再生混凝土動態(tài)直接拉伸的試驗(yàn)研究

滕　驍， 盧玉斌， 陳　興， 于水生， 姜錫權(quán)

(1. 西南科技大學(xué) 制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽　621010；2. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽　110819； 3. 解放軍陸軍軍官學(xué)院,四系 合肥　230031)

再生混凝土動態(tài)直接拉伸的試驗(yàn)研究

滕驍1， 盧玉斌1， 陳興1， 于水生2， 姜錫權(quán)3

(1. 西南科技大學(xué) 制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽621010；2. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，沈陽110819； 3. 解放軍陸軍軍官學(xué)院,四系 合肥230031)

摘要：利用大直徑(75 mm)分離式霍普金森拉桿(SHTB)，對再生粗骨料取代率分別為0%、25%、50%、75%和100%的5組圓柱體再生混凝土試樣進(jìn)行應(yīng)變率范圍為100～102 s-1的動態(tài)直接拉伸實(shí)驗(yàn)，研究再生混凝土的動態(tài)直接拉伸力學(xué)性能及其破壞形態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度隨平均應(yīng)變率的增加而增大，而再生混凝土的破壞形態(tài)與平均應(yīng)變率有關(guān)，這表明再生混凝土具有明顯的率敏感性。在相同水灰比下，再生混凝土準(zhǔn)靜態(tài)拉伸強(qiáng)度比普通混凝土低1.3%～15.9%，動態(tài)拉伸強(qiáng)度比普通混凝土低1.7%～29%，此研究為再生混凝土的工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：再生混凝土；再生粗骨料；取代率；動態(tài)直接拉伸；SHTB

廢棄混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級后，與天然骨料按一定的比例混合形成再生粗骨料，部分或全部代替天然骨料配制而成的混凝土稱為再生骨料混凝土(Recycled Aggregate Concrete, RAC)，簡稱再生混凝土[1]。再生混凝土技術(shù)能夠從根本上解決廢棄混凝土的出路問題，對于保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、發(fā)展生態(tài)建筑等具有重要意義，是發(fā)展綠色混凝土的主要手段之一[2]。針對再生混凝土的物理力學(xué)以及耐久性等性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，研究結(jié)果表明再生混凝土技術(shù)可以應(yīng)用于實(shí)際工程中。

混凝土的拉壓強(qiáng)度存在嚴(yán)重不對稱性，其靜態(tài)拉伸強(qiáng)度σts比壓縮強(qiáng)度σcs低大約一個量級，兩者關(guān)系一般為σts/σcs=0.07～0.11[3]。工程上，混凝土結(jié)構(gòu)主要承受壓縮載荷。但在爆炸沖擊載荷下，應(yīng)力波的作用使得混凝土材料的拉伸失效上升為主要矛盾[4]。但是現(xiàn)今對于混凝土的拉伸性能研究較少，而對其動態(tài)直接拉伸的實(shí)驗(yàn)研究則更少。因?yàn)閯討B(tài)直接拉伸試驗(yàn)在拉伸加載控制和試樣連接等方面的特殊困難，目前對混凝土動態(tài)拉伸行為的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在利用霍普金森壓桿開展巴西圓盤劈裂試驗(yàn)[5]和層裂試驗(yàn)[6]，只有極少學(xué)者開始做動態(tài)直接拉伸試驗(yàn)[7-8]。幾十年來，眾多研究者利用巴西試驗(yàn)研究混凝土等脆性材料的抗拉性能，但巴西試驗(yàn)是一種間接拉伸試驗(yàn)。它的優(yōu)點(diǎn)是操作簡便，其缺點(diǎn)是拉應(yīng)力場不均勻，且由于試件尺寸因素，在動態(tài)情況下沿加載方向的應(yīng)力也不易均勻。層裂試驗(yàn)相對也比較簡單，該試驗(yàn)中材料所經(jīng)歷的應(yīng)力歷史與某些實(shí)際情況下材料所經(jīng)歷的應(yīng)力歷史相吻合。但是試件制作難度增加。存在波在試件中的彌散及其它因素導(dǎo)致的衰減問題和試件中的波的識別和分離等問題。嚴(yán)格意義上講，層裂試驗(yàn)所獲得的拉伸強(qiáng)度不是原始材料的拉伸強(qiáng)度。當(dāng)需要研究原始材料的動態(tài)拉伸強(qiáng)度時，層裂試驗(yàn)就顯得不足。

本文利用75 mm直徑的霍普金森拉桿對再生混凝土進(jìn)行軸向動態(tài)直接拉伸試驗(yàn)，研究再生混凝土的動態(tài)拉伸力學(xué)性能和斷面破壞情況，討論再生粗骨料取代率對再生混凝土拉伸強(qiáng)度的影響，積累再生混凝土動態(tài)拉伸性能的數(shù)據(jù)，并為再生混凝土的工程應(yīng)用提供參考。

1試驗(yàn)方案

1.1試件制備

再生混凝土實(shí)驗(yàn)所用的材料為：① 再生粗骨料采用綿陽市某道路改造拆除的廢棄混凝土，該混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度不詳，廢棄混凝土經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎后，篩分、清洗成粒徑為10～20 mm的再生骨料；② 天然粗骨料為粒徑為10～20 mm的天然卵石；③ 水泥為42.5#普通硅酸鹽水泥；④ 細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.28的連續(xù)級配天然河砂；⑤ 水為綿陽市自來水。

混凝土的配合比往往直接地影響混凝土的力學(xué)性能。為了保證再生混凝土澆注時的工作流動性和養(yǎng)護(hù)成型后的強(qiáng)度，此次再生混凝土試驗(yàn)設(shè)計(jì)的水灰比(水與水泥的比例)為0.477，各材料配合比為水泥：水：細(xì)骨料：粗骨料=l∶0.477∶1.465∶3.418，其中粗骨料由天然粗骨料和再生粗骨料組成。根據(jù)取代率的不同，將試樣分為5種類型，如表1所列。類型PC-0為普通混凝土試件，類型RC-25、RC-50、RC-75、RC-100分別為再生粗骨料取代率為25%、50%、75%和100%的再生混凝土試件[9]。本次試驗(yàn)的試件為圓柱形，試件尺寸分為兩種規(guī)格，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)的試件尺寸為Φ100 mm×200 mm，動態(tài)拉伸試驗(yàn)的試件尺寸為Φ75 mm×37 mm。試樣24 h后脫模，然后放入混凝土養(yǎng)護(hù)箱(溫度20±2℃，濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)28天，試驗(yàn)時混凝土的齡期為( 300±5) d。

表1　再生混凝土試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)表

1.2試驗(yàn)方法

動態(tài)直接拉伸試驗(yàn)利用陸軍軍官學(xué)院先進(jìn)材料動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的分離式霍普金森拉桿完成，實(shí)體如圖1(a)所示(原圖摘自文獻(xiàn)[10])。整個裝置由發(fā)射系統(tǒng)、入射桿、透射桿、吸收桿、管狀子彈、以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成(如圖1(b)所示)，桿系直徑為75 mm，入射桿、透射桿和吸收桿桿長分別是6 000 mm、3 500 mm和3 000 mm[9]。桿系材料為45鋼，密度為7 800 kg/m3，楊氏模量為210 GPa。入射桿和透射桿上應(yīng)變片的貼片位置分別距離試件端面為2.4 m和1 m，整個實(shí)驗(yàn)中位置無變化。應(yīng)變片均采用電阻120 Ω，靈敏度系數(shù)為110的半導(dǎo)體應(yīng)變片。

(a)　Φ75 mmSHTB裝置實(shí)體圖

(b)　Φ75 mmSHTB裝置原理圖圖1　分離式霍普金森拉桿裝置圖Fig.1 Diagram of SHTB apparatus

一直以來，試件的連接方式是SHTB試驗(yàn)中的難點(diǎn)。本文試樣采用端面粘接的連接方式，并先后使用兩種膠水在26 ℃溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。一是采用文獻(xiàn)[9]中的方法，利用環(huán)氧樹脂膠作為粘接劑粘接端面，并在粘結(jié)面附近的圓周上加粘數(shù)層網(wǎng)狀鋼纖維，室溫放置24 h后進(jìn)行試驗(yàn)工作，試驗(yàn)效果如圖2(a)所示；二是不需加粘鋼纖維，直接利用某廠生產(chǎn)的新一代高強(qiáng)度快速膠粘劑粘接端面，室溫放置20 min后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)工作，試驗(yàn)效果如圖2(b)所示。兩種粘接方式均能保證采集到良好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對比發(fā)現(xiàn)，方法二更加簡便，效率更高。

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)則在西南科技大學(xué)制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的WDW-100型雙立柱微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，如圖3所示。

圖2　試件拉伸效果對比圖Fig.2 Comparison of specimen bonding effect

圖3　準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)Fig.3 Quasi-static tensile test

1.3桿中應(yīng)變測試

電壓-應(yīng)變的轉(zhuǎn)換系數(shù)由靜標(biāo)測得，即在惠斯通電橋橋臂上并聯(lián)大阻值電阻RB模擬應(yīng)變片中應(yīng)變的改變。本次試驗(yàn)采用1/4全等臂(每一橋臂上電阻值均為R)橋路，當(dāng)任意一橋臂并聯(lián)電阻時，電阻值發(fā)生改變，改變大小ΔR為：

(1)

而電阻值的變化與應(yīng)變成線性關(guān)系：

(2)

式中，K為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，ε為應(yīng)變值。同時，電阻的改變以電壓形式反映在示波器中，產(chǎn)生一個幅值為U0的輸出電壓。由式(1)～(2)即可求得電壓-應(yīng)變的轉(zhuǎn)換系數(shù)η：

(3)

1.4數(shù)據(jù)處理

首先確定入射信號起跳點(diǎn)(即入射波頭)Ti。動態(tài)直接拉伸試驗(yàn)中試件長度為37 mm，依照霍普金森桿實(shí)驗(yàn)中的基本假設(shè)，可以假定試件是沒有長度的界面，因而忽略波在試件中傳播的時間。然后由式(4)～(5)便可確定反射和透射信號的起跳時間：

(4)

(5)

式中，Tr和Tt分別為反射波和透射波的起跳點(diǎn)，L0、L1分別是兩桿應(yīng)變片到桿端的距離，C0是桿中的彈性波速。

分別確定三波的波頭和波尾，并通過電壓-應(yīng)變轉(zhuǎn)換系數(shù)求得入射桿和透射桿中應(yīng)變片記錄下的入射應(yīng)變、反射應(yīng)變和透射應(yīng)變。然后進(jìn)一步采用三波法公式計(jì)算試件中的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率。正如文獻(xiàn)[11]所述，三波法處理公式具有最高的可信度，且能最大程度地避免數(shù)據(jù)處理過程中的人為因素，對硬脆材料必需采用三波法才能給出足夠準(zhǔn)確的結(jié)果。而在SHPB數(shù)據(jù)處理中廣泛應(yīng)用的經(jīng)典二波法并不是最優(yōu)方法。三波法處理公式如式(6)～(8)所示：

(6)

(7)

(8)

1.5應(yīng)力平衡驗(yàn)證

為了保證在試件中盡可能早地達(dá)到應(yīng)力均勻、消除由于波幅而引起的振蕩，通過多組實(shí)驗(yàn)，最后采用了規(guī)格為Φ20 mm×1.5 mm的軟橡膠(自行車內(nèi)胎)作為波形整形器，以加大入射波的升時。根據(jù)發(fā)射子彈三種氣壓由低到高的順序，分別使用整形器數(shù)量為3、4、5個，并均勻粘貼于法蘭盤端面，如圖4所示。

但是，由于再生混凝土是非均質(zhì)復(fù)合材料，又是破壞應(yīng)變極小(小于5%)的脆性材料，應(yīng)力均勻假定仍然較難滿足。加之試驗(yàn)裝置是75 mm的大直徑桿，其本身也難以滿足一維應(yīng)力波假定，所以本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性需要驗(yàn)證。

圖4　波形整形器Fig.4 Pulse shapers

自周風(fēng)華等[12]給出試件內(nèi)部應(yīng)力的相對不均勻度的判斷依據(jù)以來，Lu等[13]提出了類似的應(yīng)力均勻性準(zhǔn)則，即應(yīng)力平衡因子R(t)判斷試樣中的應(yīng)力均勻程度：

(9)

式中,P1(t)和P2(t)分別為試樣與入射桿和透射桿的界面接觸力；ΔP(t)和Pavg(t)分別為P1(t)和P2(t)的差與平均值。應(yīng)力平衡因子R(t)越小，試樣中的軸向應(yīng)力分布越均勻。并人為規(guī)定當(dāng)R(t)≤0.05時SHPB試樣中的軸向應(yīng)力平衡條件滿足。

本文對所有試件進(jìn)行應(yīng)力平衡驗(yàn)證，并選取其中一個典型試件H-2進(jìn)行說明。H-2試件的試驗(yàn)所獲得的原始波形如圖5(a)所示，圖中透射脈沖峰值小于入射脈沖峰值，說明試件在加載的過程中已經(jīng)破壞；圖5(b)為入射波和反射波的對波圖；圖5(c)則比較了試件兩端應(yīng)力歷程關(guān)系。由圖可見再生混凝土的加載破壞點(diǎn)為225 μs時刻，破壞點(diǎn)附近175 μs～250 μs時間段為試件加載破壞段，峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變均在這段時間內(nèi)，曲線表明試件在加載破壞中基本保持了良好的應(yīng)力平衡狀態(tài)。在圖5(d)的動態(tài)平衡因子-時間曲線中，加載破壞段是整個曲線中的數(shù)值最小段。在193 μs～242 μs時間段內(nèi)應(yīng)力平衡因子25%>R(t)>4.5%，在222 μs～224 μs時間段內(nèi)R(t)<5%。

圖5　應(yīng)力平衡驗(yàn)證Fig.5 The stress equilbrium verification

本次試驗(yàn)中大部分試件均得到類似結(jié)果，若以R(t)≤0.05作為判斷試件應(yīng)力平衡的標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)所有試件均難滿足要求。考慮到混凝土的特殊性(拉伸破壞應(yīng)變極小，試件內(nèi)部難以實(shí)現(xiàn)真正的均勻狀態(tài))，應(yīng)力平衡標(biāo)準(zhǔn)R(t)≤0.05已不適用于此類材料。綜合本次試驗(yàn)中應(yīng)力平衡驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，本文設(shè)定當(dāng)R(t)≤0.25時，即滿足了試件內(nèi)部應(yīng)力均勻的要求。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1再生混凝土準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

再生混凝土準(zhǔn)靜態(tài)拉伸數(shù)據(jù)匯總及拉伸破壞形式分別如表2和圖6所示，試樣平均抗拉強(qiáng)度與粗骨料取代率之間的關(guān)系如圖7所示。

圖6　準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)前后對比Fig.6 Comparison before and after the quasi-static tensile test

由表2可知，抗拉強(qiáng)度離散性較小，抗拉強(qiáng)度隨再生粗骨料取代率的增加總體呈減小趨勢。取代率為25%和50%時，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度比普通混凝土分別低2.5%和6.1%；可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，當(dāng)取代率為100%時，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度最小，比普通混凝土低15.9%；而當(dāng)取代率為75%時，再生混凝土與普通混凝土抗拉強(qiáng)度最接近，只比普通混凝土低1.3%，此取代率下再生粗骨料與天然粗骨料的級配最優(yōu)。以上結(jié)果表明，再生混凝土抗拉強(qiáng)度較普通混凝土低，再生粗骨料取代率在0%～75%范圍內(nèi)時，骨料取代率對拉伸強(qiáng)度的影響不大。

圖7　再生混凝土準(zhǔn)靜態(tài)平均抗拉強(qiáng)度與骨料取代率的關(guān)系Fig.7 Relation of average quasi-static tensile strength of RAC and the replacement ratio of recycled coarse aggregates

針對再生混凝土抗拉強(qiáng)度開展的試驗(yàn)研究中，大部分研究結(jié)果也表明在相同條件下再生混凝土抗拉強(qiáng)度較普通混凝土的抗拉強(qiáng)度低，只是降低的程度不一樣。Jau等[14]通過靜態(tài)劈裂試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗拉強(qiáng)度比普通混凝土低7.44%～20%。Kou等[15]也得出了類似的結(jié)論，其試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著再生粗骨料取代率增加，再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度降低，總體而言，再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度比普通混凝土低18.2%。肖建莊等[16]通過再生混凝土單軸抗拉試驗(yàn)得到，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度隨再生粗骨料取代率的增加而減小，當(dāng)再生粗骨料的取代率為100%時，其抗拉強(qiáng)度減小31%，他認(rèn)為造成抗拉強(qiáng)度降低的原因，可能是因?yàn)樵偕炷羶?nèi)再生粗骨料與水泥石之間界面結(jié)合較弱。張波志等[17]也持這樣的觀點(diǎn)，他指出雖然再生骨料和水泥石界面間的摩擦因數(shù)較大，但是對抗拉強(qiáng)度的影響極小。另外他還認(rèn)為，再生混凝土內(nèi)部缺陷以及大量的微裂縫，也是導(dǎo)致再生混凝土抗拉強(qiáng)度降低的一個原因。

表2　準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2再生混凝土動態(tài)直接拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文對45個試件進(jìn)行動態(tài)拉伸試驗(yàn)，其中39個試件得到了可信的數(shù)據(jù)，其結(jié)果如表3所示。拉伸過程中的平均應(yīng)變率是試件從開始加載到破壞階段內(nèi)應(yīng)變率的算術(shù)平均值。

使用三波法式(6)～(8)計(jì)算出的部分應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果如圖8所示，其中圖8(a)為PC-0試件原始數(shù)據(jù)曲線和平滑后曲線。由于實(shí)驗(yàn)過程中的隨機(jī)誤差和電信號波動，原始曲線的毛刺較多，借助Origin8.0軟件中的FFT濾波器平滑功能對曲線進(jìn)行了平滑和濾波處理。經(jīng)過多次平滑效果對比，設(shè)置平滑曲線的截止百分比(cutoff percentage)值為20，平滑后，毛刺消除且曲線形狀未發(fā)生改變，其它圖像均采用此種方法處理。由圖8可知，應(yīng)力在最初階段呈線性增長的趨勢，達(dá)到屈服極限后增長變平緩，直到達(dá)到拉伸極限后混凝土失效，應(yīng)力隨之下降。隨著應(yīng)變率的增大，峰值應(yīng)力也隨之變大，顯示了再生混凝土的應(yīng)變率效應(yīng)。

表3　動態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1應(yīng)變率對抗拉強(qiáng)度的影響

應(yīng)變率對抗拉強(qiáng)度的影響可用動態(tài)拉伸增長因子DIF(Dynamic Increase Factor，動態(tài)拉伸強(qiáng)度和靜態(tài)拉伸強(qiáng)度的比值)來表征：

(10)

式中,σts為再生混凝土準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的抗拉強(qiáng)度。普遍認(rèn)為，混凝土類材料的DIF值與應(yīng)變率的常用對數(shù)之間呈雙線性關(guān)系。因此，按照式(11)進(jìn)行線性擬合：

(11)

再生混凝土DIF值與平均應(yīng)變率的常用對數(shù)之間關(guān)系的擬合結(jié)果如圖9所示，圖中包括再生骨料取代率為0～100%的全部有效數(shù)據(jù)，其中準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)的應(yīng)變率范圍在10-5～10-4s-1之間。從圖中可以明顯看到，在轉(zhuǎn)折應(yīng)變率之前，DIF隨應(yīng)變率的增加而緩慢增長。在轉(zhuǎn)折應(yīng)變率之后，DIF隨著應(yīng)變率的增加而急劇增大。這表明再生混凝土有較強(qiáng)的率敏感性。一般認(rèn)為[18]，混凝土強(qiáng)度的增加主要是由于隨著應(yīng)變率的增加，混凝土在破壞時內(nèi)部微裂縫來不及充分?jǐn)U展，導(dǎo)致混凝土骨料的破壞。應(yīng)變率越高，混凝土骨料破壞得越多， 從而混凝土的強(qiáng)度就越大。盧玉斌等[19]對

圖8　再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress versus strain curves of RAC specimens

此現(xiàn)象給出了一種解釋，他認(rèn)為在宏觀尺度上，動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)中抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)是材料的一種固有屬性，而非由結(jié)構(gòu)效應(yīng)引起的。根據(jù)分析結(jié)果，他提出了一個基于動態(tài)斷裂力學(xué)的微觀力學(xué)模型，由動態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)所測量的抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增加而提升的現(xiàn)象，在很大程度上是由微裂紋慣性引起的。

表4　式(11)中的參數(shù)值

圖9　DIF與再生混凝土平均應(yīng)變率常用對數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between DIF and the common logarithm of average strain-rate for RAC specimens

2.2.2平均應(yīng)變率和骨料取代率對破壞形態(tài)的影響

從破壞形態(tài)來看，大部分試件從中間斷裂，個別試件在靠近粘接端斷裂，斷裂形態(tài)與應(yīng)變率和骨料取代率之間沒有明顯的關(guān)系。

圖10　不同應(yīng)變率下再生混凝土的拉伸斷面Fig.10 Tensile fracture surfaces of RAC under different strain-rates

2.2.3骨料取代率對平均抗拉強(qiáng)度的影響

圖11所示為兩種入射波加載條件下再生混凝土動態(tài)拉伸骨料取代率與平均抗拉強(qiáng)度的關(guān)系。由圖可知，在同種入射波加載下普通混凝土的平均抗拉強(qiáng)度值都高于再生混凝土，這與靜態(tài)拉伸條件下的結(jié)論一致。在70～100 MPa入射波下，強(qiáng)度最小值出現(xiàn)在骨料取代率為25%處，再生混凝土的平均抗拉強(qiáng)度值比普通混凝土低29%；取代率為100%時，再生混凝土與普通混凝土的平均抗拉強(qiáng)度最接近，只比后者低1.7%；取代率為50%和75%時，前者比后者分別低7.2%和15.2%。在100～130 MPa入射波下，強(qiáng)度最小值同樣出現(xiàn)在骨料取代率為25%處，再生混凝土的平均抗拉強(qiáng)度值比普通混凝土低18.6%；而最接近普通混凝土強(qiáng)度的是取代率為50%的再生混凝土，其強(qiáng)度只比普通混凝土低4.1%；取代率為75%和100%條件下，再生混凝土比普通混凝土平均抗拉強(qiáng)度分別低15.8%和9.4%。

圖11　不同入射波峰值應(yīng)力下粗骨料取代率與平均抗拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.11 Relation of average tensile strength ofRAC and replacement ratio of recycled coarse aggregates under different incident pulse peak stess

由以上分析可知，在動態(tài)直接拉伸實(shí)驗(yàn)中，再生混凝土抗拉強(qiáng)度比普通混凝土低1.7%～29%，在再生粗骨料取代率為0%～50%和50%～100%區(qū)間，抗拉強(qiáng)度均隨著取代率的增加先減小后增大。造成這種現(xiàn)象的原因，一方面可能是因?yàn)樵偕炷林写止橇显谌我粰M截面的分布具有隨機(jī)性，難以保證分布的絕對均勻性，所以再生混凝土在其橫截面內(nèi)抵抗拉伸的能力也未均勻分布；另一方面，再生粗骨料大小的隨機(jī)性，使得粗骨料與砂漿接觸面積大小不一，造成抗拉強(qiáng)度大小也不一致；另外，由于再生粗骨料比天然粗骨料存在更多微裂紋缺陷，在動態(tài)加載下使得大部分再生粗骨料因受力而沿紋理開裂，既增加摩擦力，又增加了棱角效應(yīng)，使得某些取代率區(qū)間內(nèi)抗拉強(qiáng)度隨著取代率的增加不降反升。

3結(jié)論

本文通過兩種各5組不同取代率(0，25%，50%，75%，100%)再生混凝土試樣，進(jìn)行了動態(tài)直接拉伸試驗(yàn)和準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗(yàn)，結(jié)合同類試驗(yàn)結(jié)果的發(fā)現(xiàn)，探究再生粗骨料取代率及應(yīng)變率與再生混凝土力學(xué)性能指標(biāo)之間的關(guān)系，得到如下結(jié)論：

(1) 混凝土動態(tài)拉伸試驗(yàn)中試件內(nèi)部難以實(shí)現(xiàn)真正的均勻狀態(tài)，應(yīng)力平衡標(biāo)準(zhǔn)R(t)≤0.05難以滿足。適當(dāng)放寬條件，可設(shè)定R(t)≤0.25為混凝土試件內(nèi)部應(yīng)力均勻的標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 再生混凝土抗拉強(qiáng)度較普通混凝土低，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度與再生粗骨料的取代率之間不呈線性規(guī)律。準(zhǔn)靜態(tài)拉伸狀態(tài)下，再生粗骨料取代率在0%～75%范圍內(nèi)時，取代率對抗拉強(qiáng)度的影響不大，取代率在75%～100%范圍內(nèi)時，抗拉強(qiáng)度急劇下降，再生混凝土抗拉強(qiáng)度比普通混凝土低1.3%～15.9%。動態(tài)拉伸狀態(tài)下，隨再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土抗拉強(qiáng)度未呈現(xiàn)明顯規(guī)律性，其抗拉強(qiáng)度比普通混凝土低1.7%～29%。

(3) 再生混凝土DIF值與平均應(yīng)變率的常用對數(shù)之間呈雙線性關(guān)系，靜態(tài)拉伸與動態(tài)拉伸的轉(zhuǎn)折應(yīng)變率為0.414 s-1。在動態(tài)拉伸時，再生混凝土的抗拉強(qiáng)度隨平均應(yīng)變率的增加而增大，說明再生混凝土具有較強(qiáng)的率敏感性。

(4) 低應(yīng)變率時，再生混凝土少量粗骨料被拉斷，再生混凝土拉伸強(qiáng)度取決于砂漿和粗骨料界面的強(qiáng)度；中等應(yīng)變率時，再生混凝土粗骨料部分被拉斷，此時粗骨料的強(qiáng)度和砂漿與粗骨料界面的強(qiáng)度均是影響拉伸強(qiáng)度的主要因素；高應(yīng)變率時，再生混凝土大部分骨料被拉斷，粗骨料的強(qiáng)度成為影響拉伸強(qiáng)度的最主要因素。

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Tests for dynamic direct tensile of recycled aggregate concrete

TENG Xiao1, LU Yu-bin1, CHEN Xing1, YU Shui-sheng2, JIANG Xi-quan3

(1. Ministry of Education Key Laboratory of Testing Technology for Manufacturing Process, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;2. College of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;3. The No.4 Department, Army Officer Academy of PLA, Hefei 230031, China)

Abstract:To study the direct tensile properties and fracture patterns of recycled aggregate concrete (RAC) with various replacement percentages (0%, 25%, 50%, 75% and 100%) of recycled coarse aggregates, the dynamic direct tensile tests of RAC within a strain-rate range of 100～102 s-1were conducted using large diameter (75 mm) split Hopkinson tensile bar (SHTB). Test results showed that the tensile strength of RAC increases with increase in the average strain-rate, and the average strain-rate affects the damage form of RAC, so RAC has an obvious rate sensitivity; under the same water cement ratio, the quasi-static tensile strength and dynamic tensile strength of RAC are 1.3%～15.9% and 1.7%～29% lower than those of ordinary concrete, respectively. This study provided a theoretical basis for engineering applications of RAC.

Key words:recycled aggregate concrete; recycled coarse aggregates; replacement percentage; dynamic derect tensile; SHTB

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308480)；西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(14ycxjj0122)

收稿日期：2015-01-07修改稿收到日期：2015-06-14

通信作者盧玉斌 男，博士，副研究員，1980年生

中圖分類號:O347.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.09.008

第一作者 滕驍 男，碩士生，1989年生