再生粗骨料取代率對(duì)再生保溫混凝土徐變的影響

黃嘉鈺， 劉元珍， 高宇璇， 王朝旭

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 引言

徐變是混凝土材料的固有屬性，可造成預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力損失和大跨度混凝土梁的撓度增大，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)存在不利影響?；炷恋脑牧霞芭浜媳?、加荷應(yīng)力、持荷時(shí)間、相對(duì)濕度等內(nèi)部和外部因素均會(huì)影響混凝土徐變的發(fā)展?fàn)顩r，其中混凝土中作為支撐骨架而存在的骨料對(duì)混凝土中水泥砂漿的徐變有重要的約束作用，而水泥砂漿的徐變是引起混凝土徐變的主要原因。再生粗骨料是由廢棄混凝土破碎加工而成，含有較多的內(nèi)部縫隙和水泥砂漿，顯著削弱了其密實(shí)度并降低了彈性模量，因而再生混凝土的強(qiáng)度和對(duì)徐變的約束能力均隨之降低[1-2]。羅素蓉等[3]發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的徐變?cè)谠囼?yàn)前期發(fā)展速度較快，試件持續(xù)加載28 d時(shí)其徐變值達(dá)到總徐變的70%；混凝土持續(xù)加載150 d時(shí)，含50%和100%的再生粗骨料取代率的再生混凝土總徐變度分別達(dá)到普通混凝土的1.19倍和1.53倍。白國(guó)良等[4]的試驗(yàn)結(jié)果表明，再生混凝土的徐變值在再生粗骨料取代率不斷提高的情況下會(huì)發(fā)生逐漸增大的現(xiàn)象，持續(xù)加載60 d后，試驗(yàn)中含有50%和100%的再生粗骨料取代率的再生混凝土徐變分別為普通混凝土徐變的1.26倍和1.45倍。Gómez-Soberón等[5-6]的試驗(yàn)結(jié)果表明,再生粗骨料取代率為60%和100%時(shí)，再生混凝土的徐變系數(shù)分別增長(zhǎng)了33%和40%。Domingo-Cabo等[7]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，荷載持續(xù)作用90 d時(shí)，再生粗骨料取代率為50%和100%的再生混凝土的徐變分別是普通混凝土徐變值的1.42倍和1.51倍。范玉輝等[8]建立了水泥漿與砂漿徐變函數(shù)的模型，將模型理論值與再生混凝土徐變?cè)囼?yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，證明了再生混凝土中的舊砂漿是引起徐變的最主要因素。

?；⒅槭且环N具有保溫性能的輕質(zhì)骨料，再生保溫混凝土將?；⒅樽鳛椴糠州p細(xì)骨料取代天然細(xì)骨料摻入其中，滿足了建筑結(jié)構(gòu)保溫節(jié)能的需求。對(duì)再生保溫混凝土的研究目前主要集中在其拉壓性能、抗凍性能、導(dǎo)熱性能、剪力墻抗震性能等方面[9-12]。目前尚缺乏關(guān)于再生保溫混凝土徐變性能的發(fā)展?fàn)顩r因再生粗骨料取代率的改變而發(fā)生變化的深入研究。因此本文選取0%、50%和100%的再生粗骨料取代率，對(duì)比分析在取代率變化的條件下再生保溫混凝土的徐變變化規(guī)律，以原有ACI-FIP(1990)模型為基礎(chǔ)，建立有關(guān)徐變系數(shù)發(fā)展的修正預(yù)測(cè)模型，深入研究再生保溫混凝土的徐變發(fā)展規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料

試驗(yàn)采用的玻化微珠的物理性質(zhì)如表1所示。水泥采用標(biāo)號(hào)為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。天然粗骨料選用天然碎石，再生粗骨料采用經(jīng)破碎工藝處理后的廢棄混凝土，粗骨料的具體物理性質(zhì)和化學(xué)成分分別見(jiàn)表2和表3。本試驗(yàn)所用細(xì)骨料為河砂，粒徑為0.075～4.75 mm，堆積密度為1 350 kg/m3，細(xì)度模數(shù)為2.6。試驗(yàn)所用硅灰的比表面積為18 954 kg/m3，SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為94.2%。

表1 ?；⒅榈奈锢硇再|(zhì)Table 1 Physical properties of glazed hollow bead

表2 粗骨料的物理性質(zhì)Table 2 Physical properties of coarse aggregate

表3 再生粗骨料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 3 Chemical compositions of recycled coarse aggregate %

1.2 配合比

本試驗(yàn)的基準(zhǔn)混凝土采用C35的再生保溫混凝土(recycled aggregate thermal insulation concrete，RATIC)，再生粗骨料取代率分別為0%(RATIC-0)、50%(RATIC-50)、100%(RATIC-100)，普通混凝土(NC)作為參考對(duì)照組。試驗(yàn)所用的混凝土配合比如表4所示。

表4 混凝土配合比Table 4 Concrete mix proportions

1.3 試件設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)

在徐變?cè)囼?yàn)中,每種配合比下的混凝土試件的尺寸及個(gè)數(shù)如表5所示。

表5 每種配合比下混凝土試件的尺寸及個(gè)數(shù)Table 5 The size and number of concrete specimens under each mix ratio

本試驗(yàn)試件采用再生保溫混凝土，保溫骨料的低密度和高吸水性使試件制作與普通混凝土存在差別。制作試件時(shí)合理的投料順序應(yīng)是先加入細(xì)水泥砂漿對(duì)試件進(jìn)行預(yù)濕，再加入玻化微珠和占總用水量50%的水并攪拌30 s，然后加入膠凝材料和粗、細(xì)骨料并重復(fù)攪拌1 min，隨后加入剩余的水和高效減水劑并再次攪拌3 min，最后將其裝入模具中振搗。將試件養(yǎng)護(hù)在溫度和濕度恒定的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中至齡期時(shí)取出，待混凝土面干時(shí)再進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方案

彈性模量試驗(yàn)中的試件靜力加載方法和測(cè)量棱柱體試件抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法均參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]進(jìn)行。為保證試件均勻受力，測(cè)量彈性模量時(shí)先確定好3個(gè)待測(cè)試件的位置，變形測(cè)量?jī)x需對(duì)稱放置在試件兩側(cè)且試件軸心與壓力機(jī)的承壓板中心嚴(yán)格對(duì)齊。試件兩側(cè)安裝有千分表，加載過(guò)程中應(yīng)及時(shí)調(diào)整試件位置，保證試件兩側(cè)千分表所測(cè)的變形差值不大于兩側(cè)變形平均值的20%。

收縮和徐變?cè)囼?yàn)均參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行。徐變?cè)囼?yàn)采用NELD-CS710型混凝土徐變儀進(jìn)行加載，使用精度較高的壓力傳感器測(cè)量壓力變化。棱柱體試件兩側(cè)分別安裝有千分表，試件在28 d齡期開(kāi)始持續(xù)加載，加載應(yīng)力應(yīng)為棱柱體極限破壞荷載的40%。試件固定后，使用千斤頂加載至試件徐變應(yīng)力的20%時(shí)，可通過(guò)適當(dāng)放松千斤頂即卸荷不斷調(diào)整試件位置令其對(duì)中，保證千分表兩側(cè)的變形值之差小于其平均值的10%，調(diào)整結(jié)束后立即加壓到徐變應(yīng)力。松開(kāi)千斤頂時(shí)應(yīng)保證荷載和試件位置均未發(fā)生變化，然后根據(jù)試件兩側(cè)千分表的示數(shù)平均值，確定徐變的初始變形值。在混凝土持續(xù)加荷至典型齡期時(shí)準(zhǔn)確記錄下試件變形值。在徐變?cè)囼?yàn)的同時(shí)，完成3個(gè)與徐變?cè)嚰瓮h(huán)境的參比用試件的收縮試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 彈性模量

由于彈性模型對(duì)徐變存在一定的影響，為對(duì)后續(xù)試驗(yàn)提供更為直觀可靠的分析以及模型計(jì)算的要求，本文對(duì)各個(gè)配合比下的混凝土試件進(jìn)行了彈性模量的測(cè)量試驗(yàn)，不同配合比下混凝土的彈性模量變化如圖1所示。短棱柱體試件NC、RATIC-0、RATIC-50、RATIC-100的最終彈性模量分別為3.01×104、2.63×104、2.36×104、2.32×104MPa。NC的彈性模量是RATIC-0的1.14倍，而與RATIC-0的彈性模量相比，RATIC-50和RATIC-100的彈性模量分別降低了10%和12%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，普通混凝土的彈性模量在試驗(yàn)所有配合比的混凝土中最高，其值明顯高于再生保溫混凝土。除此之外，逐漸提高混凝土中所含有的再生粗骨料取代率，會(huì)導(dǎo)致再生保溫混凝土的彈性模量出現(xiàn)降低現(xiàn)象，但彈性模量的降低幅度會(huì)在再生粗骨料取代率較高的狀態(tài)下相對(duì)減小。這是因?yàn)樵偕止橇虾袕椥阅Ａ枯^低的舊水泥砂漿和經(jīng)破碎產(chǎn)生的裂縫，由此產(chǎn)生的初始損傷缺陷顯著削弱了骨料所具有的強(qiáng)度，因而也限制了再生保溫混凝土的彈性模量的提高；同時(shí)再生粗骨料具有較高的孔隙率、吸水率以及較大的比表面積，能夠吸收水泥砂漿中的水分并傳遞濕度，在其他條件相同時(shí)再生保溫混凝土的水灰比相對(duì)較小，這在一定程度上能夠促進(jìn)再生保溫混凝土的彈性模量的提高。因此在再生粗骨料取代率逐步提高的同時(shí)，這兩種相互矛盾的效應(yīng)均會(huì)增強(qiáng)，也因此在高再生粗骨料取代率下，彈性模量反而會(huì)出現(xiàn)緩慢降低的現(xiàn)象[15]。

圖1 不同配合比的混凝土彈性模量Figure 1 Elastic modulus of concretes with different proportions

2.2 徐變值

在恒定的溫度和濕度條件下，不同再生粗骨料取代率的混凝土徐變值如圖2所示。從圖2中可以看出，再生保溫混凝土的徐變值在整體趨勢(shì)上是隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)的，徐變值前期增長(zhǎng)迅速，后期增長(zhǎng)速度緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。但在隨時(shí)間變化的過(guò)程中，不同再生粗骨料取代率下混凝土的徐變有一定幅度的波動(dòng)，其中RATIC-0的徐變波動(dòng)幅度明顯高于RATIC-50和RATIC-100。除此之外，不同試驗(yàn)組的混凝土前期徐變值大小相近，后期徐變差較大，90 d前RATIC-0的徐變值高于RATIC-50；90 d后RATIC-50的徐變值反超RATIC-0；180 d時(shí)RATIC-100和RATIC-50的徐變分別為182.57 μm和164.25 μm，與RATIC-0的徐變值相比，分別增加了17%和6%。RATIC-100的瞬時(shí)彈性變形最大，RATIC-50最小，與RATIC-0相比，分別增加了8%和降低了3%。對(duì)照組NC前期徐變較小，后期徐變較大，180 d時(shí)NC的徐變值略高于RATIC-100，是RATIC-0徐變值的1.26倍。

圖2 再生粗骨料取代率變化時(shí)的混凝土徐變值Figure 2 Creep of concrete with variation of recycled coarse aggregate replacement ratios

分析該現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，徐變主要是水泥砂漿的變形所引起的，根據(jù)黏性流動(dòng)理論，混凝土中存在惰性骨料和水泥砂漿，在持續(xù)的荷載作用下，混凝土中惰性骨料對(duì)水泥砂漿的黏性流動(dòng)起到約束作用，較多的應(yīng)力由起支撐作用的堅(jiān)硬骨料承擔(dān)，而隨著時(shí)間的推移，由水泥砂漿承擔(dān)的應(yīng)力會(huì)相應(yīng)減小，水泥砂漿產(chǎn)生的變形速率隨之減緩，因而原本較大的徐變速率也會(huì)隨時(shí)間逐漸變緩。再生粗骨料的孔隙率較高，骨料中的孔隙能吸收水泥漿體的水分，起到傳遞濕度的作用，溫度、相對(duì)濕度、持荷時(shí)間等因素會(huì)對(duì)徐變產(chǎn)生一定的影響，徐變對(duì)其他影響因素的反應(yīng)敏感，同時(shí)由于試驗(yàn)誤差的存在，徐變變化趨勢(shì)存在波動(dòng)。再生粗骨料內(nèi)部破碎裂縫較多，且表面和內(nèi)部均殘留有舊水泥砂漿，因此骨料的彈性模量和抗壓強(qiáng)度較小，在相同瞬時(shí)荷載的作用下，再生粗骨料取代率較高的混凝土初始徐變值較大。比較圖2中NC與RATIC-0的徐變值變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，?；⒅榈膿饺肽苡行Ы档突炷良虞d后期的徐變值，這是由于預(yù)濕后的?；⒅樵诿?xì)管張力下釋放出水分，維持了混凝土內(nèi)部的相對(duì)濕度的穩(wěn)定，降低了水分蒸發(fā)對(duì)混凝土徐變的影響，同時(shí)促進(jìn)了水泥顆粒的水化進(jìn)程，水化產(chǎn)物使得混凝土強(qiáng)度得到提高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)因空隙減少而變得更為致密，混凝土的徐變性能得到改善。

將再生粗骨料取代率發(fā)生變化時(shí)混凝土的不同徐變發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行相互比較，發(fā)現(xiàn)在再生粗骨料取代率逐漸提高的同時(shí)，再生保溫混凝土的徐變會(huì)出現(xiàn)不斷增加的現(xiàn)象。分析其原因：混凝土的徐變主要是由水泥砂漿徐變引起的，較多低彈性模量的舊水泥砂漿在再生粗骨料表面附著殘留，相同持荷狀態(tài)下舊水泥砂漿會(huì)更易出現(xiàn)較大的變形，再生粗骨料的彈性模量也因殘留的舊水泥砂漿而受到削弱，混凝土中骨料對(duì)水泥砂漿變形所起的剛性骨架約束作用降低；同時(shí)骨料與砂漿、舊砂漿與新拌砂漿間的多重界面使結(jié)合面間的裂縫隨時(shí)間逐漸增多，新形成的界面承載能力較為薄弱，因此舊水泥砂漿和裂縫的存在均削弱了再生保溫混凝土的彈性模量和強(qiáng)度，降低了其抵抗變形的能力，徐變變形隨之增加。

2.3 徐變系數(shù)

在恒定的溫度和濕度條件下，不同再生粗骨料取代率的混凝土收縮應(yīng)變值如圖3所示，徐變系數(shù)如圖4所示。從圖4中可以看出，不同再生粗骨料取代率的混凝土徐變系數(shù)隨時(shí)間總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，徐變系數(shù)在前期增長(zhǎng)迅速，后期增長(zhǎng)緩慢，變化規(guī)律與徐變值相似。由于徐變系數(shù)對(duì)混凝土理論厚度和相對(duì)濕度較為敏感以及試驗(yàn)誤差的存在，徐變系數(shù)增長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較小波動(dòng)?；炷恋男熳兿禂?shù)前期相差不大，后期RATIC-100的徐變系數(shù)大于RATIC-0和RATIC-50，與RATIC-0相比，180 d時(shí)RATIC-100和RATIC-50的徐變系數(shù)分別增大了31%和12%；NC的后期徐變系數(shù)明顯高于3組試驗(yàn)，與RATIC-0相比，180 d時(shí)NC的徐變系數(shù)增大了112%。這表明隨著再生粗骨料取代率的提高，混凝土的徐變系數(shù)增大，同時(shí)摻入玻化微珠會(huì)在一定程度上改善再生保溫混凝土徐變性能。

圖3 再生粗骨料取代率變化時(shí)的混凝土收縮值Figure 3 Shrinkage of concretes with variation of recycled coarse aggregate replacement ratios

圖4 再生粗骨料取代率變化時(shí)的混凝土徐變系數(shù)Figure 4 Creep coefficient of concrete with variation of recycled coarse aggregate replacement ratios

3 徐變模型

在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行徐變效應(yīng)分析時(shí)，確定徐變系數(shù)是關(guān)鍵問(wèn)題，但是不可能都通過(guò)試驗(yàn)獲得，在工程實(shí)踐中往往直接選用已有的收縮徐變模型，或根據(jù)少量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)已有的模型進(jìn)行修正。ACI-FIP(1990)徐變模型是目前常用的徐變預(yù)測(cè)模型之一，該模型有較高的精度且適用于早齡期混凝土的徐變預(yù)測(cè)。但ACI-FIP(1990)徐變模型近似于統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，沒(méi)有明確徐變機(jī)理，由于徐變的影響因素較多，該模型無(wú)法很好適應(yīng)徐變過(guò)程中發(fā)生的新變化。為更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)再生保溫混凝土的徐變變化情況，將再生粗骨料取代率作為影響系數(shù)引入原有徐變模型中，在其他影響因素保持不變的前提下，以普通混凝土的徐變系數(shù)為基準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)中所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，對(duì)原有ACI-FIP(1990)徐變模型進(jìn)行修正，得到了再生保溫混凝土徐變系數(shù)的修正表達(dá)式為

φR=1.001 8e0.113 7aφN。

(1)

式中：φR為不同再生粗骨料取代率下混凝土的徐變系數(shù)；φN為普通混凝土的徐變系數(shù)；a為再生粗骨料取代率。

圖5為不同再生粗骨料取代率下混凝土的徐變系數(shù)試驗(yàn)值與理論修正模型的徐變系數(shù)理論值間的對(duì)比。從圖5中可以看出，修正后的模型與試驗(yàn)值間差距較小，修正后模型中RATIC-0、RATIC-50和RATIC-100的線性回歸系數(shù)(R2)均處于0.91～0.93，模型擬合度較好。3組預(yù)測(cè)模型的徐變系數(shù)理論值相比較后發(fā)現(xiàn)，修正模型的變化曲線也符合再生粗骨料取代率逐漸提高時(shí)，混凝土徐變系數(shù)隨之增加的變化規(guī)律。這表明該修正模型可以較為準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)不同再生粗骨料取代率下混凝土的徐變系數(shù)。

圖5 試驗(yàn)值與理論修正模型比較Figure 5 Comparison of experimental values and theoretical modified models

4 結(jié)論

本文以再生保溫混凝土為研究對(duì)象，將變化的再生粗骨料取代率作為主要的研究因素，進(jìn)行了再生保溫混凝土的徐變和彈性模量試驗(yàn)，并提出了一種基于ACI-FIP(1990)徐變模型的修正模型，以便更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)再生粗骨料取代率不同時(shí)再生保溫混凝土徐變系數(shù)的變化。本文主要得出以下結(jié)論。

(1)再生保溫混凝土的徐變值和徐變系數(shù)均在前期增長(zhǎng)迅速，后期增長(zhǎng)速度趨于緩慢；徐變?cè)囼?yàn)中逐步提高再生粗骨料取代率的同時(shí)，再生保溫混凝土的徐變值和徐變系數(shù)出現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，與RATIC-0相比，180 d時(shí)的RATIC-50和RATIC-100的徐變值分別增大了6%和17%，RATIC-50和RATIC-100的徐變系數(shù)分別增大了12%和31%。

(2)彈性模量試驗(yàn)中逐步提高再生粗骨料取代率，再生保溫混凝土的彈性模量會(huì)出現(xiàn)明顯的降低狀態(tài)，與RATIC-0相比，RATIC-50的彈性模量降低了10%，RATIC-100的彈性模量降低了12%。

(3)提出了一種基于ACI-FIP(1990)模型的徐變系數(shù)修正模型，對(duì)再生粗骨料取代率不同時(shí)再生保溫混凝土的徐變系數(shù)進(jìn)行研究預(yù)測(cè)，通過(guò)線性回歸分析發(fā)現(xiàn)模型中RATIC-0、RATIC-50和RATIC-100的線性回歸系數(shù)(R2)均處于0.91～0.93，因而該模型有較好的擬合度。