單軸受壓下再生混凝土的損傷特性研究

安新正，王小學，姜新佩，張結太

(1.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲056038;2.河北工程大學附屬中學，河北邯鄲056038)

再生混凝土作為綠色混凝土材料在土木工程建設中有著廣泛的應用前景［1]。再生混凝土工程會由于再生粗骨料、干縮、散熱不均等原因而導致其內部結構中存在一定數量的初始微裂紋和微孔隙［2]。在壓應力的作用下，隨著服役時間的延長這些初始的微裂紋和微孔隙將會不斷的發生變化，表現為隨著壓應力的增大，微裂紋和微孔隙將發育擴展，并最終在再生混凝土內部形成不可逆轉的累積損傷，從而使得再生混凝土材料產生能量耗散和強度退化［3]，導致服役再生混凝土結構承載可靠性、耐久性的降低。

為了促進再生混凝土工程的科學化設計與利用，國內外學者針對侵蝕環境作用下的再生混凝土損傷進行了系列試驗研究，并取得了一些研究成果［4－6]，但針對應力作用下再生混凝土損傷規律的試驗研究卻很少。超聲波檢測屬無損傷檢測且檢測成本較小，利用該技術可方便實現對受荷再生混凝土結構損傷的連續檢測［7－11]。因此，利用超聲波檢測技術來研究混凝土材料的受壓損傷規律是既經濟又合理的方法。本文進行了單軸受壓狀態下不同再生粗骨料取代率混凝土試件的超聲波實時檢測試驗，分析單軸受壓狀態下基于超聲波波速變化的混凝土損傷發展規律，結合超聲波檢測試驗結果回歸出再生混凝土損傷與再生混凝土初始(90 d)抗壓強度、單軸受壓應力的函數關系，為再生混凝土結構的科學化設計提供參考依據。

1 試驗過程

1.1 試驗儀器設備

木文在微機控制混凝土壓力試驗機(YAW－2000)上對再生混凝土試件進行設定受壓條件下的加載試驗，通過非金屬超聲波測試儀(TICO)對不同單軸受壓作用下再生混凝土試件的超聲波波速進行實時數據采集與存儲。

1.2 試件的制備

(1)基準混凝土試件

基準混凝土試件，即再生粗骨料取代率r=0%的混凝土試件。基準混凝土試件的制備:拌和用水采用自來水;水泥采用邯鄲產太行山普通硅酸鹽水泥(P.O.42.5R);砂采用沙河產優質河砂，細度模數為2.6;粗骨料采用天然石灰石碎石，表觀密度為2.76，壓碎指標3.81%，粒徑5 ～20 mm，連續顆粒級配。基準混凝土強度等級采用C30，其配合比(Kg·m－3)為:水/水泥/粉煤灰/礦渣粉/砂/石子 =0.629/1.000/0.025/0.025/2.530/3.793。粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，礦渣粉為S95級。混凝土采用機械強制拌和方式拌和2 min后注入150 mm×150 mm×150 mm鋼試模之中，然后將鋼試模放置于標準震動臺上進行震搗成型，試件數量為9個。將完成震搗成型的鋼試模移至標準養護室內靜止養護1 d后拆模，并對試件進行編號，待室內標準養護28 d后移至室外進行自然養護。

(2)再生混凝土試件

再生混凝土試件，即采用只將基準混凝土中的天然石灰石碎石粗骨料的30%、60%和100%部分用再生粗骨料替代，而其它條件不變情況下生產的含有再生粗骨料的混凝土試件。再生粗骨料采用實驗室自制的且滿足文獻［12] 要求的再生粗骨料。再生粗骨料的表觀密度為2.45，壓碎指標12.85%，粒徑5～20 mm，連續顆粒級配。每組再生混凝土試件的制備數量為9個。首先將再生粗骨料與天然粗骨料混合，然后按照制作及養護基準混凝土試件的方法制備及養護再生混凝土試件。

1.3 試驗原理及加載測試方案

試驗時將試件安裝在微機控制混凝土壓力試驗機的上、下壓板之間并進行幾何對中，并采用凡士林耦合劑將超聲波發射頭T1(T2)與接受頭R1(R2)分別耦合在與試件壓應力方向垂直的兩對相互垂直的自由側面A面與A1面以及B面與B1面的中心位置上，為了提高測試的準確度，在此利用彈性加緊鋼板對發射頭與接受頭進行加緊固定，以增加超聲波發射頭與接受頭安裝位置耦合的準確性與可靠性。測試系統示意圖詳見圖1所示。

在此，定義壓應力系數Yσ為試驗試件承受的單軸壓應力與再生混凝土90 d抗壓強度之比，即:

本文單軸受壓試驗設計的壓應力系數Yσ取0.25、0.35、0.45、0.55、0.65、0.75 和 0.85 七組，加載速率為0.50 Mpa/s。單軸受壓試驗為分級并按照設定的壓應力由小到大對試件依次施加，當施加的壓應力達到某一設定壓應力時，應將此設定壓應力維持1～1.5 min，并在此時間內對試件的兩對自由側面的A面與A1面以及B面與B1面進行混凝土超聲波的“對測法”試驗，待完成超聲波波速試驗之后即可繼續施加下一級荷載，直到完成全部的設定試驗為止。

2 試驗結果與分析

基準混凝土及再生粗骨料取代率r分別為30%、60%和100%，再生混凝土的90 d抗壓強度(fcu，0)實測值分別為 33.7Mpa、30.2Mpa、28.5Mpa和25.6Mpa。基準混凝土與再生混凝土試件在90 d且無受壓應力作用時的超聲波波速平均值Vco，以及施加單向壓應力作用后的超聲波波速平均值Vcσ的實時測試結果列于表1。

為了研究單軸受壓情況下混凝土的損傷變化規律，在此以混凝土單軸受壓情況下的超聲波波速相對于90 d且無受壓時的超聲波波速的衰減程度來度量受壓后混凝土的損傷程度，設Dσ為單軸受壓應力作用下基于超聲波波速衰減的混凝土損傷度，則可有［13];

基于不同單軸壓應力條件下各組試件的超聲波波速測試試驗結果，依據(2)式的計算方法，在表1中給出了不同單軸壓應力作用下基準混凝土及再生混凝土損傷度Dσ的計算值。

2.1 不同單軸受壓應力下再生混凝土損傷演化分析

依據表1數據，結合單軸壓應力作用下試件的宏觀試驗現象不難看出，當壓應力系數 Yσ≤0.35時，混凝土損傷度 Dσ隨壓應力系數Yσ的增大而減小，這主要是由于混凝土內部部分微裂紋等缺陷被壓密所致。在Yσ=0.75之后，混凝土損傷度的增長幅度較大。

基準混凝土試件在累積受壓荷載作用下，表現為:當壓應力系數 Yσ≤0.75時，試件在外觀上基本上處于完好狀態;當0.75＜ Yσ≤0.85時，試件在外觀上出現1條或幾條微細裂縫;當0.85＜Yσ時，試件外觀上的微細裂縫明顯增多，范圍也繼續擴大;再生粗骨料取代率r=100%的再生混凝土試件在累積受壓荷載作用下，表現為:當壓應力系數Yσ≤0.65時，試件在外觀上基本上處于完好狀態;當0.65＜ Yσ≤0.75時，試件在外觀上出現有限的幾條微細裂縫;當0.75＜ Yσ≤0.85時，試件外觀上的微細裂縫明顯增多，范圍也繼續擴大;當0.85＜Yσ時，試件外觀上的微細裂縫繼續擴大，甚至出現貫通裂紋。

基于不同壓應力系數Yσ下不同再生粗骨料取代率混凝土試件的損傷度計算結果，在圖2中繪出了不同再生粗骨料取代率下單軸受壓混凝土的損傷度Dσ隨壓應力系數Yσ的變化規律關系曲線。

比較各組試件的試驗與計算結果(見圖2)可以發現，混凝土在相同累積受壓荷載作用下的外觀損傷將隨著再生粗骨料取代率的增加而增大，且不同再生粗骨料取代率混凝土的損傷度 Dσ均表現為隨壓應力系數 Yσ的增加呈非線性增大趨勢。當0.75≤ Yσ時，各組試件的損傷度 Dσ均表現為隨壓應力系數 Yσ的增加而加速非線性增大。這也表明再生混凝土的單軸受壓損傷過程是一個不可逆的非線性損傷累積過程。可見再生混凝土試件在受荷達到單軸極限壓應力之前就已存在著受壓損傷，且這一損傷在受荷接近單軸極限壓應力時增長較大，不容忽視。

表1 單軸受壓下基準混凝土與再生混凝土損傷度Tab.1 The damage of normal concrete and RAC unedr uniaxial pressure stress

2.2 再生混凝土損傷關系模型的建立

考慮到單軸壓應力、混凝土90 d抗壓強度是影響混凝土損傷度的主要因素，可以建立如下形式的關系模型:

式中，α0、α1、α2為試驗常數。

基于單軸壓應力下各組試件的超聲波試驗數據及損傷度的計算值，利用MATLAB中的非線性擬合函數對式(3)進行非線性回歸分析，可得到試驗常數 α0= － 0.0033，α1=0.5623，α2=3.9338。于是式(3)可改寫為:

在再生混凝土工程的實際設計中，通過式(4)建立起來的再生混凝土損傷度與再生混凝土初始強度、壓應力系數之間的函數關系，就可以較方便地獲取相應的損傷程度，并可據此指導再生混凝土構件的相關設計。

3 結論

本文基于單軸受壓下混凝土的超聲波實時檢測試驗結果，以超聲波波速的衰減來度量混凝土的受壓損傷，對單軸受壓下不同再生粗骨料取代率混凝土的損傷度變化規律進行了分析研究。得到的結論如下:

1)在單軸受壓應力達到0.85倍極限應力時，基準混凝土的損傷度最小(Dσ=0.41);r=100%再生混凝土的損傷度最大(Dσ=0.537)，且試件的宏觀損傷比較明顯，所以極限壓應力以前的損傷是不應該被忽視的。

2)與基準混凝土相比，再生粗骨料的摻入降低了混凝土的抗損傷能力。

3)基于單軸壓縮條件下不同再生粗骨料取代率混凝土的試驗與計算結果，建立了考慮單軸壓應力、再生混凝土初始抗壓強度因素影響的混凝土損傷關系模型，該損傷關系模型可為再生混凝土構件科學化設計提供理論指導。

［1] 吳國祥，王 奔.再生骨料混凝土的基本性能［J] .黑龍江科技學院學報，2006，16(2):120－123.

［2] 肖開濤.再生混凝土的性能及改進研究［D] .武漢:武漢理工大學，2004.

［3] 肖建莊，劉瓊，李文貴，等.再生混凝土細微觀結構和破壞機理研究［J] .青島理工大學學報，2009，30(4):24－30.

［4] 安新正，易成，姜新佩，等.海水環境下再生混凝土的腐蝕研究［J] .河北工程大學學報:自然科學版，2011，28(1):5－9.

［5] RYU J S.An experimental study on the effect of recycled aggregate on concrete properties［J] .Magazine of Concrete Research，2002，54(1):7－12.

［6] 陳愛玖，章青，王靜，等.再生混凝土凍融循環試驗與損傷模型研究［J] .工程力學，2009，26(11):102－107.

［7] 羅松南，程紅梅.波在局部損傷混凝土介質中的傳播［J] .湖南大學學報:自然科學版，2002，29(2):20－23.

［8] 劉桂玲，張作鵬.混凝土抗壓強度超聲波法無損檢測的試驗研究［J] .四川理工學院學報:自然科學版，2011，24(3):258－260.

［9] 安新正，易成，劉燕，等.鋼筋混凝土梁腐蝕損傷超聲檢查試驗研究［J] .河北農業大學學報，2010，33(1):108－112.

［10] 王建國，毛利勝，沈卓洋.高精度打聲法在混凝土內部缺陷檢測中的應用［J] .四川理工學院學報:自然科學版，2010，23(1):18－22.

［11] 王懷亮，宋玉普.不同尺寸混凝土試件受壓狀態下超聲波傳播特性研究［J] .大連理工大學學報，2007，47(1):90－94.

［12] JGJ53－92，普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法［S] .

［13] AL AMONDI O S B，MASIEHNDDIN M，ABDUL AL Y A B.Role of chloride ions on expansion and strength reduction in plain and blended cements in sulfate environments［J] .Constr.Build Mate.，1995，9(1):25 －33.