不同齡期再生混凝土直剪損傷分析及本構(gòu)模型

晏 方,邱新生,付善春,楊子泉,鄭振斌

(1.信陽學(xué)院 土木工程學(xué)院,河南 信陽 464000;2.信陽學(xué)院 信陽市重點(diǎn)裝配式建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 信陽 464000;3.申飛建設(shè)工程有限公司,河南 信陽 464000)

再生混凝土可有效實(shí)現(xiàn)固廢利用,節(jié)能減排,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,符合可持續(xù)發(fā)展的要求。目前,眾多學(xué)者對(duì)再生混凝土的單軸抗壓[1-2]、抗拉[3]及抗折[4]等力學(xué)性能進(jìn)行了研究,但關(guān)于再生混凝土剪切方面研究相對(duì)較少,且試驗(yàn)結(jié)果由于試驗(yàn)方法的不同存在一定差異。R.C.K.Wong[5]通過混凝土壓剪試驗(yàn),確定了剪切強(qiáng)度構(gòu)成要素,結(jié)合界面黏結(jié)、骨料咬合分析了混凝土的剪漲現(xiàn)象,并繪制了混凝土抗剪強(qiáng)度摩爾-庫倫包絡(luò)線。鄧志恒[6]設(shè)計(jì)了不同取代率、壓剪比再生混凝土試件進(jìn)行壓剪試驗(yàn),研究了兩者對(duì)再生混凝土抗剪強(qiáng)度的影響,并得出再生混凝土剪切強(qiáng)度的組成及占比計(jì)算公式。Shakeel Ahmad Waseem[7]研究了取代率、混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)再生混凝土剪切性能的影響,給出了再生混凝土剪切強(qiáng)度計(jì)算公式。王玉梅[8]考慮了取代率等因素設(shè)計(jì)了30組再生混凝土試件進(jìn)行壓剪試驗(yàn),分析了取代率對(duì)極限抗剪強(qiáng)度的影響,得到基于八面體應(yīng)力空間的再生混凝土壓剪破壞準(zhǔn)則。陳宇良[9]研究了取代率及尺寸效應(yīng)對(duì)再生混凝土抗剪強(qiáng)度的影響,并建立了考慮尺寸效應(yīng)的再生混凝土損傷模型。余振鵬[10]通過混凝土壓剪試驗(yàn)得到剪切強(qiáng)度等特征參數(shù),分析了混凝土壓剪破壞三階段對(duì)應(yīng)力學(xué)特征,推導(dǎo)了剪切界面摩擦系數(shù),提出了分段式破壞準(zhǔn)則。肖陽[11]考慮加載速率、法向應(yīng)力等因素設(shè)計(jì)了混凝土進(jìn)行剪切試驗(yàn),研究了兩者對(duì)混凝土的剪切損傷演化的影響,區(qū)分了混凝土壓剪損傷演化三階段,并得出損傷模型。

實(shí)際工程中,為節(jié)省工期需要確定試件合理的養(yǎng)護(hù)時(shí)間,在保證混凝土強(qiáng)度、變形等性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求后盡快進(jìn)入下道工序。胡敏萍[12]探究了強(qiáng)度等級(jí)、齡期對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度、彈性模量等的影響,并擬合得到早齡期再生混凝土強(qiáng)度計(jì)算公式。白衛(wèi)峰[13]運(yùn)用核磁共振及電鏡技術(shù)對(duì)再生混凝土進(jìn)行微觀分析,探究不同齡期再生混凝土損傷發(fā)展及損傷機(jī)制,解釋了再生混凝土的復(fù)雜應(yīng)力-應(yīng)變行為。劉杰[14]研究了齡期對(duì)普通混凝土直剪力學(xué)性能及損傷耗能的影響,給出了早齡期混凝土剪切強(qiáng)度、變形計(jì)算公式。梁鑫[15]研究了齡期、取代率對(duì)再生混凝土剪切強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度的影響,并給出不同齡期再生混凝土剪切強(qiáng)度換算方法。

綜上,為豐富早齡期再生混凝土直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù),探究取代率、齡期對(duì)再生混凝土損傷演化的影響,本文制作了3種齡期、5種取代率再生混凝土試件進(jìn)行直剪試驗(yàn),獲取剪切全過程荷載-位移曲線,分析損傷演變過程,基于損傷理論建立本構(gòu)模型,以期為完善早齡期再生混凝土剪切基本理論提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料,城市自來水作為拌合用水,細(xì)度模數(shù)2.38、表觀密度2580kg/m3的中砂作為細(xì)骨料,經(jīng)破碎篩分5～20mm連續(xù)級(jí)配再生骨料、天然同級(jí)配碎石作為粗骨料進(jìn)行混凝土配制,再生骨料來源于試驗(yàn)梁,原生強(qiáng)度C20。天然粗骨料、再生粗骨料物理性能指標(biāo)如表1。

1.2 配合比設(shè)計(jì)及試件制作

混凝土配合比設(shè)計(jì)參照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行,目標(biāo)強(qiáng)度等級(jí)C30,得到天然混凝土配合比:水泥353.9kg/m3,水195kg/m3,砂666.4kg/m3,天然碎石1184.7kg/m3。以天然混凝土配合比為基準(zhǔn),使用再生碎石按設(shè)計(jì)比例(即取代率r)等質(zhì)量替代天然碎石,補(bǔ)償兩種粗骨料間吸水率差異造成的附加用水,得到不同取代率再生混凝土配合比設(shè)計(jì),如表2。

考慮7天、14天、28天三種齡期,0%、30%、50%、70%、100%五種取代率,設(shè)計(jì)了45個(gè)試件進(jìn)行直剪試驗(yàn),每3塊為一組,試件尺寸為邊長(zhǎng)150mm的立方體。

1.3 加載裝置及量測(cè)

直剪試驗(yàn)采用高精度液壓伺服試驗(yàn)機(jī)完成,采用位移控制進(jìn)行加載,速度為0.02mm/s。加載時(shí),先軸向預(yù)加載、橫向預(yù)加載以消除剪切裝置與試件間縫隙,再橫向正式加載至試件破壞,橫向荷載穩(wěn)定后停止試驗(yàn)。試驗(yàn)中荷載、位移均由試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)采集。試件加載現(xiàn)場(chǎng)、受力狀態(tài)如圖1所示。

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1 試件破壞形態(tài)

不同齡期、取代率再生混凝土試件典型破壞形態(tài)如圖2所示。觀察各試件破壞形態(tài)可得,試件被整齊剪為等高兩部分,正受剪面裂縫筆直,側(cè)面裂縫整體呈一定角度。結(jié)合試件破壞橫截面來看,7天齡期試件橫截面顏色較深,面上松散顆粒狀灰渣多,但表面骨料較為完整,表明骨料間界面破壞嚴(yán)重,這與7天齡期試件強(qiáng)度低有關(guān),而隨齡期的增長(zhǎng),試件中開始出現(xiàn)骨料剪斷破壞,與界面破壞共存。

(a)不同齡期再生混凝土正受剪面對(duì)比

2.2 荷載-位移曲線

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)采集的荷載、位移數(shù)據(jù),繪制了直剪作用下各齡期再生混凝土荷載位移曲線,如圖3。荷載-位移曲線按曲率形狀可分為三部分,對(duì)應(yīng)于試件破壞的三個(gè)階段。

(1)線性段:荷載隨位移線性增大,對(duì)應(yīng)于試件彈性階段,試件完整無損傷,此時(shí)主要由混凝土界面粘結(jié)力抵抗剪力。

(2)上升段:荷載隨位移增大而增大,但增大幅度逐漸降低,直至峰值荷載時(shí)增長(zhǎng)速度降為0,對(duì)應(yīng)試件彈塑性階段,試件內(nèi)出現(xiàn)微裂縫、產(chǎn)生損傷,且損傷發(fā)展速度快而穩(wěn)定、不斷累積,此時(shí)剪力由界面粘結(jié)力及骨料間咬合力抵抗,隨位移增大咬合力占比降低。

(3)下降段:荷載隨位移增大而減小,且減小幅度逐漸降低,直至降低為0,此時(shí)試件只發(fā)生相對(duì)滑移,對(duì)應(yīng)試件塑性階段,損傷發(fā)展速率隨位移增大降低,直至穩(wěn)定,此時(shí)只有骨料間咬合力與剪力平衡,隨著界面骨料剪斷,剪力逐漸降低。

2.3 特征參數(shù)

結(jié)合荷載-位移曲線,得到各組試件特征參數(shù)如表3所示,其中每組特征值取三塊試塊相應(yīng)均值。

表3 再生混凝土特征參數(shù)

3 直剪損傷演變過程分析

3.1 損傷演變

損傷系數(shù)D可有效反應(yīng)試件損傷發(fā)展,彈性極限前D=0,試件無損傷,完全破壞時(shí),D趨于1。假設(shè)荷載-位移曲線上任意一點(diǎn),其位移為s,剪力為v,試件損傷系數(shù)D按式(1)計(jì)算[9]。

(1)

式(1)中:WP為對(duì)應(yīng)應(yīng)變能;G0為初始變形模量(kN/mm),即荷載-位移曲線線性段斜率。

WP為從開始加載至位移s時(shí)所耗散能量,可近似計(jì)算為:

(2)

式(2)中:vi-1、vi為第i分段左右端點(diǎn)剪切力;si-1、si為相應(yīng)位移。

3.2 取代率對(duì)再生混凝土損傷的影響

不同取代率再生混凝土損傷演化對(duì)比如圖4。觀察可得,取代率對(duì)損傷出現(xiàn)時(shí)間有影響,7天齡期時(shí),損傷出現(xiàn)由早晚試件對(duì)應(yīng)取代率依次為50%、70%、100%、30%、0%;14天齡期損傷與7天齡期相比,不同取代率試件開始出現(xiàn)損傷時(shí)間差異不顯著,取代率30%試件出現(xiàn)最早,取代率50%試件出現(xiàn)最晚;28天齡期時(shí),100%取代率試件最早出現(xiàn)損傷。再生骨料對(duì)試件整體性能的影響主要有兩個(gè)方面,一方面在破碎過程中產(chǎn)生的微裂紋損傷,取代率越高,再生骨料越多,整體削弱越大,此為再生骨料不利的一面;另一方面,再生骨料表面未完全清除的水泥基不僅使骨料表面更為粗糙從而增強(qiáng)了骨料與水泥基體間咬合力,且舊砂漿再次水化使黏結(jié)界面更密實(shí),此為再生骨料有利的一面。總體上再生骨料的削弱作用占主導(dǎo)地位,故整體來看,取代率低的試件損傷出現(xiàn)時(shí)間晚,但由于兩方面共同存在相互抵消,故并非嚴(yán)格的取代率越低裂縫出現(xiàn)時(shí)間越晚。

(a)7天齡期(b)14天齡期(c)28天齡期圖4 不同取代率再生混凝土損傷演化

3.3 齡期對(duì)再生混凝土損傷的影響

圖5為不同齡期再生混凝土損傷演化對(duì)比。由圖可見,相同取代率再生混凝土不同齡期損傷發(fā)展速度與初始損傷時(shí)間不同。從整體試件損傷出現(xiàn)時(shí)間來看,齡期28天試件損傷出現(xiàn)較早,14天齡期次之,7天齡期出現(xiàn)最晚,原因可能在于再生骨料由于破碎過程中產(chǎn)生的微裂縫在拌合過程中儲(chǔ)存了毛細(xì)水,在后期強(qiáng)度發(fā)展過程中,微裂縫中毛細(xì)水逐步釋放,起到了內(nèi)養(yǎng)護(hù)的作用,齡期越早,內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用越明顯,故早齡期試件損傷出現(xiàn)反而較晚。從整體損傷發(fā)展程度來看,14天齡期試件損傷發(fā)展速度快,28天齡期試件損傷發(fā)展速度慢,原因可能在于,28天齡期時(shí),再生混凝土內(nèi)水化反應(yīng)基本完成,強(qiáng)度增長(zhǎng)完全,此時(shí)試件整體抵御荷載能力較強(qiáng),故損傷速度發(fā)展較慢。

(a)取代率0%(b)取代率30%(c)取代率50%(d)取代率70%(e)取代率100%圖5 不同齡期再生混凝土損傷演化

4 直剪損傷本構(gòu)

4.1 損傷本構(gòu)模型

參考文獻(xiàn)[13]-[15],以峰值點(diǎn)位移為界限,對(duì)再生混凝土損傷采用不同損傷模型,前段采用Weibull模型,后段采用改良后過鎮(zhèn)海模型。具體如式(3)、式(4)所示。

(3)

V=s(1-D)G0

(4)

將式(3)代入式(4)可得,再生混凝土直剪全過程荷載-變形模型如式(5)所示。

(5)

式(5)中:s為位移;Vu為峰值剪力,su為相應(yīng)位移;a、b為形狀控制系數(shù),可通過擬合得到;m、ρ為強(qiáng)度參數(shù),按式(6)-式(7)計(jì)算。

(6)

(7)

4.2 模型驗(yàn)證

再生混凝土直剪損傷模型參數(shù)列于表4。由表可見,整體上隨齡期增大,m、a值增大,ρ、b值減小。

表4 再生混凝土模型參數(shù)

根據(jù)表4給出擬合參數(shù),得到損傷理論荷載-位移曲線,與試驗(yàn)曲線對(duì)比如圖6。由圖可見,擬合所得曲線與試驗(yàn)曲線吻合良好。

(a)取代率0%(b)取代率30%(c)取代率50%(d)取代率70%(e)取代率100%圖6 損傷理論試驗(yàn)曲線對(duì)比

5 結(jié)論

以再生混凝土直剪強(qiáng)度試驗(yàn)為基礎(chǔ),對(duì)取代率、齡期對(duì)再生混凝土損傷的影響進(jìn)行了分析,并建立了再生混凝土損傷本構(gòu)曲線,得到如下結(jié)論。

(1)7天齡期再生混凝土直剪破壞橫截面粗骨料較為完整,但隨齡期增長(zhǎng)粗骨料發(fā)生剪斷破壞,從界面破壞轉(zhuǎn)換為界面、粗骨料破壞共存。

(2)再生混凝土直剪荷載位移曲線可分為線性段、上升段與下降段三段,分別對(duì)應(yīng)試件彈性階段、彈塑性階段與塑性階段。

(3)粗骨料取代率低的再生混凝土損傷出現(xiàn)時(shí)間越晚,但并非取代率越低損傷出現(xiàn)時(shí)間越晚。

(4)三種齡期相比,28天齡期試件最早出現(xiàn)損傷但損傷發(fā)展速度相對(duì)較慢,14天齡期試件損傷發(fā)展速度最快,7天齡期再生混凝土損傷最晚出現(xiàn)。

(5)上升段使用Weibull模型,下降段使用過鎮(zhèn)海模型,建立了直剪全過程損傷本構(gòu),給出再生混凝土損傷模型參數(shù)取值表,理論曲線與試驗(yàn)曲線吻合良好。