再生混凝土的基本力学性能
2006-09-01 00:00
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摘 要：在国内外大量分析对比研究的基础上，对再生混凝土的基本力学性能进行了详细的综述与分析。主要包括再生混凝土的强度特征（抗压强度及其变异特性、抗拉与抗折强度以及粘结强度） 、再生混凝土的变形特征（弹性模量、应力- 应变曲线、收缩与徐变）以及再生混凝土结构性能（结构构件的基本受力性能） 。研究表明，再生混凝土的基本力学性能与普通混凝土存在一定的差异。最后基于再生混凝土在实际工程的推广应用，提出了关于再生混凝土基本力学性能应该进一步研究的有关问题。
关键词：再生混凝土；强度特征；变形特征；结构性能
1 再生混凝土的强度特征
1. 1 抗压强度
基于对早期研究成果的综述分析，Nixon发现与普通混凝土相比，再生混凝土的抗压强度降低，降低幅度最高可达20%。后来，B．C．S． J的试验也得出了类似的结论，其试验结果表明，再生混凝土的抗压强度比普通混凝土低14%～32%。Wesche和Schulz综合分析了Buck， Malhotra 以及Frondistou - Yannas等人的试验结果，发现再生混凝土的抗压强度较普通混凝土降低约10%。Ravindrarajah等的试验发现再生混凝土的抗压强度较普通混凝土降低8%～24%。Gerardo 的试验则发现再生混凝土的抗压强度约为普通混凝土的95%甚至更多。Hansen对1945～1985年其间世界范围内关于再生混凝土抗压强度的研究进行了全面分析，发现再生混凝土的抗压强度大致比普通混凝土降低5%～24%。Ramamurthy发现再生混凝土的抗压强度较普通混凝土低，降低的范围为15% ～42%。Mandal和Gup ta的试验发现再生混凝土各龄期的抗压强度均低于普通混凝土，平均降低幅度为15%。他们认为，再生混凝土抗压强度的主要原因是由于再生骨料与新旧砂浆之间存在的较为薄弱的粘结区域，不宜用于配制结构混凝土。
与上述结果结论相反， Yoda的试验则发现再生混凝土的抗压强度较普通混凝土高出8．5%。 Ridzuan的试验表明，再生混凝土的抗压强度比普通混凝土高2% ～20%。上述这两个结果表明，再生混凝土的强度可以高于普通混凝土。Hansen， Salem，柯国军等，黄显智和张亚梅等的试验也证实了这一点。
Gup ta的试验还发现，当水灰比较低时，再生混凝土的抗压强度低于同龄期普通混凝土的抗压强度；但是当水灰比较高时，再生混凝土的抗压强度反而高于普通混凝土。而且，再生混凝土的抗压强度并不严格随水灰比的增大而减小。在他的试验中，当水灰比为0．6时，再生混凝土的抗压强度达到最高，当水灰比为0．55时，抗压强度反而最低。
此外，Malhotra， Buck， Ravindrarajah， Dhir， L imbachiya以及Gup ta的试验均发现再生混凝土抗压强度随龄期的发展规律与普通混凝土类似。
不同研究者结论的差异主要是由于采用的再生骨料、再生混凝土的配合比、试验条件以及试验方法存在较大的差异。因此，关于再生混凝土抗压强度的研究仍有待于进一步研究。
1. 2 抗压强度的变异特性
B． C．S． J发现当使用的再生骨料来源单一时，基于试验室试验得到的再生混凝土抗压强度的变异系数与普通混凝土差别不大。但是，在实际工程中，再生混凝土抗压强度的变异性可能会有所增大，这是由于再生骨料的吸水率高，很难保证再生混凝土中的各部分能够获得相同的水灰比。即使在拌制混凝土前对再生骨料进行预先润湿，仍可能存在较大的强度变异。
当废弃混凝土的性能差异较大时，由其加工而成的再生骨料性能的变异性将增加，利用这些不同来源的再生骨料配制的混凝土的抗压强度变异系数可能会大大高于采用来源单一的再生骨料配制的混凝土。De Paw的试验证实了这一点，他采用的再生骨料由使用期为15年且性能差异较大的废弃混凝土加工而成，试验中再生混凝土的配合比完全相同，结果发现再生混凝土抗压强度在32．0～49．1MPa之间变动，平均值为41MPa，强度标准差为5MPa，变异系数为12%。
Hendriks的试验中所用的再生骨料来源于不同的再生骨料加工厂，但是混凝土的配合比完全相同。试验结果表明再生混凝土抗压强度的变化范围为41～50．6MPa，变异系数高达25%。
1. 3 抗拉及抗折强度
Coquillat的试验发现再生混凝土的劈裂抗拉强度与普通混凝土差别不大。Mukai的试验也发现了类似的结果。Kawamura的试验表明再生混凝土的劈裂抗拉强度与普通混凝土几乎相同，对于抗折强度，也有类似的结论。Ahmad的试验也证实了上述结论。Ikeda等则发现再生混凝土抗拉强度较普通混凝土约降低6% ，而抗折强度却没有降低。
Gerardu则发现再生混凝土的劈裂抗拉强度较普通混凝土降低10%。Ravindrarajah和Tam的试验表明，再生混凝土的抗拉强度与抗折强度均较普通混凝土降低10%。Malhotra的试验得出了再生混凝土的抗折强度较普通混凝土降低的结论。Mandal和Gup ta的试验结果发现再生混凝土各龄期的抗折强度均低于普通混凝土，平均降低幅度为12%。
另一方面，B．C．S．J.的试验发现，再生混凝土的抗折强度约为其抗压强度的1 /5～1 /8，这与普通混凝土基本类似。Sagoe -Crentsil等的试验表明再生混凝土的抗拉强度与抗压强度的比值略高于普通混凝土。Tavakoli的试验发现再生混凝土抗折强度与抗压强度的关系与普通混凝土不同。Salem的研究发现ACI规范中关于普通混凝土抗拉强度与抗压强度的计算公式也适用于再生混凝土，但关于普通混凝土抗折强度与抗压强度的关系式则偏于保守。Gup ta的试验发现当水灰比较低时，再生混凝土的抗拉强度与抗折强度低于普通混凝土，而水灰比较高时，再生混凝土的抗拉强度与抗折强度则高于普通混凝土，同时发现再生混凝土抗折强度与抗拉强度随龄期的增长规律与普通混凝土相同。
以上试验结果表明，再生混凝土的抗拉强度和抗折强度较普通混凝土降低0% ～10% ，结合前述关于抗压强度的试验结果，可以发现总体而言，再生混凝土的拉压比和折压比要较普通混凝土高。
1. 4 粘结强度
混凝土与钢筋之间的粘结强度提供了两者共同工作的基础，因此再生混凝土与钢筋之间的粘结强度对于评价再生混凝土能否作为结构混凝土应用于结构构件至关重要。
Mukai等人发现无论是在静力荷载还是在疲劳荷载作用下，再生混凝土与钢筋间的粘结强度均与普通混凝土差别不大。
Kakizaki指出再生混凝土与竖向钢筋的粘结强度为横向钢筋的2．4～3．7倍。王滨生的试验则发现再生混凝土与钢筋的粘结强度高于普通混凝土，但特征滑移长度增加。Roos的试验得出了与上述结果相反的结论，他发现再生混凝土与钢筋的粘结强度低于普通混凝土，颜聪的试验也证实了这一点。Jau等的试验也发现再生混凝土抗折强度略低于普通混凝土，而且其变异性较普通混凝土高。
综合以上研究结果，可以发现再生混凝土的粘结强度并不比普通混凝土显著降低。因此，从这个角度来讲，再生混凝土用于结构构件是可行的。
2 再生混凝土的变形特征
2. 1 弹性模量
Frondistou - Yannas的试验发现再生混凝土的弹性模量较普通混凝土降低33%。Kakizaki等人的试验结果表明再生混凝土的弹性模量比普通混凝土降低25% ～40% ，主要取决于基体混凝土和再生骨料的性能。他们建议，在圆柱体抗压强度fc 和密度γ已知的情况下，再生混凝土的弹性模量Ec 可按式（1）计算
 Gerardu的试验结果表明再生混凝土的弹性模量较普通混凝土最多降低15%。Ravindarajah和Tam的试验也发现再生混凝土的弹性模量低于普通混凝土，而且强度越高，降低越多。We2sche发现再生混凝土的弹性模量较普通混凝土低19%。Rasheeduzzafar的试验结果表明，与普通混凝土相比，再生混凝土的弹性模量降低18%。Hansen 的试验发现，再生混凝土的弹性模量约为普通混凝土的72% ～86% ，取决于其抗压强度的高低。李占印的试验表明再生混凝土的弹性模量较普通混凝土降低15%。
Ravindrarajah指出CEB - F IP模式规范和英国规范中关于普通混凝土弹性模量与抗压强度的关系式不适用于再生混凝土，他建议的计算公式如下
 式中： Ec ——再生混凝土的弹性模量，MPa；
fcu ——再生混凝土的抗压强度，MPa。
基于其试验结果的统计回归，Dhir建议采用（3）式计算再生混凝土的弹性模量
 Zilch对大量的试验结果进行了回归分析，建议采用（4）计算再生混凝土的弹性模量
 式中： fcu ——再生混凝土抗压强度，MPa；
γ——再生混凝土的表观密度， kg/m3。
Mellmann建议的再生混凝土弹性模量计算公式为
 综合以上研究结果，可以发现再生混凝土的弹性模量较普通混凝土降低15%～40%。再生混凝土弹性模量降低的原因是由于大量的砂浆附着于再生骨料上，而这些砂浆的弹性模量相对较低。再生混凝土的弹性模量降低，导致其在荷载的作用下变形增加。由于再生混凝土的弹性模量降低，用于结构构件时，需要考虑其引起的结构构件变形增大问题。
2. 2 应力- 应变关系
混凝土的应力- 应变全曲线既是混凝土基本受压特性的综合性宏观反应，又是研究混凝土结构承载力和变形的主要依据，对于分析构件极限状态时截面的应力分布、弹塑性全过程以及抗震和抗爆结构延性和恢复力特性具有重要意义。
Henrichshen和Jensen发现再生混凝土应力应变曲线的形状与普通混凝土类似。Topcu通过试验获得了不同再生骨料取代率再生混凝土的应力- 应变全曲线，他发现随着再生骨料的增加，再生混凝土的抗压强度和弹性模量降低。Rühl和Atkinson也通过试验获得了不同再生骨料取代率再生混凝土的应力- 应变全曲线，他们发现随着再生骨料的增加，再生混凝土的峰值应变增加，当粗骨料全部采用再生骨料时，峰值应变较普通混凝土增加约20%。王滨生的试验也发现再生混凝土抗压强度较普通混凝土降低但峰值应变增加。Bairagi的试验结果表明再生混凝土应力应变曲线的形状与普通混凝土类似，但是随着再生骨料含量的增加，应力- 应变曲线的曲率增加。
目前，未见有关于再生混凝土应力- 应变关系数学模型的报道，为了实现对再生混凝土结构构件的非线性分析和设计，需要进一步展开这方面的研究。
2. 3 徐变
一般认为，混凝土的徐变与其水泥浆含量成正比。由于再生骨料中含有大量的水泥砂浆，导致再生混凝土的徐变要大于普通混凝土，许多研究者的试验都证实了这一点。
Wesche的试验结果表明，再生混凝土的徐变比普通混凝土高50%左右； Ravindrarajah和Tam的试验发现，再生混凝土的徐变比普通混凝土高30% ～60%； Hansen发现对于抗压强度为50MPa和25MPa的再生混凝土，其徐变较普通混凝土分别增加25%和45%。Gerardu的试验发现，再生混凝土的徐变值比普通混凝土高40%左右。Kasai的试验发现，再生混凝土的徐变比普通混凝土高20%～30%。Gomez也发现再生混凝土的徐变值较普通混凝土显著增加。
2. 4 收缩
再生骨料中含有大量水泥砂浆也将导致再生混凝土干缩值的增加。Hasaba等人的试验发现，当水泥用量为300kg/m3时，再生混凝土的收缩值比普通混凝土高50%左右。Coquillat则发现与普通混凝土相比，再生混凝土的收缩值增加73%。Ravindrara2jah和Tam的试验表明再生混凝土的90天干缩值约为普通混凝土的2倍。Wesche发现再生混凝土的收缩值比普通混凝土高40%。Zagurskij和Zahadanovskij发现与普通混凝土相比，再生混凝土的收缩值增加20%～30%。Hansen的试验发现对于抗压强度为50MPa和25MPa的再生混凝土，其徐变较普通混凝土分别增加35%和55%。Ravindrarajah and Tam进行的类似的试验也表明再生混凝土的收缩值较普通混凝土高14% ～95% ，而且随着强度等级的提高，再生混凝土的收缩值增加。Nishibayashi和Yamura、Morlion、Ravindrarajah等人和Yamato以及Gomez等的试验结果均表明再生混凝土的收缩值比普通混凝土大得多。
综合以上试验结果可以得出如下结论，再生混凝土的收缩值和徐变值均比普通混凝土高50%左右。再生混凝土的收缩和徐变增大，将导致再生混凝土结构产生较多的非受力裂缝，同时也限制了再生混凝土在预应力结构构件中的应用。因此，应该采取适当措施降低再生混凝土的收缩和徐变。
3 再生混凝土结构性能
为了进一步评价再生混凝土用作结构混凝土的可行性，国外的一些研究者针对再生混凝土结构构件的受力性能进行了试验研究，研究对象主要包括再生混凝土梁、柱、梁- 柱节点以及再生混凝土框架。
3. 1 再生混凝土梁
Ishill等人结合试验研究了再生混凝土梁的受弯特征，发现再生混凝土梁的承载力与普通混凝土差别不大，但是再生混凝土梁的裂缝较普通混凝土梁略宽。
Sonobe通过试验探讨了再生混凝土梁的受剪特征，试验结果表明再生混凝土梁在承受剪力时产生沿纵向钢筋的裂缝。Han等重点研究了再生混凝土梁的抗剪承载力，研究参数包括剪跨比、再生骨料类型以及梁的配筋率。试验共制作了12根梁来用以研究梁的斜裂缝和极限抗剪承载力。梁的剪跨比分别为λ = 1．5， 2．0， 3．0 和4．0， 配筋率分别为ρ = 0， 0．089% ，0．244% ， 0．507%和0．823%。其中6根试验梁没有配置箍筋，另外6根沿梁的全长配置了箍筋。结果表明当配筋率为1．11% ，剪跨比大于3． 0时，按照普通混凝土的设计方法设计的再生混凝土梁偏于不安全。
Lü的试验也表明再生混凝土梁的抗剪承载力较普通混凝土梁低，基于试验结果的分析，她建议采用一个折减系数ηRC来反映再生混凝土梁抗剪承载力的降低。
 式中：AG ———再生骨料的比例。
Dolara等研究了再生混凝土预应力梁的受力性能。
试验共制作并测试了三根跨度为15m的预应力梁，混凝土的设计强度等级为C40。第一根梁（40AR100）的骨料全部用再生骨料；第二根梁（ 40RN50 ） 中再生骨料和天然骨料各占50%； 第三根梁（40AN100）的骨料全部用天然骨料。试验结果表明，再生混凝土预应力梁的变形较普通混凝土梁的变形显著增加，而且再生骨料含量越高，梁的变形越大。这主要是因为再生混凝土弹性模量降低。
Reiji等人研究了再生混凝土梁的抗震性能，结果表明当再生混凝土与普通混凝土的强度相同时，再生混凝土梁的抗震性能与普通混凝土差别不大。
3. 2 再生混凝土柱
Katsuyuki等人钢管再生混凝土柱的轴压性能，研究发现钢管再生混凝土柱的刚度较普通混凝土柱降低，破坏过程较普通混凝土柱快，但仍具有足够的极限承载能力可以利用。
3. 3 再生混凝土梁- 柱节点
Corinaldesi等人结合试验研究了再生混凝土梁- 柱节点的抗震性能。试验共制作了三个节点，一为普通混凝土节点，作为对比节点，另两个节点为再生混凝土节点。试验结果表明，再生混凝土梁- 柱节点的耗能能力与普通混凝土节点差别不大，表明再生混凝土梁- 柱节点的抗震性能与普通混凝土梁- 柱节点的抗震性能相差不多。
3. 4 再生混凝土框架
Reiji等人进一步研究了再生混凝土框架的抗震性能，结果发现与普通混凝土相比，再生混凝土框架的抗震性能并没有显著降低。
4 结论与建议
基于国内外大量文献的研究分析，本文重点对国内外关于再生混凝土的强度特征、变形特征和结构性能的研究成果进行了较为全面的综述与分析。研究结果表明，再生混凝土的某些上述基本性能与普通混凝土存在一定的差异。为了在实际中推广应用再生混凝土，下列内容有待于进一步开发研究：
（1）再生骨料的损伤积累对再生混凝土力学性能的影响及其机理。
（2）再生混凝土的单轴受压本构关系数学模型。
（3）再生混凝土抗压强度的统计特征。
（4）再生混凝土结构构件的安全性评价。
（5）再生混凝土结构构件计算方法以及设计理论。 |
| 原作者： 叶孝恒 |
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