骨料配制的新混凝土。

利用垃圾廢料作為建筑材料，既可以減少垃圾的排放量、減輕環(huán)境污染，又可以節(jié)省建筑原材料的消耗，如果這種新型混凝土研制成功并在生產(chǎn)中應(yīng)用，將會對建筑行業(yè)帶來極大的影響，必會產(chǎn)生良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益[2]。再生混凝土是廢棄混凝土有效利用途徑之一，是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色混凝土[3]。

為了研究再生混凝土在靜荷載作用下的強度和變形特征，本次試驗共設(shè)計了6 類再生混凝土試樣，試驗在多功能數(shù)控液壓伺服試驗機上進行。試驗測試了再生混凝土單軸豎向壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究再生混凝土的承載力和變形特征。在進行再生混凝土試塊的單軸全應(yīng)力應(yīng)變試驗時，同步測試了再生混凝土的超聲波傳播參數(shù)，研究在外荷載作用下再生混凝土聲學傳播參數(shù)的變化特征；為了分析再生混凝土的循環(huán)動力損傷特征，進行了再生混凝土單軸豎向循環(huán)加載試驗，研究再生混凝土在循環(huán)動荷載作用下變形的發(fā)生及其發(fā)展規(guī)律。

2 再生混凝土靜力學性能研究

2.1 再生混凝土試驗材料及配合比

再生混凝土試驗所用的材料為：再生粗骨料：原強度為C30 的混凝土經(jīng)破碎和清洗后粒徑小于4 cm 骨料；天然粗骨料：粒徑小于4 cm 的天然碎石；水泥：礦渣水泥325#；細骨料：天然河砂，連續(xù)級配，細度模數(shù)為2.7；水：武漢市自來水。

混凝土的配合比往往直接地影響到混凝土的力學性能。為了保證再生混凝土澆注時的工作流動性和養(yǎng)護成型后的強度，此次再生混凝土試驗設(shè)計的配合比為水泥：水：細骨料：粗骨料=1：0.5：1.5：3.0，其中粗骨料由天然粗骨料和再生粗骨料組成。根據(jù)取代率的不同，將試樣分為6 種類型，如表1所列。

2.2 再生混凝土靜力學試驗

進行了6 種類型再生混凝土的單軸全應(yīng)力應(yīng)變試驗。通過對試驗曲線的分析，得出再生混凝土在加載過程中的應(yīng)力峰值、應(yīng)變峰值、彈性模量及變形模量，詳細結(jié)果如表2 所列。根據(jù)表2 繪出再生混凝土的應(yīng)力峰值隨取代率的變化曲線，如圖1 所示。

根據(jù)表2 和圖1 可以看出，隨著再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的應(yīng)力峰值在減小，即再生混凝土的極限承載力在減小。此次試驗中當取代率為0時，混凝土的應(yīng)力峰值為29.9 MPa，而當再生混凝土取代率為30 %時其應(yīng)力峰值為25.4 MPa，強度為全部由天然粗骨料配制成的天然混凝土強度的84.9 %。

根據(jù)表2 繪出再生混凝土彈性模量和取代率之間的關(guān)系曲線如圖2 所示。

由圖2 可以看出，隨著再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的彈性模量在減少。當再生混凝土的取代率超過20 %時，再生混凝土的彈性模量隨取代率的增加而減小的趨勢相對較快；當再生混凝土的取代率為30 %的時候，其彈性模量為天然混凝土的彈性模量的63.3 %。

根據(jù)表2 繪出再生混凝土變形模量和取代率之間的關(guān)系曲線如圖3 所示。可以看出，再生混凝土的變形模量隨著混凝土取代率的變化特征同彈性模量隨著混凝土取代率的變化特征基本相同，都是隨著再生混凝土取代率的增加而減少。當再生混凝土的取代率為30 %時，其變形模量為天然混凝土變形模量的59.7 %，不同的是當再生混凝土的取代率超過15 %的時候，再生混凝土的變形模量變化相對較大，這比彈性模量隨再生混凝土取代率突變的起始點偏低，這表明變形模量隨再生混凝土取代率變化的敏感性比彈性模量隨再生混凝土取代率變化的敏感性高。

3 再生混凝土壓縮試驗聲波特征分析

本次進行再生混凝土的單軸豎向壓縮全應(yīng)力應(yīng)變試驗時，同步測試了再生混凝土的聲學參數(shù)，分析了再生混凝土在外荷載作用下的聲學傳播參數(shù)的變化特征。再生混凝土試件C-15-50-1 單軸豎向壓縮試驗時超聲波傳播參數(shù)測試結(jié)果如表3 所列。

3.1 再生混凝土壓縮試驗聲波波速特征

根據(jù)表3 的結(jié)果繪出再生混凝土試件C-15-50-1超聲波傳播波速隨其軸向壓縮變形的變化曲線，如圖4 所示。由圖4 中的曲線可以看出，再生混凝土試件C-15-50-1 聲波傳播波速隨著混凝土的軸向壓縮變形先增大后減小，當再生混凝土試件的軸向壓縮變形達到2.01×10-3 的時候，再生混凝土的超聲波傳播波速最大；當軸向壓縮應(yīng)變達到6.03×10-3 的時候，再生混凝土的傳播波速為初始波速的90.2 %，對該曲線進行擬合，可得出再生混凝土試件C-15-50-1超聲波傳播波速隨軸向壓縮變形的曲線方程為

y= 24.937x2 + 75.545x + 5 065.8

式中： y 為超聲波傳播波速； x 為再生混凝土軸向壓縮應(yīng)變。該曲線擬合的相關(guān)系數(shù)R2 = 0.965，說明用二次曲線擬合再生混凝土聲波傳播波速隨軸向壓縮變形的變化是合適的。

3.2 再生混凝土壓縮試驗聲波波幅特征

根據(jù)表3 也可以繪出再生混凝土試件C-15-50-1超聲波傳播波幅隨其軸向壓縮變形的變化曲線，如圖5 所示。可以看出，再生混凝土試件C-15-50-1 在單軸豎向壓縮試驗過程中，超聲波在再生混凝土中傳播的波幅先增大后減小，這與波速在再生混凝土中的傳播規(guī)律相同。當再生混凝土的軸向應(yīng)變達到1.34×10-3 時，超聲波在再生混凝土中傳播的波幅最大，這是因為在對再生混凝土進行軸向壓縮的時候，再生混凝土原有的裂紋在加壓初期得到愈合，再生混凝土被壓密實，超聲波傳播時的阻抗變大，波速和波幅增大，但是隨著應(yīng)力的增大再生混凝土內(nèi)開始出現(xiàn)破壞裂紋，隨著破壞裂紋的增多，聲波傳播時候的阻抗變小，這樣超聲波傳播時候的波速和波幅也就會變小。

4 循環(huán)荷載作用下再生混凝的變形規(guī)律

在循環(huán)荷載作用下再生混凝土由于變形的發(fā)展而最終導致破壞，研究再生混凝土在循環(huán)荷載作用下變形的發(fā)生及發(fā)展規(guī)律是研究再生混凝土力學性能的重要部分。本次研究在多功能數(shù)控液壓伺服試驗機上進行了不同配合比的再生混凝土試塊單軸豎向循環(huán)加載試驗，試驗時測試了在單軸豎向應(yīng)力作用下再生混凝土的豎向變形。由于裂紋前方損傷過度區(qū)的存在，再加載過程一開始就是非彈性的[4]。

在每一次循環(huán)作用下再生混凝土的豎向變形都是一個動態(tài)的變化值，為了較好地研究循環(huán)荷載作用下再生混凝土變形規(guī)律，筆者選擇在每一次循環(huán)荷載作用下的殘余變形進行研究。再生混凝土試件C15-50-6 試驗結(jié)果見表4。根據(jù)表4 的結(jié)果，繪出再生混凝土在軸向循環(huán)荷載作用下變形演化曲線，如圖6 所示。在軸向循環(huán)荷載作用下再生混凝土的損傷變形發(fā)展可分為三個階段：

第一階段：再生混凝土的循環(huán)壓密變形階段?；炷羶?nèi)部常常含有大量微、細觀裂紋，這些微裂紋是材料原始存在的[5]，在初始階段隨著循環(huán)次數(shù)的增加，再生混凝土內(nèi)部原有的裂紋被壓實，再生混凝土的密實度越來越高。這一階段的變形曲線可以擬合為冪函數(shù)方程y = axb ，其中a 為反映在同樣的循環(huán)荷載應(yīng)力比的作用下再生混凝土的初始變形性能的參數(shù)；b 為反映在循環(huán)加載過程中不同類型的再生混凝土在相同的應(yīng)力比作用下的變形快慢參數(shù)。

第二階段：再生混凝土循環(huán)加載下變形線形增長階段。這一階段的變形發(fā)展可以用一階線性方程進行擬合，即Y=cx+d，其中c 反映這一階段循環(huán)荷載作用下變形速率的參數(shù)。

第三階段：再生混凝土循環(huán)加載下加速破壞階段。這一階段的變形發(fā)展可以用指數(shù)函數(shù)來表示，即Y=ee fx ，其中f 是反映再生混凝土變形加速發(fā)展快慢的參數(shù)。

5 結(jié) 論

通過對再生混凝土進行一系列試驗得出如下結(jié)論：

隨著再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的應(yīng)力峰值在減少，即再生混凝土的極限承載力在減少。

隨著再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的彈性模量減少。特別是當取代率超過20 %的時候，再生混凝土的彈性模量隨取代率增大而減小的變化趨勢相對較快。

再生混凝土的變形模量隨著混凝土取代率的變化特征同彈性模量隨混凝土取代率的變化特征基本相同，都是隨著再生混凝土取代率的增加而減少。但是變形模量隨混凝土取代率變化的起點比彈性模量相對較低，變形模量隨再生混凝土取代率變化的敏感性比彈性模量隨混凝土取代率變化的敏感性高。

再生混凝土聲波傳播波速隨著再生混凝土的軸向壓縮變形先增大后減小，再生混凝土超聲波傳播波速與再生混凝土的軸向壓縮變形關(guān)系符合二次曲線變化特征。

在再生混凝土軸向壓縮試驗過程中，超聲波在再生混凝土中傳播的波幅先增大后減小，與波速在再生混凝土中的傳播特征相同。

再生混凝土在軸向循環(huán)荷載的作用下，其變形發(fā)生和發(fā)展經(jīng)歷了3 個階段，分別為循環(huán)壓密階段、線形變形階段和加速破壞階段。

參 考 文 獻

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[3] 萬惠文, 水中和, 林宗壽, 等. 再生混凝土的環(huán)境評價[J].武漢理工大學學報, 2003, 25(4): 17－21.WAN Hui-wen, SHUI Zhong-he, LIN Zong-shou, et alEnvironmental assessment for regenerated concrete[J].Journal of Wuhan University of Technology, 2003,25(4): 17－21.

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