含磚粒再生混凝土懸臂梁阻尼性能試驗與分析

安新正, 邊金明, 申彥利

(河北工程大學土木工程學院, 邯鄲 056038)

將經處理后的建筑垃圾部分或全部替代天然骨料制成再生混凝土應用于混凝土工程,是實現建筑垃圾資源化和倡導節能環保的新途徑,已成為中外學者聚焦的話題[1-2]。據報道,中國年均需處理的由廢棄混凝土和廢棄磚為主的建筑垃圾產量達1億t以上[2],由于將其分類回收成本較高,一般是將其統一回收、加工再利用。但是目前所研究的再生混凝土中再生粗骨料多為單一的廢棄混凝土或廢棄磚塊[2-3],對由以上統一回收的非單一成分組成的建筑垃圾作為再生骨料研究較少。為解決這部分由廢棄混凝土和廢棄磚組成的建筑垃圾的出路問題,對其作為再生粗骨料制備含磚粒再生混凝土進行研究意義重大。另外,阻尼是進行結構設計的重要參數,又是體現材料本身耗能能力的重要指標,對結構振動過程中能量耗散貢獻顯著。為加速含磚粒再生混凝土在更廣范圍內應用,有必要對其阻尼性能進行探討。

直到20世紀80年代,隨著人們對結構振動反應分析日趨廣泛,對混凝土材料的阻尼選取引發中外學者廣泛關注[4]。關于再生混凝土材料阻尼性能,近年來學者們對其展開研究。梁超鋒等[5-6]基于三點彎曲梁試驗,探討了再生粗骨料取代率、粒徑對再生混凝土材料阻尼性能的影響，結果表明,再生混凝土的阻尼耗能比普通混凝土高3%～10%，并借助微觀試驗得出孔隙和薄弱界面是再生混凝土阻尼耗能的重要因素。Jordan[7]詳細研究了應力水平、頻率、養護條件和齡期等因素對混凝土阻尼性能的影響,認為微裂縫是阻尼產生的重要原因。肖建莊等[8]采用懸掛和懸臂兩種試驗方法對再生混凝土材料阻尼進行系統研究,結果表明懸臂法阻尼測試結果高于懸掛法。柯國軍等[9]研究表明混凝土材料阻尼比隨抗壓強度和彈性模量的增加而降低。

從以上研究可以看出,以往研究主要集中在單一成分再生粗骨料配制的再生混凝土的阻尼性能,且研究結果由于試驗方法的不同和再生粗骨料性能的復雜而有所出入,對含磚粒再生混凝土材料阻尼性能的研究涉及尚少。鑒于此,現將以磚粒含量約50%的建筑垃圾作為再生粗骨料制備81根含磚粒再生混凝土梁,通過懸臂梁自由振動試驗,研究含磚粒再生粗骨料(brick-containing recycled coarse aggregate,BRCA)取代率、水膠比、粉煤灰摻量、試件尺寸對含磚粒再生混凝土阻尼比的影響,以期為含磚粒再生混凝土在工程中推廣應用以及工程抗震設計提供基礎性參考。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

①水泥(cement, C):紅旗牌 42.5普通硅酸鹽水泥；②細骨料(natural fine aggregate, NFA):天然河砂,細度模數為1.6；③粗骨料:天然粗骨料(ma-tural coarse aggregate,NCA):粒徑范圍為5～20 mm,連續級配,表觀密度為2 703 kg/m3,24 h吸水率為1.06%,壓碎指標為9.8%；含磚粒再生粗骨料(BRCA):由邯鄲全有生態建材有限公司生產提供,粒徑范圍為5～20 mm,連續級配,表觀密度為2 514 kg/m3,24 h吸水率為11.5%,壓碎指標16.1%；④粉煤灰(fly ash,FA):Ⅱ級粉煤灰；⑤減水劑(water reducer,WR):高效聚羧酸液態減水劑,減水率25%；⑥水(water,W):市供自來水。

1.2 試件制作及配合比

試驗共制作9組試件。試驗編號為B0～B8。其中B0～B4表示BRCA取代率為0%、30%、50%、70%、100%(水膠比為0.57、FA摻量為10%)的5組試件；B5～B6表示FA摻量為0%、20% (水膠比為0.57、BRCA取代率為100%)的2組試件；B7～B8表示水膠比為0.47、0.65(BRCA取代率為100%、FA摻量10%)的2組試件。每組配合比下均澆筑截面邊長為100 mm,長分別為1 000 mm(A1)、515 mm(A2)、400 mm(A3)的長方體梁試件,每種尺寸各3根,共81根梁,用于材料阻尼性能測試；另外每組同批澆筑邊長為100 mm的立方體試塊各6塊,用于28 d抗壓強度和劈拉強度測試[10]。薄膜覆蓋養護28 d。本試驗配合比如表1所示。

表1 各組試件配合比Table 1 Mixture ratio of each group of test pieces

1.3 試驗方法及測試內容

1.3.1 超聲波測試

試驗采用瑞士TICO非金屬超聲波檢測儀測試超聲波在梁中傳播的波速,采用對測法。使用耦合劑將超聲波發射探頭和接收探頭貼合在梁試件縱向對立測試面的不同測點上,且保持在同一水平軸線上,測試時保證換能器與梁試件表面耦合良好。其均值作為該配合比下的超聲波波速值。

1.3.2 材料阻尼測試

含磚粒再生混凝土不同配合比下梁試件的阻尼比測試采用懸臂梁自由振動衰減法。將梁試件固定于TYA-2000 型數顯壓力試驗機上,形成懸臂梁系統。用力錘輕擊圖1所示的激勵位置,通過DH5902動態信號采集系統進行數據采集和分析。試驗測得梁試件振動的加速度時程曲線如圖2所示,梁試件的阻尼比計算公式為

圖1 懸臂梁自由振動試驗裝置Fig.1 Free vibration test device of cantilever

圖2 加速度時程曲線Fig.2 Acceleration time history curve

(1)

式(1)中:ξ為阻尼比；Ai、Ai+n為懸臂梁自由振動衰減第i、i+n周期的加速度峰值。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

含磚粒再生混凝土抗壓強度、劈拉強度、阻尼比及超聲波波速的實測結果如表2所示。

2.2 強度分析

由表2可知,抗壓強度和劈拉強度均隨BRCA取代率的增加而下降,其降幅分別為11.7%～30.9%和13.6%～34.5%。當BRCA取代率低于30%時,抗壓強度和劈拉強度降幅較小。因此,建議用于考慮承載力結構設計的再生混凝土BRCA取代率不宜超過30%。這是因為BRCA自身強度低,宏觀破壞表現出廢棄磚粒及廢棄混凝土骨料本身的斷裂破壞。另外廢棄磚粒孔隙率較高且存在初始缺陷軸向拉壓時在薄弱處易引起應力集中[3]。

表2 再生混凝土相關性能參數Table 2 Relevant performance parameters of recycled concrete

含磚粒再生混凝土抗壓強度和劈拉強度均隨FA摻量的增加呈先增加而后減少趨勢。相對于B5,B4的抗壓強度和劈拉強度增幅分別為1.3%和8.0%。而B6的抗壓強度和劈拉強度分別下降了4.6%、12.2%。表明FA摻量為10%有利于激發水泥活性,促進水泥水化,改善內部孔隙結構,提高其強度。FA摻量為20%時,由于粉煤灰活性低于水泥,其水化反應緩慢,存在未水化部分,引起強度降低。含磚粒再生混凝土的抗壓強度和劈拉強度均隨水膠比的增大而降低,與普通混凝土規律基本相似。

2.3 材料阻尼性能分析

2.3.1 BRCA取代率和FA摻量的影響

不同BRCA取代率下含磚粒再生混凝土的阻尼比如圖3所示。A1、A2、A3阻尼比均隨BRCA取代率的增加而增加,與文獻[4-5]增長趨勢一致。相比于B0,B1、B2、B3、B4的平均阻尼比分別增加了4.7%、8.6%、14.2%、13.2%,BRCA對混凝土材料阻尼性能提高顯著。在不同取代率下含磚粒再生混凝土與文獻[4-5]中再生混凝土材料相比,其阻尼比均有明顯提高,約是文獻[4-5]的1～2.5倍。主要原因是:BRCA中包含廢棄磚粒和廢棄混凝土兩部分。廢棄磚粒疏松多孔、孔徑大,而文獻[4-5]中廢棄混凝土作為再生粗骨料相對磚粒孔隙率較低、密實度較高。已有試驗表明[6],碎磚摻量10%的全再生混凝土存在大孔和界面裂隙,其總孔體積和平均孔徑均大于不摻碎磚的全再生混凝土。另外,BRCA中部分廢棄混凝土顆粒表面局部區域附著帶有微小孔隙的舊硬化水泥砂漿。BRCA在破碎過程中內部也產生了大量微裂紋。總之,含磚粒再生混凝土內部孔隙和損傷裂紋均是阻尼耗能的原因。

圖3 阻尼比隨含磚粒再生粗骨料取代率變化Fig.3 Damping ratio changes with BRCA substitution rate

另一方面,表面附著老舊砂漿的次生骨料、廢舊砂漿顆粒以及廢棄磚粒與新硬化水泥砂漿結合,均存在薄弱黏結過渡界面。微觀試驗顯示[11],薄弱界面過渡區存在空隙大且密實度低的氫氧化鈣的定向結晶和鈣礬石晶體。所以,薄弱黏結過渡界面隨BRCA取代率的增加而增加,在振動過程中更易產生相對滑移,有利于阻尼耗能。

在取代率R=70%時,平均阻尼比達到最大值,而R=100%時略有降低。主要因為粗骨料全部為BRCA時,由于存在過多BRCA粗糙面,提高了與水泥砂漿間的有效結合面積,增強了彼此間的機械咬合力,彼此間的緊密結合抑制了薄弱黏結界面的相對滑移。

不同FA摻量下含磚粒再生混凝土的阻尼比如圖4所示。A1、A2、A3阻尼比均隨FA摻量的增加而增加。與B5相比,B4、B6的平均阻尼比分別增加了1.6%、7.8%。原因是:一方面,FA比表面積較大,隨著FA摻量的增加,增大了其與水泥砂漿之間接觸表面積,從而使界面產生相對滑移運動時的摩擦阻尼增加[12],使機械能轉化為熱能而引起了能量的耗散。另一方面,FA由實心或空心的球狀微顆粒組成[5],顆粒內部含有空氣,在振動過程中形成了空氣的縮脹擠壓作用,增加阻尼耗能。

圖4 阻尼比隨粉煤灰摻量變化Fig.4 Change of damping ratio with fly ash content

由此可見,水膠比一定時,從提高含磚粒再生混凝土的阻尼比角度出發,B6組可作為最佳選擇；但以破壞強度和耗能綜合考慮,B1組為最優選擇。這樣既可以保證含磚粒再生混凝土的強度,又可以提高其耗能能力。

2.3.2 水膠比的影響

不同水膠比下含磚粒再生混凝土的阻尼比如圖5所示。含磚粒再生混凝土阻尼比隨著水膠比的增大而增大。與基準組B4相比,B7的平均阻尼比降低了4.9%；B8的平均阻尼比提高了6.6%。這是由于水膠比越大,水化后含磚粒再生混凝土內部孔隙越多,孔隙是振動過程中引起耗能的重要因素之一。另外,在振動過程中,孔隙外部周圍由于孔隙形狀不規則而存在應力集中現象,容易產生塑性變形[6],從而增加耗能。且孔隙內填充有空氣,大量孔隙和微氣泡均具有緩沖過渡作用[13],也有助于耗散振動能量。

圖5 阻尼比隨水膠比變化Fig.5 Variation of damping ratio with water binder ratio

2.3.3 試件尺寸的影響

由表2可知,在BRCA取代率、FA摻量、水膠比3種影響因素下,不同試件尺寸得到的含磚粒再生混凝土阻尼結果存在差異,A2、A3阻尼比測試結果比A1分別降低0.09%～1.21%、0.86%～1.57%,降幅波動范圍較小,且3種試件尺寸測試結果在不同影響因素下的變化規律和總體趨勢基本一致,如圖3～圖5所示。因此,試件尺寸對含磚粒再生混凝土阻尼性能影響較小,與文獻[14]結果相吻合。

2.4 阻尼比與抗壓強度及超聲波波速的關系

2.4.1 阻尼比與抗壓強度的關系分析

已有研究表明,鋼筋混凝土構件阻尼比與混凝土強度具有較好的相關性[15],考慮到BRCA取代率、FA摻量、水膠比以及試件尺寸等因素對含磚粒再生混凝土阻尼比與抗壓強度二者之間關系影響較小[9],對試驗數據進行分析得到了含磚粒再生混凝土阻尼比與抗壓強度的關系,如圖6所示。由圖6可知,含磚粒再生混凝土與普通混凝土類似,其阻尼比隨著抗壓強度增加而降低,二者呈負相關關系。基于文獻[15],為了更好地得到含磚粒再生混凝土阻尼比與抗壓強度關系,通過非線性回歸得到表達式(2)。式(2)決定系數為0.895 3,可以在一定程度上反映含磚粒再生混凝土阻尼比與抗壓強度的關系。含磚粒再生混凝土抗壓強度越高,內部密實度越高,其耗能能力越低。

圖6 阻尼比與抗壓強度的關系Fig.6 Relationship between damping ratio and compressive strength

ξ=-1.109e-0.020fcu+5.087

(2)

2.4.2 阻尼比與超聲波波速的關系分析

超聲波波速是超聲波在介質中傳播的速度,其大小反映了混凝土內部的損傷和缺陷程度,而其內部的損傷和缺陷則是引起材料阻尼耗能的重要因素。不同取代率下的含磚粒再生混凝土超聲波波速和阻尼比如表2所示。通過MATLAB對各組試件的阻尼比與超聲波波速進行相關分析,二者的相關系數為0.972 2。說明含磚粒再生混凝土阻尼比與超聲波波速具有較好的相關性。由于試驗BRCA孔隙大,破碎時又存在初始損傷裂紋,隨著BRCA取代率的增加,含磚粒再生混凝土內部缺陷增多,最終導致超聲波波速降低的同時耗能能力反而有所提高。所以考慮BRCA取代率R的影響,為了更好地建立二者之間的關系,引入R作為變化因子,對阻尼比與超聲波波速進行回歸分析,得出以v和R為變量的含磚粒再生混凝土ξ的計算式為

ξ=4.772×10-2+3.343×10-4R-4.243×10-6v

(3)

式(3)的決定系數為0.945 6,說明其在一定程度上能夠較好反映不同BRCA取代率下含磚粒再生混凝土材料阻尼比與超聲波波速的關系。由于試件尺寸的影響較小,以A1為例,將含磚粒再生混凝土材料阻尼比實測值ξ1與基于式(3)的計算值ξ2相比,其結果如表3所示。ξ1與ξ2比值的總體偏差在0.98～1.01,其平均值為0.99,均方差為0.011,變異系數為0.011,說明含磚粒再生混凝土阻尼比按式(3)進行計算與試驗結果吻合較好。

表3 阻尼比的理論值與實測值對比Table 3 Comparison of theoretical value and measured value of damping ratio

3 結論

(1)與普通混凝土相比,不同取代率下的含磚粒再生混凝土抗壓強度和劈拉強度均有一定程度的降低,而阻尼比增加4.7%～13.2%。對于部分承壓混凝土構件,綜合考慮建議BRCA取代率不宜超過30%,可以保證強度降低不大而阻尼比有所提高。

(2)當BRCA取代率為100%時,摻入粉煤灰可提高含磚粒再生混凝土的阻尼比,但當摻入量為20%時,雖能提高其耗能能力但導致強度較未摻時有所降低。試件尺寸對含磚粒再生混凝土阻尼比影響不明顯。

(3)含磚粒再生混凝土阻尼比隨抗壓強度增加呈顯著降低趨勢,與普通混凝土類似。給出了含磚粒再生混凝土阻尼比與抗壓強度的計算模型。另外,超聲波波速能較好地反應材料內部特征,依據BRCA取代率和超聲波波速,采用構建的量化模型在一定程度上可以預測含磚粒的再生混凝土材料阻尼比。