周靜海 吳迪 趙庭鈺 郭易奇
摘要:為研究再生粗骨料替代率、廢棄纖維體積摻入量對(duì)廢棄纖維再生混凝土受壓徐變破壞時(shí)間、徐變變形和徐變度的影響規(guī)律,對(duì)普通混凝土、再生混凝土和廢棄纖維再生混凝土試件在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了85%、90%和95%應(yīng)力水平的徐變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著再生粗骨料替代率的增加,徐變破壞的時(shí)間縮短、徐變變形及徐變度增大;隨著廢棄纖維體積摻入量的增加,徐變變形及徐變度減小,徐變破壞時(shí)間增加。廢棄纖維的加入能有效緩解再生混凝土受壓徐變的破壞程度。在考慮再生粗骨料替代率及廢棄纖維體積摻入量的基礎(chǔ)上,對(duì)ACl209R徐變預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正,模型預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好。
關(guān)鍵詞:廢棄纖維;再生混凝土;高應(yīng)力;徐變破壞;徐變預(yù)測(cè)模型
中圖分類號(hào):TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):2096-6717(2019)06-0143-09
中國(guó)每年會(huì)產(chǎn)生大量建筑垃圾,如何有效處理這些建筑垃圾已成為亟待解決的問(wèn)題。具有造價(jià)低、節(jié)約資源等優(yōu)勢(shì)及顯著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的再生混凝土無(wú)疑是克服傳統(tǒng)處理方式缺點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)資源可持續(xù)利用的有效方法。但隨著對(duì)再生混凝土研究的深入,再生骨料孔隙率大、早期裂紋多等問(wèn)題相繼暴露,這就使得再生混凝土體積穩(wěn)定性較普通混凝土差,更易開(kāi)裂。而廢棄纖維具有質(zhì)輕、吸水率低和耐酸堿性好等特點(diǎn),可顯著減小再生混凝土內(nèi)部微裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度和寬度,使混凝土的抗?jié)B性能得到明顯改善,因此,廢棄纖維再生混凝土便應(yīng)運(yùn)而生。
學(xué)者們已對(duì)再生混凝土長(zhǎng)期徐變性能開(kāi)展了大量工作,一般認(rèn)為,再生骨料替代率增加,再生混凝土的徐變也隨之增加,Domingo-Cabo等通過(guò)試驗(yàn)研究得到了相同的結(jié)論,在90d的徐變?cè)囼?yàn)中,再生粗骨料取代率為50%和i00%的再生混凝土較基準(zhǔn)混凝土的徐變變形增長(zhǎng)25%和62%。Geng等等對(duì)40個(gè)再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土柱進(jìn)行8個(gè)月的長(zhǎng)期荷載作用后,表明再生混凝土柱的徐變變形比普通混凝土柱大50%~120%。曹萬(wàn)林等對(duì)6根再生混凝土足尺梁進(jìn)行了750d的長(zhǎng)期穩(wěn)定加載,發(fā)現(xiàn)隨著再生粗骨料取代率的增加,再生混凝土梁的徐變系數(shù)初期增長(zhǎng)趨勢(shì)一致,但隨著時(shí)間的推移,后期的差異會(huì)逐漸變大。Ravindrarajah等研究發(fā)現(xiàn),再生混凝土的徐變變形與水灰比呈正比關(guān)系,再生骨料表面附著的老舊水泥砂漿是再生混凝土徐變變形大的主要原因。肖建莊等通過(guò)試驗(yàn)證明,再生混凝土加載時(shí)的齡期越早則徐變值越大。羅素蓉等通過(guò)試驗(yàn)得出如果用預(yù)處理過(guò)的高品質(zhì)再生骨料拌制而成的再生混凝土進(jìn)行徐變?cè)囼?yàn),則其徐變變形會(huì)明顯減小。肖建莊等研究發(fā)現(xiàn),再生混凝土所受荷載的應(yīng)力水平越高,徐變?cè)黾釉娇?,且持荷?yīng)力比超過(guò)0.4后,其徐變?cè)鲩L(zhǎng)會(huì)表現(xiàn)出明顯的非線性。
摻合料及纖維可以改善混凝土的徐變性能。大量的試驗(yàn)證明摻加粉煤灰后,混凝土的徐變性能發(fā)生了很大的改變,通常情況下,粉煤灰混凝土的徐變小于普通混凝土。Castel等通過(guò)試驗(yàn)證明在再生混凝土中摻人礦渣等礦物摻合料也可以明顯降低其徐變度。周靜海等通過(guò)非金屬超聲檢測(cè)儀測(cè)定技術(shù)研究了廢棄纖維再生混凝土在長(zhǎng)期荷載下的徐變,在加載初期,混凝土損傷發(fā)展的速率較快,損傷變量會(huì)隨著再生粗骨料取代率的增大而增大,在再生混凝土中添加廢棄纖維可以增強(qiáng)混凝土承受損傷的能力。于俊超對(duì)比研究各種工程纖維混凝土加載后的徐變性能發(fā)現(xiàn),彈性模量低于基準(zhǔn)混凝土的工程纖維對(duì)于混凝土徐變性能不但沒(méi)有抑制作用,還會(huì)增加其內(nèi)部缺陷,增大混凝土的徐變變形。而彈性模量遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)混凝土的工程纖維則可以抑制混凝土徐變,但摻量過(guò)大時(shí),工程纖維與基體之間大量增加的界面層會(huì)減弱纖維對(duì)徐變的抑制作用。
分析長(zhǎng)期荷載作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫、破壞和屈曲等問(wèn)題,必須考慮徐變的作用和影響。盡管學(xué)者們對(duì)于混凝土的徐變性能做了大量的研究,但對(duì)于廢棄纖維再生混凝土的徐變研究尚少。本文設(shè)計(jì)了5組試件,通過(guò)其高應(yīng)力持續(xù)作用下的徐變?cè)囼?yàn),分別研究再生粗骨料替代率、廢棄纖維體積摻入量以及應(yīng)力水平對(duì)廢棄纖維再生混凝土抗壓徐變的影響。
1試驗(yàn)概況
1.1試件設(shè)計(jì)
1.1.1試驗(yàn)材料水泥選用P.042.5普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料為天然中砂。水為沈陽(yáng)建筑大學(xué)自來(lái)水。試驗(yàn)所用粗骨料分為兩種,一種是從骨料廠購(gòu)置的天然粗骨料,一種是再生粗骨料。
再生粗骨料由沈陽(yáng)建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室里初始強(qiáng)度為C40的廢棄混凝土構(gòu)件,經(jīng)過(guò)人工破碎、清洗、篩分等一系列流程所制成。根據(jù)《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),測(cè)得再生粗骨料的各項(xiàng)基本性能見(jiàn)表1。試驗(yàn)的再生粗骨料性能符合《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
廢棄纖維來(lái)自廢舊丙綸地毯,材質(zhì)為聚丙烯纖維,經(jīng)過(guò)人工拆分,裁剪成長(zhǎng)度為19mm的纖維段,作為增強(qiáng)纖維摻人混凝土中,如圖1所示。纖維的密度為0.91g/cm3,直徑30um,極限伸長(zhǎng)率為15%~25%,彈性模量為3.79×103N/mm2,吸水率小于1%,耐酸堿性高。
1.1.2配合比 根據(jù)《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)的有關(guān)規(guī)定,設(shè)計(jì)尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱體試塊。共分5組,其中第1組為普通混凝土試件,其他4組為廢棄纖維再生混凝土試件。
因?yàn)樵偕止橇媳砻娓街罅康睦吓f砂漿,而且本身也存在著在制備過(guò)程中產(chǎn)生的微裂縫,所以孑L隙率和吸水率會(huì)變高。若是按照普通混凝土的配合比來(lái)制備再生混凝土,會(huì)降低有效水灰比,故在拌制再生混凝土?xí)r需加入附加水,各試件的配合比列于表2中,其中,NC為普通混凝土試件,RCA為再生粗骨料替代率為A%的再生混凝土試件,F(xiàn)RCA-B為再生粗骨料替代率為A%,廢棄纖維體積摻人量為B%的廢棄纖維再生混凝土試件。試驗(yàn)利用強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌制混凝土,采用干拌法制備廢棄纖維再生混凝土,先將水泥與砂攪拌均勻后將廢棄纖維分散投入,攪拌1min,使其在拌合物中均勻分布,加水繼續(xù)攪拌1min至水泥砂漿均勻,最后投入粗骨料拌制2~3min。
1.1.3廢棄纖維再生混凝土力學(xué)性能 進(jìn)行了廢棄纖維再生混凝土的基本力學(xué)性能試驗(yàn),混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和靜力受壓彈性模量試驗(yàn)均按照規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)進(jìn)行。立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)選用150mm×150mmX 150mm的標(biāo)準(zhǔn)試件;軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和靜力受壓彈性模量試驗(yàn)選用150mm×150mmX 300mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。廢棄纖維再生混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果列于表3、表4中。
1.2試驗(yàn)加載設(shè)計(jì)
試驗(yàn)分為3組,進(jìn)行高應(yīng)力作用下的徐變?cè)囼?yàn)。85%應(yīng)力水平下的徐變破壞試驗(yàn),選擇32t螺旋式機(jī)械千斤頂作為長(zhǎng)期持荷裝置,用螺栓固定橫鋼梁以承受荷載的反力,試驗(yàn)裝置如圖2所示。正式加載前,先用千斤頂加至預(yù)加荷載的20%,同時(shí),觀測(cè)設(shè)置在試件兩側(cè)的應(yīng)變讀數(shù)的變化,如兩側(cè)的應(yīng)變均不大于平均值的10%,表示試件受荷均勻,否則,重新調(diào)整對(duì)中,再次重復(fù)以上步驟,直至讀數(shù)符合要求。對(duì)中完畢后,繼續(xù)加荷,直到加至預(yù)加荷載,隨后保持荷載不變。
90%、95%應(yīng)力水平下采用反力架、50t螺旋式千斤頂進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖3所示,預(yù)加載方式與85%應(yīng)力水平下相同。荷載受荷均勻后,保持荷載恒定不變,當(dāng)力傳感器的讀數(shù)小于所需荷載的2%時(shí),應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)載,直至試件發(fā)生徐變破壞。觀察破壞狀態(tài),記錄徐變破壞曲線以及破壞時(shí)間。
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.185%應(yīng)力水平下徐變?cè)囼?yàn)結(jié)果與分析
在進(jìn)行徐變?cè)囼?yàn)前,首先進(jìn)行100mm×100mm×400mm的棱柱體極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),以確定每組徐變?cè)囼?yàn)的持荷應(yīng)力。棱柱體極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按照規(guī)范《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2016)進(jìn)行,每組取3個(gè)試塊,取其平均值作為棱柱體極限抗壓強(qiáng)度值,若所測(cè)得的最大值或最小值中的一個(gè)與中間值之差的絕對(duì)值大于中間值的15%,取中間值。廢棄纖維再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。廢棄纖維再生混凝土棱柱體的軸心抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著再生粗骨料替代率的增大而降低,隨著廢棄纖維體積摻入量的增多而增強(qiáng);在混凝土中摻入再生粗骨料和廢棄纖維會(huì)降低混凝土的彈性模量,但降低程度不大。
85%應(yīng)力水平下,試驗(yàn)齡期60d的徐變變形如圖5所示,徐變度如圖6所示。其中,徐變度是單位應(yīng)力作用下所發(fā)生的徐變應(yīng)變。85%應(yīng)力水平下徐變變形及徐變度均為每組3個(gè)試件進(jìn)行徐變?cè)囼?yàn)后的平均值。
由圖5可知,隨著再生粗骨料替代率的增加,徐變變形增大。徐變現(xiàn)象是由于混凝土內(nèi)部微裂縫的不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展所致,而再生粗骨料在回收破碎的過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生一些內(nèi)部損傷和微裂紋且再生粗骨料與水泥漿體的界面過(guò)渡區(qū)較為薄弱,在高應(yīng)力作用下很容易使界面和砂漿內(nèi)產(chǎn)生微裂縫,使再生混凝土產(chǎn)生較大的徐變變形。在再生混凝土中摻人廢棄纖維能夠降低其徐變變形。
由圖6可知,85%應(yīng)力水平下,RC50、FRCS0-0.08與NC徐變度變化曲線基本平行,而RCl00的徐變度變化曲線則偏離前三者距離較遠(yuǎn),徐變度增加的速度顯著加快,非線性關(guān)系明顯,說(shuō)明當(dāng)再生粗骨料替代率提升至100%時(shí),再生粗骨料本身的微裂縫等缺陷會(huì)顯著的增加混凝土的徐變變形。
2.290%、95%應(yīng)力水平試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.2.1再生粗骨料取代率 不同再生粗骨料替代率的混凝土在高應(yīng)力持續(xù)作用下所產(chǎn)生的徐變變形和發(fā)生徐變破壞的時(shí)間均存在一定差異。90%和95%應(yīng)力水平下,每組3個(gè)混凝土試件在發(fā)生徐變破壞前的徐變變形和徐變時(shí)間平均值如圖7所示。
由圖7(a)可知,在90%應(yīng)力水平作用下,RCS0和RC100同比NC的徐變變形分別增加了17.6%和30%;在95%應(yīng)力水平作用下,RC50和RC100同比NC的徐變變形分別增加了15.9%和31.1%。說(shuō)明再生粗骨料替代率越大,再生混凝土的徐變變形越大。
由圖7(b)可知,混凝土所處的應(yīng)力水平越高,發(fā)生徐變破壞的時(shí)間越短。在90%應(yīng)力水平下,試件均在持荷幾十分鐘后才會(huì)發(fā)生破壞,而在95%應(yīng)力水平下,試件僅持荷短短幾分鐘就發(fā)生了破壞,僅約為90%應(yīng)力水平下破壞時(shí)間的十分之一。這是由于混凝土所受的荷載越大,其內(nèi)部微裂縫產(chǎn)生的越多,擴(kuò)展速度越快。在徐變過(guò)程中,徐變損傷起主導(dǎo)地位,使得原有的微裂縫和新增的微裂縫加速擴(kuò)展并且貫通,從而使發(fā)生徐變破壞的時(shí)間縮短。
再生混凝土發(fā)生徐變破壞的時(shí)間較普通混凝土?xí)s短一倍以上。這是因?yàn)樵诨厥諒U棄混凝土和制造再生粗骨料的過(guò)程中,由于損傷的累積導(dǎo)致再生粗骨料表面及內(nèi)部已存在不同程度的缺陷。而高應(yīng)力下的徐變不僅會(huì)使再生混凝土中原有的微裂縫擴(kuò)展,還會(huì)產(chǎn)生新的微裂縫與其貫通,形成更大的裂縫。并且再生粗骨料對(duì)水泥砂漿的約束剛度不足,從而導(dǎo)致再生混凝土發(fā)生徐變破壞的時(shí)間大大縮短。
2.2.2廢棄纖維體積摻入量 不同的廢棄纖維體積摻人量也會(huì)導(dǎo)致混凝土在高應(yīng)力持續(xù)作用下所產(chǎn)生的徐變變形和發(fā)生徐變破壞的時(shí)間均存在一定差異。90%和95%應(yīng)力水平下,不同廢棄纖維體積摻人量的廢棄纖維再生混凝土在發(fā)生徐變破壞前的徐變變形和徐變時(shí)間均為每組3個(gè)試件進(jìn)行徐變?cè)囼?yàn)后的平均值。
由圖8(a)可知,在90%應(yīng)力水平作用下,F(xiàn)RCS0-0.08和FRCS0-0.12同比RCS0的徐變變形分別增加了4.9%和17.7%;在95%應(yīng)力水平作用下,F(xiàn)RCS0-0.08和FRC50-0.12同比RC50的徐變變形分別增加了26.1%和14.2%,再生混凝土中縱橫交錯(cuò)的廢棄纖維可以一定程度上抑制微裂縫發(fā)展,使廢棄纖維再生混凝土試件在高應(yīng)力下的持續(xù)變形過(guò)程增長(zhǎng),混凝土破壞也由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞。廢棄纖維再生混凝土在95%應(yīng)力水平作用時(shí),F(xiàn)RCS0-0.12的徐變變形要低于FRC50-0.08,分析其原因,可能是因?yàn)樵诎柚艶RCS0-0.12試件時(shí),廢棄纖維并沒(méi)有均勻分布在混凝土中,產(chǎn)生“抱團(tuán)”現(xiàn)象,因此,抑制裂縫擴(kuò)展的效果不明顯,或者是由于試件內(nèi)大量的廢棄纖維在較高的應(yīng)力水平作用下被拉斷,失去效用。
由圖8(b)所示,廢棄纖維在徐變破壞的發(fā)生過(guò)程中能夠有效地起到抑制破壞的作用,而且在95%高應(yīng)力狀態(tài)下效果更加顯著。廢棄纖維均勻地分布在混凝土基體中,可以在徐變過(guò)程中起到阻礙混凝土內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展,提高混凝土的延性,從而使混凝土的徐變破壞時(shí)間得到較大的延長(zhǎng)。
2.3機(jī)理分析
圖9為再生混凝土的微觀形貌,再生混凝土各相間存在明顯的界面,區(qū)別于普通混凝土,主要包括新舊水泥石界面、原天然骨料與舊水泥石界面和原天然骨料與新水泥石界面。這些界面結(jié)構(gòu)疏松,主要由不定形態(tài)的水化產(chǎn)物組成,是裂縫主要生成和擴(kuò)展的區(qū)域。因此,在宏觀尺度上表現(xiàn)為在高應(yīng)力作用下,隨著再生粗骨料替代率的增加,再生混凝土的徐變破壞時(shí)間減小,徐變變形增加。
圖10為廢棄纖維再生混凝土中的廢棄纖維微觀形貌,可以看到廢棄纖維橫貫于混凝土裂紋的兩側(cè),為抑制混凝土裂紋的發(fā)展提供拉力,改善了再生混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。再生混凝土在高應(yīng)力下的徐變是一個(gè)微裂縫隨時(shí)間的增長(zhǎng)而不斷擴(kuò)展的過(guò)程,而廢棄纖維均勻分布在再生混凝土中,使得微裂縫在擴(kuò)展的過(guò)程中受到阻礙,廢棄纖維也會(huì)憑借其較好的變形能力消耗一部分能量,從而起到阻裂的作用,有效抑制微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。
3廢棄纖維再生混凝土徐變預(yù)測(cè)模型
3.1混凝土徐變預(yù)測(cè)模型
基于試驗(yàn)中NC的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、試件的體表比及相對(duì)環(huán)境濕度等各種基本的試驗(yàn)數(shù)據(jù),首先計(jì)算了NC試件的徐變系數(shù),并與通過(guò)試驗(yàn)所得到的徐變系數(shù)試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)圖11。
由圖11可見(jiàn),由于預(yù)測(cè)模型所考慮的因素與實(shí)際試驗(yàn)條件存在差異,導(dǎo)致該模型無(wú)法反映廢棄纖維再生混凝土的徐變變形,所以,在預(yù)測(cè)廢棄纖維再生混凝土的徐變時(shí),要考慮再生粗骨料替代率和廢棄纖維體積摻人量的影響。
3.2修正的AC1209R預(yù)測(cè)模型
對(duì)AC1209R預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正,要考慮再生粗骨料替代率r和廢棄纖維摻量w對(duì)廢棄纖維再生混凝土徐變的影響,對(duì)式(2)再乘以系數(shù)y進(jìn)行修正。根據(jù)r和叫分別為0,0;50%,0;100%,0;50%,0.08%的徐變系數(shù)試驗(yàn)值,回歸得到y(tǒng),并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)線性擬合出y與r、w的關(guān)系
同時(shí),為進(jìn)一步檢驗(yàn)修正后的徐變系數(shù)預(yù)測(cè)模型的精度,利用修正后的模型計(jì)算文獻(xiàn)[27]中RCS0、RC100組試件的徐變系數(shù),并與其文中的試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)二者的結(jié)果比較接近,如圖13。對(duì)故修正后的模型可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)廢棄纖維再生混凝土的徐變趨勢(shì)。
目前,將聚丙烯纖維作為增強(qiáng)材料摻入再生混凝土中研究其徐變性能的文獻(xiàn)較少,故在廢棄纖維方面僅用試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。式(3)適用于由原始強(qiáng)度為C40的廢棄混凝土破碎后形成的再生粗骨料制備而成的再生混凝土,以及廢棄聚丙烯纖維再生混凝土的徐變系數(shù)預(yù)測(cè)。
4結(jié)論
1)混凝土在85%應(yīng)力水平下,持荷60d仍未發(fā)生徐變破壞。再生混凝土的徐變變形和徐變度要大于普通混凝土,且徐變變形和徐變度隨著再生粗骨料替代率的增大而增大;在再生混凝土中摻人體積分?jǐn)?shù)為0.12%的廢棄纖維能夠顯著降低混凝土的徐變變形和徐變度。
2)廢棄纖維再生混凝土在90%和95%應(yīng)力水平下持載會(huì)發(fā)生徐變破壞現(xiàn)象,在90%應(yīng)力水平下,混凝土均在持荷幾十分鐘才會(huì)發(fā)生破壞,在95%應(yīng)力水平下,混凝土僅持荷短短幾分鐘就發(fā)生了破壞,對(duì)混凝土所施加的應(yīng)力水平越大,發(fā)生徐變破壞時(shí)間越短。高應(yīng)力水平下持載,添加廢棄纖維的再生混凝土試件徐變破壞時(shí)間相比未添加廢棄纖維的再生混凝土試件有所延長(zhǎng)。
3)在NC、RC50、RC100、RCS0-0.08組試件85%應(yīng)力水平下的徐變?cè)囼?yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)ACl209R徐變預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了修正,修正后的模型中加入的系數(shù)y,考慮了再生粗骨料替代率和廢棄纖維體積摻人量對(duì)混凝土徐變的影響,可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)高應(yīng)力水平下的再生混凝土徐變情況。