再生粗骨料取代率对再生保温混凝土徐变的影响

黄嘉钰， 刘元珍， 高宇璇， 王朝旭

(太原理工大学 土木工程学院，山西 太原 030024)

0 引言

徐变是混凝土材料的固有属性，可造成预应力混凝土结构的预应力损失和大跨度混凝土梁的挠度增大，对混凝土结构存在不利影响。混凝土的原材料及配合比、加荷应力、持荷时间、相对湿度等内部和外部因素均会影响混凝土徐变的发展状况，其中混凝土中作为支撑骨架而存在的骨料对混凝土中水泥砂浆的徐变有重要的约束作用，而水泥砂浆的徐变是引起混凝土徐变的主要原因。再生粗骨料是由废弃混凝土破碎加工而成，含有较多的内部缝隙和水泥砂浆，显著削弱了其密实度并降低了弹性模量，因而再生混凝土的强度和对徐变的约束能力均随之降低[1-2]。罗素蓉等[3]发现，再生混凝土的徐变在试验前期发展速度较快，试件持续加载28 d时其徐变值达到总徐变的70%；混凝土持续加载150 d时，含50%和100%的再生粗骨料取代率的再生混凝土总徐变度分别达到普通混凝土的1.19倍和1.53倍。白国良等[4]的试验结果表明，再生混凝土的徐变值在再生粗骨料取代率不断提高的情况下会发生逐渐增大的现象，持续加载60 d后，试验中含有50%和100%的再生粗骨料取代率的再生混凝土徐变分别为普通混凝土徐变的1.26倍和1.45倍。Gómez-Soberón等[5-6]的试验结果表明,再生粗骨料取代率为60%和100%时，再生混凝土的徐变系数分别增长了33%和40%。Domingo-Cabo等[7]通过试验发现，荷载持续作用90 d时，再生粗骨料取代率为50%和100%的再生混凝土的徐变分别是普通混凝土徐变值的1.42倍和1.51倍。范玉辉等[8]建立了水泥浆与砂浆徐变函数的模型，将模型理论值与再生混凝土徐变试验所得数据进行对比分析，证明了再生混凝土中的旧砂浆是引起徐变的最主要因素。

玻化微珠是一种具有保温性能的轻质骨料，再生保温混凝土将玻化微珠作为部分轻细骨料取代天然细骨料掺入其中，满足了建筑结构保温节能的需求。对再生保温混凝土的研究目前主要集中在其拉压性能、抗冻性能、导热性能、剪力墙抗震性能等方面[9-12]。目前尚缺乏关于再生保温混凝土徐变性能的发展状况因再生粗骨料取代率的改变而发生变化的深入研究。因此本文选取0%、50%和100%的再生粗骨料取代率，对比分析在取代率变化的条件下再生保温混凝土的徐变变化规律，以原有ACI-FIP(1990)模型为基础，建立有关徐变系数发展的修正预测模型，深入研究再生保温混凝土的徐变发展规律。

1 试验设计

1.1 材料

试验采用的玻化微珠的物理性质如表1所示。水泥采用标号为P·O 42.5普通硅酸盐水泥。天然粗骨料选用天然碎石，再生粗骨料采用经破碎工艺处理后的废弃混凝土，粗骨料的具体物理性质和化学成分分别见表2和表3。本试验所用细骨料为河砂，粒径为0.075～4.75 mm，堆积密度为1 350 kg/m3，细度模数为2.6。试验所用硅灰的比表面积为18 954 kg/m3，SiO2质量分数为94.2%。

表1 玻化微珠的物理性质Table 1 Physical properties of glazed hollow bead

表2 粗骨料的物理性质Table 2 Physical properties of coarse aggregate

表3 再生粗骨料的化学成分(质量分数)Table 3 Chemical compositions of recycled coarse aggregate %

1.2 配合比

本试验的基准混凝土采用C35的再生保温混凝土(recycled aggregate thermal insulation concrete，RATIC)，再生粗骨料取代率分别为0%(RATIC-0)、50%(RATIC-50)、100%(RATIC-100)，普通混凝土(NC)作为参考对照组。试验所用的混凝土配合比如表4所示。

表4 混凝土配合比Table 4 Concrete mix proportions

1.3 试件设计与养护

在徐变试验中,每种配合比下的混凝土试件的尺寸及个数如表5所示。

表5 每种配合比下混凝土试件的尺寸及个数Table 5 The size and number of concrete specimens under each mix ratio

本试验试件采用再生保温混凝土，保温骨料的低密度和高吸水性使试件制作与普通混凝土存在差别。制作试件时合理的投料顺序应是先加入细水泥砂浆对试件进行预湿，再加入玻化微珠和占总用水量50%的水并搅拌30 s，然后加入胶凝材料和粗、细骨料并重复搅拌1 min，随后加入剩余的水和高效减水剂并再次搅拌3 min，最后将其装入模具中振捣。将试件养护在温度和湿度恒定的标准养护环境中至龄期时取出，待混凝土面干时再进行试验。

1.4 试验方案

弹性模量试验中的试件静力加载方法和测量棱柱体试件抗压强度的试验方法均参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[13]进行。为保证试件均匀受力，测量弹性模量时先确定好3个待测试件的位置，变形测量仪需对称放置在试件两侧且试件轴心与压力机的承压板中心严格对齐。试件两侧安装有千分表，加载过程中应及时调整试件位置，保证试件两侧千分表所测的变形差值不大于两侧变形平均值的20%。

收缩和徐变试验均参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[14]进行。徐变试验采用NELD-CS710型混凝土徐变仪进行加载，使用精度较高的压力传感器测量压力变化。棱柱体试件两侧分别安装有千分表，试件在28 d龄期开始持续加载，加载应力应为棱柱体极限破坏荷载的40%。试件固定后，使用千斤顶加载至试件徐变应力的20%时，可通过适当放松千斤顶即卸荷不断调整试件位置令其对中，保证千分表两侧的变形值之差小于其平均值的10%，调整结束后立即加压到徐变应力。松开千斤顶时应保证荷载和试件位置均未发生变化，然后根据试件两侧千分表的示数平均值，确定徐变的初始变形值。在混凝土持续加荷至典型龄期时准确记录下试件变形值。在徐变试验的同时，完成3个与徐变试件同批次同环境的参比用试件的收缩试验。

2 结果与讨论

2.1 弹性模量

由于弹性模型对徐变存在一定的影响，为对后续试验提供更为直观可靠的分析以及模型计算的要求，本文对各个配合比下的混凝土试件进行了弹性模量的测量试验，不同配合比下混凝土的弹性模量变化如图1所示。短棱柱体试件NC、RATIC-0、RATIC-50、RATIC-100的最终弹性模量分别为3.01×104、2.63×104、2.36×104、2.32×104MPa。NC的弹性模量是RATIC-0的1.14倍，而与RATIC-0的弹性模量相比，RATIC-50和RATIC-100的弹性模量分别降低了10%和12%。试验发现，普通混凝土的弹性模量在试验所有配合比的混凝土中最高，其值明显高于再生保温混凝土。除此之外，逐渐提高混凝土中所含有的再生粗骨料取代率，会导致再生保温混凝土的弹性模量出现降低现象，但弹性模量的降低幅度会在再生粗骨料取代率较高的状态下相对减小。这是因为再生粗骨料含有弹性模量较低的旧水泥砂浆和经破碎产生的裂缝，由此产生的初始损伤缺陷显著削弱了骨料所具有的强度，因而也限制了再生保温混凝土的弹性模量的提高；同时再生粗骨料具有较高的孔隙率、吸水率以及较大的比表面积，能够吸收水泥砂浆中的水分并传递湿度，在其他条件相同时再生保温混凝土的水灰比相对较小，这在一定程度上能够促进再生保温混凝土的弹性模量的提高。因此在再生粗骨料取代率逐步提高的同时，这两种相互矛盾的效应均会增强，也因此在高再生粗骨料取代率下，弹性模量反而会出现缓慢降低的现象[15]。

图1 不同配合比的混凝土弹性模量Figure 1 Elastic modulus of concretes with different proportions

2.2 徐变值

在恒定的温度和湿度条件下，不同再生粗骨料取代率的混凝土徐变值如图2所示。从图2中可以看出，再生保温混凝土的徐变值在整体趋势上是随时间不断增长的，徐变值前期增长迅速，后期增长速度缓慢并逐渐趋于稳定状态。但在随时间变化的过程中，不同再生粗骨料取代率下混凝土的徐变有一定幅度的波动，其中RATIC-0的徐变波动幅度明显高于RATIC-50和RATIC-100。除此之外，不同试验组的混凝土前期徐变值大小相近，后期徐变差较大，90 d前RATIC-0的徐变值高于RATIC-50；90 d后RATIC-50的徐变值反超RATIC-0；180 d时RATIC-100和RATIC-50的徐变分别为182.57 μm和164.25 μm，与RATIC-0的徐变值相比，分别增加了17%和6%。RATIC-100的瞬时弹性变形最大，RATIC-50最小，与RATIC-0相比，分别增加了8%和降低了3%。对照组NC前期徐变较小，后期徐变较大，180 d时NC的徐变值略高于RATIC-100，是RATIC-0徐变值的1.26倍。

图2 再生粗骨料取代率变化时的混凝土徐变值Figure 2 Creep of concrete with variation of recycled coarse aggregate replacement ratios

分析该现象发现，徐变主要是水泥砂浆的变形所引起的，根据黏性流动理论，混凝土中存在惰性骨料和水泥砂浆，在持续的荷载作用下，混凝土中惰性骨料对水泥砂浆的黏性流动起到约束作用，较多的应力由起支撑作用的坚硬骨料承担，而随着时间的推移，由水泥砂浆承担的应力会相应减小，水泥砂浆产生的变形速率随之减缓，因而原本较大的徐变速率也会随时间逐渐变缓。再生粗骨料的孔隙率较高，骨料中的孔隙能吸收水泥浆体的水分，起到传递湿度的作用，温度、相对湿度、持荷时间等因素会对徐变产生一定的影响，徐变对其他影响因素的反应敏感，同时由于试验误差的存在，徐变变化趋势存在波动。再生粗骨料内部破碎裂缝较多，且表面和内部均残留有旧水泥砂浆，因此骨料的弹性模量和抗压强度较小，在相同瞬时荷载的作用下，再生粗骨料取代率较高的混凝土初始徐变值较大。比较图2中NC与RATIC-0的徐变值变化曲线可以发现，玻化微珠的掺入能有效降低混凝土加载后期的徐变值，这是由于预湿后的玻化微珠在毛细管张力下释放出水分，维持了混凝土内部的相对湿度的稳定，降低了水分蒸发对混凝土徐变的影响，同时促进了水泥颗粒的水化进程，水化产物使得混凝土强度得到提高，内部结构因空隙减少而变得更为致密，混凝土的徐变性能得到改善。

将再生粗骨料取代率发生变化时混凝土的不同徐变发展状态进行相互比较，发现在再生粗骨料取代率逐渐提高的同时，再生保温混凝土的徐变会出现不断增加的现象。分析其原因：混凝土的徐变主要是由水泥砂浆徐变引起的，较多低弹性模量的旧水泥砂浆在再生粗骨料表面附着残留，相同持荷状态下旧水泥砂浆会更易出现较大的变形，再生粗骨料的弹性模量也因残留的旧水泥砂浆而受到削弱，混凝土中骨料对水泥砂浆变形所起的刚性骨架约束作用降低；同时骨料与砂浆、旧砂浆与新拌砂浆间的多重界面使结合面间的裂缝随时间逐渐增多，新形成的界面承载能力较为薄弱，因此旧水泥砂浆和裂缝的存在均削弱了再生保温混凝土的弹性模量和强度，降低了其抵抗变形的能力，徐变变形随之增加。

2.3 徐变系数

在恒定的温度和湿度条件下，不同再生粗骨料取代率的混凝土收缩应变值如图3所示，徐变系数如图4所示。从图4中可以看出，不同再生粗骨料取代率的混凝土徐变系数随时间总体呈现上升趋势，徐变系数在前期增长迅速，后期增长缓慢，变化规律与徐变值相似。由于徐变系数对混凝土理论厚度和相对湿度较为敏感以及试验误差的存在，徐变系数增长过程中会出现较小波动。混凝土的徐变系数前期相差不大，后期RATIC-100的徐变系数大于RATIC-0和RATIC-50，与RATIC-0相比，180 d时RATIC-100和RATIC-50的徐变系数分别增大了31%和12%；NC的后期徐变系数明显高于3组试验，与RATIC-0相比，180 d时NC的徐变系数增大了112%。这表明随着再生粗骨料取代率的提高，混凝土的徐变系数增大，同时掺入玻化微珠会在一定程度上改善再生保温混凝土徐变性能。

图3 再生粗骨料取代率变化时的混凝土收缩值Figure 3 Shrinkage of concretes with variation of recycled coarse aggregate replacement ratios

图4 再生粗骨料取代率变化时的混凝土徐变系数Figure 4 Creep coefficient of concrete with variation of recycled coarse aggregate replacement ratios

3 徐变模型

在对混凝土结构进行徐变效应分析时，确定徐变系数是关键问题，但是不可能都通过试验获得，在工程实践中往往直接选用已有的收缩徐变模型，或根据少量的试验数据，对已有的模型进行修正。ACI-FIP(1990)徐变模型是目前常用的徐变预测模型之一，该模型有较高的精度且适用于早龄期混凝土的徐变预测。但ACI-FIP(1990)徐变模型近似于统计学模型，没有明确徐变机理，由于徐变的影响因素较多，该模型无法很好适应徐变过程中发生的新变化。为更加准确预测再生保温混凝土的徐变变化情况，将再生粗骨料取代率作为影响系数引入原有徐变模型中，在其他影响因素保持不变的前提下，以普通混凝土的徐变系数为基准，通过对试验中所得的数据进行拟合，对原有ACI-FIP(1990)徐变模型进行修正，得到了再生保温混凝土徐变系数的修正表达式为

φR=1.001 8e0.113 7aφN。

(1)

式中：φR为不同再生粗骨料取代率下混凝土的徐变系数；φN为普通混凝土的徐变系数；a为再生粗骨料取代率。

图5为不同再生粗骨料取代率下混凝土的徐变系数试验值与理论修正模型的徐变系数理论值间的对比。从图5中可以看出，修正后的模型与试验值间差距较小，修正后模型中RATIC-0、RATIC-50和RATIC-100的线性回归系数(R2)均处于0.91～0.93，模型拟合度较好。3组预测模型的徐变系数理论值相比较后发现，修正模型的变化曲线也符合再生粗骨料取代率逐渐提高时，混凝土徐变系数随之增加的变化规律。这表明该修正模型可以较为准确有效地预测不同再生粗骨料取代率下混凝土的徐变系数。

图5 试验值与理论修正模型比较Figure 5 Comparison of experimental values and theoretical modified models

4 结论

本文以再生保温混凝土为研究对象，将变化的再生粗骨料取代率作为主要的研究因素，进行了再生保温混凝土的徐变和弹性模量试验，并提出了一种基于ACI-FIP(1990)徐变模型的修正模型，以便更为准确地预测再生粗骨料取代率不同时再生保温混凝土徐变系数的变化。本文主要得出以下结论。

(1)再生保温混凝土的徐变值和徐变系数均在前期增长迅速，后期增长速度趋于缓慢；徐变试验中逐步提高再生粗骨料取代率的同时，再生保温混凝土的徐变值和徐变系数出现逐步增大的趋势，与RATIC-0相比，180 d时的RATIC-50和RATIC-100的徐变值分别增大了6%和17%，RATIC-50和RATIC-100的徐变系数分别增大了12%和31%。

(2)弹性模量试验中逐步提高再生粗骨料取代率，再生保温混凝土的弹性模量会出现明显的降低状态，与RATIC-0相比，RATIC-50的弹性模量降低了10%，RATIC-100的弹性模量降低了12%。

(3)提出了一种基于ACI-FIP(1990)模型的徐变系数修正模型，对再生粗骨料取代率不同时再生保温混凝土的徐变系数进行研究预测，通过线性回归分析发现模型中RATIC-0、RATIC-50和RATIC-100的线性回归系数(R2)均处于0.91～0.93，因而该模型有较好的拟合度。