再生透水混凝土應力—應變全曲線試驗研究

丁 黔，胡 爭，張淼鑫，李治斌，丁 琳

(1 黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2 黑龍江大學 建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

再生骨料透水混凝土是基于透水混凝土，選用再生骨料部分替代或者是全部代替天然骨料，使得混凝土的透水、導熱、吸聲性能都能得到改善[1]。隨著我國經濟的高速發展，城市化進程的加快推進，城市建設及國家基礎建設日益增多，據統計，中國每年的水泥消耗量高達8.2億t，占世界總消耗量的55%[2]。因此,再生混凝土的推廣應用可以緩解我國自然資源過度消耗的問題，實現建筑垃圾的回收再利用[3]。另外，應力—應變本構關系是混凝土宏觀力學性能的綜合反映，對于再生骨料透水混凝土的強度性能和混凝土的本構關系，國內外都對此有很深入的研究。例如，丁琳等[4]系統研究了泡沫混凝土的長期抗壓強度的發展規律與天然混凝土有一定差異，分析了混凝土各齡期的抗壓強度影響很大；此外，肖建莊[5]還通過對上海某機場的廢棄混凝土進行處理得到再生混凝土，試驗發現再生混凝土的峰值應變大于普通混凝土，但彈性模量明顯低于普通混凝土，再生混凝土的應力—應變全曲線的總體形狀與普通混凝土相似；N.K.Bairagi和Kishore Ravande[6]通過試驗得到，不同再生粗骨料取代率下的再生混凝土本構關系具有相似性；李學良，楊海峰等[7]通過改變石粉含量和再生骨料取代率，試驗得到不同SP含量下的應力—應變曲線的形狀相似，且在各RCA取代率下，SP含量為10%時峰值應力最大，不含SP時峰值應力最小；丁琳等[8]通過試驗得到，混凝土的抗裂峰值應變變化規律。

本文選取哈爾濱某路面廢棄混凝土，通過研究其不同替代率、不同齡期下再生混凝土的抗壓性能的變化規律，并建立起相應的本構關系，以期為相關研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗原材料

水泥為天鵝牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥，拌合水為自來水，天然粗骨料為連續級配碎石，再生粗骨料由哈爾濱某路面廢棄混凝土加工而成。粗骨料基本性能如表1。

表1 粗骨料基本性能

1.2 試驗配合比

本文共設計了4種再生骨料取代率，即r=0、r=30%、r=70%、r=100%。其中，當r=0時，即為普通混凝土，作為空白對照組，其強度等級為C30。混凝土的配合比如表2。

表2 混凝土的配合比

1.3 試驗設備與方法

立方體抗壓強度試驗和應力—應變全曲線試驗用600 kN電液伺服萬能試驗機(型號為E64.605)，加載速率為0.033 mm/s。試驗過程中，軸壓力和軸向位移均由計算機自動采集，其中縱向變形值為試塊在中部100 mm標距范圍內的壓縮量，每個棱柱體試塊在正式加載前均進行預加載4次。

2 結果與分析

2.1 抗壓強度

不同齡期不同取代率下再生骨料混凝土的立方體抗壓強度和棱柱體抗壓強度值(4塊試樣的平均值，且已考慮尺寸修正系數)見表3。

(1)

式中：ρr為再生骨料混凝土的表觀密度，kg/m3；A=-89.338r2+131.49r+37.572;R為統計回歸系數。

表3 不同齡期再生混凝土立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度

2.2 彈性模量

圖1 不同齡期再生混凝土彈性模量

隨著再生骨料替代率的增加，不同齡期的混凝土試塊的彈性模量降低明顯，當骨料替代率達到100%時，28 d的彈性模量減小了51.0%，而7 d 和3 d的彈性模量減小量為39.3%和39.4%，這說明再生骨料混凝土的彈性模量沒有普通混凝土的彈性模量高，這是由于再生粗骨料的彈性模量較低。

3 應變應力全曲線方程

圖2 28 d再生骨料混凝土量綱應力—應變曲線

由圖2所示，應力—應變曲線上升階段與下降階段有顯著區別，利用過鎮海[13]在《混凝土的強度和本構關系》一書提出的方程(見式2)進行擬合。

(2)

利用最小二乘法將試驗所得的數據擬合，得到不同再生骨料替代率下待定參數a值和b值及相應的擬合優度相關系數R2，如表4所示，曲線上升階段相關系數R2均大于0.98，下降階段相關系數R2均大于0.92，可以看出用擬合效果很好。且在上升階段普通混凝土的a值大于再生混凝土a值，而在下降階段隨著替代率的增加b值越來越大，說明了試塊隨著再生骨料的增加而變脆。

表4 相關系數R2

4 結 論

(1)再生混凝土的破壞形態與普通混凝土破壞形態相似，破壞裂紋直徑大小與再生骨料替代率相關，替代率高的混凝土試塊裂紋初期裂紋較寬；最終破壞面與荷載垂線方向夾角與養護齡期相關，養護齡期越長夾角越小。

(2)再生骨料混凝土應力—應變曲線與普通混土應力應變曲線類似，可分為上升階段和下降階段，均存在比例極限點、臨界應力點，峰值及拐點，齡期顯著影響上升階段應力—應變的斜率，齡期越長，應力—應變全曲線斜率越大，再生骨料替代率顯著影響下降階段的曲線，替代率的增高，曲線變陡，說明了再生骨料替代率越高脆性越高，剛度越低。

(3)隨著齡期的增長，再生骨料混凝土立方體、棱柱體抗壓強度均增強，彈性模量增大，隨著再生骨料替代率的增加，立方體、棱柱體試塊抗壓強度減小，彈性模量減小，且棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度的比值增大且大于普通混凝土的比值。

(4)采用過鎮海在《混凝土的強度和本構關系》提出的函數擬合單軸抗壓應力—應變曲線，上升階段相關擬合系數R2均大于0.98，下降階段相關擬合系數R2僅一條大于0.92，其余均大于0.98，說明了擬合結果與試驗結果基本一致。