范玉輝, 牛海成, 張向?qū)?/p>

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454003)

混凝土徐變是指在持續(xù)應(yīng)力作用下混凝土變形隨時(shí)間增加的現(xiàn)象，它是混凝土材料的重要性能之一.徐變可使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的內(nèi)力重分布，造成預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力損失，增加大跨度梁的撓度，改變靜定結(jié)構(gòu)的使用應(yīng)力狀態(tài)，從而給結(jié)構(gòu)帶來(lái)安全隱患[1-2].對(duì)于鋼管混凝土，由于其經(jīng)常應(yīng)用于高速鐵路，而高速鐵路較高的行車(chē)速度決定了橋梁結(jié)構(gòu)必須具有較高的線路平順性，這就對(duì)鋼管混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下的徐變控制提出了更高要求[3].因此，為加速再生混凝土的推廣應(yīng)用，對(duì)再生混凝土在長(zhǎng)期荷載作用下的徐變進(jìn)行研究，并建立能準(zhǔn)確計(jì)算再生混凝土徐變的預(yù)測(cè)模型成了亟待解決的問(wèn)題.

目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)再生混凝土的徐變性能進(jìn)行了研究，但大多數(shù)研究者僅考慮了再生粗骨料取代率和再生粗骨料差異對(duì)再生混凝土徐變的影響.Domingo-Cabo等[4]試驗(yàn)結(jié)果表明，再生粗骨料取代率分別為50%和100%、持荷90d時(shí)，再生混凝土的徐變分別較普通混凝土增加了25%和62%.Pedro等[5]研究了再生粗骨料來(lái)源和生產(chǎn)工藝對(duì)再生混凝土徐變的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土而言，再生粗骨料采用二次破碎工藝時(shí)的徐變要比采用鱷式破碎工藝時(shí)低14%；再生粗骨料采用實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的混凝土破碎時(shí)其徐變要比采用建筑物廢棄混凝土破碎時(shí)低16%.Geng等[6]的研究結(jié)果表明，生產(chǎn)再生粗骨料的廢棄混凝土水灰比越高時(shí)再生混凝土徐變?cè)酱蟆⒃偕炷了冶仍降蜁r(shí)再生粗骨料對(duì)再生混凝土徐變的影響越大.

由于再生混凝土的徐變遠(yuǎn)高于普通混凝土，因此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開(kāi)始研究再生混凝土低徐變的實(shí)現(xiàn)方法.Fathifazl等[7]的研究結(jié)果表明，采用文獻(xiàn)[8]提出的同等砂漿體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，可以有效降低再生混凝土的徐變.Hiroshi等[9]的試驗(yàn)結(jié)果表明，采用DC-RR(即經(jīng)過(guò)正常攪拌程序后，再加上減壓、快速釋放這2道程序)攪拌方法，可以使再生混凝土的徐變降低約20%.羅俊禮等[10]的研究結(jié)果表明，再生混凝土的徐變遠(yuǎn)高于普通混凝土；再生粗骨料品質(zhì)越高，再生混凝土徐變?cè)叫?

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于再生混凝土徐變的研究?jī)H在考慮再生粗骨料取代率等因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)普通混凝土徐變預(yù)測(cè)模型來(lái)建立再生混凝土徐變預(yù)測(cè)模型.但由于對(duì)再生混凝土徐變機(jī)理分析不清晰，導(dǎo)致再生混凝土徐變研究結(jié)果的離散性非常大，從而制約了再生混凝土的推廣應(yīng)用.因此對(duì)再生混凝土徐變性能的研究由宏觀與表象轉(zhuǎn)向本質(zhì)與機(jī)理是必然的.本文在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，研究了再生混凝土的徐變性能及再生混凝土徐變過(guò)程中天然骨料、老砂漿和新砂漿的相互作用，建立了反映老砂漿對(duì)再生混凝土徐變影響機(jī)理的再生混凝土徐變預(yù)測(cè)模型，以期為再生混凝土的低徐變實(shí)現(xiàn)途徑提供理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥(C)：P·O 42.5 R普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料(S)：天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.65，表觀密度為 2486kg/m3；再生粗骨料(RCA)：5～31.5mm連續(xù)級(jí)配，壓碎指標(biāo)(1)本文涉及的壓碎指標(biāo)、吸水率、水灰比等除特別指明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.為12.6%，10min吸水率為3.7%， 24h 吸水率為4.8%，表觀密度為2555kg/m3，老砂漿含量為27.2%；天然粗骨料(NCA)：5～31.5mm連續(xù)級(jí)配，壓碎指標(biāo)為8.3%，吸水率為0.3%，表觀密度為2761kg/m3；水(W)：自來(lái)水.

1.2 試件設(shè)計(jì)及制作

普通混凝土(NAC)的強(qiáng)度等級(jí)確定為C40，坍落度確定為100mm.由于混凝土中的骨料體積分?jǐn)?shù)和水灰比是影響混凝土徐變的主要因素，本文中再生混凝土的配合比是在普通混凝土配合比的基礎(chǔ)上，用再生粗骨料等體積取代天然粗骨料 (φ(RCA)= 0%、50%、100%)，并加入一定量的附加水(AW).砂漿試件用M-1表示，其成分與混凝土中砂漿成分相同.混凝土和砂漿試件的配合比見(jiàn)表1，每組包括： (1)100mm×100mm×100mm混凝土立方體試件和70.7mm×70.7mm×70.7mm砂漿立方體試件共6個(gè)，用于測(cè)量其7、28d立方體抗壓強(qiáng)度(fc)； (2)100mm ×100mm×300mm棱柱體試件6個(gè)，用于測(cè)量其彈性模量(E)；(3)100mm×100mm× 400mm 棱柱體試件11個(gè)，這11個(gè)試件再分成2個(gè)系列，其中G系列(用NAC-G、RAC50-G、RC100-G、M-1-G表示)有7個(gè)試件，用于測(cè)量這些試件的總徐變度(2個(gè))、收縮值(2個(gè))和28d棱柱體抗壓強(qiáng)度f(wàn)p,28d(3個(gè))；J系列試件(用NAC-J、RAC50-J、RC100-J、M-1-J表示)有4個(gè)，用錫箔紙包裹密封，測(cè)試其在封閉環(huán)境下的基本徐變度(2個(gè))和收縮值(2個(gè)).

表1 混凝土和砂漿試件的配合比及坍落度Table 1 Mix proportion and slumps of concrete and mortar specimens

1.3 加載方法

徐變?cè)囼?yàn)按照GBT 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行.各徐變?cè)嚰募虞d齡期t0均為28d，采用自平衡加載裝置進(jìn)行加載.通過(guò)擰緊上加載板頂面螺母對(duì)鋼拉桿進(jìn)行張拉，以實(shí)現(xiàn)對(duì)試件豎向加載，應(yīng)力水平取為0.3，由力傳感器讀取荷載值，試驗(yàn)過(guò)程中豎向荷載的波動(dòng)幅度控制在±2%；用對(duì)稱設(shè)置在試件2個(gè)側(cè)面上的千分表來(lái)讀取其徐變變形值.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

砂漿試件和混凝土試件的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可知：再生混凝土試件的抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土試件，但再生混凝土試件的28d棱柱體抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度之比高于普通混凝土試件，且隨再生粗骨料取代率的增加而增加.

表2 砂漿試件和混凝土試件的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of concrete and mortar specimens

2.2 徐變性能

混凝土試件和砂漿試件的徐變度C(t,t0)試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.

圖1 混凝土試件和砂漿試件的徐變度曲線Fig.1 Specific creep curves of concrete and mortar specimens

由圖1可知：180d時(shí)再生混凝土試件RAC50-J、RAC100-J的基本徐變度分別較普通混凝土試件NAC-J增加了69.9%和140%；RAC50-G、RAC100-G的總徐變度分別較普通混凝土試件NAC-G增加了21.0%和53.0%.由此可見(jiàn)，封閉環(huán)境下再生粗骨料對(duì)再生混凝土徐變的影響遠(yuǎn)高于干燥環(huán)境下再生粗骨料對(duì)再生混凝土徐變的影響.

3 再生混凝土徐變預(yù)測(cè)模型

3.1 Neville徐變計(jì)算模型對(duì)再生混凝土的適用性

為了研究混凝土收縮與砂漿收縮之間的關(guān)系，Pickett[11]將混凝土假設(shè)為一個(gè)球形模型，從而得到了混凝土中砂漿收縮值與混凝土收縮值之間的關(guān)系(見(jiàn)式(1)).由于骨料對(duì)砂漿變形的約束與引起砂漿變形的原因(收縮、徐變)無(wú)關(guān)，Neville[12]認(rèn)為式(1)同樣適用于描述混凝土的徐變度，見(jiàn)式(2).

SNAC=Sm(1-φNCA)αNCA

(1)

CNAC=Cm(1-φNCA)αNCA

(2)

其中：

(3)

式中：SNAC、Sm分別為普通混凝土和砂漿的收縮值；CNAC、Cm分別為普通混凝土和砂漿的徐變度；φNCA為普通混凝土中天然骨料的體積分?jǐn)?shù)；μN(yùn)AC、μN(yùn)CA分別為普通混凝土和天然骨料的泊松比；ENAC、ENCA分別為普通混凝土和天然骨料的彈性模量.

如果忽略新砂漿與再生粗骨料中老砂漿性能的差異，則由式(2)、(3)可得，再生混凝土和砂漿的徐變度滿足式(4)～(6).

CRAC=Cm(1-φR-NCA)αR-NCA

(4)

(5)

(6)

式中：CRAC為再生混凝土徐變度；φR-NCA為再生混凝土中天然骨料的體積分?jǐn)?shù)；μRAC為再生混凝土泊松比；ERAC為再生混凝土彈性模量；mRCA為1m3再生混凝土中的再生粗骨料質(zhì)量(kg)；wOM為再生粗骨料中以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)的老砂漿含量；ρNCA為天然粗骨料的表觀密度.

如果式(5)中ENCA按文獻(xiàn)[13]中混凝土彈性模量的計(jì)算模型(見(jiàn)式(7))計(jì)算，則由普通混凝土彈性模量ENAC和砂漿彈性模量Em的試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表2)計(jì)算可得ENCA=102.36GPa；μN(yùn)CA、μRAC取為0.2，從而可根據(jù)式(4)～(6)來(lái)預(yù)測(cè)再生混凝土的基本徐變度和總徐變度.再生混凝土基本徐變度預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果如圖2所示.

(7)

圖2 RAC50和RAC100的Neville基本徐變度預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.2 Comparisons between predicted values by Neville model and test values of basic specific creep of RAC50 and RAC100

由圖2可知，再生混凝土的基本徐變度預(yù)測(cè)值總體上低于試驗(yàn)值，且隨著再生粗骨料取代率的增加，兩者差異越來(lái)越大.這是由于采用Neville預(yù)測(cè)模型時(shí)，沒(méi)有考慮再生混凝土中老砂漿和新砂漿性能不同造成的.因此，該徐變計(jì)算模型不能很好地預(yù)測(cè)再生混凝土的徐變，必須對(duì)其進(jìn)行修正.

3.2 修正的Neville徐變計(jì)算模型

當(dāng)采用Neville徐變計(jì)算模型來(lái)預(yù)測(cè)再生混凝土的徐變時(shí)，可將再生混凝土中的全部砂漿作為一種復(fù)合砂漿(老砂漿+新砂漿)進(jìn)行考慮，則再生混凝土徐變度可按式(8)進(jìn)行計(jì)算.

CRAC=Conm(1-φR-NCA)αR-NCA

(8)

式中：Conm為復(fù)合砂漿徐變度；αR-NCA和φR-NCA可按式(5)、(6)進(jìn)行計(jì)算.

在計(jì)算Conm時(shí)，可按照文獻(xiàn)[11-12]中采用的方法，將復(fù)合砂漿考慮為1個(gè)球形模型，模型中央為1個(gè)球形老砂漿顆粒，外圍為復(fù)合砂漿，則可按下列計(jì)算式計(jì)算復(fù)合砂漿的徐變度.

Conm=Com-(Com-Cm)(1-φom)αom

(9)

(10)

(11)

式中：φom為復(fù)合砂漿中老砂漿的體積分?jǐn)?shù)；φRAC-om、φRAC-m分別為再生混凝土中老砂漿和新砂漿的體積分?jǐn)?shù)；μonm、μom分別為再生混凝土中復(fù)合砂漿和老砂漿的泊松比；Eonm、Eom分別為再生混凝土中復(fù)合砂漿和老砂漿的彈性模量.

取天然骨料彈性模量為102.36GPa，由式(7)計(jì)算得RAC50中復(fù)合砂漿彈性模量Eonm為 15.58GPa.如果式(11)中老砂漿彈性模量Eom按文獻(xiàn)[14]的計(jì)算方法計(jì)算，則由RAC50的彈性模量試驗(yàn)結(jié)果，可計(jì)算得到Eom為5.72GPa.由此可得發(fā)生基本徐變和總徐變時(shí)再生混凝土中老砂漿的徐變度曲線，如圖3所示.

圖3 再生混凝土中老砂漿的徐變度曲線Fig.3 Specific creep curves of old mortar in RAC

將圖3與圖1(b)對(duì)比可知：老砂漿的徐變度遠(yuǎn)高于新砂漿；在再生混凝土總徐變和基本徐變過(guò)程中，老砂漿150d時(shí)的徐變度分別為新砂漿總徐變度和基本徐變度的4.74倍和7.37倍.另外，再生混凝土中老砂漿的基本徐變度與總徐變度相差不大，這導(dǎo)致封閉環(huán)境下老砂漿對(duì)再生混凝土徐變的影響遠(yuǎn)高于干燥環(huán)境下老砂漿對(duì)再生混凝土徐變的影響.當(dāng)加載時(shí)間小于110d時(shí)，老砂漿徐變度隨時(shí)間近似呈線性增加；當(dāng)加載時(shí)間大于 110d 后，老砂漿徐變度增長(zhǎng)速率迅速下降.這是由于在再生粗骨料破碎時(shí)，老砂漿中產(chǎn)生了大量微裂縫，在再生混凝土加載早期，這些微裂縫的彌合使老砂漿產(chǎn)生了較大變形而造成的.

將式(9)代入式(8)，可以得到再生混凝土徐變度與老砂漿、新砂漿徐變度的關(guān)系式：

CRAC=Com[1-(1-φom)αom](1-φR-NCA)αR-NCA

+Cm(1-φom)αom(1-φR-NCA)αR-NCA

(12)

由式(12)可知：再生混凝土的徐變由兩部分構(gòu)成：第1部分為再生混凝土中老砂漿產(chǎn)生的徐變，其中的[1-(1-φom)αom](1-φR-NCA)αR-NCA為再生混凝土中新砂漿和天然骨料對(duì)老砂漿徐變的約束系數(shù)；第2部分為新砂漿產(chǎn)生的徐變，(1-φom)αom(1-φR-NCA)αR-NCA為再生混凝土中老砂漿和天然骨料對(duì)新砂漿徐變的約束系數(shù).

3.3 再生混凝土徐變度預(yù)測(cè)模型

按照本文對(duì)于老砂漿徐變度的計(jì)算方法，計(jì)算了本文的再生混凝土從t0加載到t的基本徐變和總徐變過(guò)程中，以及文獻(xiàn)[14]的再生混凝土從t0加載到t的總徐變過(guò)程中，老砂漿的徐變系數(shù)φom(t0,t)，結(jié)果如圖4所示.由圖4可知，老砂漿徐變系數(shù)在加載時(shí)間小于2d時(shí)增長(zhǎng)極快，且離散性較大，這是由于老砂漿中微裂縫的初始寬度不同引起的；加載時(shí)間為2～110d時(shí)，老砂漿徐變系數(shù)近似呈線性快速增加，110d之后則基本不再增加.通過(guò)線性回歸，可得到本文的再生混凝土在基本徐變和總徐變過(guò)程中，以及文獻(xiàn)[14]的再生混凝土在總徐變過(guò)程中，老砂漿2～110d時(shí)徐變系數(shù)的增長(zhǎng)速率分別為 0.0256、0.0260和0.0255；若取老砂漿2～ 110d 時(shí)徐變系數(shù)的增長(zhǎng)速率為 0.0257，則老砂漿徐變系數(shù)的計(jì)算式為：

圖4 老砂漿徐變系數(shù)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculated values of creep coefficient of old mortar

(13)

式中：a為老砂漿在2d時(shí)的徐變系數(shù)，可通過(guò)再生混凝土早期徐變?cè)囼?yàn)結(jié)果和本文介紹方法進(jìn)行計(jì)算，本文的再生混凝土在基本徐變、總徐變過(guò)程中，以及文獻(xiàn)[14]的再生混凝土在總徐變過(guò)程中，老砂漿的a值分別為0.296、0.108和1.190.

以ACI 209(92)模型作為基準(zhǔn)，考慮再生粗骨料中老砂漿對(duì)再生混凝土徐變的影響，對(duì)式(12)、(13)進(jìn)行修正，可以得到再生混凝土徐變度預(yù)測(cè)模型，見(jiàn)式(14)～(16).

(14)

×1000

(15)

(16)

式中：CRAC(t,t0)為再生混凝土從t0加載到t時(shí)的徐變度預(yù)測(cè)值；Eom和ENAC分別為老砂漿和普通混凝土的彈性模量(GPa)；γt0、γλ、γh、γs、γψ和γa分別為再生混凝土加載時(shí)間、環(huán)境相對(duì)濕度、構(gòu)件尺寸、坍落度、砂率和含氣量對(duì)再生混凝土徐變的影響，可參照文獻(xiàn)[15]進(jìn)行計(jì)算.

本文的再生混凝土試件RAC50和RAC100總徐變度、基本徐變度的試驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值對(duì)比如 圖5、6所示.由圖5、6可知，該預(yù)測(cè)模型可以較好地預(yù)測(cè)再生混凝土的徐變.

圖5 RAC50徐變度預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.5 Comparison between predicted values and test values of RAC50

圖6 RAC100徐變度預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.6 Comparison between predicted values and test values of RAC100

4 結(jié)論

(1)再生混凝土基本徐變度和總徐變度均隨再生粗骨料取代率的增加而迅速增加，再生混凝土總徐變度高于再生混凝土基本徐變度，老砂漿對(duì)再生混凝土基本徐變的影響遠(yuǎn)高于對(duì)再生混凝土總徐變的影響.

(2)在考慮老砂漿和新砂漿力學(xué)性能和徐變性能的基礎(chǔ)上，建立了反映再生混凝土徐變過(guò)程中天然骨料、老砂漿和新砂漿相互作用機(jī)制的徐變計(jì)算模型.該模型表明，降低再生混凝土中老砂漿含量或老砂漿徐變可以有效降低再生混凝土的徐變.

(3)計(jì)算了再生混凝土中老砂漿的徐變度，結(jié)果表明，再生混凝土中老砂漿的徐變度遠(yuǎn)高于新砂漿，再生混凝土基本徐變和總徐變過(guò)程中的老砂漿徐變度相差不大.

(4)在文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算了老砂漿的徐變系數(shù).結(jié)果表明，加載時(shí)間小于2d時(shí)老砂漿的徐變系數(shù)增長(zhǎng)極快，且離散性較大；加載時(shí)間為2～110d時(shí)，老砂漿的徐變系數(shù)基本以恒定速率快速增長(zhǎng)；加載時(shí)間大于110d后，老砂漿的徐變系數(shù)基本不再增加.

(5)建立了考慮老砂漿含量、力學(xué)性能和徐變性能的再生混凝土徐變預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值對(duì)比表明，該模型可以較好地預(yù)測(cè)再生混凝土的徐變.