邊金明,安新正,羋 崢,馬曉楠,劉利偉
(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 邯鄲056038)
再生混凝土,因其具有節(jié)約天然資源,減少環(huán)境破壞的優(yōu)勢(shì),已得到了各國(guó)學(xué)者的青睞。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)老舊建筑物拆除產(chǎn)生的建筑垃圾中,廢棄磚約占40%,廢棄混凝土約占41%[1-2]。因此,對(duì)富含磚粒再生混凝土的相關(guān)研究已成為綠色建筑研究熱點(diǎn)話題之一。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,除了考慮再生混凝土力學(xué)性能外,阻尼性能也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。當(dāng)下,相關(guān)富含磚粒再生混凝土的研究主要集中在強(qiáng)度、工作性能和力學(xué)性能的探討,以及再生粗骨料取代率、粒徑等因素的影響[3-6],而探討砂率對(duì)其阻尼性能、抗壓及劈裂性能的影響研究較少?;谝陨戏治?,本文通過(guò)制作一系列不同砂率富含磚粒再生混凝土梁試件、抗壓及劈裂試件,研究富含磚粒再生混凝土的阻尼比、抗壓及劈裂強(qiáng)度與砂率間的相關(guān)關(guān)系,可為再生混凝土工程設(shè)計(jì)和動(dòng)力分析提供參考。
(1)水泥:采用太行山牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥;(2)細(xì)骨料:采用天然河砂,細(xì)度模數(shù)為1.6,含泥量為1.1%;(3)粗骨料:采用邯鄲市全有建材有限公司提供富含磚粒再生粗骨料;(4)粉煤灰:采用邯鄲馬頭電廠生產(chǎn)Ι級(jí)粉煤灰;(5)減水劑:采用高效聚羧酸液態(tài)減水劑,減水率25%,摻量為膠凝材料用量的1.5%;(6)水:邯鄲市政生活用水。配合比設(shè)計(jì)中的附加用水量按24 h吸水率計(jì)算,富含磚粒再生粗骨料基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。
表1 再生粗骨料基本性能指標(biāo)Tab.1 Basic performance index of recycled coarse aggregate
共設(shè)計(jì)6組試件(表2),每組3根,總共18根富含磚粒再生混凝土梁,試件尺寸為100 mm×100 mm×1 000 mm,再生混凝土配合比見(jiàn)表2。每組同批次澆筑邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試塊各6塊。養(yǎng)護(hù)條件均為薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)。砂率的取值分別為:25%、30%、35%、40%、45%、50%。
表2 再生混凝土配合比Tab.2 Mix proportion of recycled concrete
依據(jù)GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]進(jìn)行28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度測(cè)試。富含磚粒再生混凝土拉壓比按公式(1)計(jì)算。
(1)
式中:ft為立方體劈裂強(qiáng)度;fcu為立方體抗壓強(qiáng)度。
測(cè)試采用懸臂梁自由振動(dòng)衰減法,如圖1。測(cè)試儀器主要包括DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀、DH5682程控電荷放大器、加速度傳感器、力錘。測(cè)試程序:(1)梁試件固定于TYA-2000型數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)上,懸臂梁固定端嵌入長(zhǎng)度為160 mm,梁懸臂端長(zhǎng)度為840 mm;(2)在懸臂端上下墊兩塊150 mm×100 mm×5 mm鋼板作為緩沖,試驗(yàn)機(jī)緩慢下移加載,保證上下板加緊試件構(gòu)成懸臂梁;(3)加速度傳感器安裝于懸臂端上部中軸線三等分位置處;(4)試驗(yàn)開(kāi)始,利用力錘施加激勵(lì)。在時(shí)域上,通過(guò)加速度時(shí)程曲線(圖2),利用對(duì)數(shù)衰減法得到阻尼比ξ,按公式(2)計(jì)算[8]。經(jīng)FFT變換,將時(shí)域響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域上,記錄自振頻率f。
(2)
式中:Ai、Ai+n分別為懸臂梁自由振動(dòng)衰減第i、i+n周期的加速度峰值。
圖1 懸臂梁測(cè)試圖Fig.1 Cantilever beam test diagram
圖2 加速度時(shí)程曲線Fig.2 Acceleration history curve
富含磚粒再生混凝土基本性能試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。
依據(jù)測(cè)試結(jié)果,可得到砂率對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度及拉壓比影響曲線(圖3、圖4)。由圖3可知,再生混凝土28 d抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均隨著砂率增加而減小。當(dāng)砂率為25%時(shí),二者均達(dá)到最大強(qiáng)度值33.7、3.00 MPa。試件組SC50與試件組SC25相比,抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度分別下降了41.8%、27.3%。原因是:隨著砂率增大,富含磚粒再生混凝土拌和物中再生粗骨料比例相對(duì)減少,細(xì)骨料比例相對(duì)增加,而富含磚粒再生粗骨料是再生混凝土的骨架,砂率增大,骨架削弱,導(dǎo)致抗壓及劈裂強(qiáng)度降低。另外,破碎混凝土表面附著老舊砂漿,新舊砂漿結(jié)合及新砂漿與磚粒結(jié)合均易形成弱過(guò)渡界面。隨著砂率的增大,黏結(jié)表面積增大[9-10],引起弱過(guò)渡界面面積增大,同時(shí)富含磚粒再生粗骨料內(nèi)部又存在初始微損傷和缺陷,均導(dǎo)致再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度降低,承載力降低。
表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results
圖3 砂率對(duì)再生混凝土強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of SC on the strength of recycled concrete
圖4 再生混凝土拉壓比曲線Fig.4 Recycled concrete tension ratio curve
磚??紫堵蚀?,本身存在微裂紋,強(qiáng)度較低,宏觀破壞面存在大部分磚粒粗骨料自身斷裂[11]。隨著砂率的增大,同時(shí)富含磚粒粗骨料中磚粒含量較高,內(nèi)部受力分配不均勻,受荷應(yīng)力集中,導(dǎo)致富含磚粒再生混凝土強(qiáng)度均降低。
由圖4可知,富含磚粒再生混凝土拉壓比在0.089~0.111范圍內(nèi),基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。隨砂率增大,強(qiáng)度雖然降低,但拉壓比增大。說(shuō)明砂率的增大在一定程度上可以改善混凝土的脆性特征[4],提高富含磚粒再生混凝土的韌性。
依據(jù)測(cè)試結(jié)果,經(jīng)計(jì)算得到砂率對(duì)再生混凝土梁阻尼比ξ及固有頻率f影響規(guī)律(圖5、圖6)。由圖5與圖6可知,隨著砂率增大,ξ呈現(xiàn)出先增大而后減小的現(xiàn)象。當(dāng)砂率為40%時(shí),富含磚粒再生混凝土ξ達(dá)到最大值4.50%,f達(dá)到最小值43.9 Hz。當(dāng)砂率由25%增加至40%時(shí),ξ增大了48.0%,f減小了8.9%。其原因是:一方面,隨著砂率增大,粗細(xì)骨料用量及分布不合理,引入大量氣泡,骨料與砂漿結(jié)合時(shí),增大了混凝土的總孔隙體積,梁在振動(dòng)過(guò)程中,混凝土內(nèi)部孔隙相當(dāng)于柔性緩沖墊[12],增加耗能,ξ提高。另一方面,微觀結(jié)構(gòu)缺陷是引起材料內(nèi)部阻尼耗能的主要方面[13]。隨著砂率的增大,砂漿與再生粗骨料包裹表面積增大,薄弱界面過(guò)渡區(qū)相對(duì)面積增大,界面過(guò)渡區(qū)存在微裂縫和缺陷,振動(dòng)過(guò)程中,薄弱界面相對(duì)滑移變形,微裂縫的擴(kuò)展和延伸[14],及微裂縫間的摩擦和界面缺陷,均導(dǎo)致能量耗散增加,故ξ增大。而隨著砂率增大,砂漿與骨料接觸薄弱過(guò)渡區(qū)面積增大,振動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生微觀裂紋,降低混凝土剛度,導(dǎo)致了再生混凝土梁f降低。
圖5 再生混凝土梁一階阻尼比Fig.5 First damping ratio of recycled concrete beams
圖6 再生混凝土梁一階固有頻率Fig.6 First natural frequency of recycled concrete beams
1)砂率由25%增大到50%,富含磚粒再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì),而拉壓比則呈上升趨勢(shì)。砂率的增大對(duì)富含磚粒再生混凝土的韌性有利。
2)砂率由25%增大到40%,隨砂率的增加,阻尼比呈逐漸增大的趨勢(shì),而固有頻率呈減小的趨勢(shì);當(dāng)砂率超過(guò)40%之后,隨砂率的增加,阻尼比呈逐漸減小的趨勢(shì),而固有頻率則呈增大趨勢(shì)。
3)當(dāng)砂率在25%~40%范圍內(nèi)時(shí),砂率的變化對(duì)富含磚粒再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度的影響較小,而對(duì)阻尼比和固有頻率的影響較大。建議設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮。