趙 超

(許昌學院土木工程學院，許昌 461000)

不同再生粗骨料摻量碾壓再生混凝土楔入劈拉試驗研究

趙 超*

(許昌學院土木工程學院，許昌 461000)

通過楔入劈拉試驗，對碾壓再生混凝土不同再生粗骨料摻入量對其斷裂性能的影響進行了分析和研究。試驗結(jié)果表明：碾軋斷裂能隨著再生粗骨料摻入量的增加出現(xiàn)波動，再生粗骨料摻入量達到100%時，斷裂性能出現(xiàn)較大幅度的下降。再生粗骨料摻入量為50%時，碾壓再生混凝土的強度達到C30，且斷裂韌度明顯高于普通再生混凝土，因此，強度等級為C30的混凝土設計配合比時可考慮再生粗骨料摻入量為50%。

再生粗骨料， 再生混凝土， 楔入劈拉試驗， 斷裂性能

混凝土在現(xiàn)代工程中的應用十分廣泛，隨著人們環(huán)保意識的提高，以廢棄混凝土作為粗骨料的再生混凝土技術(shù)受到越來越多的關(guān)注?；炷潦菑秃闲偷牟牧?，其性能受到各組成部分性能的影響，破壞機理十分復雜，對于混凝土的斷裂和破壞也一直是領域內(nèi)研究的重點和熱點之一，而在再生混凝土中，由于作為再生粗骨料的廢棄混凝土來源復雜，原始性能差異較大，進一步增加了其斷裂和破壞研究的難度[1-2]。碾壓混凝土是一種干硬性貧水泥的混凝土，具有可最大限度機械化施工、節(jié)約水泥、成本較低、可縮短工期，提高投資收益等多個優(yōu)點，目前國內(nèi)對再生混凝土的斷裂性能已有較多研究[3-4]，但對碾壓再生混凝土的研究尚少，本文即通過楔入劈拉試驗對碾壓再生混凝土的斷裂性能進行研究。

1 試驗概況

1.1 原材料

本試驗中再生粗骨料來自建筑拆除廢棄混凝土，混凝土原設計強度等級C20，經(jīng)破碎機破碎、清洗、篩選、分級后形成粒徑20～40 mm的再生粗骨料；天然粗骨料采用碎石，由天然卵石經(jīng)破碎機破碎后制得；水泥采用42.5R普通硅酸鹽水泥；細骨料全部采用普通河砂，細度模數(shù)3.01，普通自來水拌合；Ⅱ級粉煤灰，按照GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[5]中標準進行品質(zhì)指標檢驗。

1.2 混凝土配合比設計

本次試驗分五組進行，以RRC (Rolling Recycled Concrete)表示碾壓再生混凝土，編號RRC-50、RRC—60、RRC-70、RRC-80、RRC-100分別表示再生粗骨料摻入量為50%、60%、70%、80%、100%；每組均設計普通再生混凝土作為對比，以NRC(Normal Recycled Concrete)表示普通再生混凝土，編號NRC-50、NRC-60、NRC-70、NRC-80、NRC-100分別表示再生粗骨料摻入量為50%、60%、70%、80%、100%。制作混凝土試件共40個，其中碾壓再生混凝土和普通再生混土各20個，每種混凝土包括4種再骨料摻入量，去除不合格試件或操作不當而損壞的試件，保證每組完整測試3個試件。碾壓再生混凝土及普通再生混凝土配合比如表1所示。

表1 碾壓再生混凝土與普通再生混凝土配合比

Table 1 Mixture proportions of rolling recycled concrete and normal recycled concrete

本試驗中所有混凝土試件均在許昌學院土木工程實驗室制作完成，試件強度等級為C30。參照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》[6]拌制再生混凝土，按設計用量取粗骨料后加入攪拌機內(nèi)攪拌1 min，后加入原計劃用水量1/3的水攪拌1 min，再投入水泥、粉煤灰攪拌30 s后加入剩余的水攪拌2 min左右；試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm(見圖1)，所有試件均采用鋼試模澆筑成型，碾壓再生混凝土采用附著振動器分兩次碾壓成型。采用3 mm鋼板在澆筑斷裂試件時預留刀口，在鋼板兩側(cè)涂黃油以方便成型試件取出。拌合物注入鋼模24 h后拆模、編號，放入濕度為90%、溫度20 ℃左右養(yǎng)護室中養(yǎng)護90 d，取出試驗。

圖1 試驗用混凝土試件

制作成型的混凝土試件實測軸心抗壓強度及彈性模量，碾壓再生混凝土再生粗骨料摻入量為50%、60%、70%、80%、100%的試件軸心抗壓強度分別為20.5 MPa、21.6 MPa、23.3 MPa、25.9 MPa、27.2 MPa，彈性模量分別為2.15×104MPa、2.23×104MPa、2.26×104MPa、2.25×104MPa、2.23×104MPa；普通再生混凝土再生粗骨料摻入量為50%、60%、70%、80%、100%的試件軸心抗壓強度分別為21.7 MPa、21.9 MPa、21.4 MPa、24.8 MPa、26.8 MPa，彈性模量分別為2.20×104MPa、2.14×104MPa、2.02×104MPa、2.15×104MPa、2.18×104MPa。

1.3 試驗方法

本試驗加載裝置采用WDW4200微機控制電子萬能試驗機，YD-15型動態(tài)電阻應變儀，測量范圍為0～50 kN的拉壓力荷載傳感器。按照楔入劈拉試驗相關(guān)操作要求安裝好后，啟動試驗機開始加載，加載示意圖如圖2所示。加載速率是混凝土斷裂試驗中十分重要的指標之一，對測量結(jié)果影響較大，本試驗利用微機控制加載速率，試驗機加載面與傳感器即將接觸時啟動與電腦連接的微機控制采集系統(tǒng)，將加載速率控制為0.333 mm/s，同時采集圖像，持續(xù)加載直至混凝土試件斷裂。具體試驗步驟為：

測量試件實際尺寸及預制縫長度→懸掛或固定傳力裝置→安裝試件，防止傳力板→在凹槽中間粘貼刀口→安裝引申儀→安裝傳力裝置并調(diào)整→啟動采集系統(tǒng)預采集→啟動試驗機，壓力傳感器與試件接觸前開始采集，直至試件斷裂結(jié)束采集→停試驗機，記錄試驗現(xiàn)象。

圖2 加載示意

裂縫尖端張開口位移(Crack Tip Opening Displacement，CTOD)和裂縫嘴張開口位移(Crack Mouth Opening Displacement，CMOD)是混凝土試驗中用于衡量裂縫張開程度的主要指標，采用夾式引伸儀測取CTOD和CMOD，加載試驗完成獲得完整斷裂全曲線后，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，利用Excel表格繪制混凝土試件F-CMOD曲線。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

從試驗結(jié)果來看，碾壓再生混凝土與普通再生混凝土試件的斷裂破壞均是始于跨中預制縫界面上出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增大，預留縫口張開位移與跨中截面處撓度逐漸增加，裂縫垂直向混凝土應變也隨之增大，隨著荷載進一步加大，預留裂縫尖端亞臨界裂縫增加幅度逐漸趨于穩(wěn)定；繼續(xù)增加荷載至臨界破壞值，尖端亞臨界裂縫擴展失去穩(wěn)定，試件上形成宏觀可見裂縫后，沿再生粗骨料與水泥漿粘結(jié)面迅速發(fā)展貫通，混凝土試件隨之破壞。斷裂破壞拉斷多為水泥漿體和再生粗骨料，再生骨料與水泥漿體間發(fā)生斷裂破壞較少。

2.2 斷裂參數(shù)計算

2.2.1 斷裂韌性

斷裂韌性是材料固有的特性，是指材料組織裂紋擴展的能力，也是衡量材料韌性的定量指標，為應力場強度因子的臨界值。在彈塑性條件下，不斷增加應力場強度因子至裂紋失穩(wěn)擴展材料斷裂時的應力場強度因子稱為斷裂韌度[7]。楔入劈拉試驗中試件的受力狀況與小型緊湊拉伸試件相似，參考2005年《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》(DUT5332-2005)[8]，按線彈性理學理論，本試驗中混凝土的斷裂韌度KIC的計算公式如下：

(1)

式中,Fhmax為垂直荷載峰值與楔形加載架重力合力在水平方向產(chǎn)生的分力；h為試件的高度，m；t為試件厚度，m；a0為預制裂縫深度，m。

2.2.2 斷裂能

斷裂能是指材料受到外力作用，至物體斷裂時外力對每單位體積所做的功，本試驗中斷裂能GF的計算公式如下：

(2)

式中,Ali韌帶斷面面積(m2);θ為縱軸與楔形加載架間的夾角;WVO為F-CMODmax全曲線面積,N·m。

2.2.3 裂縫張開位移(COD)

裂縫張開位移(COD)是描述裂紋體狀態(tài)的斷裂力學參量，是彈塑性體受到張開型荷載時原始裂紋部位張開的位移。COD理論認為裂縫口位移達到臨界值時就會擴展，其基本思想是將裂縫張開口位移與臨界值等同作為斷裂的判斷依據(jù)，以裂縫受力后尖端張開口位移(CTOD)作為判斷材料斷裂韌度的指標，CTOD的計算公式如下：

(3)

式中，H為試件高度,m;a為裂縫高度。mm;z為刀口厚度,mm;r為旋轉(zhuǎn)因子，與COTD有關(guān)，取值時以下式確定：

r=0.0427+0.0939CTOD-0.00931CTOD2+0.00037CTOD3

(4)

2.2.4 試驗部分全曲線

試驗加載完成后，根據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制F-CMOD全曲線，部分試驗曲線可見圖3。

根據(jù)試驗得出的數(shù)據(jù)，利用上述公式進行計算后，得出本試驗中碾壓再生混凝土與普通再生混凝土的斷裂能、斷裂韌度、裂縫尖端張開口位移、裂縫嘴張開口位移等混凝土斷裂參數(shù)值可見表2。

混凝土是由水泥、砂子、石子、添加劑用水拌和后經(jīng)養(yǎng)護硬化的一種非勻質(zhì)建筑材料，其各種性能存在一定的離散性。從表2中數(shù)據(jù)可以看出，碾壓再生混凝土再生粗骨料摻入量為50%時與摻入量為100%時CMOD相差2倍多，斷裂韌度相差近2倍；普通再生混凝土摻量為50%時與摻入量為100%時斷裂韌度相差也較大。

圖3 部分試驗F-CNOD全曲線

表2 混凝土斷裂能、斷裂韌度、裂縫尖端張開口位移、裂縫嘴張開口位移

Table 2 Fracture toughness, fracture energy, crack tip opening displacement and crack mouth opening displacement

2.3 試驗結(jié)果分析

2.3.1 再生粗骨料摻入量與斷裂韌度關(guān)系

從表2中可知，隨著再生粗骨料摻入量的增加，碾壓再生混凝土的斷裂韌度呈下降趨勢，普通再生混凝土的斷裂韌度則隨著再生粗骨料摻入量的增加而逐漸上升；在本試驗條件下，再生粗骨料摻入量為50%時，碾壓再生混凝土的強度達到C30，同時碾壓再生混凝土的斷裂韌度明顯高于普通再生混凝土。

2.3.2 再生粗骨料摻入量與斷裂能的關(guān)系

從表2中數(shù)據(jù)可知，碾壓再生混凝土的斷裂能隨著再生粗骨料摻入量的增加出現(xiàn)波動，普通再生混凝土斷裂能則隨再生粗骨料摻入量的增加而呈上升趨勢。從試件實測軸心抗壓強度來看，碾壓再生混凝土的軸心抗壓強度隨著再生粗骨料的增加呈上升趨勢，再生粗骨料摻入量為100%的碾壓再生混凝土軸心抗壓強度較再生粗骨料摻入量為50%的碾壓再生混凝土軸心抗壓強度高，碾壓再生混凝土的強度隨著再生粗骨料摻入量的增加未下降而有所提高，認為這主要是由于兩種因素的影響：①本試驗中配置碾壓再生混凝土所使用的再生粗骨料來源混凝土的強度與所配置的再生混凝土強度相差不大，因而摻入再生粗骨料對再生混凝土的基本力學性能影響不大；②漿體對再生粗骨料的“內(nèi)養(yǎng)護”效果，尤其是碾壓混凝土在碾壓過程中，碾壓作用可在一定程度上提高碾壓再生混凝凝土的軸心抗壓強度。但碾壓再生混凝土的斷裂能卻未隨著軸心抗壓強度的增加而增加，尤其其斷裂能在再生粗骨料摻入量達到100%時，即以再生粗骨料全部代替天然粗骨料時，斷裂能還出現(xiàn)較大幅度的下降。一般認為碾壓效果對混凝土性能有著較大影響，效果較差時可導致混凝土內(nèi)部不密實或粗骨料出現(xiàn)新裂縫，降低混凝土的斷裂韌性和斷裂能，本試驗中，碾壓再生混凝土中再生粗骨料摻入量為100%時，碾壓性能大幅度降低可能與此因素有關(guān)。

3 結(jié) 論

(1) 隨著再生粗骨料摻入量的增加，碾壓再生混凝土的斷裂韌度呈下降趨勢，普通再生混凝土的斷裂韌度則隨著再生粗骨料摻入量的增加而逐漸上升。

(2) 碾壓再生混凝土的斷裂能隨著再生粗骨料摻入量的增加出現(xiàn)波動，再生粗骨料摻入量達到100%時，斷裂能出現(xiàn)較大幅度的下降；普通再生混凝土斷裂能則隨再生粗骨料摻入量的增加而呈上升趨勢。

(3) 再生粗骨料摻入量為50%時，碾壓再生混凝土的強度達到C30，同時碾壓再生混凝土的斷裂韌度明顯高于普通再生混凝土，因此，強度等級為C30的混凝土設計配合比時可考慮再生粗骨料摻入量為50%。

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Experimental Study on Wedge Splitting of Roller-compacted Recycled Concrete with Different Mixing Amounts of Coarse Aggregate

ZHAO Chao*

(College of Civil Engineering, Xuchang University, Xuchang 461000, China)

The effect of adding different amounts of coarse aggregate to concrete on fracture performance was studied by wedge splitting test. The results show that: trolling fracture energy with recycled coarse aggregate incorporation increased volatility, recycled coarse aggregate amount 100% decreased fracture performance greatly. The incorporation of recycled coarse aggregate quantity is 50%, the fracture toughness of recycled concrete is higher than ordinary concrete, It is suggested the incorporation of recycled coarse aggregcteis 50% when the concrete strength grade is C30.

recycled coarse aggregate, recycled concrete, wedge splitting test, fracture properties

2014-03-25

*聯(lián)系作者，Email:1601124380@qq.com