长龄期再生混凝土弹性模量及泊松比试验研究.pdf

2 0 1 2 年 第 1 期 (总 第 2 6 7 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 1 0 0 6 长龄期再生混凝土弹性模量及泊松比试验研究 徐金俊 ，陈宗平 ，余兴国 ，陈字良 ，叶培欢 ( 1 广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 5 3 0 0 0 4 ；2 广西电力工业勘察设计研究院，广西 南宁 5 3 0 0 2 3 ) 摘要： 为了揭示与时间效应相关的再生混凝土本构特性， 制作了3 3 个再生混凝土棱柱体试件进行单轴抗压试验， 重点考察了经历两 年静置的再生混凝土试件弹性模量及泊松比的变化规律 ， 并提出了相关建议公式。 结果表明： 随着骨料取代率提高， 再生混凝土的脆性性 质较为显著； 由于时间控制起了很大的作用 ， 再生混凝土的轴心抗压强度和弹性模量较之普通混凝土及标准龄期计算值有较大提高 ； 泊 松比的变化不明显， 其值相对稳定， 且在高取代率时其泊松比数值比普通混凝土有所降低。 关键词 ： 时间效应 ；再生混凝土 ；弹性模 量 ；泊松 比；轴心抗压强度 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) O 1 0 0 1 5 - 0 3 E xpe r i me n t a l s t u dy o f e l a s t ic modul us an d Poi s s ons r a t i os of l ong ag e r e cy cl e d ag gr e ga t e c onc r e t e XUJ i n -j an ， C HE NZ o n g - p i n g ， YUXi n g -g u o ， C HE NYu l i a n g ， ， EP e i - h u a n ( 1 C o l l e g e o f Ci v i l a n dAr c h i t e c tu r eE n g i n e e r i n g ， Gu a n g x i Un i v e r s i t y， Na ma i n g 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a 2 E l e c t ri c i tyandI n d u s t r yf o r De s i g n i n g a n dR e s e a r c h o f G u ang x i ， Na n n i n g 5 3 0 0 2 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ino r d e r t o r e v e a l t h e c o n s t it u t i v 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 ( R AC) w h i c h i s r e l a t e d t ot i mee ff e c t ， 3 3 p r i s ma t i c s p e c i me n s we r e de s i gn e d t o h a v e u n i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t s The c h an g i ng v a r i i o n o f e l a s t i c mo d u l u s an d P o i s s o n S r a t i o s o f r e c y c l e d a g gr e g a t e c o n c r e t e s p e c i me n s whi c h we r e p l a c e d t wo y e ars i n t h e l a b we r e i n s p e c t e d， and a r e l a t e d c o r r e c t i o n f o r mu l a wa s p ut f o r wa r d t o d e s c ri be the e l a s t i c m o d ul u s Th e r e s u l t s s h o w t h a t wi t h t h e a g g r e g a t e r e p l a c e m e n t r a t e g r o wi n g the R A C br i t t l e ne s s wa s r e l a t i v e l y o b v i o us Du e t o t h e t i me e ffe c t pl a y e d a l a r g e r o l e i n t h e m， the a xi a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h an d e l a s t i c mo d u l u s we r e mo r e l arg er t h e n tho s e o f n o r ma l c o n c r e t e a n d the s t a n dard a g e c o n c r e t e wh i c h i s c a l c u l a t e dPo i s s o n S r a t i o s d i d no t c h an g e s i gn i fic a n t l y a n d t h e i r v a l u e s we r e r e l a t i v e l y s t a b l e， wh i l e the h i【 g he r r e p l a c e me n t r a t e t he 1 o we r va l u e s Ke y wor d s： ti me e ffe c t ； r e c y c l e d c o n c r e t e ； e l a s t i c mo d ul u s ； P o i s s o n S r a t i o； a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h 0 引言 再生混凝土的基本物理力学性能一直备受学界关注 ， 国内 外相关学者对其本构关系也做了一定的试验研究和理论分析【 I _ 2 ， 但尚未形成统一的计算模式供工程应用和理论研究。 弹性模量 和泊松比是应力应变关系中最重要的弹性常数， 而且也是各类 结构分析中的基本参数。 与普通混凝土相比， 再生混凝土的弹性 模量随着骨料取代率的增加而有所降低3 ， 同时对其泊松比的 研究也只是处于初探阶段， 已有的研究大都是在标准龄期下进 行的棱柱体试验。 实际工程中， 结构混凝土是在长期荷载作用下 ， 具有一定时效性。 由于时间效应作用，混凝土内部水泥胶体不 断水化而导致其强度增长 ， 并伴随着弹性模量的提高， 最终使 得混凝土的变形趋于稳定， 因此标准龄期研究未能真正揭示这 两个参数的特性。 为了考察静置两年后再生混凝土的基本物理 性能 ， 研究了其棱柱体单轴受压性能， 特别地对长龄期下的弹 性模量和泊松比进行了较为细致的研究。 1 试验设 计 1 1 试验材料 水泥采用海螺牌 P 0 3 2 5 R级水泥； 砂为普通河砂； 拌和 水为 自 来水； 天然粗骨料为连续级配的碎石， 最大粒径为 2 0 mm。 再生粗骨料来源于南方某电网中服役 5 0年的废弃混凝土电杆 经人工破碎、 筛分而成， 该混凝土电杆的原设计强度为 C 3 0 ， 并且 在破碎前对该批混凝土电杆进行回弹试验， 实测强度达 3 1 MP a ， 再生粗骨料的最大粒径为 2 0 m n l 。 在试验前， 对再生粗骨料和天 然粗骨料采用同一筛网筛分， 均为连续级配。 1 2 再 生混 凝土 配合 比 本研究设计了 1 1 种再生骨料取代率( 从 0 - 1 0 0 ， 变化级 差为 1 0 ) 的棱柱体试件( 1 5 0 m mx l 5 0 mmx 3 0 0 m m) 共 3 3 个 。 混凝土的配制以取代率0为基准， 试配强度为C 3 0 ， 水灰比为0 4 1 ， 细骨料砂率为 3 2 。 对于各种不同骨料取代率的再生混凝土， 保持水泥 、 水、 砂完全相同， 粗骨料的总质量也一致 ， 唯一改变 的是粗骨料的组成成分( 即再生粗骨料增加时， 天然粗骨料相 应地减少 ) 。 再生混凝土的配合比见表 l 。 1 3 试验设备与加载制度 试件在标准条件下养护 2 8 d后移至常温实验室 ， 静置时间 为两年多。 所有试件均采用 R MT 2 0 1 岩石与混凝土力学试验 压力机加载， 加载装置如图 1 所示。 本次加载参照 G B T 5 0 0 8 l 一2 o 0 2 普通混凝土力学性能试 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ o 7 1 4 基金项目：国家自然科学基金项 目( 5 0 9 0 8 0 5 7 ) ； 广西理工科学试验中心重点项目( L G Z X 2 0 1 1 0 2 ) ； 广西大学大学生创新性试验计划项目( 2 0 1 0 1 0 ) 1 5 表 1 再 生混凝土配合 比 注： 每组取代率试件有 3 个试块， 所用试块在相同条件下制作、 养护和试验。 验方法标准 中规定的“ 静力受压弹 馍量试验” 的方法进行加载， 具体流程见图2 ； 加载过程采取荷载控制的方式， 速率为 1 0 k N s 。 为了获取弹性模量和泊松比， 各试件沿高度方向在中轴线处对称 的两个面上粘贴纵向应变片， 选取两纵向片之间的平整面粘贴横 向片， 同时试验过程中试件的轴向荷载和纵向应变及横向应变值 均由计算机自动采集， 且各试件在正式加载前均进行预加载。 铺 F 一 耀 F 图 1 加载装置 时间 图 2 加载制度 2 试验过程及 结果 2 1 试件破坏特征 加载初期， 试件按规定的加载制度处于弹性受力阶段， 此时 由于应力较小且应变近似按比例增长， 试件没有出现可见的宏观 裂纹。 随着荷载继续加大， 当超过峰值应力后， 试件出现第一条可 见裂纹， 此裂纹短而细， 且平行于受力方向。 当荷载进一步加大后， 此时不断出现肉眼可见的细微裂纹； 首条裂纹逐渐从试件两端向 中间开展目成为主斜裂缝。 随着荷载急剧下降， 此裂纹迅速贯通整 个试件截面， 从而使其发生破坏， 且伴随着巨大的劈裂声。 试件从 出现第一条裂纹直至破坏的过程中， 不同的再生混凝土试件表现 出不同的破坏特征， 有的试件裂缝出现较多且主裂纹开展稳定， 有 的则发生突然具有明显的脆I生。 部分试件的破坏模式如图3所示。 2 2 试 验 结果 单轴受压试验结果列于表 2中， 其中每组取代率下的数据 1 6 图 3 部分试件的破坏模 式 表 2 再生混凝 土单轴受压试验数据情况 取其 3 个试件的平均值， 轴心抗压强度 取峰值应力。 3 试验 结果分析 3 1 单轴受压荷载一 行程 曲线 通过试验采集 的荷载一 行程曲线可知 ，极限荷载一般在 9 0 0 - - 1 2 0 0 k N之间， 且低取代率的值略低。 在加载初期， 通过控 制加卸载变化看出， 加载和卸载基本按照原有路径变化 ； 对于 骨料取代率不大的试件，荷载逐渐到达极限时具有小段的水平 段， 随后曲线缓慢下降； 但是随着取代率的不断增大 ， 荷载超过 峰值后曲线的下降则较为迅速， 具有较为明显的脆性性质。 这可 能是由于伴随着荷载进一步的提高， 各骨料间以及骨料和水泥 基体之间的塑性损伤不断累积， 内部微观裂纹不断开展 、 扩大， 最后导致宏观裂纹； 由于再生混凝土具有相对较多的初始损伤 再生骨料， 从而使得脆性性质更加明显。 3 2弹性模 量 混凝土弹性模量是其材料变形性能的主要指标， 是进行各类 混凝土结构分析与计算的基本依据之一。 研究与时间效应相关的 再生混凝土弹陆馍 量能够反映混凝土的强度、 内部水泥基体的水化 程度以及再生骨料的初始损伤等情况。 弹性模量采用应力一 应变全 曲线上的原点至0 点的割线模量作为其值阀 ， 其计算公式如下： 盟 A。 ( 1 ) An = 6 e 0 ( 2) 式中： 混凝土弹性模量 ， MP a ； 应力为 l 3 轴心抗压强度时的荷载， N； 应力为 0 5 MP a 时的初始荷载， N； A试件承压面积， mi l l 2 ； 测量标距， mm； n 最后一次从 F 0 加荷至 F a 时试件两侧变形的平均 值 ， m i l l ； 8 _ 时试件两侧变形的平均值， mm； 时试件两侧变形的平均值， I n n l 。 国内外学者对于混凝土弹性模量进行了大量研究 ， 并取得 了一定成果 。 具有代表意义的有 C E B F I P MC 9 0 、 AC I 3 1 7 7 7 、 前苏联以及 中国规范嘲 公式， 以及 Dh i r te 和 Me l l ma n n m 等， 其式 如下所示： CE B F I P M C 9 0： 研 x 2 1 5 x 1 0 ( 3 ) ACI 3 1 7 7 7： E 7 8 9 厂 叫 ( 4 ) 前苏联： 中国 ： Dh i r ： E 1 3 1 0 0 + 3 7 0 f ( 7 ) M e l l ma nn： E 8 2 4 2 + 3 7 瓯 ( 8 ) 式中； 丘混凝土立方体抗压强度， MP a 。 本文中采取换算值计算， 即 = j 0 7 6 n 对于再生混凝土 ， 国内学者周静海口 提出了式( 9 ) ： ( 0 2 8 l1 6 + I 0 6 5 ) ( 9 ) 式中： 再生混凝土的取代率。 分别按式( 3 ) ( 9 ) 计算 ， 并于试验实测结果进行比较， 具体 见图 4 。 ； 主 ； 囊 ； 卜 _ 务 孓 _ 一一 本试验值 +CEB F I P M C9 0 ACI 31 7 7 7 * 前苏联 _ o - 中国 + 周海静 +Dh i r - -o -M e l l ma n n 0 1 0 2 O 3 0 4 0 5 0 6 O 7 0 8 O 9 0 1 O 0 取代率 ， 图4 本试验弹性模量测试结果与各建议结果对比 综合表 3 及图4比较可见： 经两年多时间静置后的再生混凝 土试件， 其弹性模量 明显大于按标准龄期的计算值 ； 随着取代 率的增长， 其线形大致表现为正弦曲线； 较高取代率下， 文献 3 所得结果与本试验值最为接近。 另一方面， 在取代率未超过 5 0 时， 前苏联与本试验值最接近， 相应比值在 0 8 7 6 一 一 1 6 5 2 ， 平均为 1 3 0 1 ； 当取代率超过 5 0 后， 文献 3 】 的建议值最为接近试验所 得的弹性模量， 其总体比值在 1 2 5 4 1 4 2 3 之间， 平均值为1 3 3 0 。 除周海静教授建议式外，其余各建议曲线大致呈现水平线 ， 各 点变幅不大。 由于再生骨料与天然骨料相比， 经破碎后的废弃混凝土本身 就存在初始的损伤缺陷； 同时另一方面再生粗骨料包含了较多 的水泥石基团， 其具有良好的吸水能力； 而且从骨料内部孔隙率 来看再生骨料较之天然骨料大， 从而导致骨料比表面积相应增大。 在取代率不高的情况下， 因其再生骨料吸水率高、 孔隙率大的特 点， 以相同的水灰比设计时， 再生混凝土的实际水灰比就会减少， 导致再生混凝土比普通混凝土在强度上会有所提高， 进而伴随 着弹性模量的相应增： 。 当取代率提高后( 超过 3 0 ) ， 由于再生 粗骨料的初始缺陷， 其强度受内部损伤的影响较之实际水灰比 影响大， 因此弹性模量出现降低现象。 随着取代率的进一步提高， 再生骨料逐渐增多， 实际水灰比的减少对强度的影响与初始损 伤的影响相当， 此消彼长， 因此各值相对稳定。 再则， 由于弹性 模量是时间效应的函数 ， 内部新老水泥基体随着水泥水化反应 的进一步深入， 必然导致其弹性模量比标准龄期所得值提高。 3 3泊松 比 混凝土的泊松比是混凝土横向变形的重要指标。 已有研究表 明阎： 当水灰比增加时， 再生混凝土的泊松比将有渐增的趋势。 导致这种现象的原因：是由于再生骨料性质较脆且吸水率高的 特点。 研究再生混凝土泊松比的数值变化可以进一步揭示内在 组成成分之间的相互作用机理。 通过测量试件在弹性稳定阶段 的纵向应变和横向应变， 按式 8 获取泊松比， 其中F 为纵 向应变 ， 为横向应变 通过拟合直线， 得出本试验按方程式( 1 O ) 变化： v y O 2 1 0 0 0 0 3 6 ( 1 0 ) 图 5 显示了不同取代率下平均 白 松比的分布情况 ， 由图可 知 ： 在弹性稳定阶段 ， 再生混凝土的泊松比与普通混凝土泊松 比相差不大， 其值在 O 1 7 0 2 4之间。 对于取代率较高时， 其值 相对较小 ， 究其原因在于相同水灰比配置下 ， 再生骨料具有较 大的吸水性 ， 使得再生混凝土试件的实际水灰 比减少， 同时再 生骨料的初始损伤使得其 生 质较脆， 这与前述文献的说法一致。 取代率， 图 5 再生混凝 土泊松 比 _ 4结 论 ( 1 ) 与时间效应相： 关的再生混凝土棱柱体的破坏形态类似 于普通混凝土； 在相对较高的取代率下， 其脆性性质较为明显 下转第 2 3页 1 7 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A1 0 Al 1 A1 2 编 号 图 5 钢铁渣( 细钢渣 ) 对砂 浆 2 8 d强度的影响 B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B1 0 Bl 1 B1 2 编号 图 6 钢铁渣( 细钢渣 ) 对砂浆 2 8 d强度的影响 一 定的影响， 影响程度比早期略有减小。 当钢渣与矿渣的比例为 3 ： 7时， 掺钢铁渣的砂浆的 2 8 d强度能够很接近甚至超过纯水泥 砂浆。 当钢渣与矿渣的比例为 1 ： 1 时， 掺钢铁渣的砂浆的2 8 d强 度也能够达到纯水泥砂浆的8 5 左右。 这说明， 随着龄期的增长， 钢铁渣对于强度的贡献越来越大。 3结 论 ( 1 ) 就对强度的影响而言， 矿渣的性能好于钢渣 ， 因此钢铁 上接第 1 7页 ( 2 ) 由于时间效应的影响， 不同骨料取代率的再生混凝土 弹性模量较之普通混凝土大； 且通过与国内外不同建议公式相 比， 本试验值普遍偏大， 最大时为两倍左右。 随着骨料取代率的 增大， 弹性模量的变化为正弦曲线线形。 ( 3 ) 通过实测， 再生混凝土泊松比数值相对稳定 ， 其值保持 在 0 1 7 0 2 4 之间， 而且高取代率下的泊松比比普通混凝土泊松 比小， 建议式( 1 0 ) 较好反映了其变化规律。 参考文献 ： 1 肖建庄， 杜江涛不同再生粗集料混凝土单轴受压应力一 应变全曲线叨 建筑材料学报， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 1 ) ： 1 1 1 - 1 1 5 2 T O P C U I B P h y s i c a l a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e p r o d u c e d w i t h w a s t e c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 1 2 )： 1 8 1 7 -1 8 2 3 3 】 周静海， 何海进 ， 孟宪宏， 等 再生混凝土基本力学性能试验 J 沈阳 建筑大学学报： 自然科学版 ， 2 0 1 0 ， 2 6 ( 3 ) ： 4 6 4 4 6 8 李旭平 再生混凝土基本力学性能研究( I ) 单轴受压性能 建 上接第 2 O页 参考文献： 【 1 】 王滋军， 刘伟厌， 叶燕华 ， 等 一种适合工业化生产的节能建筑结构 体系： 中国， Z L 2 0 0 9 2 0 0 4 4 9 6 7 4 P 2 卢吉松 节能环保型钢筋混凝土叠合结构体系墙体抗震性能试验研 究 D 南京： 南京工业大学， 2 0 1 0 3 】 J G J 1 0 1 9 6 ， 建筑抗震试验方法规程 s 4 】 G B 5 0 0 1 1 2 叭0 ， 建筑抗震设计规范 s 】 渣中矿渣所占的比例越大， 钢铁渣的性能越好。 ( 2 ) 钢渣的比表面积对于其性能有较大的影响， 钢渣的比 表面积宜大于4 0 0 m 2 k g 。 ( 3 ) 在钢铁渣中掺人少量的石膏 ， 能够激发钢铁渣的早期 活性 ， 对于提高掺钢铁渣的砂浆的早期强度有积极作用。 参考文献 ： 1 阎培渝现代混凝土的特点l J l _混凝土， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 3 - 5 I 2 】U J X， Y u Q J ， WE I J X， e t a 1 S t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d h y d r a t i o n k i n e t i c s o f mo d i f i e d s t e e l s l a d J I C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 3 ) ： 3 2 4 3 2 9 3 王玉吉， 叶贡欣氧气转炉钢渣主要矿物相及其胶凝性能的研究 J 硅酸盐学报 ， 1 9 8 1 ， 9 ( 3 ) ： 3 0 2 3 0 8 【 4 欧阳东， 谢宇平， 何俊元 转炉钢渣的组成、 矿物形貌及胶凝特性J _ 硅酸盐学报， 1 9 9 1 ， 1 9 ( 6 ) ： 4 8 8 4 9 4 5 】K OU R O UN I S S ， T S I I L I S S ， T S A K I R I D I S P E， e t a1P r o p e r t i e s a n d h y d r a t i o n o f b l e n d e d c e me n t s wi t h s t e e l ma k i n g s l a g Ce me n t a n d Co n c r e t e R e s e a r t h ， 2 0 0 7 ( 3 7 ) ： 8 1 5 8 2 2 6 】S H I C J C h a r a e t e r i s t i 一2 S a n d c e m e n t i t i o u s p r o p e rt i e s o f l a d l e s l a g fi n e s f r o m s t e e l p r o d u c t i o n J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a rt h ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) ： 4 5 9 46 2 7 李永鑫 含钢渣粉掺合料的水泥混凝土组成结构及性能研究 D _ E 京 ： 中国建筑材料科学研究院， 2 0 0 3 8 侯新凯， 李虎森 钢渣水泥生产走出困境的探讨 J 水泥工程， 1 9 9 7 ( 1 )： 4 3 4 5 作者简介： 张波( 1 9 8 9 一 ) ， 男。 联系地址： 北京市海淀区清华大学土木工程系( 1 0 0 0 8 4 ) 联 系电话 ： 0 1 0 6 2 7 8 6 2 2 1 筑材料学报， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 5 ) ： 5 9 8 6 0 3 5 过镇海， 时旭东 钢筋混凝土原理和分析 M E 京： 清华大学出版社， 2 0 0 3 【 6 DH I R R K， L I MB A C HI Y A M C S u i t a b i l i t y o f r e c y c l e d a g g r e g a t e f o r u s e i n B S 5 3 2 8 d e s i g n a t e d m i x e s J P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f C i v il E n g i n e e r s ， 1 9 9 9 ( 1 3 4 ) ： 2 5 7 2 7 4 7 ME L L MA NN G P r o c e s s e d c o n c r e t e rub b l e for t h e r e u s e a s a g g r e g a t e J Pr o c e e d i n g s o f t h e hlt e rua t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ex pl o i t i n g W a s t e i n Co n c r e t e Du n d e e， 1 9 9 9： 1 7 1 1 7 8 8 】 吴淑海 ， 李晓文， 肖慧， 等 C 3 0再生混凝土变形性能及应力一 应变曲 线试验研究 混凝土， 2 0 0 9 ， 2 4 2 ( 1 2 ) ： 2 1 2 5 作者简介 联 系地 址 联 系电话 徐金俊( 1 9 8 ；6 一 ) ， 男， 硕士研究生 ， 主要从事再生混凝土结 构与异形柱结构体系的研究。 广西南宁市大学路 1 0 0号 广西大学土木建筑工程学院 ( 5 3 0 0 0 4 ) 1 3 8 78 8 0 6 0 48 【 5 】 J G J 3 2 0 O 2 ， 高层建筑混凝土结构技术规程 s 【 6 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范【 s 作者简介： 王滋军( 1 9 7 0 一 ) ， 男， 博士， 副教授， 主要从事工程抗震、 新 型材料与结构体系等方面研究。 联系地址： 江苏省南京市中山北路 2 0 0 号 南京工业大学土木工程学 院( 2 1 0 0 0 9 ) 联系电话 ： 0 2 5 8 3 5 8 7 9 6 3 - 23 如 如 加 0 越骠 如 如 加 0 晒出