碾压再生混凝土断裂性能试验研究.pdf

四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 7卷第 5期 2 0 1 1 年 1 0月 碾压再生混凝土断裂性能试验研究 贾艳东， 郭小宝， 王学志， 赵 辛 ( 辽宁工业大学土木建筑工程学院， 辽宁 锦州1 2 1 0 0 1 ) 摘要： 对碾压再生混凝土和普通再生混凝土进行楔入劈拉试验， 计算比较了不同再生粗骨料掺量的碾压再生混凝土和普通 再生混凝土的断裂韧度、 断裂能和尖端开口位移， 并与普通混凝土进行比较。初步研究表明： 碾压对再生混凝土的断裂性能 有明显影响， 5 0 再生粗骨料掺量的碾压再生混凝土的断裂韧度 和断裂能 G 均比5 0 再生粗骨料掺量的普通再生混凝 土的断裂韧度 和断裂能 G 有所提高。与普通混凝土相比， 再生混凝土延性增强， 断裂能 G 提高 ， 但尚须进一步验证。 关键词： 碾压再生混凝土； 断裂韧度； 断裂能 中图分类号： T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 5 2 0 2 0 4 Ex pe r i me n t a l s t u d y o n f r a c t u r e pe r f o r m a n c e o f r o l l e r c o mpa c t e d r e c y c l e d c o n c r e t e J I A Ya n d o n g， GUO Xi a o b a o ， W ANG Xu e z h i ， Z HAO Xi n ( C o U e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， J i n z h o u 1 2 1 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s p e c i me n s o f c o mmo n r e c y c l e d c o n c ret e a n d r o l l e r c o mp a c t e d r e c y c l e d c o n c r e t e w e r e t e s t e d t h r o u g h w e d g e - s p h t t e n s i l e m e t h o d T h e p a p e r c a l c u l a t e s and c o m p a r e s t h e f r a c t u r e t o u ghn e s s ， t h e f r a c t u re e n e r gy a n d c r a c k t i p o p e n i n g d i s p l a c e me n t o f c o m m o n r e c y c l e d c o n c ret e a n d rel i e r c o mp a c t e d r e c y cle d c o n c ret e wi t h d iffe r e n t r e c y c l e d c o a rse a g g r e g a t e c o n t e n t s R e s e a r c h s h o ws t h a t r o l l i n g h a s a n o b v i o u s i n fl u e n c e o n t h e f r a c t ure p e r f o r manc e o f rec y c l e d c o n c re t e ， t h e f r a c t u r e t o u s h e s s ( K I c )a n d t h e f r a c t u r e e n e r gy( G F )o f r o l e r c o mp a c t e d r e c y c l e d c o n c ret e w i t h 5 0 r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e c o n t e n t s a r e hig h e r t h an t h o s e o f c o mmo n rec y c l e d c o n c r e t e w i t h 5 0 r e c y c l e d c o a ir s e a g g r e g a t e c o n t e n t s I f c o mp a r e d w i t h t h e d u c t i l i t y a n d t h e f r a c t u r e e n e r gy o f c o mmo n c o n c ret e ， t h o s e o f rec y c l e d c on c r e t e e n ha nc e s Ke y wo r d s ： r o l l e r c o mp a c t e d r e c y c l e d c o n c r e t e ； f r a c t ure t o u g h n e s s ； f rac t u r e e n e r gy 0引 言 1 试验概况 再生混凝土的有效利用可 以实现保护环境、 节 约资源 的目标 ， 再生混凝土作为一种新型建筑材料 ， 具有良好的经济效益和社会效益， 在工程中也得到 越来越广泛的重视 ， 国内外对再生混凝 土也进行 了 大量研究 ， 取得 了很 多成果 L 】 -5 ” 。在道路 、 混凝 土水坝 的建设 中， 再 生 混凝土 也将 发挥 重要 的作 用 。 剖， 而国内外对碾压再生混凝 土的研究较少 ， 因 此 ， 对于碾压再生混凝土的研究意义重大。本文从 碾压再生混凝土人手， 通过与普通再生混凝土的性 能进行对比， 对不同再生粗骨料掺量的碾 压再生混 凝土的强度、 弹性模量 、 断裂性 能进行研究 ， 对推动 碾压再生混凝土的应用具有一定的实用价值。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 1 2 - 3 0 作者简 介 ： 贾 艳东 ( 1 9 6 9一) ， 男 ， 辽宁凌海人 ， 硕 士 ， 教授 ， 研究 方 向 混凝土结构 、 组合结构 。 基 金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 0 7 0 9 0 1 3 ) E ma i l ： j y d 3 3 0 1 0 6 s i n a c o rn 1 1 试验材料、 混凝土配合比及强度 试验采用渤海水泥厂生产的4 2 5 M P a 普通硅 酸盐水泥； 河砂， 砂率 3 8 ； 天然粗骨料为天然碎 石 ， 粗骨料粒径 2 0 4 0 m m， 再生粗骨料采用锦州市 辽工东苑小区室外台阶拆 除的废弃混凝 土， 该混凝 土设计强度等级 C 2 0 ， 2 0 0 1年 1 1月建成 ， 2 0 0 8年 5 月因改造室外台阶而拆除。废弃混凝土经颚式破碎 机破碎后 ， 筛分、 清洗成所需 的再生骨料， 粗骨料粒 径 2 0 4 0 i n n l ； 级 粉煤灰 ， 采用掺入 3 0 粉煤灰 替代水泥。配合 比见表 1 。 本试验共制 作强度等级为 C 3 0的碾压再生 混 凝土与普通再生混凝 土试件 ( 1 5 0 m m 1 5 0 m m 3 0 0 mm) 各 1 8个 ， 其 中 5 0 ， 7 0 ， 1 0 0 再生粗 骨 料掺量试件各 6 个， 塑料覆盖， 室温养护 9 0 d ， 各实 测强度及弹性模量见表 2 。5 0 ， 7 0 再 生粗骨料 掺量的普通再生混凝土强度变化不大，与文献 4 规律相 同； 而1 0 0 再生粗 骨料掺量 的普通再生混 2 0 1 1 N o 5 贾艳东， 等： 碾压再生混凝土断裂性能试验研究 2 0 3 凝土的强度没有降低反而有所提高， 这与文献 1 1 规律相 同， 碾压再生混凝土强度也随着再生粗骨料 掺量增加不降反而提高。作者认为 ， 主要是所配制 的混凝土强度较低 ， 再生骨料的来源混凝土强度与 配置的再生混凝土强度相差不是很大 ， 其对再生混 凝土的基本力学性能的影响不很明显。另外， 浆体 对再生骨料的“ 内养护” 效果( 尤其在碾压作用下) 使得在本文所选择的强度等级条件下， 再生混凝土 强度随着再生粗骨料掺量增加不降反而提高。 表 2 混凝土实测强度及弹性模量 Ta b l e Re c y c l e d c o n c r e t e s t r e n g t h a n d e l a s t i c mo d u l u s 1 2试件的尺寸及制作 本试验共制作强度等级为 C 3 0的楔人劈拉试 件 2 4个 ， 碾压再 生混凝 土与普通再生混凝土各 l 2 个， 其中5 0 ， 7 0 ， 1 0 0 各 4个， 去除不合格试件 或试验操作不当而损坏的试件， 保证每组完整测试 3个试件。普通再 生混凝 土试件采用 木模浇筑成 型， 碾压再生混凝土试件采用附着式振动器分 2次 碾压成型。采用 3 m m钢板预制裂缝 ， 钢 板两侧涂 黄油， 以便其能顺利取出， 塑料覆盖 ， 室温养护 9 0 d ， 试件尺寸如图 1 所示。 图 1 试件尺寸 Fi g 1 T h e s p e c i me n s i z e 1 3 加载及采集系统 本文楔入劈拉试件试验使用中国科学院长春科 新公司试验仪器研究所生产的 WD W 4 2 0 0 微机控制 电子万能试验机进行加载， 最大试验力 2 0 0 k N， 试 验力准确度 1 ， 满足精度要求。采用华东电子仪 器厂生产的 Y D一1 5型动态电阻应变仪连接电脑进 行图像采集。压力传感器控制范围O 4 0 k N ， 加载 示意如图2所示。 爵 图 2 加载 示意 F i g 2 Th e s k e t c h ma p o f l o a d i n g 1 4 试验过程 按图 2安装 、 连接后 ， 启动电子万能试验机进行 加载， 在试验机上部加载面与压力传感器即将接触 时， 启动微机控制动态采集系统 ， 微机控制加载速率 为 0 0 3 3 3 m m s ， 从开始加载至试件断裂破坏， 持续 时间为 1 0 m in 。按照这样的加载方式， 获得了完整 的断裂全曲线， 全部试验稳定， 将采集的数据导入 E x c e l 表， 绘制试件 的 FC MO D曲线。 2 试验 结果 2 1 试验记录的全曲线 按照上述加载方式 ， 部分试件的全记录曲线如 图3 所示， 获得楔人劈拉法完整的混凝土断裂全曲 线数据 。 2 0 至1 o 0 O 0 O 2 O 4 O 6 0 8 O l O O CM OD ton i 图3 部分试件的全记录曲线 F i g 3 Th e wh o l e f r a c t u r e c u r v e s o f s o me s p e c i m e n s 2 2断裂参数的计算公式 1 ) 根据文献 9 ， 采用楔人劈拉法计算混凝土 断裂韧度 墨 的公式为： 一 3 6 7 5 ( 1一a h ) 一F h K m 一 ( 0 2a h0 8 ) ( 1 ) 2 0 4 四川建筑科学研究 第 3 7卷 式中 F 竖 向荷 载峰值 F ， 与楔形加载 架 的重力 r a g的合力在试件水平方向 产 生 的 分 力 ( k N) ， 其 中， r a g= 0 0 71 05 k N ； 口 预制裂缝长度( m) ； h ， 试件高度和厚度 ( m) 。 = ( 2 ) 式中 楔面与传力滚轴的摩擦系数， 由于试 验时接触 面使用 润滑油 ， 因此 ， 本 文 计算 中近似取 z= 0 ； 0 楔形加载架楔面与纵轴夹角 ( 本试 验 0=1 5 。 ) 。 2 ) 根据文 献 9 ， 采用楔人劈 拉法计算 混凝 土 断裂能 G f 公式为 ： G = ( 3 ) 式中 C MO D 裂缝 口最大张开位移 ( m m) ； 。 F 一 C MO D 全 曲线下 的面 积 ( N m) ； A 韧带断面的面积( 1 1 1 ) ， 即 A 妇= ( h o ) ； mg=0 0 71 05 k N ； 0 楔形加 载架楔面与纵 轴夹角 ( 本试验 0=1 5 。 ) 。 3 ) 根据文献 1 0 ， 裂缝尖端张开位移 C T O D的 计算公式为： CTOD = - ( 4 ) r l 一 口 ) + 口 + 式中C MO D开 口位移 ； 试件高度 ； 口 缝高 ； 旋转 因子 ； 刀 口厚度 。 旋转因子 r 的取值 ： 文献 1 0 中， R o b i n s o n和 T e t e l m a n 用试验方 法确定 ， 旋转因子与 C T O D有关 ， 试验数据用一条 曲 线来拟合 ， 曲线的表达式为 ： r = 0 O4 2 7 +0 0 9 3 9CTOD 一0 0 0 931 CTOD2+ 0 0 0 0 3 7 C T O D 。 ( 5 ) 将 r 代入式 ( 4 ) ， 即可解方程求出 C T O D。 根据文献 1 0 中试验数据曲线 的特征 ， 转动 因子在加载过程 中， 从 0开始 ， 增大 至约 1 3为常 数， 因此， r 可采用 比较简便的取值方法， 即取 r = 1 3。 本文计算中， 取 r = 1 3 。 2 3试 验 结果 所得 再生 混凝 土断裂 韧度 、 断 裂能 、 C T O D 和 C MO D数据 ， 见表 3 。 表 3 混凝土断裂韧度 K I c ， 断裂能 G 。 C T O D， C MO D T a b l e 3 T h e f r a c t u r et o u g h n e s s( ) 。 t h ef rac t u r e e n e r g y ( GF ) ， c rac k t i p o p e n i n g d i s p l a c e me n t( C T O D) a n d c rac k mo u t h o p e n i n g d i s p l a c e me n t( C MO D) o f e o n c a e t e 3断裂参数比较分析 根据上述公式 ， 计算 出不同粗骨料掺量 的碾压 再生混凝土与普通再生混凝 土试件断裂参数 的均 值， 并绘制不同粗骨料掺量再生混凝土分别与 ， G 的关 系图， 如图 4 ， 5所示 。 再生粗骨料取代率 图4 不同再生粗骨料掺量的再生混凝土的 K 关系 F - g 4 T h e K x c d i a g r a m o f d i ff e r e n t r e c y c l e d c o a r s e a gg r e g at e c onten t s 图 5 不 同再生粗骨料掺量的再生混凝土的 G 关 系 Fi g 5 Th e GF d i a g r a m o f d i ffe r e n t r e c y c l e d c o a r s e ag g r e g at e c o nten ts 从 图4， 5中可以看 出， 碾压再生混凝土断裂韧 度 。 随着再生粗骨料掺量 的增加而呈降低趋势 ， 断 裂能 G 随着再生粗骨料掺量的增加出现波动 ； 普通 再生混凝土断裂韧度 小 断裂能 G 随着再生粗骨 料掺量的增加呈增加趋势。本次试验的碾压再生混 凝土、 普通再生混凝土的强度均 随再生粗骨料掺量 的增加而增加 ， 但是 ， 碾压再生混凝土断裂韧度 小 断裂能 G 并未随强度增加而增加 ， 1 0 0 再生粗骨 料掺量的碾压再生混凝土的断裂能还出现 了大幅降 低。笔者认为 ， 原因之一是碾压再生混凝土 的性能 更不稳定， 测量数据更离散； 另一原因是碾压对再生 2 0 1 1 N o 5 贾艳东， 等： 碾压再生混凝土断裂性能试验研究 2 0 5 混凝土的性能有较大影响， 碾压效果差可能会使其 内部更不密实或者使其部分再生骨料出现新的裂 缝， 从而使断裂韧度 断裂能 G 降低。因此， 对 于高再生骨料替代率的再生混凝土 ， 碾压时 ， 应选择 合适 的压力和振动频率。本次试验条件下 ， 5 0 再 生粗骨料掺量 的碾压再生混凝 土强度达 到 C 3 0 ， 且 断裂韧度 断裂能 G 明显高于普通再生混凝土， 可以作为工程应用的参考掺量 。 为 了验证碾压再生混凝土断裂性 能， 本文作者 将 自己的试验数据与文献 9 中的数据进行了比 较。文献 9 中的碎石混凝土棱柱体抗压强度为 3 1 9 MP a ， 其对 应 的混凝 土 断裂韧度 墨c 为 0 7 2 6 MP a m， 断裂能 G 为 2 0 1 6 4 1 N m。将所得出数据 与文献 9 比较， 如图6 ， 7 所示。 图6 断裂韧度 比较 Fi g 6 Th e co mp a r i s o n o f t h e 图7断裂 能 G F比较 F i g 7 Th e c o mp a r i s o n o ft h e GF 从图 6 ， 7中的比较可 以看出： 碾压再生混凝土 和普通再生混凝土的断裂韧度 K 。 均低于普通混凝 土， 但断裂能 G 均高于普通混凝土。其原因是， 断 裂韧度 受强度影响大 ， 文献中的普通混凝土强度 高， 断裂韧度 也相应较高； 碾压再生混凝土和普 通再生混凝土的断裂能 G 均高于普通混凝土 ， 是 由 于再生粗骨料中含有一定量 的砂浆 ， 使得再生混凝 土试件断裂路径中实 际参与的砂浆增多 ， 如 图 8所 示 ， 延 性 增 强 ， 试 件 断 裂 的 C MO D 增 大 ， 断 裂 能 增加。 4 结论 1 ) 经合理级配 ， 1 0 0 再 生粗 骨料掺量 的再生 混凝土的抗压强度可 以达到或超过 5 0 一7 0 再 生粗骨料掺量的再生混凝土的抗压强度。 2 ) 碾压对再生混凝土的断裂性能有明显影响 ， 5 0 再生粗骨料掺量的碾压再生混凝土的断裂韧度 一 ( a ) 5 0 再生粗骨料 (b ) 7 0 再生粗骨料 ( c )1 0 0 再生粗骨料 图 8 试件 断裂面 F i g 8 Th e c r a c k s e c t i o n of th e s p e c i me n s 和断裂能 G 均 比5 0 再生粗骨料掺量的普通再 生混凝土的断裂韧度 墨 和断裂能 G 提高， 但对于 其他再生粗骨料掺量的再生混凝土碾压时应选择合 适的压力和振动频率 。 3 ) 与普通混凝 土相 比， 初步试验数据 表明 ， 再 生混凝土延性稍有增强， 断裂能 G 也有所提高， 但 尚须进一步验证 。 参 考 文 献： 1 肖建庄， 雷斌， 袁飚 不同再生粗集料混凝土劈裂抗拉强 度分布特征 J 建筑材料学报， 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 2 2 3 - 2 2 9 2 王军龙， 肖 建庄 钢纤维再生混凝土的抗折强度试验研究 J 工业建 筑， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 8 2 - 8 6 3 陈永刚， 曹贝贝 再生混凝土国内外发展动态 J 国外建材科 技， 2 0 0 4( 3 ) ： 4 - 6 4 胡敏萍 不同取代率再生粗骨料混凝土的力学性能 J 混凝 土， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 5 2 - 5 4 5 薛刚 再生混凝土的应用现状和发展方向 J 福建建筑， 2 0 0 8 ( 1 O ) ： 4 6 - 4 7 6 高启聚， 丛林， 郭忠印 废弃水泥混凝土路面板在路面基层 中的再生利用 J 公路交通科技， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 2 0 - 2 3 7 郝伟， 张书玉 道路旧水泥混凝土的再生利用 J 黑龙江交 通科技 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 3 4 8 肖建庄， 孙振平 ， 陈海燕， 等 废弃混凝土再生及高效利用关键 技术研究 z 国家科技成果 9 贾艳东， 宋玉普 ， 黄志强 测定混凝土断裂参数试验方法的研 究 J 低温建筑技术， 2 0 0 4 ( 2 ) ： 1 1 - 1 3 1 0 布洛克 D 工程断裂力学基础 M 王克仁， 何明元， 高桦， 译 北京 ： 科学 出版社 ， 1 9 8 0 1 1 叶孝恒 再生混凝土基本力学性能试验研究 J 西部探矿工 程 ， 2 0 0 7 ( 7) ： 1 8 3 1 8 6 1 2 S u n Y u e d o n g ， X i a o J i a n z h u a n g ， Z h o u D e y u a n E x p e ri m e n t a l r e s e a r c h o n s e i s mi c b e h a v i o r o f r e c y c l e d c o n c ret e f r a me u n d e r v a r - y i n g c y c l i c l o a d i n g，F r o n t i e r s o f Ar c h i t ec tur e a n d C i v i l En g i n e e r i n g i n Ch i n a ，2 0 0 8， 1 2： 3 0 20 8 1 3 Z h a n g X u e b i n g ， D e n g S h o u c h a n g ， Q i n Y i n h u i A d d i t i o n a l a d s o r b e d w a t e r i n re c y c l e d c o n c r e t e J J o u r n al of C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， 2 0 0 7 ( 2 )： 4 4 9 -4 5 3 1 4 K h e d e r G F ， A 1 一 Wi n d a w i S A V a r i a t i o n i n m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f n a turalan d r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c ret e a s r e l a t ed t ot h e s t r e n g t hof t h e i r b i n d i n g m o r t a r J M a t e ri al s a n d S t r u c t u re s ， 2 0 0 5 ， 8 ： 7 0 1 - 7 0 9 1 5 K o u S h i c o n g ， P o o n C S C o m p re s s i v e s t r e n gt h ， p o re s i z e d i s t r i b u - t i o n an d c h l o r i d e -i o n p e ne t r a t i o n o f r e c y c l ed a g g r e g a t e c o n c ret e i n c o r p o r a t i n g c l a s s F fl y a s h J J o u mal o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y Ma t e r i als S c i e n c e Ed i t i o n， 2 0 0 6， 1 2： 1 3 0 - 1 3 6 1 6 J - Z h X i a o ， J - B “， C h Z h a n g O n r e l a ti o n s h i p s b e t w e e n t he me c h a n i c al 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 t e ：An o v e r v i e w J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 6 ， 7 ： 6 5 5 - 6 6 4