再生混凝土圆环应力分布分析及变形性能的研究.pdf

文章 编 号：1 0 0 7 0 4 6 X ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 2 8 0 4 生态建材 再生混凝土圆环应力分布分析及变形性能的研究 S t u d y o f S t r e s s a n d De f o r ma t i o n P e r f o r ma n c e o f Re c y c l e d Co n c r e t e Ri n g 李政 ，左俊卿2 ( 1 南京金海设计工程有限公司，江苏 南京 2 1 0 0 0 0 ； 2 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 2 0 1 8 o 4 ) 摘要： 运用弹性力学原理分析计算了混凝土圆环应力分布并采用圆环试验方法监测 了掺有粉煤灰、矿粉再生混凝 土收缩变形趋势。试验结果表明，圆环试验能给混凝土提供完全且均匀的约束，能合理评价混凝土抵抗 自 收缩和干燥收缩综合作用变形能力。再生混凝土的收缩变形大于普通混凝土。粉煤灰、矿粉掺合料能降低 再 生混凝 土收 缩 变形趋 势。 关键 词 ： 再 生混凝 土 ； 圆环 ；应力 分析 ； 变形 中 图分 类 号 ：T U5 2 8 5 9 文 献 标 志码 ：A Ab s t r a c t ： S t r e s s d i s t r i b u t i o n o f c o n c r e t e r i n g wa s c a l c u l a t e d b y u s i n g t h e p r i n c i p l e o f e l a s t i c me c h a n i c s Ri n g t e s t wa s u s e d t o mo n i t o r t h e s h r i n k a g e d e f o r ma t i o n t r e n d s o f r e c y c l e d c o n c r e t e mi x e d wi t h f l y a s h a n d mi n e r a l p o wd e r Re s u l t s s h o w t h a t t h e r i n g t e s t wo u l d r e a s o n a b l y a s s e s s a u t o g e n o u s s h r i n k a g e a n d d r y i n g s h r i n k a g e d e f o r ma t i o n p r o p e r t y o f c o n c r e t e b y p r o v i d i n g c o n c r e t e a c o mp l e t e a n d u n i f o r m b o u n d T h e s h r i n k a g e d e f o r ma t i o n o f r e c y c l e d c o n c r e t e i S g r e a t e r t h a n t h a t o f o r d i n a r y c o n c r e t e F l y a s h a n d mi n e r a 1 p o wd e r c o u l d s i g n i f i c a n t l y r e d u c e t h e s h r i n k a g e d e f o r ma t i o n t r e n d s o f r e c y c l e d c o n c r e t e Ke y wo r d s ： r e c y c l e d c o n c r e t e ： r i n g ； s t r e s s a n a l y s i s ； d e f o r ma t i o n p e r f o r ma n c e O 前 言 随着建筑业的不断发展，废弃混凝土的处理量越来越 大。这不仅导致废弃混凝土处理费用逐渐增高，同时产生 许多社会环境问题。将工程当中废弃混凝土及砖石砌体进 行一系列的处理制备得到再生粗集料，并应用到再生混凝 土生产中成为当今世界众多国家和地区环境保护和可持续 发展战略追求的目标之一。再生集料孔隙率高、弹性模量 小、吸水性大、强度低，因此再生混凝土变形性能逐渐受 到人们的关注川 。混凝土由于自由收缩变形受到限制产生 拉应力，当拉应力超过混凝土极限抗拉强度，混凝土将开 裂【2 】。影响混凝土收缩的因素很多，如水泥品种、水灰比、 集料、 矿物掺合料、外加剂、养护条件等。其中矿物掺合 料是很重要的一个因素f 3 J 。本文采用圆环试验法测试再生 混凝土收缩变形性能 ，基于弹性力学原理分析计算了混 凝土圆环应力分布，并分析了粉煤灰、矿粉对再生混凝土 收缩变形影响机理。 2 8 CD 工 册 5 201 3 1 原材料与试验方法 1 1 试验原材料 试验所用粗集料是将废弃混凝土块经过破碎、清洗、 分级处理，再按一定比例混合形成不同粒度分布的粗集料。 废弃混凝土由于来源随机性和复杂性 ，故破碎前先进行人 工除杂。破碎机对废弃混凝土块粒径范围有一定要求，鄂 式破碎机可将较大的混凝土块破碎至 5 3 1 5 m m。再以 3 0 代替天然集料配制成再生混凝土。其他材料为： ( 1 )水泥：海螺P 0 4 2 5 普通硅酸盐水泥； ( 2 )细集料：天然砂，细度模数为 2 4 ； ( 3 ) 粗集料：连续级配碎石，粒径为：5 3 1 5 m m； ( 4 ) 水 ：自 来水； ( 5 ) 掺合料：磨细粉煤灰、矿粉，颗粒分布、化学成 分分别见表 1 、表 2 ； ( 6 )减水剂：高强高效泵送剂。 表 1 掺合料的颗粒分布 表 2 掺合料化学成分 S i O 2 A O 3 C a O Mg O S O 3 F e 2 0 3 M n O 烧失量 4 2 6 2 4l -2 l 3 9 7 0 5 5 0 1 3 4 2 7 0 0 6 3 7 5 3 5 5 O l 4 O 1 3 4 8 6 8 7 2 2 1 5 1 3 9 0 2 5 1 8 5 粉煤灰 矿粉 1 2 试验方法 再生混凝土变形收缩试验采用圆环试验测试方法。圆 环试验尺寸：内钢环内径为2 7 0 m m、外径 3 0 0 m m， 外钢环 内径为 3 8 0 m m、高为 1 5 0 m m，内外环均由钢材制作。底 面为4 2 0 m m 4 2 0 l n m的正方形钢板， 厚度为 1 5 m m 。圆环 装置示意见图 1 。 高度1 5 0 图 1 圆环装置示意图 再生混凝土配合比见表 3 。将拌合好的不同配比的混 凝土浇入模内 ( 两同心钢环之间)。通过振动密实成型， 排出大气泡和模板表面大空隙。成型后移至干空室 温度： ( 2 0 2 )o c；相对湿度： ( 6 0 5) ，并在混凝土环 上表面涂刷一层水玻璃，以防止混凝土环上表面水分蒸发。 养护 2 d 后拆外钢环环模。拆模后在钢环的内表面粘贴应 变片。智能应变仪采集钢环内侧面上的应变值，并通过监 测一块贴在长龄期自由试件上的应变片对被测试件的应变 片进行温度补偿。 表 3 再生混凝土配合比 编号 k水 g 泥 m - 水胶比 细 k g 集 m 料 -3蠹 外加剂 粉kg煤m灰3&矿g粉m-3 本试验数据处理及结果分析参照 A S T M C 1 5 8 1 -2 0 0 4 15 1 试验规程，用应变率因素 仅 来评价不同掺合料对混凝土收 缩变形趋势的影响。应变率因素a由式 ( 1 ) 可以求得。 以净应变为纵坐标，以测试时间的平方根为横坐标作图得 到净应变一时间的平方根曲线，对曲线进行线性回归分析， 斜率a即为应变率因素。应变率因素反映混凝土内部拉应 力发展趋势 5 。 s =6 c +七 ( 1 ) 式中：s t 净应变，即t 时刻所测应变值与初始应变值 之差， 或 t m m； a 一一应变率因素， t e d “ 。 或者 ( p m m) d ； ， 测试时间 ，d ； k 线性常数 2 试验结果与分析 2 1 混凝土圆环应力分布计算 混凝土浇筑到圆环装置，成型并拆除外模后，随着混 凝土自身的收缩，混凝土将受到来 自内钢环的相对约束限 制。假定混凝土环内径为a ，外径为b ，任意半径为 r ，根 据弹性力学原理 6 1 ，混凝土环形约束应力分析见图2 。 Oe 图2 混凝土环形约束应力分析图 由弹性力学平面问题解法，当混凝土收缩时，混凝土圆环 受到内钢环的压力是轴对称的。因此，取应力分量表达式 ( 2 )。 5 2 0 1 3 粉煤灰 2 9 = 每 + B (1 + 2 1 n r )+ 2 C ， =一 A + 0 ( 3 + 2 1 n r ) + 2 C =72=0 ( 2) 式中： 一混凝土环的环向应力 ( 拉应力 )； 一一 混凝土环的径向应力 ( 压应力 )； 、 凝土环切应力 ； 、 B 、C常数。 边界条件要求为： Z r ， ， ) ， r ： a = i cff， ，o ，： ) r = ： o = 0。 ) c 3 ， ( ： ( ) = J 代入式 ( 2 )，得到： ( 4) 由于圆环是呈轴对称，对于同一个 ， = ， ，在 0= 0 1 和 0 =0 。 + 时环向位移相差 8 7 r r E等于 0 ，因此 B值为0 。 所以 t 时刻混凝土环完全约束下应力结果为： +1 茸 一 1 ( 订 ) ( 7 ) 式中： ( t 时刻坐标为 ( ， ，0 ) 处混凝土环的环向 应力 ( 拉应力 )； ( f ) 一一 t 时刻坐标为 ( r ， 0 ) 处混凝土环的径向 应力 ( 压应力 )； g ( f ) t 时刻混凝土收缩对内环产生的压应力； s 一一混凝土环自收缩应变； E混凝土弹性模量； v 泊松比。 本试验圆环装置尺寸 口 ： 3 0 0 m m，b = 3 8 0 m m，代入到 式 ( 5 ) 和 ( 6 )，计算可得： 3 0 CD H 5 2 01 3 混凝土环内侧边界最大环向应力 ( = 4 3 1 g ( f ) ， 最大径向应力I ( f ) I - g ( f ) 。 混凝土环外侧边界最大环向应力 ( f ) m a x b = 3 3 1 g ( f ) ， 最大径向应力I O r ( f ) l = 0 。 所以，存在下列关系： ， ( f ) 1 = 0 2 3 2 0 。 ( 力 = 0 3 0 2 f t 1 0 ma xh ( ， ) = O 7 7 ( n p 、 in a x h 0、 i na x 通过计算结果可以知道，当混凝土环受到圆环装置约 束时，混凝土环内外表面环向应力差为 2 3 2 ，混凝土最 大径向应力为最小环向应力的 3 0 2 ，为最大环向应力的 2 3 2 ，忽略径向应力作用。本研究假设认为混凝土环向 应力沿径向呈均匀分布且沿高度方向不变，同时由于圆环 属于轴对称的，应力与 0 无关，假设认为混凝土环在约束 收缩时处于环向均匀应力状态。 由于内钢环与混凝土环相互作用，钢环内侧的切向应 变和钢环弹性模量存在式 ( 8 ) 关系。 g ( r ) =- 0 2 3 2 E e ( t ) ( 8 ) 式中：E内钢环弹性模量 ； e ( f ) 内钢环内侧切向应变。 因此，可以通过在内钢环粘贴应变片，使用静态应力 应变仪实时采集内钢环收缩应变来研究混凝土环应变发展 情况，评价混凝土自收缩和干燥收缩产生的综合效应l 7 1 。 2 2 掺合料对再生混凝土变形影响 图3为混凝土圆环收缩应变随时间平方根变化关系。 由图 3 可以看出，掺入和未掺矿物掺合料的再生混凝土收 缩变化规律同基准混凝土类似。混凝土在拆模后即产生收 缩，且收缩应变值随着时间增长不断增加。各组混凝土应 变率因素见表 4 ，结果由大到小依次是：普通再生混凝土 组、矿粉组、普通混凝土组、粉煤灰组。由试验数据可见， 再生混凝土的收缩变形要大于普通混凝土；掺有粉煤灰和 矿粉能有效降低混凝土收缩变形趋势；且粉煤灰效果越明 显。 表 4 各组混凝土收缩应变率因素 混凝土中产生收缩变形的主要是水泥砂浆，而粗集料 对水泥砂浆的收缩变形起着抑制作用。再生混凝土的收缩 变形要大于普通混凝土主要原因：一是再生混凝土中取代 g 0 n + 兰 兰 图 3 混凝土圆环收缩应变随时间平方根变化关系 常规粗集料的再生粗集料弹性模量较小；二是再生集料表 层的老水泥砂浆吸水会产生收缩【 s ；三是普通混凝土中绝 大部分的水分散失来自于水泥石，而在再生混凝土中，除 水泥石外，再生集料也会失水，导致收缩增大。掺合料能 有效降低混凝土收缩趋势，主要因为矿物掺合料几乎不参 与早期的水化反应，掺人大量的掺合料相当于早期用水量 不变的情况下，降低了水泥的用量，从而使得早期单位体 积混凝土中水化产物量少，水泥石硬化体结构相对疏松。 混凝土能充分发挥徐变性能，松弛弹性应力【9 j 。同时，掺 合料在混凝土中起到填充作用。圆环混凝土收缩是混凝土 早期的自收缩和干燥收缩综合效果。混凝土内部相对湿度 随着水泥水化地进行以及水分通过毛细孔等渗水通道不断 散失不断减小，导致毛细孔中水分出现不饱和现象而产生 负压，引起混凝土白干燥收缩 1 0 】 。从表 1 掺合料的颗粒分 布可见，粉煤灰平均粒径为2 5 3 8 m， 矿粉的平均粒径为 5 0 2 6 u m。在混凝土中掺入矿物掺合料有利于提高混凝土 密实度，阻断混凝土中毛细管通道，限制毛细管水分的蒸 发，从而有效降低混凝土自干燥收缩。 3 结论 混凝土圆环试验能使混凝土的收缩变形沿圆环比较均 匀地分布。圆环装置提供了完全的、均匀的约束，能合理 研究和评价混凝土抵抗白收缩和干燥收缩综合作用变形能 力。圆环法试验结果得到各组混凝土应变率因素由大到小 依次是：普通再生混凝土组、矿粉组、普通混凝土组、粉 煤灰组。结果表明，再生混凝土的收缩变形较普通混凝土 大；在再生混凝土中掺人粉煤灰和矿粉能减缓混凝土内部 应力发展速度，密实混凝土结构，有效降低混凝土收缩变 形趋势。 参考文献 【 1 XI AO Jz ， L 1 w G ， F ANYH e t a 1 An o v e r v i e w o f s t u d y o n 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 i n C h i n a J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 1 2 ， 31 ：3 6 4 - 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ma i l ： 2 0 1 0 P h o e b e z u o t o n g j i e d u c n 收稿 日期： 2 0 1 3年 5月 5日 5 2 0 1 3 粉煤灰 3 l 卯 0舶 啪瑚瑚珊瑚枷枷 卯 。 渤 瑚 瑚 瑚 瑚 枷 枷 姗 蜘 、 0蜘 瑚 姗姗 、 杈 受 勋0瑚 啪 抛瑚姗珈种伽姗铷