再生混凝土單軸受壓應力-應變?nèi)€試驗

王雪婷，楊德健

(天津城市建設(shè)學院 土木工程系，天津 300384)

混凝土的應力-應變?nèi)€既是混凝土基本受壓特性的綜合性宏觀反映，又是研究混凝土結(jié)構(gòu)承載力和變形的主要依據(jù)，它對于分析構(gòu)件極限狀態(tài)時截面的應力分布、彈塑性全過程以及抗震結(jié)構(gòu)和抗爆結(jié)構(gòu)的延性和恢復力特性具有重要意義.目前，關(guān)于普通混凝土的應力-應變?nèi)€的研究已經(jīng)有很多，但對于再生混凝土應力-應變?nèi)€的研究則相對較少[1-2].本文通過試驗研究，分析了不同再生粗骨料取代率的再生混凝土應力-應變?nèi)€的特點，并對曲線進行擬合，提出適合再生混凝土的應力-應變曲線方程，為再生混凝土的應用提供理論依據(jù).

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥為駱駝牌42.5R普通硅酸鹽水泥，砂為天然黃砂，拌合水為自來水，天然粗骨料為天然碎石，級配為連續(xù)級配.再生粗骨料由老城區(qū)改造產(chǎn)生的廢棄混凝土加工而成，最大粒徑 31.5 mm，以 9.5 mm、16 mm粒徑居多.粗骨料基本性能見表1.

表1 粗骨料的基本性能

1.2 混凝土配合比設(shè)計

分別配制 4種不同再生骨料取代率0%，30%，50%，100%的 C30再生混凝土，制作 6個 100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱體試塊，用取芯機取出 24個尺寸為 φ50 mm×100 mm 的圓柱體試塊用于測試應力-應變?nèi)€[3-4].再生混凝土詳細配合比見表2.

表2 再生混凝土配合比

1.3 試驗設(shè)備與加載制度

試件在常溫下養(yǎng)護 28 d后，通過萬能試驗機測試其棱柱體抗壓強度.本試驗應用RMT-150試驗機進行應力-應變曲線測試(該設(shè)備可測出包括再生混凝土應力-應變曲線下降段的全曲線).初始加載方式采用力控制，在荷載達到預估軸壓峰值荷載的 80%時采用位移控制，試件加載裝置如圖1所示.

圖1 試件加載裝置

2 試驗結(jié)果

按再生粗骨料取代率不同將試驗分為四組，每組取 6個試件.試驗所得的每條曲線均取自 6塊圓柱體全曲線的平均值.各組試件的彈性模量實測值、平均峰值的應力與應變等參數(shù)列于表3.圖2給出了實測的不同再生粗骨料取代率下再生混凝土的應力-應變?nèi)€.

表3 各組試件的相關(guān)參數(shù)

圖2 再生混凝土應力-應變?nèi)€

由圖2可以看出：再生粗骨料取代率對混凝土的應力應變?nèi)€有較大影響，但均由上升段和下降段組成，且存在比例極限點、臨界應力點、峰值點、反彎點和收斂點.但隨著再生粗骨料取代率的增加，應力應變?nèi)€上升段的斜率逐漸減小，表明再生混凝土的彈性模量降低；下降段變陡，表明材質(zhì)變脆.

3 結(jié)果分析

3.1 彈性模量分析

再生混凝土的彈性模量隨再生粗骨料取代率的變化關(guān)系如3圖所示.

圖3 再生粗骨料取代率與彈性模量的關(guān)系曲線

由表3和圖3可以看出，再生混凝土的彈性模量總體上低于普通混凝土的彈性模量.分析其原因，混凝土的彈性模量受骨料和界面過渡區(qū)的影響.再生粗骨料孔隙率大、密度較天然骨料小、存在先天的微細裂紋，其彈性模量較低；此外，再生粗骨料表面附著水泥砂漿較多，造成了實際的砂率比普通混凝土的砂率大，這些都降低了再生混凝土的彈性模量.

3.2 峰值點分析

應力-應變曲線峰值應力、峰值應變隨再生粗骨料取代率的變化關(guān)系如圖4、圖5所示.

圖4 再生粗骨料取代率與峰值應力的關(guān)系曲線

圖5 再生粗骨料取代率與峰值應變的關(guān)系曲線

由表3及圖4可以看出：當再生粗骨料的取代率增大時，再生混凝土的峰值應力逐漸增大.其原因為再生骨料與新拌水泥砂漿之間有很好的相容性，彼此間存在發(fā)生化學反應的可能；再生骨料表面粗糙，界面咬合力強；再生骨料吸水率大，能吸收新拌水泥砂漿中多余的水分，這樣既降低了粗骨料表面的水灰比，也降低了混凝土拌合物的有效水灰比.

由表3及圖5可以看出：再生混凝土的峰值應變較普通混凝土略微增加.可見，在達到峰值應力之前，再生混凝土的變形能力較普通混凝土的略好.峰值應變與混凝土的彈性模量有關(guān)，再生骨料的性質(zhì)決定了再生混凝土的彈性模量比普通混凝土彈性模量小.因此，再生混凝土的峰值應變比普通混凝土的峰值應變大.

4 應力-應變?nèi)€方程

以 σ/fc和 ε/εp為坐標的應力-應變?nèi)€見圖6，其中σ 為應力，ε為應變.

圖6 再生混凝土無量綱的應力-應變?nèi)€

由圖6可見，曲線的上升段和下降段有明顯的區(qū)別，本文采用文獻[5]給出的方程進行擬合

其中：x 表示 ε/εp，y表示 σ/fc.

將試驗所得的數(shù)據(jù)，用最小二乘法計算擬合，得到各再生粗骨料取代率下待定參數(shù)a和b，見表4，相應的相關(guān)系數(shù)均在0.97以上.由表4可見，再生混凝土的a值比普通混凝土的小，而且隨著再生粗骨料取代率的增加，a值不斷減小，表明混凝土的彈性模量降低；而再生混凝土的 b值比普通混凝土的大，說明再生混凝土的脆性增大.

表4 不同取代率再生混凝土應力-應變?nèi)€的參數(shù)擬合結(jié)果

分別以r = 30%和r = 100%為例，利用所得到的a和 b值，代入方程(1)，得到應力-應變?nèi)€方程(2)、(3)及全曲線與實測的全曲線對比(見圖 7).經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，二者吻合良好[6-8].

圖7 應力-應變擬合全曲線與實測全曲線比較

5 結(jié) 論

(1)再生混凝土的彈性模量總體上比普通混凝土的彈性模量低，其降低的幅度隨著再生粗骨料取代率的變化而不同.

(2)再生混凝土的應力-應變?nèi)€與普通混凝土的應力-應變?nèi)€類似，分上升段和下降段，且峰值應變和峰值應力均隨再生粗骨料取代率的增加而增加.但下降段曲線較普通混凝土的陡，說明再生混凝土的材質(zhì)變脆.

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