不同再生粗骨料摻量碾壓再生混凝土楔入劈拉試驗(yàn)研究

趙 超

(許昌學(xué)院土木工程學(xué)院，許昌 461000)

不同再生粗骨料摻量碾壓再生混凝土楔入劈拉試驗(yàn)研究

趙 超*

(許昌學(xué)院土木工程學(xué)院，許昌 461000)

通過(guò)楔入劈拉試驗(yàn)，對(duì)碾壓再生混凝土不同再生粗骨料摻入量對(duì)其斷裂性能的影響進(jìn)行了分析和研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：碾軋斷裂能隨著再生粗骨料摻入量的增加出現(xiàn)波動(dòng)，再生粗骨料摻入量達(dá)到100%時(shí)，斷裂性能出現(xiàn)較大幅度的下降。再生粗骨料摻入量為50%時(shí)，碾壓再生混凝土的強(qiáng)度達(dá)到C30，且斷裂韌度明顯高于普通再生混凝土，因此，強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土設(shè)計(jì)配合比時(shí)可考慮再生粗骨料摻入量為50%。

再生粗骨料， 再生混凝土， 楔入劈拉試驗(yàn)， 斷裂性能

混凝土在現(xiàn)代工程中的應(yīng)用十分廣泛，隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高，以廢棄混凝土作為粗骨料的再生混凝土技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注?；炷潦菑?fù)合型的材料，其性能受到各組成部分性能的影響，破壞機(jī)理十分復(fù)雜，對(duì)于混凝土的斷裂和破壞也一直是領(lǐng)域內(nèi)研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一，而在再生混凝土中，由于作為再生粗骨料的廢棄混凝土來(lái)源復(fù)雜，原始性能差異較大，進(jìn)一步增加了其斷裂和破壞研究的難度[1-2]。碾壓混凝土是一種干硬性貧水泥的混凝土，具有可最大限度機(jī)械化施工、節(jié)約水泥、成本較低、可縮短工期，提高投資收益等多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)再生混凝土的斷裂性能已有較多研究[3-4]，但對(duì)碾壓再生混凝土的研究尚少，本文即通過(guò)楔入劈拉試驗(yàn)對(duì)碾壓再生混凝土的斷裂性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

本試驗(yàn)中再生粗骨料來(lái)自建筑拆除廢棄混凝土，混凝土原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C20，經(jīng)破碎機(jī)破碎、清洗、篩選、分級(jí)后形成粒徑20～40 mm的再生粗骨料；天然粗骨料采用碎石，由天然卵石經(jīng)破碎機(jī)破碎后制得；水泥采用42.5R普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料全部采用普通河砂，細(xì)度模數(shù)3.01，普通自來(lái)水拌合；Ⅱ級(jí)粉煤灰，按照GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[5]中標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)檢驗(yàn)。

1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)分五組進(jìn)行，以RRC (Rolling Recycled Concrete)表示碾壓再生混凝土，編號(hào)RRC-50、RRC—60、RRC-70、RRC-80、RRC-100分別表示再生粗骨料摻入量為50%、60%、70%、80%、100%；每組均設(shè)計(jì)普通再生混凝土作為對(duì)比，以NRC(Normal Recycled Concrete)表示普通再生混凝土，編號(hào)NRC-50、NRC-60、NRC-70、NRC-80、NRC-100分別表示再生粗骨料摻入量為50%、60%、70%、80%、100%。制作混凝土試件共40個(gè)，其中碾壓再生混凝土和普通再生混土各20個(gè)，每種混凝土包括4種再骨料摻入量，去除不合格試件或操作不當(dāng)而損壞的試件，保證每組完整測(cè)試3個(gè)試件。碾壓再生混凝土及普通再生混凝土配合比如表1所示。

表1 碾壓再生混凝土與普通再生混凝土配合比

Table 1 Mixture proportions of rolling recycled concrete and normal recycled concrete

本試驗(yàn)中所有混凝土試件均在許昌學(xué)院土木工程實(shí)驗(yàn)室制作完成，試件強(qiáng)度等級(jí)為C30。參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》[6]拌制再生混凝土，按設(shè)計(jì)用量取粗骨料后加入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌1 min，后加入原計(jì)劃用水量1/3的水?dāng)嚢? min，再投入水泥、粉煤灰攪拌30 s后加入剩余的水?dāng)嚢? min左右；試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm(見(jiàn)圖1)，所有試件均采用鋼試模澆筑成型，碾壓再生混凝土采用附著振動(dòng)器分兩次碾壓成型。采用3 mm鋼板在澆筑斷裂試件時(shí)預(yù)留刀口，在鋼板兩側(cè)涂黃油以方便成型試件取出。拌合物注入鋼模24 h后拆模、編號(hào)，放入濕度為90%、溫度20 ℃左右養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)90 d，取出試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)用混凝土試件

制作成型的混凝土試件實(shí)測(cè)軸心抗壓強(qiáng)度及彈性模量，碾壓再生混凝土再生粗骨料摻入量為50%、60%、70%、80%、100%的試件軸心抗壓強(qiáng)度分別為20.5 MPa、21.6 MPa、23.3 MPa、25.9 MPa、27.2 MPa，彈性模量分別為2.15×104MPa、2.23×104MPa、2.26×104MPa、2.25×104MPa、2.23×104MPa；普通再生混凝土再生粗骨料摻入量為50%、60%、70%、80%、100%的試件軸心抗壓強(qiáng)度分別為21.7 MPa、21.9 MPa、21.4 MPa、24.8 MPa、26.8 MPa，彈性模量分別為2.20×104MPa、2.14×104MPa、2.02×104MPa、2.15×104MPa、2.18×104MPa。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)加載裝置采用WDW4200微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，YD-15型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，測(cè)量范圍為0～50 kN的拉壓力荷載傳感器。按照楔入劈拉試驗(yàn)相關(guān)操作要求安裝好后，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)開(kāi)始加載，加載示意圖如圖2所示。加載速率是混凝土斷裂試驗(yàn)中十分重要的指標(biāo)之一，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，本試驗(yàn)利用微機(jī)控制加載速率，試驗(yàn)機(jī)加載面與傳感器即將接觸時(shí)啟動(dòng)與電腦連接的微機(jī)控制采集系統(tǒng)，將加載速率控制為0.333 mm/s，同時(shí)采集圖像，持續(xù)加載直至混凝土試件斷裂。具體試驗(yàn)步驟為：

測(cè)量試件實(shí)際尺寸及預(yù)制縫長(zhǎng)度→懸掛或固定傳力裝置→安裝試件，防止傳力板→在凹槽中間粘貼刀口→安裝引申儀→安裝傳力裝置并調(diào)整→啟動(dòng)采集系統(tǒng)預(yù)采集→啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，壓力傳感器與試件接觸前開(kāi)始采集，直至試件斷裂結(jié)束采集→停試驗(yàn)機(jī)，記錄試驗(yàn)現(xiàn)象。

圖2 加載示意

裂縫尖端張開(kāi)口位移(Crack Tip Opening Displacement，CTOD)和裂縫嘴張開(kāi)口位移(Crack Mouth Opening Displacement，CMOD)是混凝土試驗(yàn)中用于衡量裂縫張開(kāi)程度的主要指標(biāo)，采用夾式引伸儀測(cè)取CTOD和CMOD，加載試驗(yàn)完成獲得完整斷裂全曲線(xiàn)后，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，利用Excel表格繪制混凝土試件F-CMOD曲線(xiàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，碾壓再生混凝土與普通再生混凝土試件的斷裂破壞均是始于跨中預(yù)制縫界面上出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增大，預(yù)留縫口張開(kāi)位移與跨中截面處撓度逐漸增加，裂縫垂直向混凝土應(yīng)變也隨之增大，隨著荷載進(jìn)一步加大，預(yù)留裂縫尖端亞臨界裂縫增加幅度逐漸趨于穩(wěn)定；繼續(xù)增加荷載至臨界破壞值，尖端亞臨界裂縫擴(kuò)展失去穩(wěn)定，試件上形成宏觀可見(jiàn)裂縫后，沿再生粗骨料與水泥漿粘結(jié)面迅速發(fā)展貫通，混凝土試件隨之破壞。斷裂破壞拉斷多為水泥漿體和再生粗骨料，再生骨料與水泥漿體間發(fā)生斷裂破壞較少。

2.2 斷裂參數(shù)計(jì)算

2.2.1 斷裂韌性

斷裂韌性是材料固有的特性，是指材料組織裂紋擴(kuò)展的能力，也是衡量材料韌性的定量指標(biāo)，為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的臨界值。在彈塑性條件下，不斷增加應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子至裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展材料斷裂時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子稱(chēng)為斷裂韌度[7]。楔入劈拉試驗(yàn)中試件的受力狀況與小型緊湊拉伸試件相似，參考2005年《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》(DUT5332-2005)[8]，按線(xiàn)彈性理學(xué)理論，本試驗(yàn)中混凝土的斷裂韌度KIC的計(jì)算公式如下：

(1)

式中,Fhmax為垂直荷載峰值與楔形加載架重力合力在水平方向產(chǎn)生的分力；h為試件的高度，m；t為試件厚度，m；a0為預(yù)制裂縫深度，m。

2.2.2 斷裂能

斷裂能是指材料受到外力作用，至物體斷裂時(shí)外力對(duì)每單位體積所做的功，本試驗(yàn)中斷裂能GF的計(jì)算公式如下：

(2)

式中,Ali韌帶斷面面積(m2);θ為縱軸與楔形加載架間的夾角;WVO為F-CMODmax全曲線(xiàn)面積,N·m。

2.2.3 裂縫張開(kāi)位移(COD)

裂縫張開(kāi)位移(COD)是描述裂紋體狀態(tài)的斷裂力學(xué)參量，是彈塑性體受到張開(kāi)型荷載時(shí)原始裂紋部位張開(kāi)的位移。COD理論認(rèn)為裂縫口位移達(dá)到臨界值時(shí)就會(huì)擴(kuò)展，其基本思想是將裂縫張開(kāi)口位移與臨界值等同作為斷裂的判斷依據(jù)，以裂縫受力后尖端張開(kāi)口位移(CTOD)作為判斷材料斷裂韌度的指標(biāo)，CTOD的計(jì)算公式如下：

(3)

式中，H為試件高度,m;a為裂縫高度。mm;z為刀口厚度,mm;r為旋轉(zhuǎn)因子，與COTD有關(guān)，取值時(shí)以下式確定：

r=0.0427+0.0939CTOD-0.00931CTOD2+0.00037CTOD3

(4)

2.2.4 試驗(yàn)部分全曲線(xiàn)

試驗(yàn)加載完成后，根據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制F-CMOD全曲線(xiàn)，部分試驗(yàn)曲線(xiàn)可見(jiàn)圖3。

根據(jù)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，利用上述公式進(jìn)行計(jì)算后，得出本試驗(yàn)中碾壓再生混凝土與普通再生混凝土的斷裂能、斷裂韌度、裂縫尖端張開(kāi)口位移、裂縫嘴張開(kāi)口位移等混凝土斷裂參數(shù)值可見(jiàn)表2。

混凝土是由水泥、砂子、石子、添加劑用水拌和后經(jīng)養(yǎng)護(hù)硬化的一種非勻質(zhì)建筑材料，其各種性能存在一定的離散性。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，碾壓再生混凝土再生粗骨料摻入量為50%時(shí)與摻入量為100%時(shí)CMOD相差2倍多，斷裂韌度相差近2倍；普通再生混凝土摻量為50%時(shí)與摻入量為100%時(shí)斷裂韌度相差也較大。

圖3 部分試驗(yàn)F-CNOD全曲線(xiàn)

表2 混凝土斷裂能、斷裂韌度、裂縫尖端張開(kāi)口位移、裂縫嘴張開(kāi)口位移

Table 2 Fracture toughness, fracture energy, crack tip opening displacement and crack mouth opening displacement

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 再生粗骨料摻入量與斷裂韌度關(guān)系

從表2中可知，隨著再生粗骨料摻入量的增加，碾壓再生混凝土的斷裂韌度呈下降趨勢(shì)，普通再生混凝土的斷裂韌度則隨著再生粗骨料摻入量的增加而逐漸上升；在本試驗(yàn)條件下，再生粗骨料摻入量為50%時(shí)，碾壓再生混凝土的強(qiáng)度達(dá)到C30，同時(shí)碾壓再生混凝土的斷裂韌度明顯高于普通再生混凝土。

2.3.2 再生粗骨料摻入量與斷裂能的關(guān)系

從表2中數(shù)據(jù)可知，碾壓再生混凝土的斷裂能隨著再生粗骨料摻入量的增加出現(xiàn)波動(dòng)，普通再生混凝土斷裂能則隨再生粗骨料摻入量的增加而呈上升趨勢(shì)。從試件實(shí)測(cè)軸心抗壓強(qiáng)度來(lái)看，碾壓再生混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度隨著再生粗骨料的增加呈上升趨勢(shì)，再生粗骨料摻入量為100%的碾壓再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度較再生粗骨料摻入量為50%的碾壓再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度高，碾壓再生混凝土的強(qiáng)度隨著再生粗骨料摻入量的增加未下降而有所提高，認(rèn)為這主要是由于兩種因素的影響：①本試驗(yàn)中配置碾壓再生混凝土所使用的再生粗骨料來(lái)源混凝土的強(qiáng)度與所配置的再生混凝土強(qiáng)度相差不大，因而摻入再生粗骨料對(duì)再生混凝土的基本力學(xué)性能影響不大；②漿體對(duì)再生粗骨料的“內(nèi)養(yǎng)護(hù)”效果，尤其是碾壓混凝土在碾壓過(guò)程中，碾壓作用可在一定程度上提高碾壓再生混凝凝土的軸心抗壓強(qiáng)度。但碾壓再生混凝土的斷裂能卻未隨著軸心抗壓強(qiáng)度的增加而增加，尤其其斷裂能在再生粗骨料摻入量達(dá)到100%時(shí)，即以再生粗骨料全部代替天然粗骨料時(shí)，斷裂能還出現(xiàn)較大幅度的下降。一般認(rèn)為碾壓效果對(duì)混凝土性能有著較大影響，效果較差時(shí)可導(dǎo)致混凝土內(nèi)部不密實(shí)或粗骨料出現(xiàn)新裂縫，降低混凝土的斷裂韌性和斷裂能，本試驗(yàn)中，碾壓再生混凝土中再生粗骨料摻入量為100%時(shí)，碾壓性能大幅度降低可能與此因素有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1) 隨著再生粗骨料摻入量的增加，碾壓再生混凝土的斷裂韌度呈下降趨勢(shì)，普通再生混凝土的斷裂韌度則隨著再生粗骨料摻入量的增加而逐漸上升。

(2) 碾壓再生混凝土的斷裂能隨著再生粗骨料摻入量的增加出現(xiàn)波動(dòng)，再生粗骨料摻入量達(dá)到100%時(shí)，斷裂能出現(xiàn)較大幅度的下降；普通再生混凝土斷裂能則隨再生粗骨料摻入量的增加而呈上升趨勢(shì)。

(3) 再生粗骨料摻入量為50%時(shí)，碾壓再生混凝土的強(qiáng)度達(dá)到C30，同時(shí)碾壓再生混凝土的斷裂韌度明顯高于普通再生混凝土，因此，強(qiáng)度等級(jí)為C30的混凝土設(shè)計(jì)配合比時(shí)可考慮再生粗骨料摻入量為50%。

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Experimental Study on Wedge Splitting of Roller-compacted Recycled Concrete with Different Mixing Amounts of Coarse Aggregate

ZHAO Chao*

(College of Civil Engineering, Xuchang University, Xuchang 461000, China)

The effect of adding different amounts of coarse aggregate to concrete on fracture performance was studied by wedge splitting test. The results show that: trolling fracture energy with recycled coarse aggregate incorporation increased volatility, recycled coarse aggregate amount 100% decreased fracture performance greatly. The incorporation of recycled coarse aggregate quantity is 50%, the fracture toughness of recycled concrete is higher than ordinary concrete, It is suggested the incorporation of recycled coarse aggregcteis 50% when the concrete strength grade is C30.

recycled coarse aggregate, recycled concrete, wedge splitting test, fracture properties

2014-03-25

*聯(lián)系作者，Email:1601124380@qq.com