再生混凝土的基本力學性能
2006-09-01 00:00
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摘 要：在國內(nèi)外大量分析對比研究的基礎(chǔ)上，對再生混凝土的基本力學性能進行了詳細的綜述與分析。主要包括再生混凝土的強度特征（抗壓強度及其變異特性、抗拉與抗折強度以及粘結(jié)強度） 、再生混凝土的變形特征（彈性模量、應(yīng)力- 應(yīng)變曲線、收縮與徐變）以及再生混凝土結(jié)構(gòu)性能（結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本受力性能） 。研究表明，再生混凝土的基本力學性能與普通混凝土存在一定的差異。最后基于再生混凝土在實際工程的推廣應(yīng)用，提出了關(guān)于再生混凝土基本力學性能應(yīng)該進一步研究的有關(guān)問題。
關(guān)鍵詞：再生混凝土；強度特征；變形特征；結(jié)構(gòu)性能
1 再生混凝土的強度特征
1. 1 抗壓強度
基于對早期研究成果的綜述分析，Nixon發(fā)現(xiàn)與普通混凝土相比，再生混凝土的抗壓強度降低，降低幅度最高可達20%。后來，B．C．S． J的試驗也得出了類似的結(jié)論，其試驗結(jié)果表明，再生混凝土的抗壓強度比普通混凝土低14%～32%。Wesche和Schulz綜合分析了Buck， Malhotra 以及Frondistou - Yannas等人的試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強度較普通混凝土降低約10%。Ravindrarajah等的試驗發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強度較普通混凝土降低8%～24%。Gerardo 的試驗則發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強度約為普通混凝土的95%甚至更多。Hansen對1945～1985年其間世界范圍內(nèi)關(guān)于再生混凝土抗壓強度的研究進行了全面分析，發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強度大致比普通混凝土降低5%～24%。Ramamurthy發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強度較普通混凝土低，降低的范圍為15% ～42%。Mandal和Gup ta的試驗發(fā)現(xiàn)再生混凝土各齡期的抗壓強度均低于普通混凝土，平均降低幅度為15%。他們認為，再生混凝土抗壓強度的主要原因是由于再生骨料與新舊砂漿之間存在的較為薄弱的粘結(jié)區(qū)域，不宜用于配制結(jié)構(gòu)混凝土。
與上述結(jié)果結(jié)論相反， Yoda的試驗則發(fā)現(xiàn)再生混凝土的抗壓強度較普通混凝土高出8．5%?！ idzuan的試驗表明，再生混凝土的抗壓強度比普通混凝土高2% ～20%。上述這兩個結(jié)果表明，再生混凝土的強度可以高于普通混凝土。Hansen， Salem，柯國軍等，黃顯智和張亞梅等的試驗也證實了這一點。
Gup ta的試驗還發(fā)現(xiàn)，當水灰比較低時，再生混凝土的抗壓強度低于同齡期普通混凝土的抗壓強度；但是當水灰比較高時，再生混凝土的抗壓強度反而高于普通混凝土。而且，再生混凝土的抗壓強度并不嚴格隨水灰比的增大而減小。在他的試驗中，當水灰比為0．6時，再生混凝土的抗壓強度達到最高，當水灰比為0．55時，抗壓強度反而最低。
此外，Malhotra， Buck， Ravindrarajah， Dhir， L imbachiya以及Gup ta的試驗均發(fā)現(xiàn)再生混凝土抗壓強度隨齡期的發(fā)展規(guī)律與普通混凝土類似。
不同研究者結(jié)論的差異主要是由于采用的再生骨料、再生混凝土的配合比、試驗條件以及試驗方法存在較大的差異。因此，關(guān)于再生混凝土抗壓強度的研究仍有待于進一步研究。
1. 2 抗壓強度的變異特性
B． C．S． J發(fā)現(xiàn)當使用的再生骨料來源單一時，基于試驗室試驗得到的再生混凝土抗壓強度的變異系數(shù)與普通混凝土差別不大。但是，在實際工程中，再生混凝土抗壓強度的變異性可能會有所增大，這是由于再生骨料的吸水率高，很難保證再生混凝土中的各部分能夠獲得相同的水灰比。即使在拌制混凝土前對再生骨料進行預(yù)先潤濕，仍可能存在較大的強度變異。
當廢棄混凝土的性能差異較大時，由其加工而成的再生骨料性能的變異性將增加，利用這些不同來源的再生骨料配制的混凝土的抗壓強度變異系數(shù)可能會大大高于采用來源單一的再生骨料配制的混凝土。De Paw的試驗證實了這一點，他采用的再生骨料由使用期為15年且性能差異較大的廢棄混凝土加工而成，試驗中再生混凝土的配合比完全相同，結(jié)果發(fā)現(xiàn)再生混凝土抗壓強度在32．0～49．1MPa之間變動，平均值為41MPa，強度標準差為5MPa，變異系數(shù)為12%。
Hendriks的試驗中所用的再生骨料來源于不同的再生骨料加工廠，但是混凝土的配合比完全相同。試驗結(jié)果表明再生混凝土抗壓強度的變化范圍為41～50．6MPa，變異系數(shù)高達25%。
1. 3 抗拉及抗折強度
Coquillat的試驗發(fā)現(xiàn)再生混凝土的劈裂抗拉強度與普通混凝土差別不大。Mukai的試驗也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。Kawamura的試驗表明再生混凝土的劈裂抗拉強度與普通混凝土幾乎相同，對于抗折強度，也有類似的結(jié)論。Ahmad的試驗也證實了上述結(jié)論。Ikeda等則發(fā)現(xiàn)再生混凝土抗拉強度較普通混凝土約降低6% ，而抗折強度卻沒有降低。
Gerardu則發(fā)現(xiàn)再生混凝土的劈裂抗拉強度較普通混凝土降低10%。Ravindrarajah和Tam的試驗表明，再生混凝土的抗拉強度與抗折強度均較普通混凝土降低10%。Malhotra的試驗得出了再生混凝土的抗折強度較普通混凝土降低的結(jié)論。Mandal和Gup ta的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)再生混凝土各齡期的抗折強度均低于普通混凝土，平均降低幅度為12%。
另一方面，B．C．S．J.的試驗發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的抗折強度約為其抗壓強度的1 /5～1 /8，這與普通混凝土基本類似。Sagoe -Crentsil等的試驗表明再生混凝土的抗拉強度與抗壓強度的比值略高于普通混凝土。Tavakoli的試驗發(fā)現(xiàn)再生混凝土抗折強度與抗壓強度的關(guān)系與普通混凝土不同。Salem的研究發(fā)現(xiàn)ACI規(guī)范中關(guān)于普通混凝土抗拉強度與抗壓強度的計算公式也適用于再生混凝土，但關(guān)于普通混凝土抗折強度與抗壓強度的關(guān)系式則偏于保守。Gup ta的試驗發(fā)現(xiàn)當水灰比較低時，再生混凝土的抗拉強度與抗折強度低于普通混凝土，而水灰比較高時，再生混凝土的抗拉強度與抗折強度則高于普通混凝土，同時發(fā)現(xiàn)再生混凝土抗折強度與抗拉強度隨齡期的增長規(guī)律與普通混凝土相同。
以上試驗結(jié)果表明，再生混凝土的抗拉強度和抗折強度較普通混凝土降低0% ～10% ，結(jié)合前述關(guān)于抗壓強度的試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)總體而言，再生混凝土的拉壓比和折壓比要較普通混凝土高。
1. 4 粘結(jié)強度
混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)強度提供了兩者共同工作的基礎(chǔ)，因此再生混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)強度對于評價再生混凝土能否作為結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件至關(guān)重要。
Mukai等人發(fā)現(xiàn)無論是在靜力荷載還是在疲勞荷載作用下，再生混凝土與鋼筋間的粘結(jié)強度均與普通混凝土差別不大。
Kakizaki指出再生混凝土與豎向鋼筋的粘結(jié)強度為橫向鋼筋的2．4～3．7倍。王濱生的試驗則發(fā)現(xiàn)再生混凝土與鋼筋的粘結(jié)強度高于普通混凝土，但特征滑移長度增加。Roos的試驗得出了與上述結(jié)果相反的結(jié)論，他發(fā)現(xiàn)再生混凝土與鋼筋的粘結(jié)強度低于普通混凝土，顏聰?shù)脑囼炓沧C實了這一點。Jau等的試驗也發(fā)現(xiàn)再生混凝土抗折強度略低于普通混凝土，而且其變異性較普通混凝土高。
綜合以上研究結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)再生混凝土的粘結(jié)強度并不比普通混凝土顯著降低。因此，從這個角度來講，再生混凝土用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件是可行的。
2 再生混凝土的變形特征
2. 1 彈性模量
Frondistou - Yannas的試驗發(fā)現(xiàn)再生混凝土的彈性模量較普通混凝土降低33%。Kakizaki等人的試驗結(jié)果表明再生混凝土的彈性模量比普通混凝土降低25% ～40% ，主要取決于基體混凝土和再生骨料的性能。他們建議，在圓柱體抗壓強度fc 和密度γ已知的情況下，再生混凝土的彈性模量Ec 可按式（1）計算
 Gerardu的試驗結(jié)果表明再生混凝土的彈性模量較普通混凝土最多降低15%。Ravindarajah和Tam的試驗也發(fā)現(xiàn)再生混凝土的彈性模量低于普通混凝土，而且強度越高，降低越多。We2sche發(fā)現(xiàn)再生混凝土的彈性模量較普通混凝土低19%。Rasheeduzzafar的試驗結(jié)果表明，與普通混凝土相比，再生混凝土的彈性模量降低18%。Hansen 的試驗發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的彈性模量約為普通混凝土的72% ～86% ，取決于其抗壓強度的高低。李占印的試驗表明再生混凝土的彈性模量較普通混凝土降低15%。
Ravindrarajah指出CEB - F IP模式規(guī)范和英國規(guī)范中關(guān)于普通混凝土彈性模量與抗壓強度的關(guān)系式不適用于再生混凝土，他建議的計算公式如下
 式中： Ec ——再生混凝土的彈性模量，MPa；
fcu ——再生混凝土的抗壓強度，MPa。
基于其試驗結(jié)果的統(tǒng)計回歸，Dhir建議采用（3）式計算再生混凝土的彈性模量
 Zilch對大量的試驗結(jié)果進行了回歸分析，建議采用（4）計算再生混凝土的彈性模量
 式中： fcu ——再生混凝土抗壓強度，MPa；
γ——再生混凝土的表觀密度， kg/m3。
Mellmann建議的再生混凝土彈性模量計算公式為
 綜合以上研究結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)再生混凝土的彈性模量較普通混凝土降低15%～40%。再生混凝土彈性模量降低的原因是由于大量的砂漿附著于再生骨料上，而這些砂漿的彈性模量相對較低。再生混凝土的彈性模量降低，導致其在荷載的作用下變形增加。由于再生混凝土的彈性模量降低，用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件時，需要考慮其引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形增大問題。
2. 2 應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系
混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)變?nèi)€既是混凝土基本受壓特性的綜合性宏觀反應(yīng)，又是研究混凝土結(jié)構(gòu)承載力和變形的主要依據(jù)，對于分析構(gòu)件極限狀態(tài)時截面的應(yīng)力分布、彈塑性全過程以及抗震和抗爆結(jié)構(gòu)延性和恢復(fù)力特性具有重要意義。
Henrichshen和Jensen發(fā)現(xiàn)再生混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀與普通混凝土類似。Topcu通過試驗獲得了不同再生骨料取代率再生混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)變?nèi)€，他發(fā)現(xiàn)隨著再生骨料的增加，再生混凝土的抗壓強度和彈性模量降低。Rühl和Atkinson也通過試驗獲得了不同再生骨料取代率再生混凝土的應(yīng)力- 應(yīng)變?nèi)€，他們發(fā)現(xiàn)隨著再生骨料的增加，再生混凝土的峰值應(yīng)變增加，當粗骨料全部采用再生骨料時，峰值應(yīng)變較普通混凝土增加約20%。王濱生的試驗也發(fā)現(xiàn)再生混凝土抗壓強度較普通混凝土降低但峰值應(yīng)變增加。Bairagi的試驗結(jié)果表明再生混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的形狀與普通混凝土類似，但是隨著再生骨料含量的增加，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的曲率增加。
目前，未見有關(guān)于再生混凝土應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系數(shù)學模型的報道，為了實現(xiàn)對再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的非線性分析和設(shè)計，需要進一步展開這方面的研究。
2. 3 徐變
一般認為，混凝土的徐變與其水泥漿含量成正比。由于再生骨料中含有大量的水泥砂漿，導致再生混凝土的徐變要大于普通混凝土，許多研究者的試驗都證實了這一點。
Wesche的試驗結(jié)果表明，再生混凝土的徐變比普通混凝土高50%左右； Ravindrarajah和Tam的試驗發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的徐變比普通混凝土高30% ～60%； Hansen發(fā)現(xiàn)對于抗壓強度為50MPa和25MPa的再生混凝土，其徐變較普通混凝土分別增加25%和45%。Gerardu的試驗發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的徐變值比普通混凝土高40%左右。Kasai的試驗發(fā)現(xiàn)，再生混凝土的徐變比普通混凝土高20%～30%。Gomez也發(fā)現(xiàn)再生混凝土的徐變值較普通混凝土顯著增加。
2. 4 收縮
再生骨料中含有大量水泥砂漿也將導致再生混凝土干縮值的增加。Hasaba等人的試驗發(fā)現(xiàn)，當水泥用量為300kg/m3時，再生混凝土的收縮值比普通混凝土高50%左右。Coquillat則發(fā)現(xiàn)與普通混凝土相比，再生混凝土的收縮值增加73%。Ravindrara2jah和Tam的試驗表明再生混凝土的90天干縮值約為普通混凝土的2倍。Wesche發(fā)現(xiàn)再生混凝土的收縮值比普通混凝土高40%。Zagurskij和Zahadanovskij發(fā)現(xiàn)與普通混凝土相比，再生混凝土的收縮值增加20%～30%。Hansen的試驗發(fā)現(xiàn)對于抗壓強度為50MPa和25MPa的再生混凝土，其徐變較普通混凝土分別增加35%和55%。Ravindrarajah and Tam進行的類似的試驗也表明再生混凝土的收縮值較普通混凝土高14% ～95% ，而且隨著強度等級的提高，再生混凝土的收縮值增加。Nishibayashi和Yamura、Morlion、Ravindrarajah等人和Yamato以及Gomez等的試驗結(jié)果均表明再生混凝土的收縮值比普通混凝土大得多。
綜合以上試驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論，再生混凝土的收縮值和徐變值均比普通混凝土高50%左右。再生混凝土的收縮和徐變增大，將導致再生混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較多的非受力裂縫，同時也限制了再生混凝土在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng)用。因此，應(yīng)該采取適當措施降低再生混凝土的收縮和徐變。
3 再生混凝土結(jié)構(gòu)性能
為了進一步評價再生混凝土用作結(jié)構(gòu)混凝土的可行性，國外的一些研究者針對再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能進行了試驗研究，研究對象主要包括再生混凝土梁、柱、梁- 柱節(jié)點以及再生混凝土框架。
3. 1 再生混凝土梁
Ishill等人結(jié)合試驗研究了再生混凝土梁的受彎特征，發(fā)現(xiàn)再生混凝土梁的承載力與普通混凝土差別不大，但是再生混凝土梁的裂縫較普通混凝土梁略寬。
Sonobe通過試驗探討了再生混凝土梁的受剪特征，試驗結(jié)果表明再生混凝土梁在承受剪力時產(chǎn)生沿縱向鋼筋的裂縫。Han等重點研究了再生混凝土梁的抗剪承載力，研究參數(shù)包括剪跨比、再生骨料類型以及梁的配筋率。試驗共制作了12根梁來用以研究梁的斜裂縫和極限抗剪承載力。梁的剪跨比分別為λ = 1．5， 2．0， 3．0 和4．0， 配筋率分別為ρ = 0， 0．089% ，0．244% ， 0．507%和0．823%。其中6根試驗梁沒有配置箍筋，另外6根沿梁的全長配置了箍筋。結(jié)果表明當配筋率為1．11% ，剪跨比大于3． 0時，按照普通混凝土的設(shè)計方法設(shè)計的再生混凝土梁偏于不安全。
Lü的試驗也表明再生混凝土梁的抗剪承載力較普通混凝土梁低，基于試驗結(jié)果的分析，她建議采用一個折減系數(shù)ηRC來反映再生混凝土梁抗剪承載力的降低。
 式中：AG ———再生骨料的比例。
Dolara等研究了再生混凝土預(yù)應(yīng)力梁的受力性能。
試驗共制作并測試了三根跨度為15m的預(yù)應(yīng)力梁，混凝土的設(shè)計強度等級為C40。第一根梁（40AR100）的骨料全部用再生骨料；第二根梁（ 40RN50 ） 中再生骨料和天然骨料各占50%； 第三根梁（40AN100）的骨料全部用天然骨料。試驗結(jié)果表明，再生混凝土預(yù)應(yīng)力梁的變形較普通混凝土梁的變形顯著增加，而且再生骨料含量越高，梁的變形越大。這主要是因為再生混凝土彈性模量降低。
Reiji等人研究了再生混凝土梁的抗震性能，結(jié)果表明當再生混凝土與普通混凝土的強度相同時，再生混凝土梁的抗震性能與普通混凝土差別不大。
3. 2 再生混凝土柱
Katsuyuki等人鋼管再生混凝土柱的軸壓性能，研究發(fā)現(xiàn)鋼管再生混凝土柱的剛度較普通混凝土柱降低，破壞過程較普通混凝土柱快，但仍具有足夠的極限承載能力可以利用。
3. 3 再生混凝土梁- 柱節(jié)點
Corinaldesi等人結(jié)合試驗研究了再生混凝土梁- 柱節(jié)點的抗震性能。試驗共制作了三個節(jié)點，一為普通混凝土節(jié)點，作為對比節(jié)點，另兩個節(jié)點為再生混凝土節(jié)點。試驗結(jié)果表明，再生混凝土梁- 柱節(jié)點的耗能能力與普通混凝土節(jié)點差別不大，表明再生混凝土梁- 柱節(jié)點的抗震性能與普通混凝土梁- 柱節(jié)點的抗震性能相差不多。
3. 4 再生混凝土框架
Reiji等人進一步研究了再生混凝土框架的抗震性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與普通混凝土相比，再生混凝土框架的抗震性能并沒有顯著降低。
4 結(jié)論與建議
基于國內(nèi)外大量文獻的研究分析，本文重點對國內(nèi)外關(guān)于再生混凝土的強度特征、變形特征和結(jié)構(gòu)性能的研究成果進行了較為全面的綜述與分析。研究結(jié)果表明，再生混凝土的某些上述基本性能與普通混凝土存在一定的差異。為了在實際中推廣應(yīng)用再生混凝土，下列內(nèi)容有待于進一步開發(fā)研究：
（1）再生骨料的損傷積累對再生混凝土力學性能的影響及其機理。
（2）再生混凝土的單軸受壓本構(gòu)關(guān)系數(shù)學模型。
?。?）再生混凝土抗壓強度的統(tǒng)計特征。
?。?）再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性評價。
（5）再生混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算方法以及設(shè)計理論。 |
| 原作者： 葉孝恒 |
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