常温下再生混凝土三轴受力性能试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 3期 (总 第 3 0 5期) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 5( T o t a l No 3 0 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 5 0 3 0 1 3 常温 下再生混凝土三轴 受力性能试验研 究 苏益声 ，孟二从 。陈宗平 ， 陆鹏 ( 广西大学 a 土木建筑工程学院 b 广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘要 ： 为研究常温下再生混凝土在三轴受力下 的力学性能， 对 2 0个 6 1 o o mmX 2 0 0 m m 的再生混凝土圆柱体试件进行常规三 轴加载试验 ， 以此观察试件的破坏形态 ， 并对试件的峰值应力 、 峰值应变及本构方程进行分析 ， 根据试验结果 ， 拟合出了再生混凝 土试件在常规三轴下的峰值应力 、 峰值应变计算公式及本构方程。 这些结论将为再生混凝土的进一步理论研究及推广应用提供 理论依 据 。 关键词： 再生混凝土； 常规三轴 ； 受力性能 ； 本构方程 中图分类号： T U 5 2 8 O 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 4 6 0 4 Tr l a x i a l me c h a n i c a l p e r f or ma n c e e x p e r i me n t a l s t u d y o f r e c y c l e d c o n c r e t e u n d e r n o r ma l t e m p e r a t u r e c on dit i o n SU Yi s he n g ， M ENG Er c o n g ， CHEN Zo n g p i n g。 ， L【 ，Pc n g ( a S c h o o l o f C i v i l a n d Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g； b K e y La b o r a t o r y o f Di s a s t e r P r e v e n ti o n a n d S t r u c t u r a l S a lt y o f Gu a n g x i ， Gu ang x i Un i v e r s i t y， Na n n i n g 5 3 0 0 0 4， C h i n a ) Ab st r a ct ： ： I n o r d e r t o s t u d y t h e me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f r e c y c l e d c o n c r e te u n d e r t r i a x i a l s t r e s s a n d n o r ma l t e mpe r a t u r e c o n d i tio n， 2 0 c y l i n d r i c a l s pe c i me ns o f r e c y c l e d c o n c r e t ewi t ht h e s i z e o f1 0 0 1T I IT I 2 00 n m ha d b e e nma d et o c o n v e n t i o nal t r i a x i al l oa dtes t Th e nto s e e the f a i l u r e f o rm o f s p e c i me n s， a n d a n aly s e t h e p e a k s t r e s s， p e ak s t r a i n a n d c o n s timtiv e e q u a tio n Ac c o r d i n g t o e x p e rime n t al r e s u l t s， the p e ak s tre s s ， p e a k s tra i n c a l c u l a ti n g f o r mu l a a n d c o ns ti t u tiv e e q u a ti o n o f r e c y c l e d c o n c r e t e u n d e r c o nv e n tio n a l t r i a x i al s t r e s s we r e fit t e d o u t Th e s e c o nc l u s i o n s wi l l p r o v i d e t h e o r e tic a l b a s i s for t h e f u r t h e r s t ua y a nd a p pl i c a t i o n o f r e c y c l e d c o n c r e t e Ke y wor ds： r e c y c l e d c o n c r e te； c o n v e n ti o n a l t r i a x i a l ； me c ha n i c a l p r o p e r t i e s ； c o n s t i t u ti ve e q u i o n 据相关统计 ， 我国城市每年产 出的建筑垃圾 占到城 市垃圾总量 的 4 0 。 大量 的建筑 垃圾不但 污染 了周 围的 环境 ， 也给人们 的 日常交 通生活带来 了出行上 的 困难 ； 另 一 方面 ， 因建筑业 的蓬 勃发展 ， 大量 的采石 淘砂 ， 使 得原 有 的山体 、 河床遭 到破坏 ， 严 重影 响 了原有 的 自然水文环 境 ， 如何有效解决上述问题成为国内外工程界 的一个热点 问题 一 。 近年来 ， 再生混凝 土结构因能循环 利用建筑 垃圾 ， 有 效地解决建筑垃圾堆放 占地和环境污染等 问题而 引起 工 程界 的关注 。 所谓再生混凝土是指利用废弃混凝土破碎加 工而成 的再生集料 ， 部分或全部代替天然集料而成 的新混 凝土。 目前国内外已有不少学者对再生混凝土单轴应力下 的力学 性 能进 行 了相 关 的研 究 ， 而 实 际 工程 中， 混 凝土常处于三向受压状态 ( 如 螺旋 箍筋 中的混凝土 ， 钢管 混凝土等) ， 因此 ， 要想真正把再 生混凝 土推广应用于实际 工程 当中 ， 对于再生混凝土三向受压下 的力学性能进行研 究是极其有必要的。 本研究设计完成 了 2 0个 b 1 0 0 1 1 1 1 1 2 0 0 mm再生混凝土圆柱体试件在常温下的常规三轴加载 试验 ， 对其三轴受力性能及本构方程进行 了相关的分析研 究 ， 为再生混凝土的进一步理论研究及推广应用提供参考。 1 试验概 况 1 1 试件设计与制作 试验共设计了 2 0个 b l O 0 1 1 1 1 x 2 0 0 m i l l 的圆柱体试 件 ， 试件混凝 土设计 强度 为 C 3 0 ， 试件 编号 为 R C i J ， 其 中 表示取 代率 ( 0 、 3 0 、 7 0 、 1 0 0 ) ， - 表示 侧 向 围压值 ( 0 、 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 MP a ) 。 混凝 土配合 比如 下表 1所示 ， 其 中拌 和水为 自来 水 ， 砂 为 普通 天 然黄 砂 ， 水泥 为 海螺 牌 3 2 5 R 级水 泥 ， 天 然骨料 为连续级 配卵石 ， 其 堆积密 度为 1 5 2 3 k g m ，再生骨料为某小学教学楼混凝土经破碎、 筛分 后得到的连续级配再生卵石 ， 其堆积密度为 1 3 4 7 k g m3 ， 天 然骨料与再生骨料 的粒径均为 5 2 0 m r l l ， 试件浇筑完毕后 放进标准养护室进行养护， 养护2 8 d后准备进行常规三轴 加载试验。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 8 1 9 基金项 目： 高等学校博士学科点专项科研基金联合资助项 目( 2 0 1 3 4 5 0 1 1 1 0 0 0 1 ) ； 广西理工科学试验中心重点项目( L G Z X 2 0 1 1 0 2 ) ； 广西防灾减灾与 工程 安全重点 实验室项 目( 2 0 1 2 2 D X 0 2 ) 46 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 O- 1 ：1+5 3 7 ( 1 ) ， l， 式 中： ： 取代率为 i 的试 件在侧 向围压值 为 时 的 峰值应力 ； ， 取代率为 i 的试件在单轴应力下的峰值应力。 2 2 峰值应变影响因素分析 2 2 1 取代率的影 响 图 5为不 同取代率试件在不 同侧 向 围压下 的峰值应 变变化情况 ， 图中 8 表示取代率为 i 试件 的峰值应变 ， 。 表示普通混凝土试件的峰值应变。 由图可知， 取代率对再 生混凝土试件峰值应变的影响比其对峰值应力的影响要 大； 当侧向围压值 1 0 MP a时， 不同取代率试件峰值 应变 的变化幅度在 3 0 以 内， 随着侧 向围压的逐渐增加 ， 取代率对试件峰值应变的影响逐渐减小， 当侧向围压值 1 3 ： 1 5 MP a 后 ， 不 同取代 率试 件峰值应 变的变化 幅度 在 1 0 以内； 这主要是因为侧 向围压限制了试件的侧向变形 ， 从而使得不 同取代率 试件 峰值应 变 的差异逐 渐减小 ； 由 其平均值可以看出， 在常温下， 3 0 取代率试件的峰值应 变较小 ， 这一现象刚好 与峰 值应 力随取代 率 的变化情 况 相反。 1 5 O 1 25 、 1 O 0 0 7 5 O 5 O 取代率i 图5不同取代率试件的峰值应变 48 2 2 2 侧向围压的影响 图 6为不同侧 向围压下试件的峰值应变变化情况。 由 图可知： 随着侧向围压值的增加， 试件的峰值应变呈现线 性上升趋势， 将试验数据进行拟合， 可得到计算式( 2 ) ： ： 1+ 6 2 0 了 2 ( 2) 8 c J e 式中： 取代率为 i 的试件在侧向围压值为19 时的峰 值应变 ； 8 取代率为 i 的试件在单轴应力下的峰值应变。 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 图 6侧 向围压值 与峰 值应 变 的关 系 3 应 力 一应 变曲线及本构方程 将试验机 自动采集 的各试件 受力全过程轴 向荷载 一 位移数值进行相应 的转换 ， 可以得到试件的应力 一应变全 过程 曲线。 图7给 出了试件在不 同围压情况下的应力 一应 变曲线 。 由图可以看出 ： 在单轴应力下 ， 曲线有 明显 的峰点 ， 随 着侧向围压值 的增加 ， 应力 一 应变 曲线逐渐变得平缓 和丰 满 ， 当围压值为 5 MP a 时 ， 还可见较 明显的峰点 ， 当围压值 为 1 0 MP a 时， 峰点已不是很 明显 ， 当围压值 1 5 MP a 后 ， 试件的峰部近乎同一平台， 峰部已很不明显 ， 说明侧向围 压值能够有效 的约束试件 的横向变形及裂缝发展 。 图7试件的应力 一 应变曲线 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 将 图 7的应 力 一 应 变 曲线进行 无量 纲化 ， 纵坐标 用 o o - 表示 ( 表 示 峰值 应 力 ) ， 横 坐标 用 店。 表 示 ( 表示峰值应 变 ) ， 无 量 纲化 后 的应 力 一应变 曲线 如 图 8 所示。 图8无量纲化后的应力 一应变曲线 由图可 以看出 ， 再生混凝土 的应力 一应变曲线与普通 混凝土在整体上相似 ， 并且 随着 围压值 的增 加 ， 曲线下 降 段逐渐趋于一致 ， 因此可采用普通混凝土本构方程形 式对 再生混凝土进行拟合 ， 即 ： r Y= a x+( 3 2 a ) X +( a一 2 ) X ( 1 ) i )， = ( ) 式中 ： a 、 上升和下降段的拟合参数 。 4结论 拟合曲线 RC05 RC 3 05 -RC7 0 5 RC l 00 5 RCl 0 一 l O RC3 O 一 1 O RC7O一1 O RCl O O l O 拟合结果见表 3 ， 拟合 曲线与试验曲线如图 9所示。 表 3拟合结果 1 0 O 8 0 6 b O 4 0 2 0 5 1 0 1 5 2 0 0 8 l ( b ) 5 MP a 与1 0 MP a 图9拟合曲线与试验曲线 ( 1 ) 没有侧向围压 时， 再生混凝 土试 件的破坏形 态表 现为纵 向劈裂破坏 ； 当有侧 向围压时 ， 试件 的破坏形态 分 为斜面剪切破坏与层状劈裂破坏。 ( 2 ) 取代率对再生混凝土试件峰值应变的影响 比其对 峰值应力的影响要大 ； 随着 侧向围压值 的增加 ， 取代率对 峰值应力及峰值应变的影 响均逐渐减小 。 ( 3 ) 随着侧 向围压值 的增加 ， 试件 的峰值 应力及峰值 0 5 1 0 1 5 0 8 B ( c ) 1 5 MP a 0 5 1 0 1 5 8 8 ( d ) 2 0 MP a 应变均呈现出线性 上升 的趋势 ， 基于试验数据 ， 拟合 出了 再生混凝土试件峰值应力及峰值应变的计算式 。 ( 4 ) 侧向围压值对试件的应力 一 应变曲线影响较大 ， 随 着侧向围压值的增加， 应力 一 应变曲线逐渐变得平缓和丰满； 侧向围压值能够有效地约束试件的横向变形及裂缝发展。 ( 5 ) 再 生混凝土的本构方程可采用普通混凝土本构方 程的形式进行拟合 ， 基 于试 验数据 ， 给 出了再 生混凝土试 件在常规三轴下的应力 一 应变本构方程 。 下转第 5 3页 4 9 O 8 6 4 2 0 O O O 0 一 b、b 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 有较高的初始半电位值(一 4 2 6 m V) ， 说明其在冻融损 伤环境下已经处于严重锈蚀危险 ， 这是 由于在严重冻融损 伤下， 水中氯离子迅速侵入试件内部造成钢筋锈蚀； 表面 防水试件最高半电池 电位值位于 1 2 6 2 7 6 mV， 查表 2 可知为中锈蚀危险 ， 分析其 原因有 ， 在较高冻 融循环次数 下 ， 混凝土 内部孔 隙增多 ， 增加 了氯离子侵入试件 内部 的 几率 ， 但对 比普通试 件数据 可知 ， 表 面防水试件仍 能较好 保护混凝土内部钢筋 、 降低钢筋锈蚀风险。 综上所述 ， 在相 同侵蚀环境下 ， 对试件进行表面防水处 理可以有效提高试 件内钢筋锈蚀危险 ， 这是 因为表面防水处理后憎水膜 的存 在 ， 降低 了水分及氯 离子侵入试件 内部的速率 和含 量 ， 从 而降低 了内部钢筋的锈蚀风险。 为验证 电化学测定方法 的准确性 ， 对达到 2 0 0 d氯离 子侵蚀的普通试件 和表面防水试件进行劈裂试验 ， 混凝土 内部钢筋实 际锈蚀情况如图 8 、 9所示 ， 可知实际钢筋锈蚀 情况与电化学法测定 出的钢筋锈蚀结果相一致 ， 说 明用电 化学法测定钢筋锈蚀情况具有较高的准确性 ， 可以较好反 映 出混凝土 内部钢筋锈蚀情况 。 3 结 论 ( 1 ) 对带钢筋混凝土试件进行硅烷表面防水处理后形 成憎水薄膜 ， 可以有效 的抵抗水 分及氯离子 的侵入 ， 提高 试件 的抗渗透性 。 在不同冻融损伤下 ， 试件抗渗 透性能均 随着冻融循环 次数增 加而增 加 ， 但在 相 同冻融 损伤 程度 下 ， 表面防水试件 仍较普通试件有 较好 的抗渗透 性能 ， 侵 入到试件内部 的水分和氯离子含量大幅度 降低。 但在严重 的冻融损伤环境下 ， 表面防水试件抗 渗透性能劣 化明显 ， 毛细 吸收总量和毛细吸收系数均有大幅度提高。 ( 2 ) 利用半电池电位法测定试件内部钢筋锈蚀情况， 半 电池电位值随着冻融循 环次数 和侵蚀 龄期 的增加 而增 加 ， 提高了钢筋锈蚀危 险 ， 尤其受严重冻 融损伤的普通试 件 ， 在较短时间内试件 内钢筋便达到高锈蚀 危险。 在相同 侵蚀环境下 ， 对试件进行表面防水处理可 以有效降低半 电 池电位值 ， 降低钢筋锈蚀危险。 上接第 4 9页 参考文献： 1 赵军 ， 刘秋霞， 林立清 ， 等 大城市建筑垃圾产生特征 演变及比 较 J 中南大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 3 ， 4 4 ( 3 ) ： 1 2 9 71 3 0 4 2 肖建庄， 李1 圭 彬， 兰阳 再生混凝土技术最新研究进展与评述 J 混凝土 ， 2 0 0 3 ( 1 0 ) ： 1 7 2 0 3 K I Y O S H I E， K O H J I T ， A K I R A N， e t a1 A p p l i c a t i o n o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e b y m i x t u r e t o c o n c r e m c o n s tr u c ti o n J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 7 ) ： 1 5 4 21 5 5 1 r 4 E T X E B E R R I A M， V A Z Q U E Z E， M A R f A， e t a1 I n fl u e n c e o f a m o u n t o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e s a nd p r o d uc tio n p r o c e s s o n p r 0 p e r t i e s o f r e c y c l e d a g gre g a t e c o n c r e t e J C e me n t and C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 5 ) ： 7 3 5 7 4 2 5 P O O N C S ， S H U I Z H， L A M L ， e t a 1 I n fl u e n c e o f m o i s t u r e s t a t e s o f n a t u r a l an d r e c y c l e d a g g r e g a t e s o n t h e s l u mp a n d c o mpr e s s i v e s e n g t h o f c o n c r e J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 1 ) ： 3 1 3 6 ( 3 ) 对达到 2 0 0 d氯 离子侵 蚀试 件进行 实 际劈裂试 验。 内部钢筋锈蚀情况与利用 电化学法测出钢筋锈蚀危 险 一 直 ， 说明利用 电化学法可以准确测定试件内部钢筋锈蚀 情况。 通过钢筋实际锈蚀状况 的观察 ， 即使 在严重冻融损 伤下 ( 1 0 0次冻融循 环 ) ， 钢筋表 面仅 出现少量 锈迹 ， 而普 通试件钢筋锈蚀严重 。 参考文献： 1 马志鸣， 赵铁军 ， 王鹏刚， 等 海洋浪花飞溅区混凝土硫酸盐侵 蚀试验研究 J 混凝土与水泥制品， 2 0 1 3 ( 1 0 ) ： 5 8 2 沈德建 ， 吴胜兴 大气环境锈蚀钢筋混凝土梁力学性能试验研 究及分析 J 土木工程学报 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 7 5 8 2 3 Z H A N G P ， WI T T MA N N F H， V I L L MA N N B， e t a1 Mo i s t u re d i f f u s i o n i n a n d c a p i l l a r y s u c tio n o f i n t e gra l wa t e r r e p e l l e n t c e m e n t b a s e d ma t e ri a l s C P r o c e e d i n g s o f t h e fi f th H y d r o p h o b e Con f e r e nc e Br u s s e l s； Ae d i fic a t Pu b l i s h e r s， 2 0 0 8： 2 7 328 5 4 马志鸣， 赵铁军 ， 赵彦迪 ， 等 静水压力下混凝土中氯离子传输 特征试验研究 J 公路 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 1 6 7 1 7 1 5 滕海文， 贺志远， 赵卓 锈蚀钢筋与混凝土之间黏结强度的分 析模型 J 混凝土 ， 2 0 1 3 ( 7 ) ： 3 0 3 2 6 张鹏 ， 戴建国， 赵铁军 带裂缝混凝土的吸水性能及防水处理 的影B E J 建筑材料学报 ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 7 0 7 4 7 WI T T MA N N F H Pro t e c ti v e c o a t i n g s w i t h w a t e r r e p e l l e n t a g e n t s l- C Pro c e e d i n g s o f 2 n d I n t e rna ti o n a l C o n f e r e n c e o n Wa t e r Re p e l l e nt Tr e a t me n t o f Bu i l d i n g Ma t e ria l s Zu ric h：Ae d i fic a t i o Pu b l i s he r s， 1 9 98： 1 0 71 08 8 马志鸣 ， 赵铁军， 王鹏刚， 等 矿物掺合料对混凝土毛细吸收作 用影响的试验研究 J 混凝土， 2 0 1 4 ( 3 ) ： 8 7 8 9 91曹卫东， 刘树堂， 房建果， 等 硅烷偶联剂对橡胶沥青性能的影 D E J 建筑材料学报， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 4 9 7 5 0 0 作者简介 ： 联 系地址 ： 联系电话 ： 李昊翼( 1 9 8 8 一) ， 女 ， 硕士研究生。 济南市经四路小纬 四 2号 山东省建筑科学研究 院 ( 2 5 0 0 3 1 ) 1 5 1 6 6 0 4 6 7 7 5 I- 6 - 1 XI AO J i a n z h u ang ， uA J i a b i n， Z HANG C h i Me c h a n i c a l p r o p e r - t i e s 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 u n d e r u n i a x i al l o a d i n g J C e m e n t and C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 1 1 8 7 1 1 9 4 7 陈宗平， 徐金俊 ， 郑华海， 等 再生混凝土基本力学性能试验及 应力一 应变本构关系 J - I 建筑材料学报， 2 0 1 3 ， 1 6 ( 1 ) ： 2 4 3 2 8 陈宗平， 薛建阳 ， 等 再生混凝土轴心抗压强度试验研究 J 混 凝土 ， 2 0 1 1 ( 9 ) ： 4 1 1 9 肖建庄 ， 杜江涛 不同再生粗集料混凝土单轴受压应力 一 应变 全曲线 J 建筑材料学报 ， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 1 ) ： 1 1 1 1 1 5 1 0 过镇海， 时旭东 钢筋混凝土原理和分析 M 北京： 清华大学 出版社， 2 0 0 3 ： 2 0 1 0 3 作者简介 ： 联 系地 址 ： 联系电话 ： 苏益声( 1 9 5 6一 ) ， 男， 教授， 博导， 主要从事结构工程 研究。 广西南宁市广西大学土木建筑工程学院办公室( 5 3 0 0 0 4 ) 1 3 8 0 78 1 1 3 9 6 53 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m