再生混凝土與普通混凝土結(jié)合面剪應力分析

左宏，易金，陳杏

（1.山東省鄒平縣水利局，山東鄒平256200；2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西桂林541004；3.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林541004；4.廣西壯族自治區(qū)建筑科學研究設計院，廣西南寧530000）

再生混凝土與普通混凝土結(jié)合面剪應力分析

左宏1，易金2，3，陳杏4

（1.山東省鄒平縣水利局，山東鄒平256200；2.廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西桂林541004；3.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林541004；4.廣西壯族自治區(qū)建筑科學研究設計院，廣西南寧530000）

摘要：針對再生混凝土與普通混凝土在結(jié)構(gòu)體系中的協(xié)同工作問題，對由混凝土收縮原因引起的再生混凝土與普通混凝土疊合構(gòu)件變形及結(jié)合面剪力問題進行了研究，重點分析結(jié)合面上剪應力產(chǎn)生的原因、分布特點、工程影響及其計算公式，并與實際疊合試件的試驗數(shù)據(jù)做了對比分析。結(jié)果表明，疊合構(gòu)件中再生混凝土層的收縮量及收縮穩(wěn)定期均小于同等條件下自由干縮的再生混凝土，其結(jié)合面剪應力分布沿軸線方向隨著構(gòu)件尺寸變化增加明顯，構(gòu)件邊緣處的剪應力值最大，從邊緣向中部逐漸減小。在實際工程中，可通過合理控制疊合構(gòu)件的長度和混凝土的配合比等方式，將結(jié)合面剪應力控制在允許范圍內(nèi)。

關鍵詞：再生混凝土；剪應力；干縮試驗；結(jié)合面

再生混凝土是將廢棄混凝土經(jīng)過搗碎、“清洗”、分級和按一定比例與級配混合成再生粗骨料，部分或者全部代替石子等天然骨料配制成的新混凝土，是解決目前建筑材料與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展問題的一種非常有效的途徑［1-2］。由于再生混凝土存在一些性能缺陷，目前在實際工程中完全用再生混凝土來替代普通混凝土顯然是不可取的。如果選擇將再生混凝土與普通混凝土疊合使用于混凝土結(jié)構(gòu)體系中的非重要部位或非重要構(gòu)件，必將極大拓寬其應用范圍，但由此會帶來兩種混凝土的協(xié)同工作問題。目前國內(nèi)外對再生混凝土和普通混凝土兩種不同工作性能材料疊合而成的構(gòu)件的工作性能問題已有少量研究［3-5］，但相比而言，由再生混凝土和普通混凝土彈性模量差異以及干縮所引起的變形協(xié)調(diào)問題則顯得同樣突出和重要。

1　結(jié)合面剪應力基本理論分析

兩種不同性質(zhì)的混凝土疊合形成整體后，由于二者干縮速率和干縮量的差異，在結(jié)合面上必將產(chǎn)生剪應力，使得兩混凝土層偏心受壓或受拉，而產(chǎn)生的剪應力與水平變位呈現(xiàn)線性比例關系［6-7］。對于再生混凝土與普通混凝土疊合問題即有

當再生混凝土-普通混凝土疊合試件干縮時，普通混凝土頂面產(chǎn)生了從兩端向中部的剪應力，使其偏心受壓。根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，疊合層再生混凝土也發(fā)生相應變形，從而在再生混凝土疊合層截面發(fā)生沿疊合層高度的線性應力分布，建立以疊合試件的結(jié)合面為x軸方向、以垂直結(jié)合面為y軸方向的直角坐標系，如圖1所示。

在坐標系任意點x0處，截取再生混凝土一小段dx微元體，微元體的高度h，厚度b，軸力為N（即微元體x的合力），微元體產(chǎn)生的彎矩M，結(jié)合面的剪力Q（剪應力的合力，即Q=bdx），如圖1所示。

圖1　疊合體-微元體受力圖Fig.1 Composite body-infinitesimal body force diagram

對式（2），整理得

對式（3），整理得

根據(jù)疊合構(gòu)件建立的坐標系分析可知，結(jié)合面任意點的相對位移u由疊合構(gòu)件約束位移u0和疊合構(gòu)件自由干縮引起的位移csx合成，即

由（7）式得

則

由式（4），（5）和（9）代入（6）整理得

由式（1）和（10）整理得

根據(jù)彈性力學的相關理論，由邊界條件定積分常數(shù)，x=0，u=0，sh0=0，得A=0，由此得u=Bshx。

由此可得

由式（13），（14）整理得

把式（16）代入（1）得

由式（17）可知，再生混凝土與普通混凝土彈性模量差是影響其結(jié)合面上剪應力大小的一個重要因素，故再生混凝土骨料的來源對該剪應力起著一定的重要影響。

下面取一同批次試驗中的再生混凝土與普通混凝土疊合試件作為算例：疊合試件全長L=2 000 mm寬度b=100 mm，高度H=2h=100 mm，疊合層混凝土高度h=50 mm，試驗齡期為180 d，其普通混凝土層的彈性模量為E=3.53×104N·mm-2，再生混凝土層的彈性模量為E′=3.53×104N·mm-2［8-9］。根據(jù)式（17），繪出剪應力縱向分布示意圖，如圖2所示。在再生混凝土-普通混凝土結(jié)合面邊緣處的剪應力最大，中部最小。剪應力在一定長度（約±600 mm）范圍內(nèi)增加平緩，但超過一定范圍后增長幅度明顯增大。如果在結(jié)合面上某部位剪應力過大，則在該部位形成薄弱區(qū)，結(jié)合面將容易開裂。所以，在實際工程中，當再生混凝土與普通混凝土進行疊合澆筑時，必須考慮結(jié)合面上產(chǎn)生的剪應力。

圖2　結(jié)合面剪應力縱向分布示意圖Fig.2 Longitudinal shear stress on composite interface of distribution sketch

2　結(jié)合面剪應力算例

2.1混凝土干縮試驗

在本算例試驗中再生混凝土的粗骨料來源于結(jié)構(gòu)試驗后的廢棄梁，將其敲碎后運往碎石廠，經(jīng)碎石機2次破碎，按一定比例和級配混合而成，細骨料采用的是河砂，混凝土配合比見表1。

表1　混凝土配合比Tab.1 Proportions of concrete mix

本試驗中試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，為使干縮試驗同步對比，對于疊合試件先澆筑100 mm×50 mm×400 mm的普通混凝土層，24 h后，將同尺寸的再生混凝土層與其澆筑在一起，再經(jīng)24 h后拆模，安裝千分表開始測量干縮數(shù)據(jù)。需要測量兩類數(shù)據(jù)：自由干縮數(shù)據(jù)和疊合干縮數(shù)據(jù)。干縮測試點布置如圖3所示。

2.1.1再生混凝土與普通混凝土自由干縮量

圖4干縮曲線表明，隨著試驗齡期的增長，再生混凝土與普通混凝土的自由干縮量都在不斷增加，早期的干縮速率基本一致，50 d后二者差異逐漸增大。普通混凝土在90 d后，干縮基本達到穩(wěn)定，而再生混凝土在190 d后才基本達到穩(wěn)定。在試件干縮處于平緩階段時，再生混凝土干縮量約為普通混凝土2.33倍，前者的后期干縮明顯高于后者。

2.1.2再生混凝土與普通混凝土對稱疊合干縮量

圖5干縮曲線表明，疊合試件中的再生混凝土與普通混凝土的早期干縮速率基本一致，在90 d后差異逐漸增大，再生混凝土層的干縮量明顯比普通混凝土層大，隨著試驗齡期的增長，其干縮變形差值進一步增大，二者在150 d后達到最大且基本趨于穩(wěn)定，再生混凝土的干縮量約為普通混凝土的1.26倍，這相對于自由干縮有明顯減小。疊合構(gòu)件中再生混凝土層的收縮量及收縮穩(wěn)定期均小于同等條件下自由干縮的再生混凝土，而其普通混凝土層反之，故疊合構(gòu)件中的再生混凝土和普通混凝土受其相互間的收縮影響明顯。

疊合構(gòu)件的收縮量及收縮穩(wěn)定期介于再生混凝土與普通混凝土自由收縮之間，二者受其相互間的收縮影響明顯。

圖3　疊合試件干縮測試點布置圖Fig.3 Composite specimen dry shrinkage test point arrangement

圖4　再生混凝土與普通混凝土自由干縮Fig.4 Free shrinkage of recycled concrete and ordinary concrete

圖5　再生混凝土-普通混凝土干縮Fig.5 Shrinkage of recycled concrete- ordinary concrete

2.2結(jié)合面剪應力計算過程

疊合式混凝土試件的寬度b=100 mm，高度H=2h=100 mm，疊合層混凝土高度h=50 mm，疊合試件全長L=400 mm。選取試驗齡期180 d，疊合式普通混凝土的有效彈性模量為E=3.53×104N·mm-2，再生混凝土的有效彈性模量為E′=2.10×104N·mm-2。由上文自由干縮試驗測得：普通混凝土干縮應變cs=2.65×10-4，再生混凝土干縮應變′cs=6.26×10-4。由于徐變過程的復雜性，加之二者在早期干縮率較為接近，未考慮整個干縮過程徐變對變形的影響，實際上，混凝土徐變在此類問題中有利于結(jié)合面應力的釋放，起到減緩變形、減少開裂的作用。

取Cx=1.20 N·mm-3［6］。將E，E′，cs，′cs代入理論推導出的公式（17），計算疊合式混凝土試件結(jié)合面在x=200 mm處剪應力的理論值，得

同理，分別計算出x=150 mm，100 mm，50 mm，0，…處的剪應力大小，計算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，當疊合試件長度控制在一定小的范圍內(nèi)，其結(jié)合面剪應力大小從中心沿兩側(cè)長度方向按直線形式平緩增加。但如果疊合試件長度過大，如圖2所示（L=2 000 mm），則增長幅度明顯增大。

由再生混凝土與普通混凝土對稱疊合干縮試驗實際測量的再生混凝土層基準收縮量l1=20.12× 10-2mm，普通混凝土層基準收縮量l2=15.75× 10-2mm，代入公式（1）得疊合式混凝土試件在x=200 mm處剪應力的實際值

3　　結(jié)論

圖6　普通混凝土-再生混凝土結(jié)合面剪應力Fig.6 Shear stress on composite interface of recycled- ordinary concrete

1）當再生混凝土與普通混凝土疊合時，在結(jié)合面上會產(chǎn)生沿軸線方向分布隨構(gòu)件尺寸變化增加的剪應力，構(gòu)件邊緣處的剪應力值最大，從邊緣向中部逐漸減小。

2）疊合構(gòu)件中再生混凝土層的收縮量及收縮穩(wěn)定期均小于同等條件下自由干縮的再生混凝土，而其普通混凝土層反之，故二者受其相互間的收縮影響明顯。

3）結(jié)合面上的剪應力隨疊合構(gòu)件長度的增加而增大，在一定長度（就本批次試驗的混凝土而言約為1 200 mm）范圍內(nèi)，剪應力增加平緩，但超過一定范圍后增長幅度明顯增大。

4）在實際工程中，可通過合理控制疊合構(gòu)件的長度、再生混凝土和普通混凝土的配合比等方式，將結(jié)合面剪應力控制在允許范圍內(nèi)。

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（責任編輯劉棉玲）

Shear Stress on the Composite Interface of Recycled Concrete and Ordinary Concrete

Zuo Hong1, Yi Jin2.3, Chen Xing4
(1. Zouping County Water Conservancy Bureau of Shandong Province, Zouping 256200, China; 2. Guangxi Key Laboratory of New Energy and Building Energy Saving, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 3. Civil Engineering College, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 4. Academy of Building Research and Design of Guangxi Zhuang Autonomous Region, Nanning 530000,China)

Abstract:Aiming at the problem of RC (recycled concrete) and OC (ordinary concrete) cooperative work in struc?tural system, this paper studied the problems of deformation caused by dry shrinkage of the RC and OC composite components and shear stress on the interface. It specifically analyzed the characteristics of the causes, distribu?tion, engineering effects and calculation formula, and compared with the actual test data. The results show that, under the same condition, shrinkage value and stabilization period of the RC part in composite components were less than the RC free shrinkage. Shear stress increased significantly along the axial line direction with the change of component size, and the shear stress reached a maximum on the edges of interface, and it gradually decreased from the edge to the central. In practical engineering, controlling the length of the composite components and pro?portions of concrete mix reasonably would make the shear stress within the allowable range.

Key words:recycled concrete; shear stress; shrinkage test; interface

作者簡介：左宏（1978—），女，工程師，研究方向為新材料在水利工程中的應用。

基金項目：廣西自然科學基金項目（2012GXNSFBA053151）；廣西重點實驗室開放基金項目（11-03-21-3）；廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心項目（KH2011ZD007）

收稿日期：2015-03-19

文章編號：1005-0523（2015）03-0097-06

中圖分類號：TU502.6；TU317.2

文獻標志碼：A