再生混凝土抗拉性能试验研究.pdf

第 3 9卷第 4期 2 0 1 3年 8月 四川建筑科 学研 究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 2 63 再生混凝土抗拉性能试验研究 王周松 ( 浙江丽水正达建筑公司， 浙江 丽水3 2 3 0 0 0 ) 摘要： 为了综合评价再生混凝土的抗拉性能， 系统完成了 5种水灰比情况下再生混凝土的轴心抗拉性能和劈裂 抗拉强度试验， 研究了再生混凝土的抗拉性能 ， 分析了再生t 昆 凝土的轴心抗拉强度随着水灰比的变化规律， 考察了 普通t 昆 凝土轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度计算公式对再生 昆 凝土的适用性 ， 讨论了再生 昆凝土轴心抗拉强度和劈 裂抗拉强度的关系。试验结果表明， 再生混凝土的立方体抗压强度和轴心抗拉强度随着水灰比的增加而降低； 普 通混凝土轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度计算公式也适用于再生 昆 凝土； 再生混凝土轴拉强度和劈裂抗拉强度基本 相同。在对试验数据统计分析的基础上， 建立了再生混凝土峰值拉应变的计算公式， 并给出了再生混凝土应力一 裂 缝宽度的关系式。 关键 词 ： 再生混凝土 ； 轴 心抗拉性 能 ； 劈裂抗拉强度 中图分类号： T U 5 2 8 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 【 2 0 1 3 ) o 4 2 6 3一 o 5 Ex pe r i me n t a l s t u d y o n t e n s i l e b e h a v i o r o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e W ANG Z h o u s o n g ( Z h e j i a n g L i s h u i Z h e n g d a B u i l d i n g L t d ， L i s h u i 3 2 3 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o e v a l u a t e t h e t e n s i l e b e h a v i o r o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e ， t h e u n i a x i al t e n s i l e b e h a v i o r a n d t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e w i t h 5 d i f f e ren t wa t e r c e me n t r a t i o s w e r e e x p e r i me n t a l i n v e s t i g a t e d T h e v a ria t i o n s o f t h e u n i a x i al t e n s i l e s t r e n gth o f rec y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e w i t h t h e wa t e r c e me n t r a t i o w e r e s t u d i e d ； t h e s u i t a b i l i t y o f a p p l y i n g t h e c o r r e s p o n d i n g c o r r e l a t i o n s f o r t h e s t r e n g t h s o f n o r ma l c o n c r e t e t o r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e Wa S d i s c u s s e d T h e r e l a t i o n s h i p bet we e n u n i a x i al t e n s i l e s t r e n gth a n d s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n g t h f o r r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e w a s a n a l y z ed T h e t e s t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e u n i a x i al t e n s i l e s t r e n gth and t h e c u b e c o mp r e s s i v e s t r e n gth d e c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s e o f t h e w a t e r c e me n t r a t i o Th e e q u a t i o n s for t h e u n i a x i a l t e n s i l e s t r e n g t h a n d t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth of n o r ma l c o n c ret e C an be u s e d f o r rec y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e T h e u n i a x i al t e n s i l e s t r e n gth o f r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e d o e s n o t d i ff e r mu c h c o mp a r e t O t h e s p l i t t i n g t e n s i l e s t ren gth B a s ed o n t h e t e s t r e s u l t s ， e q u a t i o n s f o r t h e t e n s i l e p e a k s t r a i n and t h e s t r e s s c r a c k wi d t h o f rec y c l e d a g g r e g a t e c o n c ret e we r e d e v e l o p e d Ke y wo r d s ： r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c ret e ； u n i a x i al t e n s i l e be h a v i o r ； s p l i t t i n g t e n s i l e s t r e n gth U 刖 吾 废弃混凝土再生利用符合节约型社会建设和循 环经济的发展 ， 具有显著的社会 、 经济 和环境效益。 但是 ， 由于废弃混凝土破 碎加工得到的再 生骨料 与 天然骨料之间的性 能存在一定的差异 ， 导致再 生混 凝土的配合 比及力学性能 、 耐久性与普通混凝土不 同。直接按照普通混凝土的相关设计规程和方法对 再生混凝土结构进行设计显然是不合理的， 因此需 要对再生 昆 凝土展开系统研究 。近年来 ， 国内许 多 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 - 0 1 作者 简介 ： 王周松( 1 9 6 3一) ， 男 ， 高级工程 师 ， 主 要从事 建筑 结构设 计与施工管理方面的研究工作。 Ema l l ： l ij ia b i n 6 5 9 8 h o t ma i c o m 专家学者在这一领域展开 了大量的研究工作 ， 取得 了很多成果u 引， 并且 已经有将再生混凝土成功应用 于结构及路面的工程实例 J 。 但是从目前的研究现状来看， 已有的研究大多 集中于再生混凝土受压行 为如抗压强度 、 弹性模量 等的研究 。 。 ， 对再 生混凝 土的受拉性能的研 究则 相对薄弱。考虑到再生混凝土应用于实际工程的可 行性及前景， 需要对其抗拉和抗裂性能做出综合评 价 ， 因此系统展开再生混凝土的抗拉性能研究 ， 揭示 其变化规律， 具有重要 的现实意义。基于这一背景 ， 本文完成了再生 昆 凝土的轴心抗拉性能和劈裂抗拉 强度试验， 系统研究 了再生混凝土的抗拉性能， 分析 了再生混凝土 的轴心抗拉强度随着水灰 比的变化规 律， 考察了普通混凝土轴心抗拉强度和劈裂抗拉强 2 6 4 四川建筑科学研究 第 3 9卷 度计算公式对再生混凝土的适用性 ， 讨论了再生混 凝土轴心抗拉强度和劈裂抗拉强度的关系， 建立了 再生混凝土的峰值拉应变和应力一 裂缝宽度表达式 。 这些研究工作为再生混凝土的推广应用提供 了一些 基础数据 。 1 再 生混凝土的配合 比设计及工作 性能 1 1 原 材料 再生粗骨料来 自浙江省丽水市某废旧拆除混凝 土结 构 ， 该 混 凝 土 的 设 计 强 度 为 C 4 0 。水 泥 为 3 2 5 R海 螺牌普 通硅 酸盐水泥 ， 表观 密度 为 3 1 0 0 k g m 。砂为普通 黄砂 ， 细度模数为 2 7 5 。天然粗 骨料为碎石， 最大粒径为3 1 5 m m， 连续级配。拌和 水为普通 自来水。粗骨料 的基本性能见表 1 。 表 1 粗骨料的基本性能 Ta b l e 1 Ba s i c p r o p e r t i e s o f c o a r s e a g g r e g a t e 从表 1中可以看出， 与天然粗骨料相 比， 再生粗 骨料的堆积密度和表观密度分别降低 9 和 1 1 ， 但是吸水率显著增大， 同时压碎指标也所提高。上 述这些结果表明， 再生粗骨料孔隙率高、 强度低， 其 主要原因是由于其表 面附着有大量水泥砂浆。 1 2混凝土配合比设计 共考察 了 5种水 灰 比的情况 ， 即 0 3 5 、 0 3 9 、 0 4 3 、 0 4 7 、 0 5 1 。为了便 于分析 ， 另外设计 了普通 混凝土对比试验 ， 水灰 比与再生混凝土相 同。混凝 土共分 1 0组 ， 编号为 N C的是普通混凝土， 编号为 R C的为再生混凝 土。对于再生混凝土 的配合 比设 计 ， 目前 尚无 明确 的设计规程。一般认为， 由于再生 粗骨料 的吸水率较高 ， 应适当增加用水量进行补偿。 目前有两种考虑补偿水 的方法 ： 一种是预湿再生粗 骨料， 使其适量吸水， 达到饱和面干状态， 但是这种 方法比较难以控制； 另一种方法是根据再生粗骨料 的有效吸水率计算应该增加的用水量， 这部分水称 作附加水 ， 假设其不参加水泥的水化反应 ， 在搅拌混 凝土时这部分水和不考虑再生粗骨料吸水时的单位 用水量配合比设计时设计 的用水量( 表 2 ) 是一起加 入的。以往 的研究表 明 ， 后一种方法可 以取得 良好 的效果。因此本文 中采取该方法 ， 本文 中再 生 粗骨料的有效吸水率为 3 9 7 。配合 比详 见表 2 表中列出的水灰比是混凝土的有效水灰 比。 表 2 混凝土的配合 比 Tab l e 2 M i x pr o pe r t i o n s o f c o nc r e t e 1 3 试件的浇筑与养护 所有混凝土搅拌设备 为一容量 为5 O L的搅拌 机。投料顺序为首先加入黄砂和水泥 ， 再加人粗骨 料 ， 最后加入水， 搅拌 3 5 ra i n后测其坍落度 ， 试验 结果见表 2 ， 可 以看 出， 由于再生骨料进行 了预湿 水， 再生混凝土的工作性能与普通混凝土差别不大。 坍落度试验完毕后将混凝 土拌和物注入钢模 ， 2 4 h 后拆模 ， 在标准条件下 养护至 2 8 d后取 出进行 试 验。 2试验结果与分析 2 1 立方体抗压强度 立方体抗压强度是混凝土最重要的力学性能指 标 ， 本文中混凝土的立方体抗压强度试验按 照 G B T 5 0 0 8 l 2 O 0 2 普通混凝土力学性能试验方法 进 行 ， 试件为 1 5 0 m m1 5 0 i b m1 5 0 m l T l 。试验过程 中发现， 各再生混凝土的破坏过程和模式与普通混 凝土基本相同。开始加载后 ， 随着荷载的增加 ， 再生 混凝土试件 内应力随之增加。最初的裂缝沿垂直方 向出现在试件高度中央表层， 并斜向上端和下端发 展， 直至加载面再转 向角部 ， 形 成正倒相 连的八字 形， 最后形成两个对顶 的正倒相连的角锥 。从再生 混凝土的破坏形态看 ， 其破坏面上基本为再生粗骨 料与水泥浆问的界面破坏 ， 几乎未见再生粗骨料破 坏的情况 ， 表明与普通混凝土基本一致 。 图 1中给出了各组混凝土的 2 8 d立方体抗压 强度( f o ) 试验结果， 由图 1中可 以看出， 再生混凝 土的立方体抗压强度随着水灰 比的增大而降低 ， 这 与普通混凝土比较一致 。但是 ， 与水灰 比相同的普 通混凝土相比， 再生混凝土 的立方体抗压强度有所 王周松： 再生混凝土抗拉性能试验研究 2 6 5 降低 。但是降低 的程度随着水灰 比的不同而不 同： 当水灰比较高时， 再生混凝土的立方体抗压强度较 普通混凝土差别不大 ； 当水灰 比较小时 ， 再生混凝土 抗压强度降低程 度增 大。图 1中的试验结果表明 ， 当水灰 比为 0 3 5时， 再生混凝土 的抗压 强度降低 1 7 左右。再生混凝土抗压强度降低的原因有很 多， 一般认为主要原因是再生 昆 凝土的孔隙率较高， 同时再生骨料与新旧砂浆之 间的粘结较 为薄弱 ， 再 有再生粗骨料的本身强度较低。同时， 当水灰比 较低时， 水泥浆体 的强度较高 ， 再生混凝土的抗压强 度趋向于 由再生粗骨料的强 度决定 ， 因此导致再生 混凝土的抗压强度不能随水灰比的降低而有效增 加 。 图 1 混凝土的立方体抗压强度 F i g 1 C u b e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h， 删o f c o n c r e t e 2 2 轴心抗拉性能 混凝土轴心抗拉试件尺寸为 1 5 0 m m1 5 0 m m 4 5 0 m m棱柱体 ， 每组 3个试件。 目前的混凝土单 轴抗拉强度试验 中试 验机拉力传递方式 一般有三 种 ： 即外夹式 、 内埋式 和粘贴式 ， 每种方法各有优缺 点。经过对比分析， 本文采用粘贴式， 即在棱柱体试 件两端粘贴钢板后沿轴 心施加拉力 ， 一次加载直至 试件破坏。为了准确获得混凝土轴心受拉全过程曲 线和其他重要 的物理力学参数 ， 在试验 中采用了电 阻应变片和变形传感 器来i 见 4 量试件的纵向变形 ， 电 阻应 变 片标距 为 6 0 m m， 变形 传感 器标 距 为 4 5 0 r i m。为了在截面上得到明确而均匀的拉应力 ， 试件 未留有缺口。试验设备为L A x - W5 0 0 型微机控制电 液伺服刚性试验机 ， 最大荷载 为 2 0 0 0 k N。试验采 用等应变加 载 ， 加 载速度为 1 01 0 s ， 以保 证试 块在加载过程中受力 的连续性 和稳定性 。试验过程 中试块的轴 向拉力 和纵向变形均 由计算机 自动采 集 。 2 2 1轴 心抗拉 强度 混凝土的单轴抗拉强度按下式计算 ： = P ( 1 ) 其中 、 P和A分别为混凝土试件的单轴抗拉强度 ( MP a ) 、 破坏荷载( N) 和承压面积 ( m m )。 图 2给出了本文试验得到的再生混凝土单轴抗 拉强度试验结果。由图 2中可以看出 ， 再生混凝土 的轴心抗拉强度随着水灰 比的增大而减小 ， 而且其 较相同水灰 比的普通混凝土有所 降低 ， 降低程度也 随着水灰 比的减小 而增大 ， 当水灰 比为 0 3 5时， 再 生? 昆 凝土的轴心抗拉强度较普通混凝土降低 1 3 。 图 2 再生混凝土轴心抗拉强度 F i g 2 Ax i a l t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e 再生混凝土轴心抗拉强度与立方体抗压强度的 关系如图3所示。由图 3中可以看 出， 随着再生混 凝土立方体抗压强度的提高， 轴心抗拉强度逐渐增 加 ， 这与普通混凝土也基本一致。 皇 、 图3 混凝土 与 的关系 F i g 3 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n l t a n d l 对于普通混凝土和高强混凝土， 其轴心抗拉强 度 与立方体抗压强度 的统计关系为 ： = 0 3 9 ( 2 ) 2 6 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 ( 2 ) 式的计算结果也示于图中， 可 以看 出， ( 2 ) 式基本上也适用于再生混凝土。 2 2 2峰 值拉应 变 从轴心受拉全过程曲线中提取 出混凝土的峰值 拉应变值并示于图4中， 可以看出， 再生 昆 凝土的峰 值拉应变 随着混凝土抗拉强度的增加而增加， 这 与普通 昆 凝土一致 。 图4 混凝土 与 的关系 F i g 4 Re l a t i o n s h i p b e t w e e n a n d f t 对于普通混凝土和高强混凝土， 峰值拉应变 可按下式计算j ： ： 6 5 f 1 0 ( 3 ) ( 3 ) 式 的计算 结果也示 于图 4中， 可 以看 出， ( 3 ) 式用于再 生混凝土 比较保守 ， 经过对本文试验 数据的统计回归， 本 文建议再生混凝土的峰值拉应 变按下式计算 ： =7 o f 0 1 0 ( R= 0 9 6 ) ( 4 ) 由式( 3 ) 和式( 4 ) 可以看出， 再生混凝土的峰值 拉应变较相同抗拉强度 的普通混凝 土高 8 左右 ， 表明其抗裂能力较普通 昆 凝土增加， 这 主要是 由于 再生粗骨料的弹性模量较低 ， 导致其变形大。 2 2 3应力一 裂缝宽度软化曲线 由于 昆凝土受拉的应变局部 化问题 ， 在钢筋混 凝土结构非线性有限元分析中， 一般采用应力 一 裂缝宽度 W曲线表述其软化行为。对于普通混凝 土的应力一 裂缝宽度关系 ， 通 常采用双线性软化模 型 ： f f f + ( o W 1 ) = J ( 5 ) l = ( 一 72 ) ) ( 1 W 。 ) 。 1一 其中 、 W 。 分别为混凝土的抗拉强度( M P a ) 和极限 裂缝宽度 ( m m) 。对 于普通 混凝土 ， 叫 。 通常取 0 2 l ， ram, f , ， 。 对于再生混凝土， 经过对本文试验数据 的提取 分析 ， 发现再生混凝土的应力一 裂缝宽度关系也可采 用上述模型， 仅需对其中的特征参数进行修正， 对于 再生混凝土 埘 。 为 0 1 5 i n m， = 0 4 5 f , ， t J ： 0 3 w 。 图 5中给出了抗拉强度为 3 0 MP a时 ， 普通混凝土 和再生混凝土的应力一 裂缝宽度曲线。 图 5 混凝 土的 与 l 7 曲线 Fi g 5 盯一 W c u r ve o f c o nc r e t e 2 3劈裂抗拉强度 尽管轴心抗拉强度试验可以较为客观地评价混 凝土的受拉性能 ， 但是由于其试验情况复杂 ， 难度较 大。相比较而言， 劈裂抗拉试验在实际中则简单易 行 ， 因此 目前工程上通常用劈裂抗拉试验代替轴拉 试验 ， 根据混凝土的劈裂抗拉强度来推断其轴拉强 度。为了探讨再生混凝土劈裂抗拉强度与轴心抗拉 强度的关系， 本文还进行了再生混凝土劈裂抗拉强 度试验 ， 试件为 1 5 0 m m1 5 0 m m1 5 0 mm立方体， 试验按照 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 普通混凝土力学性能 试验方法 进行 。再生混凝土劈裂抗拉强度按下式 计算 ： ： ( 6 ) 其中 、 P和A分别为试件劈裂抗拉强度( M P a ) 、 破坏荷载 ( N) 和劈裂面积 ( mm ) 。 图 6中给出了本文得到的再生混凝土劈裂抗拉 强度试验结果 ， 可 以发现 ， 随着再生混凝土立方体抗 压强度的增加， 劈裂抗拉强度也随之增加。 普通混凝土和高强混凝土的劈裂抗拉强度 的计算公式为【 1 ： =0 1 9 f ( 7 ) 按照( 7 ) 式的计算得到的结果也示于图6中， 由图 6中可以看 出， 与试验结果吻合 良好 ， 这个结果 2 0 1 3 N o 4 王周松： 再生混凝土抗拉性能试验研究 2 6 7 皇 、 宴 图 6 再生混凝土 与 的关 系 F i g 6 Re l a t i o n s h i p b e t we e n 。 a nd f o r r e c yc l e d ag g r e g a t e c onc r e t e 表明， 普通混凝土劈裂抗拉强度计算公式也适用 于 再生混凝土。 由于轴心抗拉强度试验和劈裂抗拉强度试验采 用的试件形状 、 加载方式 、 应力状态及分布、 受力方 向等存在显著差异， 导致混凝土的轴心抗拉强度和 劈裂抗拉强度数值并不完全相同 。图7给出了 本文试验得到的再生混凝土轴心抗拉强度与劈裂抗 拉强度 比值。 皇 、 。 O 0 2 5 3 0 3 5 4 0 厶 MP a 图 7 再生混凝土 与 的关 系 F i g 7 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n f t a n d f t for r ec y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e 由图 7中可以看出， 在本文的研究条件下 ， 再生 混凝土的 柙比值基本上为 1 ， 因此可以认为再生 混凝土的劈裂抗拉强度与轴心抗拉强度基本相 同， 在实际中可以采用混凝土的劈裂抗拉强度来代替其 轴拉强度。 3 结论 本文系统完成了 5种水灰比再生混凝土的轴心 抗拉性能和劈裂抗拉强度试验， 研究了水灰比对再 生混凝土抗拉强度 的影响， 考察 了普通混凝土轴心 抗拉强度和劈裂抗拉强度计算公式对再生混凝土的 适用性， 讨论了再生混凝土轴心抗拉强度和劈裂抗 拉强度的关系。基 于试验数据 的统计 回归 ， 建立 了 再生混凝土峰值拉应变的计算公式， 并给出了再生 混凝土应力一 裂缝宽度的关系式。这些研究工作为 推动再生混凝土在实际工程中的应用具有一定 的实 用价值。 参 考 文 献 ： 1 肖建庄 再生混凝土 M】 j E 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 7 2 孙跃东， 周德源 我国再生混凝土的研究现状和需要解决的问 题 J 混凝土， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 2 5 - 2 8 3 邓寿昌， 张学兵， 罗迎社 废弃混凝土再生利用的现状分析与 研究展望 J 混凝土， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 2 0 - 2 4 4 施钟毅， 李阳 再生混凝土的试验研究与工程应用 J 粉煤 灰 ， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 3 - 4 5 肖建庄， 王军龙， 孙振平， 等 再生粗集料在水泥混凝土路面中 的应用研究 J 公路交通科技 ， 2 0 0 5， 2 2( 9 ) ： 5 2 - 5 5 6 邢振贤， 周日农 再生混凝土的基本性能研究 J 华北水利水 电学院学报 ， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 2 ) ： 3 O - 3 2 7 李佳彬， 肖建庄， 孙振平， 等 再生混凝土抗压强度研究 J 同 济大学学报， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 1 2 ) ： 1 5 5 8 1 5 6 1 8 盂茁超， 杜婷， 林怀立 ， 等 绿色高性能商品再生混凝土的开 发研究 J 新型建筑材料， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 4 6 9 李俊， 尹健， 周士琼 ， 等 基于正交试验的再生骨料混凝土 强度研究 j 土木工程学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 9 )： 4 3 46 1 O 李佳彬， 肖建庄， 孙振平 再生粗骨料基本特性及其对混凝土 性能的影响 J 建筑材料学报， 2 0 0 4 ， 7 ( 4 ) ： 3 9 0 - 3 9 5 1 1 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2混凝土结构 没计规程 s 1 2 江见鲸 钢筋混凝土结构非线性有限元分析 M 西安： 陕西 科学技术 出版社 。 1 9 9 4 1 3 过镇海 混凝土的强度和本构关系原理与应用 M 北 京 ： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 4