再生混凝土的破坏机理研究

再生混凝土的破坏机理研究

根据现有的研究，再生混凝土的强度普遍较低。弹性模量减小、离散较大等特点。目前,针对再生混凝土的研究大多数集中在抗压、劈裂抗拉和抗折性能上,对再生混凝土轴心抗拉性能的研究却相对较少。Tabsh和Abdelfatah的劈裂受拉试验表明再生混凝土劈裂受拉强度与再生混凝土的配合比有关,较普通混凝土劈裂受拉强度降低10%~25%。Ikeda和Ravindrarajah发现再生混凝土抗拉强度较普通混凝土降低6%~10%,Sagoe-Crentsil等的试验则表明再生混凝土的抗拉强度与抗压强度的比值略高于普通混凝土,Gupta的试验发现水灰比较低时,再生混凝土的抗拉强度低于普通混凝土,而水灰比较高时,再生混凝土的抗拉强度则高于普通混凝土,肖建庄和兰阳完成了再生粗骨料取代率分别为0、30%、50%、70%和100%的再生混凝土棱柱体的单轴受拉试验,结果表明随着再生粗骨料取代率增加,再生混凝土的抗拉强度与受拉原点切线模量逐渐下降,而峰值拉应变呈略微增加趋势。采用轴心受拉试验和细观格构数值模拟相结合的方法,根据再生混凝土各相材料组分,对再生混凝土、硬化水泥砂浆以及界面等试件进行轴心受拉研究,探讨再生混凝土轴心受拉力学性能。1轴心悬挂试验1.1试验程序设计再生混凝土以及各相组份的轴心受拉试验的流程如图1所示。1.2受拉试块的制作普通混凝土采用32.5白色硅酸盐水泥,白度≥84度;砂为河砂;粗骨料采用5~25mm粒径的黑色碎石,表观密度2792kg/m3,吸水率0.50%。配合比为:水泥∶砂子∶粗骨料∶水=1.000∶1.395∶2.591∶0.429。分别浇注哑铃型普通混凝土和水泥砂浆的受拉试块,如图2所示。试块浇注完毕,24h后拆模,然后放置在标准养护室养护(温度20±3℃,相对湿度90%以上),养护28d后取出后进行轴心受拉试验。再生粗骨料由上述普通混凝土经人工破碎筛分形成,粒径范围也为5~25mm,实测堆积密度为1195kg/m3,表观密度为2429kg/m3,吸水率为5.26%。再生混凝土包含两个强度等级,目标强度C20配合比为:水泥∶砂子∶粗骨料∶水=1.000∶1.989∶3.693∶0.574;目标强度C30的配合比为:水泥∶砂子∶粗骨料∶水=1.000∶1.395∶2.591∶0.429。分别按照C20和C30再生混凝土的配合比,仅拌合水泥、水和砂子制成砂浆,浇注哑铃型砂浆受拉试块。普通混凝土受拉断裂的试块,取一半放回试模,然后在另一半浇注C20或C30配合比的再生混凝土,如图3所示,得到界面的抗拉试块。1.3混凝土试件预加载试验拉伸试验在CSS44100电子万能试验机上进行加载,加载装置如图4所示,混凝土试块采用双钢板式加载端。为避免混凝土受拉脆性断裂,在钢板四角预留Φ9mm孔洞,安装Φ8mm的钢筋栓杆,在栓杆上粘贴应变片可计算混凝土试件实际承受的拉力。混凝土试件在两个侧面上贴有应变片,测试其应变变化。为保证试件处于轴心受拉状态,各试件在正式加载前均进行预加载,预加荷载取预估受拉强度的30%~40%,每个试块重复加载2~3次。初始加载速度为0.1mm/min,在荷载达到估计峰值荷载的80%时逐渐减缓加载速度,试件破坏时的加载速度为0.01mm/min。2轴的拉伸性能2.1老砂浆天然骨料再生混凝土试件的受拉断裂面如图5所示,该断面部位截面面积为101mm×97mm,由图5可知:破裂面大部分是新砂浆(灰色),同时能明显能看到老砂浆的断裂(白色),如图中标示①;也有沿着天然骨料与老砂浆的界面过渡区,如图中标示②;沿着天然骨料与新砂浆的界面过渡区,如图中标示③;极少有天然骨料的断裂,偶有断裂也往往是针片状的,如图中标示④。总之,断面大部分是新老砂浆的断裂,并部分沿天然骨料与新砂浆或老砂浆之间的界面过渡区,未见沿新砂浆与老砂浆之间的界面过渡区破裂的现象。2.2力学性能分析普通混凝土受拉试块编号如“NC-1”,“NC”代表普通混凝土(NormalConcrete),“-1”为同类型试块编号,实测力学性能见表1。普通混凝土中硬化水泥砂浆受拉试块编号如“NM-1”,“NM”代表普通混凝土砂浆(NormalConcreteMortar),实测力学性能见表2。再生混凝土受拉试块编号如“RC20-1”,“RC”代表再生混凝土(RecycledConcrete),“20”表示设计强度等级C20,实测力学性能见表3。再生混凝土中硬化砂浆受拉试块编号如“RM20-1”,“RM”代表再生混凝土砂浆(RecycledConcreteMortar)。“20”表示设计强度等级C20,实测力学性能见表4。界面过渡区编号“ITZ20-1”,“ITZ”表示界面过渡区(InterfacialTransitionZone)。“20”表示后浇筑的一半再生混凝土设计强度等级C20,实测力学性能见表5。2.3再生混凝土拉拔特性分析为了便于比较普通混凝土、硬化砂浆和再生混凝土的抗拉强度、弹性模量和峰值应变之间的相对关系,将各类数据的平均值标示于图6、7。由图6和7可知,对于普通混凝土(NC)和其中硬化砂浆(NM),普通混凝土的抗拉强度和弹性模量明显高于相应硬化砂浆的抗拉强度和弹性模量。从断裂形貌上看,混凝土的受拉断裂面呈凸凹不平状,硬化砂浆断裂面较平整。界面的抗拉强度为对应新砂浆抗拉强度的0.54倍和0.62倍。另外,由于天然骨料的弹性模量较硬化砂浆高,从而包含天然骨料的普通混凝土的弹性模量较硬化水泥砂浆高。再生混凝土的受拉强度和弹性模量比相应的水泥砂浆的高,其中受拉强度提高约51%,弹性模量提高约6%。总之,对于普通混凝土和再生混凝土,抗拉强度、弹性模量和峰值应变均比硬化砂浆的高,但是相对而言,再生混凝土的提高幅度比较小。3再生混凝土格构模型根据Hrennikoff提出的格构模型的原型,本文提出再生混凝土格构模型如图8所示,为带交叉杆的四边形杆单元格构。其所有格构单元为杆单元,所有节点为铰接点,其中互相交叉的斜向杆件为2个独立的杆单元。根据再生骨料和再生混凝土切割断面的观察,发现粒径10mm以上的骨料往往为天然骨料和老砂浆的粘合体,粒径10mm以下骨料往往为天然骨料(黑色圆)或老砂浆块(白色圆),建立再生混凝土的随机骨料模型,如图9所示。将上述随机骨料投影到格构模型上,根据格构单元所处位置即可为之赋值如图10所示。建立100mm×100mm正方形区域的格构模型,节点间距1mm,单元数共计40200个,其中水平杆单元10100个,竖直杆单元10100个,交叉的斜向杆单元20000个。利用ANSYS二次开发的程序实现格构模型的数值模拟过程。对格构模型下部101个节点约束竖直方向位移,对格构模型上部101个节点施加竖直向上的位移。经过计算分析,最终格构杆件的弹性模量和截面面积取值如表6所示。4再生混凝土面的力学性质根据再生混凝土的格构数值模拟方法,对RC20和RC30两种再生混凝土进行格构数值模拟,各相组分的力学参数如表7和8所示。生成的随机骨料模型,其各种材料的面积含量与试验中该再生混凝土断面中各种材料的面积含量相同。由试验分析和模拟分析得到再生混凝土的受拉应力-应变关系曲线,如图11所示,模拟曲线与试验曲线基本吻合,弹性模量、抗拉强度和峰值应变大致为3个试验曲线的平均值。5混凝土弹性模量和强度1)再生混凝土受拉断裂面大部分是新老砂浆的断裂,并部分沿天然骨料与新砂浆或老砂浆之间的界面过渡区,未见沿新砂浆与老砂浆之间的界面过渡区破裂的现象。2)普通混凝土的弹性模量和