再生混凝土早齡期拉伸徐變試驗研究

羅素蓉， 葉世昌， 黃海生

(1.福州大學 土木工程學院, 福建 福州 350116；2.福建省環保節能型高性能混凝土協同創新中心， 福建 福州 350116)

再生混凝土是指全部或部分使用再生骨料制備而成的混凝土，因其有利于節約資源、保護環境和促進可持續發展而具有廣闊的發展前景[1].再生粗骨料附著的舊水泥砂漿使再生混凝土的裂紋較普通混凝土多，孔隙率和吸水率高，界面過渡區薄弱[2-4]，導致其體積穩定性差.研究[5-8]顯示，再生混凝土收縮變形值比普通混凝土大11%～70%，更易發生早齡期開裂.當混凝土早齡期體積變化受約束形成的拉應力達到其此時的極限拉應力時便產生裂縫.在此過程中，混凝土早齡期的拉伸徐變性能至關重要，原因在于其早齡期拉伸徐變可大幅度緩解拉應力，有效延緩開裂[9-10].目前，對再生混凝土早齡期拉伸徐變性能的研究極少.為掌握再生混凝土抗裂特性，有必要對其拉伸徐變性能進行研究.

本文通過再生混凝土早齡期拉伸徐變試驗，揭示了再生粗骨料取代率、礦物摻和料摻量對其早齡期拉伸徐變度的影響，并對M-Burgers徐變預測模型進行修正，建立了適用于再生混凝土早齡期拉伸徐變度的預測模型.

1 試驗

1.1 原材料

水泥(C)采用42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為372m2/kg；粉煤灰(FA)為Ⅱ級粉煤灰，比表面積為442m2/kg； 礦渣(GGBS)為S95級粒化高爐礦渣微粉，比表面積為411m2/kg.膠凝材料的化學組成見表1.

表1 膠凝材料的化學組成

天然粗骨料(NCA)為5～20mm連續級配的花崗巖碎石，滿足GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》要求；細骨料(S)采用河砂，細度模數為2.26，表觀密度為2630kg/m3.減水劑(SP)為聚羧酸減水劑，其中SP1的減水率(質量分數)為25%，SP2的減水率為18%.

再生粗骨料(RCA)取自某省級干線公路拆除后的廢混凝土，強度等級C18，使用年限已達18a，破碎篩分成5～20mm連續級配，其性能滿足GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》要求.再生粗骨料及天然粗骨料性能比較見表2.

表2 再生粗骨料與天然粗骨料的性能指標

1.2 混凝土配合比及基本力學性能

依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》、CECS 207：2006《高性能混凝土應用技術規程》及DG/T J08—2018—2007《再生混凝土應用技術規程》進行配合比設計，其中水膠比(質量比)為0.4，砂率(質量分數)為38%，混凝土配合比及基本力學性能見表3，表中NC為普通混凝土，RAC50，RAC70，RAC100分別表示再生粗骨料取代率(質量分數)為50%，70%，100%的再生混凝土，F，S后面的數字分別代表粉煤灰或礦渣取代水泥的質量分數.

1.3 再生混凝土攪拌工藝

依據前期再生粗骨料強化預處理試驗結果[11]，采用二次攪拌工藝制備再生混凝土：先將全部膠凝材料、外加劑和1/2水加入攪拌機中攪拌60s，接著加入粗骨料攪拌90s，最后加入河砂和剩余1/2水攪拌60s，出料并制成試件.

1.4 單軸拉伸徐變試驗

單軸拉伸徐變試件參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》中關于混凝土壓縮徐變的規定進行.試件為100mm×100mm×400mm棱柱體，澆筑成型后在標準養護室內養護至22h脫模，24h后進行拉伸試驗，同時測試混凝土立方體劈裂抗拉強度.實驗室恒溫恒濕，環境溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(60±5)%.由拉伸試驗測得的試件變形扣除對照試件收縮變形得到試件拉伸徐變變形.同時，為區分基本徐變和干燥徐變，將每組試件分為密封試件(基本徐變)和不密封試件(總徐變)，并置于同一拉伸裝置中進行試驗.密封試件在混凝土脫模后進行表面涂蠟和包膜雙重處理.

表3 混凝土配合比及基本力學性能

拉伸徐變加載裝置參照文獻[12]設計，如圖1所示.通過旋緊桿件端部的螺栓對試件進行拉伸.拉伸前，測得試件1d時的劈裂抗拉強度，并以此為依據通過LTR-1型拉壓力傳感器將持荷應力比控制為0.3.試件的變形通過粘貼于2個側面中部的BX120-100AA型電阻應變片進行測量.在試驗過程中，為防止混凝土體積變化和試驗裝置變形對施加荷載的影響，定期對試件持荷狀況進行檢查、調整.

圖1 單軸拉伸徐變試驗裝置Fig.1 Uniaxial tensile creep test apparatus

為使試驗結果具有可比性，按式(1)將試件拉伸徐變換算成拉伸徐變度.

(1)

式中：Csp(t,t0)為試件由t0時刻加載至t時刻的拉伸徐變度；εc(t,t0)為試件由t0時刻加載至t時刻的拉伸徐變；σ0為混凝土t0時刻的持荷應力.

2 拉伸徐變試驗結果分析

2.1 再生粗骨料取代率對再生混凝土拉伸徐變度的影響

再生粗骨料取代率對再生混凝土拉伸徐變度和基本徐變度的影響分別見圖2，3.由圖2，3可見，再生混凝土拉伸徐變度的增長規律與普通混凝土一致，呈現早期發展迅速、后期發展減緩并趨于穩定的趨勢，而且再生混凝土拉伸徐變度隨再生粗骨料取代率的增加而增大.持荷14d時，50%～ 100%再生粗骨料取代率的再生混凝土較對照組混凝土拉伸徐變度增長8%～31%，基本徐變度增長7%～23%.原因在于砂漿是混凝土產生徐變的組分，粗骨料是約束砂漿徐變的組分[13-14]，再生粗骨料表面附著舊砂漿，用其取代天然粗骨料后，造成再生混凝土中的砂漿增多，天然粗骨料減少，從而使徐變增大.此外，再生混凝土存在多重界面，微觀結構復雜，再生粗骨料的損傷和微裂縫會導致界面過渡區薄弱[1]，使其在拉伸時更易產生變形.

圖2 再生粗骨料取代率對再生混凝土拉伸徐變度的影響Fig.2 Influence of recycled coarse aggregate replacement rates on total tensile creep of recycled concrete

圖3 再生粗骨料取代率對再生混凝土基本徐變度的影響Fig.3 Influence of recycled coarse aggregate replacement rates on basic tensile creep of recycled concrete

2.2 礦物摻和料對再生混凝土拉伸徐變度的影響

摻粉煤灰及復摻粉煤灰+礦渣對再生混凝土拉伸徐變度的影響分別見圖4～7.由圖4～7可見，再生混凝土拉伸徐變度隨粉煤灰摻量的增加而增大，持荷14d時，摻30%～60%粉煤灰的再生混凝土拉伸徐變度和基本徐變度較對照組混凝土增長8%～32%.再生混凝土拉伸徐變度隨粉煤灰+礦渣復摻量的增加而增大，但與單摻同等摻量的粉煤灰再生混凝土相比，增加幅度減小，持荷14d時，復摻30%～ 60%粉煤灰+礦渣的再生混凝土拉伸徐變度較對照組混凝土增長3%～22%，基本徐變度增長2%～21%.原因在于粉煤灰活性低于水泥，摻粉煤灰導致再生混凝土早期強度低且增長緩慢，從而使粉煤灰摻量大的再生混凝土拉伸徐變度增大.由于粉煤灰+礦渣復摻能提高再生混凝土的密實度，且礦渣的活性大于粉煤灰，強度增長較快，所以復摻粉煤灰+礦渣的再生混凝土拉伸徐變度小于單摻同等摻量粉煤灰的再生混凝土.

圖4 粉煤灰對再生混凝土拉伸徐變度的影響Fig.4 Influence of fly ash on total tensile creep of recycled concrete

圖5 粉煤灰對再生混凝土基本徐變度的影響Fig.5 Influence of fly ash on basic tensile creep of recycled concrete

圖6 粉煤灰+礦渣復摻對再生混凝土拉伸徐變度的影響Fig.6 Influence of fly ash and slag on total tensile creep of recycled concrete

圖7 粉煤灰+礦渣復摻對再生混凝土基本徐變度的影響Fig.7 Influence of fly ash and slag on basic tensile creep of recycled concrete

3 再生混凝土拉伸徐變度預測模型

對混凝土拉伸徐變度進行預測的模型有ACI 209R-92模型、B3模型、CEB MC90-99模型和GL2000模型[15].NC，RAC70組試件拉伸徐變度試驗值與模型預測值對比分別見圖8，9.由圖8，9可見，各預測模型對普通混凝土和再生混凝土早齡期拉伸徐變度預測的可靠性較差.

圖8 NC組試件拉伸徐變度試驗值與模型預測值對比Fig.8 Comparison between experiment values of NC and predicted values of model

圖9 RAC70組試件拉伸徐變度試驗值與模型預測值對比Fig.9 Comparison between experiment values of RAC70 and predicted values of model

Burgers徐變預測模型由基本流變模型中的Kelvin模型與Maxwell模型串聯組成[16]，見圖10.在Burgers徐變預測模型中混凝土的整體骨架(骨料及水泥漿體構成)由Maxwell模型中的彈性元件表示，其產生的變形為彈性應變εe，而混凝土中的水泥漿體由Kelvin模型及Maxwell模型中的黏性元件表示，其產生的變形為徐變.t0時刻在應力σ作用下Burgers徐變預測模型將產生瞬時彈性應變，此后Maxwell模型中的黏性元件產生黏性流動應變εd，Kelvin模型則產生受彈性元件約束的應變εk.t1時刻卸載后，εe立即恢復，εd不可恢復，εk則逐漸恢復.Burgers徐變預測模型的變形響應見圖11.試件的總應變εtotal為：

εtotal=εe+εd+εk

(2)

圖10 Burgers徐變預測模型Fig.10 Composition of Burgers model

圖11 Burgers徐變預測模型應變響應Fig.11 Deformation response of Burgers model

由應力-應變關系得到：

(3)

式中：EM，EK分別為Maxwell模型和Kelvin模型中彈性元件的彈性系數；ηM，ηK分別為Maxwell模型和Kelvin模型中黏性元件的黏性系數.

為更加合理地反映混凝土特性隨時間變化的實際情況，以便更有效預測早齡期混凝土拉伸徐變度，對Burgers預測模型進行如下修正[17-18]：

ηM=α1eα2(t-t0)

(4)

ηK=β1EK(t-t0)β2

(5)

式(4)，(5)中：α1為修正Maxwell模型中加載時混凝土的初始黏性參數；α2為修正Maxwell模型中影響黏性系數增長速率的參數；β1，β2均為修正Kelvin模型中影響延遲時間增長速率的參數.

綜上，經過推導，可得修正后的再生混凝土早齡期拉伸徐變度Burgers預測模型(以下簡稱M-Burgers徐變預測模型)，即：

(6)

M-Burgers徐變預測模型并未考慮干燥因素，所以該模型只適用于混凝土早齡期基本徐變度預測.根據文獻[12]，可取β1=0.890，β2=0.500，其余參數依據NC組試件試驗結果擬合確定.經擬合，α1=0.098，α2=0.848，EK=0.094，相關系數R2為0.971，結果見圖12.由圖12可見，M-Burgers徐變預測模型的擬合精度較高.

圖12 NC組試件的擬合結果Fig.12 Fitting result of NC

將確定參數后的M-Burgers徐變預測模型計算值與NC組以外的其余各組試件早齡期基本徐變度的試驗值進行比較，結果顯示徐變預測值與試驗值仍存在較大偏差.這是因為再生粗骨料取代率和礦物摻和料對混凝土拉伸徐變存在影響.據此，基于M-Burgers徐變預測模型分別引入考慮再生粗骨料取代率、粉煤灰摻量、粉煤灰+礦渣復摻量對再生混凝土早齡期基本徐變度影響的參數Rr，Rf和Rfs，這時摻入粉煤灰的再生混凝土早齡期基本徐變度的M-Burgers預測模型修正為：

(7)

復摻粉煤灰+礦渣的再生混凝土早齡期基本徐變度的M-Burgers預測模型修正為：

(8)

根據擬合分析，Rr，Rf和Rfs的取值及式(7)，(8)擬合結果見表4.由表4可見，各試件的擬合結果良好，且14d的殘差百分比均在10%內，表明修正后的M-Burgers徐變預測模型能較好預測再生混凝土早齡期的基本徐變度.通過Rr，Rf和Rfs取值與再生粗骨料取代率(wr)、粉煤灰摻量(wf)、粉煤灰+礦渣復摻量(wfs)之間的關系，進一步擬合分析可得Rr，Rf和Rfs的計算式為：

(9)

表4 Rr，Rf和Rfs取值及式(7)，(8)擬合結果

4 結論

(1)再生混凝土拉伸徐變度隨持荷時間的變化規律與普通混凝土一致，呈早期發展迅速、后期發展減緩并趨于穩定的趨勢.再生混凝土拉伸徐變度隨再生粗骨料取代率的增加而增大，再生粗骨料取代率50%～100%時，其拉伸徐變度較普通混凝土增加8%～31%.

(2)再生混凝土拉伸徐變度隨粉煤灰摻量、粉煤灰+礦渣復摻量的增加而增大，摻30%～60%粉煤灰的再生混凝土拉伸徐變度增加8%～32%，復摻30%～60%粉煤灰+礦渣的再生混凝土拉伸徐變度增加3%～22%.摻粉煤灰或復摻粉煤灰+礦渣可增加再生混凝土的拉伸徐變度，從而延緩混凝土裂縫產生.

(3)考慮再生粗骨料取代率和礦物摻和料對再生混凝土拉伸徐變度的影響，引入修正系數對M-Burgers徐變預測模型進行修正，修正后的M-Burgers徐變預測模型能較好預測再生混凝土的基本徐變度.

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