再生骨料混凝土橫向變形系數(shù)及預(yù)測模型*

趙木子 徐成彥 王玉銀 耿 悅,5 龔 超

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東深圳 518055; 2.中冶建筑研究總院(深圳)有限公司, 廣東深圳 518055; 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點實驗室, 哈爾濱 150090;4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院, 哈爾濱 150090; 5. 廣東省現(xiàn)代土木工程技術(shù)重點實驗室, 廣州 510641)

0 引 言

近年研究發(fā)現(xiàn),通過調(diào)整附加水用量[1-3]、優(yōu)化拌和方式[4-5]、摻入適量礦物摻和料[6-8]等方式,可有效降低再生骨料的摻入對混凝土力學(xué)性能的不利影響,使其能夠應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程中。再生混凝土在軸壓荷載作用下的橫向變形性能(軸壓荷載作用下橫向變形與縱向變形的比值)作為其關(guān)鍵力學(xué)性能之一,應(yīng)予以關(guān)注。與天然骨料相比,再生骨料摻入會引入更多的界面過渡區(qū)(ITZ)及微裂紋[5,9],導(dǎo)致再生混凝土在軸壓荷載作用下裂紋發(fā)展更為迅速,使得橫向變形迅速發(fā)展所對應(yīng)的荷載等級降低,提高橫向變形系數(shù)。同時,再生骨料表面含大量水泥石,會顯著影響混凝土的變形性能[5,10]。前期研究已發(fā)現(xiàn),再生骨料取代率的變化及水灰比的變化會顯著影響再生混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)性質(zhì)及水泥石總量[5],同時是影響其橫向變形性能的關(guān)鍵因素,有必要對其進行系統(tǒng)研究。

目前,已有學(xué)者對再生混凝土在彈性階段的橫向變形系數(shù)(即泊松比)開展了系統(tǒng)研究[11-17],量化了再生骨料取代率[11-15]、混凝土水灰比[11]、養(yǎng)護齡期[17]、摻和料[14]等因素對泊松比的影響。然而,針對受壓全過程的橫向變形系數(shù)發(fā)展的研究十分有限,僅Revilla-Cuesta等學(xué)者[18]試驗研究了不同再生骨料取代率對自密實再生混凝土橫、縱向變形性能的影響,揭示了再生骨料取代率對橫向塑性變形發(fā)展的影響規(guī)律。

然而,現(xiàn)有研究中再生骨料取代率較為固定(再生粗骨料取代率為100%,再生細骨料取代率為0%、50%、100%),并未揭示在不同再生粗骨料取代率及不同水灰比下再生細骨料對橫向變形性能的影響,也尚未提出再生混凝土橫向變形系數(shù)的預(yù)測模型。為此,以再生骨料取代率及再生混凝土水灰比為主要參數(shù),進行再生混凝土橫向變形性能試驗,量化不同水灰比下再生粗、細骨料對橫向變形性能的耦合影響。基于兩相復(fù)合材料理論,提出橫向變形系數(shù)預(yù)測模型,并將模型預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比,驗證模型的可靠性。

1 試驗方案

1.1 試驗參數(shù)及混凝土配合比

為研究不同水灰比下取代率對再生混凝土橫向變形系數(shù)的影響,以水灰比及再生骨料取代率為主要參數(shù),設(shè)計制作14組共42個150 mm×150 mm×300 mm(a×a×h)的棱柱體試塊,并對其進行試驗研究。試驗參數(shù)如表1所示。為便于對比分析,表中還給出了各組試件的配合比及基本力學(xué)性能。其中,fcu表示28 d立方體(邊長為100 mm)試件的抗壓強度平均值,fc表示28 d棱柱體試件的抗壓強度平均值,Ec表示28 d混凝土試件的彈性模量平均值。

表1 不同取代率及水灰比的再生混凝土配合比及基本力學(xué)性能

以C100-F50-0.45為例說明不同配合比的再生混凝土命名方式:C100代表再生粗骨料取代率為100%;F50代表再生細骨料取代率為50%;0.45代表再生混凝土水灰比為0.45。

再生混凝土的配合比以相同目標水灰比(w/c)Target(不計入骨料預(yù)處理所加入的水)下的普通混凝土配合比為基準配合比,再生骨料取代方式為體積取代。

1.2 試驗材料

采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。為保證新拌混凝土的和易性,在拌和時摻入質(zhì)量為1%水泥用量的HWR-S型萘系減水劑,該減水劑的密度為1 200 kg/m3。

采用的天然粗骨料(CNA)為石灰?guī)r,天然細骨料(FNA)為普通河沙。天然粗、細骨料的粒徑分別為5～25 mm、0.15～5 mm。所采用的混凝土再生骨料齡期為12 a。由于原始設(shè)計資料不詳,采用回彈法測得廢棄混凝土立方體抗壓強度約為49 MPa。

為降低骨料級配對試驗結(jié)果的影響,對試驗中再生骨料與天然骨料級配進行調(diào)整,使二者級配基本相同,級配曲線如圖1所示。其中,粗骨料的級配滿足國家標準GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》[19]中對連續(xù)粒級的要求,細骨料級配滿足規(guī)范GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》[20]中2區(qū)天然砂的相關(guān)要求。

圖1 再生骨料與天然骨料級配

將骨料按上述級配混合后,依據(jù)JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》[21]中的相關(guān)規(guī)定,對骨料表觀密度,吸水率以及含水率進行測定,測量結(jié)果如表2所示。其中,CRM表示殘余砂漿含量,根據(jù)Abbas等提出的凍融循環(huán)法進行測定[22]。具體而言,將適量質(zhì)量(m1)的骨料浸泡在26%濃度的硫酸鈉溶液中24 h,其后將浸泡有骨料的溶液進行5次凍融循環(huán)(即將該溶液放置于-17 ℃的冰箱中5 h,隨后將其放置于80 ℃的烘箱中加熱8 h);凍融循環(huán)結(jié)束后,將再生骨料取出用清水洗凈,并將其置于烘箱中烘干至恒重;最后用橡膠錘輕輕敲擊骨料使其表面附著的殘余砂漿脫落并用孔徑5 mm的方孔篩對骨料進行篩分,稱得篩網(wǎng)上原天然骨料質(zhì)量m2。殘余砂漿含量可由式(1)計算得到。

(1)

表2 骨料基本性質(zhì)

1.3 再生骨料制備及預(yù)處理

再生骨料的破碎及制備過程如下:首先,在施工現(xiàn)場采用鉤機將大塊廢棄混凝土破碎成小塊以便于運輸;其次,采用手持電鎬將其破碎為邊長不超過150 mm的塊體,并用顎式破碎機對塊體進行進一步破碎;最后,采用標準方孔篩網(wǎng)對骨料進行篩分,并將篩分后的骨料采用圖1所示級配進行混和備用。

為消除天然骨料內(nèi)所含水分對混凝土水灰比的影響,在試件混凝土制備前將天然骨料提前風(fēng)干24 h。與此同時,為降低再生骨料的高吸水性對新拌混凝土和易性的影響,須對再生骨料進行預(yù)處理。具體而言,對于再生粗骨料,在混凝土拌和前須將其放置于水中24 h,隨后取出置于篩網(wǎng)上放置約2 h,直至骨料表面不反光,處于飽和面干狀態(tài);對于再生細骨料,考慮到其吸水率較高(約為再生粗骨料的1.5倍),若沿用再生粗骨料的飽和面干處理方式,可能導(dǎo)致混凝土總水灰比增大,使得混凝土性能顯著降低,且在實際工程條件下難以有效控制再生細骨料的含水狀態(tài)。因此,在本試驗中采用Brito[2]建議的70%附加水法,即在拌和中加入附加水,附加水量為再生細骨料飽和吸水量的70%(即再生細骨料質(zhì)量與其飽和吸水率乘積的70%)與再生細骨料天然含水量之差,如式(2)所示。

(2)

根據(jù)前期研究[2,9],該方法可在保證混凝土和易性的同時,其抗壓強度降低幅度不大于5%。

1.4 試件制作及養(yǎng)護

試件混凝土的制備在哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)與抗震實驗室進行,采用容量150 L的單臥軸強制式攪拌機進行攪拌,制備過程如下:首先將所有骨料(包括天然骨料和再生骨料)與1/3左右的拌和水放入攪拌機中攪拌2 min,隨后將水泥放入并繼續(xù)攪拌3 min。最后,將余下的水與減水劑在1 min內(nèi)先后加入并攪拌3 min。在攪拌結(jié)束后采用坍落度筒測定坍落度,隨后將混凝土置于模具中并振搗。澆筑完成24 h后拆模,隨后將試件放入(20.0±2.0)℃、相對濕度大于95%的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至試驗當天。

通過坍落度測試結(jié)果(表1)可以發(fā)現(xiàn),新拌混凝土的坍落度在131～193 mm,滿足結(jié)構(gòu)用混凝土的要求。

1.5 加載與測量

按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》[23]的相關(guān)規(guī)定測定再生混凝土的抗壓強度及彈性模量(表1)。由測量結(jié)果可知,再生細骨料對混凝土抗壓強度及彈性模量的影響較小,分別為6.4%～12.0%、2.1%～14.1%。

混凝土橫向變形系數(shù)試驗在2 000 kN試驗機上進行,試驗裝置及測量系統(tǒng)如圖2所示。試驗過程中的加載采用力控制,在達到預(yù)估峰值荷載的80%之前加載速率為1 kN/s,隨后加載速率降至0.2 kN/s直至破壞。

在測量試件橫、縱向變形時,于試件各表面中部分別布置橫、縱向應(yīng)變片,并通過泰斯特動靜態(tài)信號測試分析系統(tǒng)(TST3827E)對二者數(shù)據(jù)進行同時采集。

2 試驗結(jié)果與討論

由于試件中同組3個試件的試驗結(jié)果差異不大,因此下文均采用同組3個試件的平均值進行對比分析。

2.1 再生骨料取代率的影響

圖3分析了當再生混凝土水灰比為0.45時,不同再生粗骨料取代率下再生細骨料取代率對橫向變形系數(shù)εh/εv的影響?？梢钥闯?在線彈性范圍內(nèi)所有試件的橫向系數(shù)基本恒定,該值εh/εv即為混凝土的泊松比μc。隨著荷載的增加,混凝土內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生并持續(xù)發(fā)展,使得比值εh/εv逐漸增大,最終所有試件橫向變形系數(shù)均超過0.5。其后,隨著比值εh/εv的提高,裂紋發(fā)展更為劇烈,混凝土體積逐漸提高。

a—rC=0%; b—rC=50%; c—rC=100%。

當再生粗骨料取代率為0%時,橫向變形系數(shù)隨再生細骨料取代率的增加而增加(圖3a)。以縱向應(yīng)變?yōu)? 000微應(yīng)變左右時(εv≈1×10-3)為例,當再生粗、細骨料取代率為0%時,混凝土橫向變形系數(shù)為0.28;當再生粗骨料取代率為0%且再生細骨料取代率為50%時,混凝土橫向變形系數(shù)提高46.4%;當再生細骨料取代率增至100%時,該提高幅度增至66.4%。單一摻入再生細骨料會增大橫向變形系數(shù)的原因主要是:再生細骨料的摻入會引入更多界面過渡區(qū)(ITZ)及微裂紋,使得試件在荷載作用下混凝土內(nèi)部裂紋更容易發(fā)展且發(fā)展更為劇烈,這導(dǎo)致橫向變形開始迅速增大所對應(yīng)的縱向變形降低,使得再生混凝土的橫向變形系數(shù)提高。與此同時,再生細骨料表面存在大量的殘余水泥石[4-5],使得再生混凝土中水泥石總體積含量高于普通混凝土。與在混凝土加載過程中橫向變形系數(shù)基本保持恒定的天然骨料相比,在塑性階段水泥石橫向變形會隨著荷載的提高而迅速增大,因此水泥石體積含量的增加會顯著提高混凝土橫向變形,導(dǎo)致橫向變形系數(shù)增大。

與僅摻入再生細骨料(rC=0%)對橫向變形系數(shù)的影響相反,當再生粗骨料取代率為50%、100%時,再生細骨料的摻入會顯著降低混凝土橫向變形系數(shù)(圖3b、3c),即再生粗、細骨料對混凝土橫向變形系數(shù)存在耦合作用。以縱向應(yīng)變?yōu)? 000微應(yīng)變左右時(εv≈1×10-3)為例,當再生粗骨料取代率為100%時,以50%取代率替代天然細骨料會使得橫向變形系數(shù)降低29.6%;當再生細骨料取代率為100%時,該降低幅度提高至52.9%。引起上述耦合作用的原因主要是:采用70%附加水法處理的再生細骨料仍可在混凝土硬化過程中持續(xù)吸水,導(dǎo)致再生粗骨料表面界面過渡區(qū)水灰比降低,使其結(jié)構(gòu)更加致密[4],混凝土內(nèi)部微裂紋更不易開展,橫向變形開始迅速增大所對應(yīng)的縱向變形提高,相同縱向變形下的橫向變形降低,從而使得橫向變形系數(shù)降低。上述影響與前期對鋼管再生混凝土柱橫向變形系數(shù)的研究結(jié)果相似[24]。

值得指出,對比圖3b與圖3c可以看出,再生粗、細骨料的耦合作用會隨著再生粗骨料取代率的提高而增大。具體而言,當再生粗骨料取代率為50%時,50%取代天然細骨料可使得橫向變形系數(shù)在縱向應(yīng)變?yōu)? 000微應(yīng)變左右時的橫向變形系數(shù)降低12.5%;當再生粗骨料取代率為100%時,50%取代天然細骨料可導(dǎo)致橫向變形系數(shù)降低29.6%。上述耦合作用差異的原因是:與全取代再生粗骨料相比,部分取代再生粗骨料的混凝土中可被強化的再生粗骨料表面界面過渡區(qū)較少,同時筆者前期電鏡試驗[4]發(fā)現(xiàn)天然粗骨料表面的界面過渡區(qū)并不會因再生細骨料的摻入而受到強化,因此與部分取代天然粗骨料的試件相比,再生細骨料的摻入對全取代天然粗骨料的再生混凝土橫向變形系數(shù)影響較大。

對比不同再生混凝土水灰比下(w/c),再生細骨料對橫向變形系數(shù)的影響規(guī)律,如圖4所示。

a—w/c=0.3; b—w/c=0.6。

可以看出:與再生混凝土水灰比為0.45、0.6相比,水灰比為0.3時再生骨料的影響較小。以縱向應(yīng)變?yōu)? 000微應(yīng)變左右時(εv≈1×10-3)為例,當再生粗骨料取代率為100%且再生細骨料取代率為0%時,橫向變形系數(shù)為0.227;再生細骨料取代率提高至50%,可使橫向變形系數(shù)降低5.7%,當再生細骨料取代率為100%時橫向變形系數(shù)降低19.3%。而當再生混凝土水灰比為0.45～0.6時,再生細骨料取代率從0%提升至100%可使得橫向變形系數(shù)降低26.1%～52.9%。

水灰比為0.3時再生細骨料影響較小的原因主要是:在相同水泥摻量下,與高水灰比試件相比,低水灰比試件中所加入的水較少,使得未與水泥發(fā)生水化反應(yīng)的水量較少[25]。當摻入以70%附加水法處理的再生細骨料時(仍具有吸水能力),這部分未參與水化反應(yīng)的水主要被再生細骨料吸收。與高水灰比的混凝土相比,低水灰比混凝土在硬化過程中被再生細骨料吸收的水分較少,使得水灰比降低較小,再生粗骨料表面界面過渡區(qū)增強幅度(導(dǎo)致橫向變形系數(shù)減小)較弱,此時因再生細骨料摻入所引入的微裂紋及殘余水泥石的影響(導(dǎo)致橫向變形系數(shù)增大)基本不變,最終導(dǎo)致橫向變形系數(shù)受再生細骨料的影響較小。

2.2 再生混凝土水灰比影響

對比不同再生骨料取代率下水灰比對橫向變形系數(shù)的影響,如圖5所示。為方便對比,將橫向變形系數(shù)進行了歸一化處理。圖中選取的數(shù)據(jù)點為當核心混凝土縱向應(yīng)變達峰值應(yīng)變左右時(εv≈2×10-3)的歸一化εh/εv比值。

圖5 不同再生骨料取代率下水灰比的影響

可以看出,不同取代率下水灰比的影響呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。具體而言,對于僅摻入再生粗骨料的試件,當水灰比從0.3增加至0.45時,混凝土橫向變形系數(shù)提高134%;當水灰比增至0.6時,該提高幅度降低為62.3%。對于再生細骨料取代率為50%和100%的試件,水灰比從0.3增至0.45可使得橫向變形系數(shù)分別提高50.6%、45.4%;當水灰比為0.6時,該提高幅度分別降低為21.7%與4.7%。

3 橫向變形系數(shù)預(yù)測模型

3.1 模型建立

采用相同縱向變形時再生混凝土與普通混凝土橫向變形系數(shù)之比表示再生骨料的影響,如式(3)所示。

(3)

再生混凝土與普通混凝土縱向變形相同時,二者比值為1,式(3)可化簡為式(4)。

(4)

為計算式(4),須確定再生混凝土與普通混凝土橫向變形的關(guān)系。文獻[4-5,10]基于兩相復(fù)合材料理論,將再生混凝土認為由天然骨料(包括天然粗、細骨料)、殘余砂漿以及新砂漿組成,并認為再生骨料表面殘余砂漿與新砂漿物理性質(zhì)相同且殘余砂漿與天然骨料也滿足兩相復(fù)合材料理論,推導(dǎo)得到了再生混凝土與普通混凝土縱向變形之間的關(guān)系表達式[5,10]?？紤]到混凝土橫、縱向變形的主要影響因素相同、影響機理相似,因此本文將沿用兩相復(fù)合材料理論描述再生混凝土橫向變形與其各組分變形間關(guān)系,推導(dǎo)得到再生混凝土橫向變形系數(shù)預(yù)測模型。

圖6給出了常見的兩相復(fù)合材料理論模型[5],由于各模型的基本假設(shè)不同,導(dǎo)致最終推導(dǎo)得到的模型預(yù)測精度與復(fù)雜程度也不同。為建立較為合理的再生混凝土橫向變形系數(shù)預(yù)測模型,須對各模型進行深入分析。對于Voigt模型,其假設(shè)混凝土所受荷載等于骨料與砂漿各自所受荷載之和(圖6a),并且混凝土橫向變形等于骨料與水泥石各自所產(chǎn)生橫向變形之和;對于Reuss模型而言,其假設(shè)在加載過程中混凝土中天然骨料與砂漿的橫向變形相同。然而,當混凝土所受荷載較大且處于彈塑性階段時,水泥石裂紋開展較為顯著,橫向變形較大;而天然骨料處于彈性階段,橫向變形較小,此時水泥石變形應(yīng)遠大于天然骨料變形,因此Ruess模型假設(shè)不合理。對于Hirsch模型與Counto模型而言(圖6c～6e),雖然前期研究[5,10]顯示其更能真實反映天然骨料與水泥石間的變形關(guān)系,但公式形式較為復(fù)雜且預(yù)測精度與Voigt模型接近(差異不超過5%)。因此,本文最終采用Voigt模型推導(dǎo)再生混凝土橫向變形系數(shù)預(yù)測公式。

a—Voigt模型; b—Reuss模型; c—Hirsch模型;d—Counto模型-1; e—Counto模型-2。

基于Voigt模型,并根據(jù)文獻[4-5]的建議認為再生骨料中原天然骨料與新天然骨料性質(zhì)相同,且殘余水泥石力學(xué)性能與新水泥石相同,因此再生混凝土與普通混凝土的橫向變形可通過式(5)表示:

(5a)

(5b)

將式(5)代入式(4),kr-μ可由下式計算:

(6)

根據(jù)式(6)可得再生骨料影響系數(shù)為:

(7)

(8a)

(8b)

同時,模型中還須考慮再生粗、細骨料的耦合影響。該影響通過在再生骨料影響系數(shù)kr-μ中引入耦合影響修正系數(shù)kr-com予以考慮。此修正系數(shù)的計算表達式通過采用試驗數(shù)據(jù)回歸分析得到,如式(9):

(9a)

kr-com=

(-2.51wre/c+2.98)

(9b)

式中:(w/c)RAC、(w/c)NAC分別為再生混凝土和普通混凝土水灰比;wre/c為在混凝土硬化過程中再生細骨料可吸收的水量與水泥含量的比值,根據(jù)文獻[4]的建議,可由式(10)計算。

(10)

式中:wa為再生細骨料吸水率;wn為再生細骨料天然含水率;wadd為附加水量,kg;c為水泥質(zhì)量,kg。

3.2 模型驗證

采用本文提出的再生混凝土橫向變形系數(shù)模型預(yù)測不同再生骨料取代率及水灰比下再生混凝土橫向變形系數(shù)隨縱向變形的發(fā)展曲線,將試驗結(jié)果與預(yù)測結(jié)果進行對比,如圖7所示。

由圖7可以看出,所提出的模型可以較好地預(yù)測再生混凝土橫向變形系數(shù)隨縱向變形的發(fā)展。預(yù)測結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)之比的平均值為1.000,變異系數(shù)為0.250。所提模型是否能夠適用于更廣參數(shù)范圍,有待進一步試驗進行驗證。

4 結(jié)束語

1)當僅摻入再生細骨料時,再生骨料的摻入會引入更多的微裂紋、界面過渡區(qū)以及水泥石,使得混凝土橫向變形系數(shù)增加。當再生細骨料取代率從0%增加至50%時,橫向變形系數(shù)提高46.4%;當取代率增至100%時,提高幅度為66.4%。

2)再生粗、細骨料對橫向變形系數(shù)存在顯著耦合作用,當再生粗骨料取代率為0%時,全取代再生細骨料會使得橫向變形系數(shù)提高66.4%;當再生粗骨料取代率為100%時,全取代再生細骨料會導(dǎo)致橫向變形系數(shù)降低52.9%。

3)水灰比的增加會使得再生細骨料對橫向變形系數(shù)的影響增大。當水灰比從0.3提高至0.6時,100%取代天然細骨料所導(dǎo)致的橫向變形系數(shù)降低幅度從18.9%提高至26.1%。

4)基于兩相復(fù)合材料理論,推導(dǎo)建立了可考慮不同水灰比下再生粗、細骨料耦合影響差異的橫向變形系數(shù)預(yù)測模型,模型預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。