不同再生粗骨料掺量碾压再生混凝土楔入劈拉试验研究

赵 超

(许昌学院土木工程学院，许昌 461000)

不同再生粗骨料掺量碾压再生混凝土楔入劈拉试验研究

赵 超*

(许昌学院土木工程学院，许昌 461000)

通过楔入劈拉试验，对碾压再生混凝土不同再生粗骨料掺入量对其断裂性能的影响进行了分析和研究。试验结果表明：碾轧断裂能随着再生粗骨料掺入量的增加出现波动，再生粗骨料掺入量达到100%时，断裂性能出现较大幅度的下降。再生粗骨料掺入量为50%时，碾压再生混凝土的强度达到C30，且断裂韧度明显高于普通再生混凝土，因此，强度等级为C30的混凝土设计配合比时可考虑再生粗骨料掺入量为50%。

再生粗骨料， 再生混凝土， 楔入劈拉试验， 断裂性能

混凝土在现代工程中的应用十分广泛，随着人们环保意识的提高，以废弃混凝土作为粗骨料的再生混凝土技术受到越来越多的关注。混凝土是复合型的材料，其性能受到各组成部分性能的影响，破坏机理十分复杂，对于混凝土的断裂和破坏也一直是领域内研究的重点和热点之一，而在再生混凝土中，由于作为再生粗骨料的废弃混凝土来源复杂，原始性能差异较大，进一步增加了其断裂和破坏研究的难度[1-2]。碾压混凝土是一种干硬性贫水泥的混凝土，具有可最大限度机械化施工、节约水泥、成本较低、可缩短工期，提高投资收益等多个优点，目前国内对再生混凝土的断裂性能已有较多研究[3-4]，但对碾压再生混凝土的研究尚少，本文即通过楔入劈拉试验对碾压再生混凝土的断裂性能进行研究。

1 试验概况

1.1 原材料

本试验中再生粗骨料来自建筑拆除废弃混凝土，混凝土原设计强度等级C20，经破碎机破碎、清洗、筛选、分级后形成粒径20～40 mm的再生粗骨料；天然粗骨料采用碎石，由天然卵石经破碎机破碎后制得；水泥采用42.5R普通硅酸盐水泥；细骨料全部采用普通河砂，细度模数3.01，普通自来水拌合；Ⅱ级粉煤灰，按照GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[5]中标准进行品质指标检验。

1.2 混凝土配合比设计

本次试验分五组进行，以RRC (Rolling Recycled Concrete)表示碾压再生混凝土，编号RRC-50、RRC—60、RRC-70、RRC-80、RRC-100分别表示再生粗骨料掺入量为50%、60%、70%、80%、100%；每组均设计普通再生混凝土作为对比，以NRC(Normal Recycled Concrete)表示普通再生混凝土，编号NRC-50、NRC-60、NRC-70、NRC-80、NRC-100分别表示再生粗骨料掺入量为50%、60%、70%、80%、100%。制作混凝土试件共40个，其中碾压再生混凝土和普通再生混土各20个，每种混凝土包括4种再骨料掺入量，去除不合格试件或操作不当而损坏的试件，保证每组完整测试3个试件。碾压再生混凝土及普通再生混凝土配合比如表1所示。

表1 碾压再生混凝土与普通再生混凝土配合比

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

本试验中所有混凝土试件均在许昌学院土木工程实验室制作完成，试件强度等级为C30。参照GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》[6]拌制再生混凝土，按设计用量取粗骨料后加入搅拌机内搅拌1 min，后加入原计划用水量1/3的水搅拌1 min，再投入水泥、粉煤灰搅拌30 s后加入剩余的水搅拌2 min左右；试件尺寸为150 mm×150 mm×300 mm(见图1)，所有试件均采用钢试模浇筑成型，碾压再生混凝土采用附着振动器分两次碾压成型。采用3 mm钢板在浇筑断裂试件时预留刀口，在钢板两侧涂黄油以方便成型试件取出。拌合物注入钢模24 h后拆模、编号，放入湿度为90%、温度20 ℃左右养护室中养护90 d，取出试验。

图1 试验用混凝土试件

制作成型的混凝土试件实测轴心抗压强度及弹性模量，碾压再生混凝土再生粗骨料掺入量为50%、60%、70%、80%、100%的试件轴心抗压强度分别为20.5 MPa、21.6 MPa、23.3 MPa、25.9 MPa、27.2 MPa，弹性模量分别为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掺入量为50%、60%、70%、80%、100%的试件轴心抗压强度分别为21.7 MPa、21.9 MPa、21.4 MPa、24.8 MPa、26.8 MPa，弹性模量分别为2.20×104MPa、2.14×104MPa、2.02×104MPa、2.15×104MPa、2.18×104MPa。

1.3 试验方法

本试验加载装置采用WDW4200微机控制电子万能试验机，YD-15型动态电阻应变仪，测量范围为0～50 kN的拉压力荷载传感器。按照楔入劈拉试验相关操作要求安装好后，启动试验机开始加载，加载示意图如图2所示。加载速率是混凝土断裂试验中十分重要的指标之一，对测量结果影响较大，本试验利用微机控制加载速率，试验机加载面与传感器即将接触时启动与电脑连接的微机控制采集系统，将加载速率控制为0.333 mm/s，同时采集图像，持续加载直至混凝土试件断裂。具体试验步骤为：

测量试件实际尺寸及预制缝长度→悬挂或固定传力装置→安装试件，防止传力板→在凹槽中间粘贴刀口→安装引申仪→安装传力装置并调整→启动采集系统预采集→启动试验机，压力传感器与试件接触前开始采集，直至试件断裂结束采集→停试验机，记录试验现象。

图2 加载示意

裂缝尖端张开口位移(Crack Tip Opening Displacement，CTOD)和裂缝嘴张开口位移(Crack Mouth Opening Displacement，CMOD)是混凝土试验中用于衡量裂缝张开程度的主要指标，采用夹式引伸仪测取CTOD和CMOD，加载试验完成获得完整断裂全曲线后，根据采集到的数据，利用Excel表格绘制混凝土试件F-CMOD曲线。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

从试验结果来看，碾压再生混凝土与普通再生混凝土试件的断裂破坏均是始于跨中预制缝界面上出现裂缝，随着荷载的增大，预留缝口张开位移与跨中截面处挠度逐渐增加，裂缝垂直向混凝土应变也随之增大，随着荷载进一步加大，预留裂缝尖端亚临界裂缝增加幅度逐渐趋于稳定；继续增加荷载至临界破坏值，尖端亚临界裂缝扩展失去稳定，试件上形成宏观可见裂缝后，沿再生粗骨料与水泥浆粘结面迅速发展贯通，混凝土试件随之破坏。断裂破坏拉断多为水泥浆体和再生粗骨料，再生骨料与水泥浆体间发生断裂破坏较少。

2.2 断裂参数计算

2.2.1 断裂韧性

断裂韧性是材料固有的特性，是指材料组织裂纹扩展的能力，也是衡量材料韧性的定量指标，为应力场强度因子的临界值。在弹塑性条件下，不断增加应力场强度因子至裂纹失稳扩展材料断裂时的应力场强度因子称为断裂韧度[7]。楔入劈拉试验中试件的受力状况与小型紧凑拉伸试件相似，参考2005年《水工混凝土断裂试验规程》(DUT5332-2005)[8]，按线弹性理学理论，本试验中混凝土的断裂韧度KIC的计算公式如下：

(1)

式中,Fhmax为垂直荷载峰值与楔形加载架重力合力在水平方向产生的分力；h为试件的高度，m；t为试件厚度，m；a0为预制裂缝深度，m。

2.2.2 断裂能

断裂能是指材料受到外力作用，至物体断裂时外力对每单位体积所做的功，本试验中断裂能GF的计算公式如下：

(2)

式中,Ali韧带断面面积(m2);θ为纵轴与楔形加载架间的夹角;WVO为F-CMODmax全曲线面积,N·m。

2.2.3 裂缝张开位移(COD)

裂缝张开位移(COD)是描述裂纹体状态的断裂力学参量，是弹塑性体受到张开型荷载时原始裂纹部位张开的位移。COD理论认为裂缝口位移达到临界值时就会扩展，其基本思想是将裂缝张开口位移与临界值等同作为断裂的判断依据，以裂缝受力后尖端张开口位移(CTOD)作为判断材料断裂韧度的指标，CTOD的计算公式如下：

(3)

式中，H为试件高度,m;a为裂缝高度。mm;z为刀口厚度,mm;r为旋转因子，与COTD有关，取值时以下式确定：

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

(4)

2.2.4 试验部分全曲线

试验加载完成后，根据采集数据绘制F-CMOD全曲线，部分试验曲线可见图3。

根据试验得出的数据，利用上述公式进行计算后，得出本试验中碾压再生混凝土与普通再生混凝土的断裂能、断裂韧度、裂缝尖端张开口位移、裂缝嘴张开口位移等混凝土断裂参数值可见表2。

混凝土是由水泥、砂子、石子、添加剂用水拌和后经养护硬化的一种非匀质建筑材料，其各种性能存在一定的离散性。从表2中数据可以看出，碾压再生混凝土再生粗骨料掺入量为50%时与掺入量为100%时CMOD相差2倍多，断裂韧度相差近2倍；普通再生混凝土掺量为50%时与掺入量为100%时断裂韧度相差也较大。

图3 部分试验F-CNOD全曲线

表2 混凝土断裂能、断裂韧度、裂缝尖端张开口位移、裂缝嘴张开口位移

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

2.3 试验结果分析

2.3.1 再生粗骨料掺入量与断裂韧度关系

从表2中可知，随着再生粗骨料掺入量的增加，碾压再生混凝土的断裂韧度呈下降趋势，普通再生混凝土的断裂韧度则随着再生粗骨料掺入量的增加而逐渐上升；在本试验条件下，再生粗骨料掺入量为50%时，碾压再生混凝土的强度达到C30，同时碾压再生混凝土的断裂韧度明显高于普通再生混凝土。

2.3.2 再生粗骨料掺入量与断裂能的关系

从表2中数据可知，碾压再生混凝土的断裂能随着再生粗骨料掺入量的增加出现波动，普通再生混凝土断裂能则随再生粗骨料掺入量的增加而呈上升趋势。从试件实测轴心抗压强度来看，碾压再生混凝土的轴心抗压强度随着再生粗骨料的增加呈上升趋势，再生粗骨料掺入量为100%的碾压再生混凝土轴心抗压强度较再生粗骨料掺入量为50%的碾压再生混凝土轴心抗压强度高，碾压再生混凝土的强度随着再生粗骨料掺入量的增加未下降而有所提高，认为这主要是由于两种因素的影响：①本试验中配置碾压再生混凝土所使用的再生粗骨料来源混凝土的强度与所配置的再生混凝土强度相差不大，因而掺入再生粗骨料对再生混凝土的基本力学性能影响不大；②浆体对再生粗骨料的“内养护”效果，尤其是碾压混凝土在碾压过程中，碾压作用可在一定程度上提高碾压再生混凝凝土的轴心抗压强度。但碾压再生混凝土的断裂能却未随着轴心抗压强度的增加而增加，尤其其断裂能在再生粗骨料掺入量达到100%时，即以再生粗骨料全部代替天然粗骨料时，断裂能还出现较大幅度的下降。一般认为碾压效果对混凝土性能有着较大影响，效果较差时可导致混凝土内部不密实或粗骨料出现新裂缝，降低混凝土的断裂韧性和断裂能，本试验中，碾压再生混凝土中再生粗骨料掺入量为100%时，碾压性能大幅度降低可能与此因素有关。

3 结 论

(1) 随着再生粗骨料掺入量的增加，碾压再生混凝土的断裂韧度呈下降趋势，普通再生混凝土的断裂韧度则随着再生粗骨料掺入量的增加而逐渐上升。

(2) 碾压再生混凝土的断裂能随着再生粗骨料掺入量的增加出现波动，再生粗骨料掺入量达到100%时，断裂能出现较大幅度的下降；普通再生混凝土断裂能则随再生粗骨料掺入量的增加而呈上升趋势。

(3) 再生粗骨料掺入量为50%时，碾压再生混凝土的强度达到C30，同时碾压再生混凝土的断裂韧度明显高于普通再生混凝土，因此，强度等级为C30的混凝土设计配合比时可考虑再生粗骨料掺入量为50%。

[ 1 ] 肖建庄,高歌,徐亚玲,等.再生混凝土叠合梁受弯力学性能试验研究[J].结构工程师,2012,28(2):122-126.

Xiao Jianzhuang,Gao Ge,Xu Yaling,et al.Recycled concrete laminated beam bending mechanical performance test research[J].Structural Engineers,2012,28(2):122-126.(in Chinese)

[ 2 ] 曹万林,郜泰,周中一，等.高强再生混凝土矩形截面梁抗弯性能试验研究[J].结构工程师,2013,29(6):139-143.

Cao Wanlin,Gao Tai,Zhou Zhongyi,et al.High strength recycled experimental research on the flexural performance of concrete beams of rectangular cross section[J].Structural Engineers,2013,29(6):139-143.(in Chinese)

[ 3 ] 黄健.再生混凝土断裂能试验研究[J].城市建设理论研究(电子版),2013,01(8):43.

Huang Jian.Experimental research on recycled concrete fracture energy[J].Theoretical Study on the Construction of City (Electronic Version),2013,01(8):43.(in Chinese)

[ 4 ] 张九峰.再生骨料混凝土力学性能特征及其影响因素[D].北京：北京交通大学,2010.

Zhang Jiufeng.The mechanical properties of recycled aggregate concrete factors characteristics and its influence[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2010.(in Chinese)

[ 5 ] 全国水泥标准化技术委员.GBT 1596-2005用于水泥和混凝土的粉煤灰[S].北京：中国标准出版社，2005.

The National Cement Standardization Technical Committe. GBT 1596-2005 Used for cement and concrere with fly ash[S].Beijing: Chinese Standards Press,2005.(in Chinese)

[ 6 ] 中国建筑科学研究院.GB/T 50080—2002普通混凝土拌合物性能试验方法标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

China Academy of Building Research. GB/T 50080—2002 Standard for test method of performance on ordinary concrete mixture[S].Beijing: China Architecture and Building Press, 2002.(Chinese)

[ 7 ] 王德辉.再生混凝土抗裂性能研究[D].长沙：中南大学,2009.

Wang Dehui.Study on the anti cracking performance of recycled concrete[D].Changsha:Central South University,2009.(in Chinese)

[ 8 ] 中华人民共和国国家发展和改革委员会.DLIT 5332—2005水工混凝土断裂试验规程[S].北京：中国电力出版社，2009.

General Office of the National Development and Reform Commission of the People’s Republic of China. DL/T 5332-2005 Norm for fracture test of hydraulic[S].Beijing: China ElectricPower Press, 2009.(in Chinese)

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

*联系作者，Email:1601124380@qq.com