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再生混凝土力学特性试验研究

混凝土《岩土力学》 2008-03-03

摘要：再生混凝土是指将废弃混凝土经过破碎、清洗、筛分、分级和按一定比例相互配合后制成再生混凝土骨料，用其部分或全部代替天然骨料配制的新混凝土。关于再生混凝土力学特性的研究并不多见。通过一系列的相关试验，分析和研究了再生混凝土取代率对其静力学性能的影响；在进行再生混凝土的全应力-应变试验过程中同步测试了其超声波传播特征参数，研究再生混凝土声波传播特征参数随再生混凝土轴向压缩变形的变化规律。为了分析再生混凝土的循环动力损伤特征，进行了再生混凝土单轴竖向循环加载试验，研究再生混凝土在循环动荷载作用下变形的发生和发展规律，为工程应用作参考。

关键词：再生混凝土；取代率；超声波；循环加载；变形规律

中图分类号：TB 501 文献标识码：A

1 前言

　　近些年来随着城市建设的发展，住房建设的加快，而新建工程施工和旧建筑物的维修、拆除过程中产生了大量的废弃混凝土[1]。废弃混凝上大多堆积于城市郊区公路、河流附近，既恶化了生态环境、占用了良田，又浪费了许多宝贵的建筑原材料，极大地影响了生态环境。为此，一些国家尝试开发和利用再生混凝土。再生混凝土是指将废弃混凝土经过破碎、清洗、筛分、分级和按一定比例相互配合后制成再生混凝土骨料，用其部分或全部代替天然骨料配制的新混凝土。

　　利用垃圾废料作为建筑材料，既可以减少垃圾的排放量、减轻环境污染，又可以节省建筑原材料的消耗，如果这种新型混凝土研制成功并在生产中应用，将会对建筑行业带来极大的影响，必会产生良好的环境效益、经济效益和社会效益[2]。再生混凝土是废弃混凝土有效利用途径之一，是一种可持续发展的绿色混凝土[3]。

　　为了研究再生混凝土在静荷载作用下的强度和变形特征，本次试验共设计了6 类再生混凝土试样，试验在多功能数控液压伺服试验机上进行。试验测试了再生混凝土单轴竖向压缩全应力-应变曲线，研究再生混凝土的承载力和变形特征。在进行再生混凝土试块的单轴全应力应变试验时，同步测试了再生混凝土的超声波传播参数，研究在外荷载作用下再生混凝土声学传播参数（波速、波幅）的变化特征；为了分析再生混凝土的循环动力损伤特征，进行了再生混凝土单轴竖向循环加载试验，研究再生混凝土在循环动荷载作用下变形的发生及其发展规律。

2 再生混凝土静力学性能研究

2.1 再生混凝土试验材料及配合比

　　再生混凝土试验所用的材料为：（1）再生粗骨料：原强度为C30 的混凝土经破碎和清洗后粒径小于4 cm 骨料；（2）天然粗骨料：粒径小于4 cm 的天然碎石；（3）水泥：矿渣水泥325#；（4）细骨料：天然河砂，连续级配，细度模数为2.7；（5）水：武汉市自来水。

　　混凝土的配合比往往直接地影响到混凝土的力学性能。为了保证再生混凝土浇注时的工作流动性和养护成型后的强度，此次再生混凝土试验设计的配合比为水泥：水：细骨料：粗骨料=1：0.5：1.5：3.0，其中粗骨料由天然粗骨料和再生粗骨料组成。根据取代率的不同，将试样分为6 种类型，如表1所列。

2.2 再生混凝土静力学试验

　　进行了6 种类型再生混凝土的单轴全应力应变试验。通过对试验曲线的分析，得出再生混凝土在加载过程中的应力峰值、应变峰值、弹性模量及变形模量，详细结果如表2 所列。根据表2 绘出再生混凝土的应力峰值随取代率的变化曲线，如图1 所示。

　　根据表2 和图1 可以看出，随着再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的应力峰值在减小，即再生混凝土的极限承载力在减小。此次试验中当取代率为0（即天然混凝土）时，混凝土的应力峰值为29.9 MPa，而当再生混凝土取代率为30 %时其应力峰值为25.4 MPa，强度为全部由天然粗骨料配制成的天然混凝土强度的84.9 %。

　　根据表2 绘出再生混凝土弹性模量和取代率之间的关系曲线如图2 所示。

　　由图2 可以看出，随着再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的弹性模量在减少。当再生混凝土的取代率超过20 %时，再生混凝土的弹性模量随取代率的增加而减小的趋势相对较快；当再生混凝土的取代率为30 %的时候，其弹性模量为天然混凝土的弹性模量的63.3 %。

　　根据表2 绘出再生混凝土变形模量和取代率之间的关系曲线如图3 所示。可以看出，再生混凝土的变形模量随着混凝土取代率的变化特征同弹性模量随着混凝土取代率的变化特征基本相同，都是随着再生混凝土取代率的增加而减少。当再生混凝土的取代率为30 %时，其变形模量为天然混凝土变形模量的59.7 %，不同的是当再生混凝土的取代率超过15 %的时候，再生混凝土的变形模量变化相对较大，这比弹性模量随再生混凝土取代率突变的起始点偏低，这表明变形模量随再生混凝土取代率变化的敏感性比弹性模量随再生混凝土取代率变化的敏感性高。

3 再生混凝土压缩试验声波特征分析

　　本次进行再生混凝土的单轴竖向压缩全应力应变试验时，同步测试了再生混凝土的声学参数（波速和波幅），分析了再生混凝土在外荷载作用下的声学传播参数的变化特征。再生混凝土试件C-15-50-1 单轴竖向压缩试验时超声波传播参数测试结果如表3 所列。

3.1 再生混凝土压缩试验声波波速特征

　　根据表3 的结果绘出再生混凝土试件C-15-50-1超声波传播波速随其轴向压缩变形的变化曲线，如图4 所示。由图4 中的曲线可以看出，再生混凝土试件C-15-50-1 声波传播波速随着混凝土的轴向压缩变形先增大后减小，当再生混凝土试件的轴向压缩变形达到2.01×10-3 的时候，再生混凝土的超声波传播波速最大；当轴向压缩应变达到6.03×10-3 的时候，再生混凝土的传播波速为初始波速的90.2 %，对该曲线进行拟合，可得出再生混凝土试件C-15-50-1超声波传播波速随轴向压缩变形的曲线方程为

y= −24.937x2 + 75.545x + 5 065.8

　　（1）式中： y 为超声波传播波速； x 为再生混凝土轴向压缩应变。该曲线拟合的相关系数R2 = 0.965，说明用二次曲线拟合再生混凝土声波传播波速随轴向压缩变形的变化是合适的。

3.2 再生混凝土压缩试验声波波幅特征

　　根据表3 也可以绘出再生混凝土试件C-15-50-1超声波传播波幅随其轴向压缩变形的变化曲线，如图5 所示。可以看出，再生混凝土试件C-15-50-1 在单轴竖向压缩试验过程中，超声波在再生混凝土中传播的波幅先增大后减小，这与波速在再生混凝土中的传播规律相同。当再生混凝土的轴向应变达到1.34×10-3 时，超声波在再生混凝土中传播的波幅最大，这是因为在对再生混凝土进行轴向压缩的时候，再生混凝土原有的裂纹在加压初期得到愈合，再生混凝土被压密实，超声波传播时的阻抗变大，波速和波幅增大，但是随着应力的增大再生混凝土内开始出现破坏裂纹，随着破坏裂纹的增多，声波传播时候的阻抗变小，这样超声波传播时候的波速和波幅也就会变小。

4 循环荷载作用下再生混凝的变形规律

　　在循环荷载作用下再生混凝土由于变形的发展而最终导致破坏，研究再生混凝土在循环荷载作用下变形的发生及发展规律是研究再生混凝土力学性能的重要部分。本次研究在多功能数控液压伺服试验机上进行了不同配合比的再生混凝土试块单轴竖向循环加载试验，试验时测试了在单轴竖向应力作用下再生混凝土的竖向变形。由于裂纹前方损伤过度区的存在，再加载过程一开始就是非弹性的[4]。

　　在每一次循环作用下再生混凝土的竖向变形都是一个动态的变化值，为了较好地研究循环荷载作用下再生混凝土变形规律，笔者选择在每一次循环荷载作用下的残余变形进行研究。再生混凝土试件C15-50-6 试验结果见表4。根据表4 的结果，绘出再生混凝土在轴向循环荷载作用下变形演化曲线，如图6 所示。在轴向循环荷载作用下再生混凝土的损伤变形发展可分为三个阶段：

　　第一阶段：再生混凝土的循环压密变形阶段。混凝土内部常常含有大量微、细观裂纹，这些微裂纹是材料原始存在的[5]，在初始阶段随着循环次数的增加，再生混凝土内部原有的裂纹被压实，再生混凝土的密实度越来越高。这一阶段的变形曲线可以拟合为幂函数方程y = axb ，其中a 为反映在同样的循环荷载应力比的作用下再生混凝土的初始变形性能的参数；b 为反映在循环加载过程中不同类型的再生混凝土在相同的应力比作用下的变形快慢参数。

　　第二阶段：再生混凝土循环加载下变形线形增长阶段。这一阶段的变形发展可以用一阶线性方程进行拟合，即Y=cx+d，其中c 反映这一阶段循环荷载作用下变形速率的参数。

　　第三阶段：再生混凝土循环加载下加速破坏阶段。这一阶段的变形发展可以用指数函数来表示，即Y=ee^fx ，其中f 是反映再生混凝土变形加速发展快慢的参数。

5 结论

　　通过对再生混凝土进行一系列试验得出如下结论：

　　（1）随着再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的应力峰值在减少，即再生混凝土的极限承载力在减少。

　　（2）随着再生混凝土取代率的增加，再生混凝土的弹性模量减少。特别是当取代率超过20 %的时候，再生混凝土的弹性模量随取代率增大而减小的变化趋势相对较快。

　　（3）再生混凝土的变形模量随着混凝土取代率的变化特征同弹性模量随混凝土取代率的变化特征基本相同，都是随着再生混凝土取代率的增加而减少。但是变形模量随混凝土取代率变化的起点比弹性模量相对较低，变形模量随再生混凝土取代率变化的敏感性比弹性模量随混凝土取代率变化的敏感性高。

　　（4）再生混凝土声波传播波速随着再生混凝土的轴向压缩变形先增大后减小，再生混凝土超声波传播波速与再生混凝土的轴向压缩变形关系符合二次曲线变化特征。

　　（5）在再生混凝土轴向压缩试验过程中，超声波在再生混凝土中传播的波幅先增大后减小，与波速在再生混凝土中的传播特征相同。

　　（6）再生混凝土在轴向循环荷载的作用下，其变形发生和发展经历了3 个阶段，分别为循环压密阶段、线形变形阶段和加速破坏阶段。

参考文献

　　[1] 赵红晓, 陈道普. 废弃混凝土的回收利用——再生混凝土[J]. 河南建材, 2003, (2): 20－23.ZHAO Hong-xiao, CHEN Dao-pu. Recycled aggregateconcrete reused of the disuse concrete[J]. HenanMaterial of Construction, 2003, (2): 20－23.

　　[2] 马嵘. 论再生混凝土在生态建筑中的意义[J]. 混凝土,2003, (10): 21－27.MA Rong. The sense of reproductive concrete in theecological construction[J]. Concrete, 2003, (10): 21－27.

　　[3] 万惠文, 水中和, 林宗寿, 等. 再生混凝土的环境评价[J].武汉理工大学学报, 2003, 25(4): 17－21.WAN Hui-wen, SHUI Zhong-he, LIN Zong-shou, et alEnvironmental assessment for regenerated concrete[J].Journal of Wuhan University of Technology, 2003,25(4): 17－21.

　　[4] 沈新普. 循环荷载下层间界面反平面剪切破坏的解析解: 2. 再加载及综合响应分析[J]. 工程力学, 2001,18(5): 43－48.SHEN Xin-pu. Analytical solution for interface failureunder cyclic loading: 2.reloading behavior and synthesisof response[J]. Engineering Mechanics, 2001, 18(5): 43－48.

　　[5] 崔崧, 黄宝宗, 张凤鹏, 等. 准脆性材料的弹塑性损伤耦合模型[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(19): 3 221－3 225.CUI Son, HUANG Bao-zong, ZHANG Feng-peng, et al.Coupled elastoplastic-damage model for quasi-brittlesolids[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics andEngineering, 2004, 23(19): 3 221－3 225.

原作者：骆行文　管昌生

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