再生混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验

王雪婷，杨德健

(天津城市建设学院 土木工程系，天津 300384)

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映，又是研究混凝土结构承载力和变形的主要依据，它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结构和抗爆结构的延性和恢复力特性具有重要意义.目前，关于普通混凝土的应力-应变全曲线的研究已经有很多，但对于再生混凝土应力-应变全曲线的研究则相对较少[1-2].本文通过试验研究，分析了不同再生粗骨料取代率的再生混凝土应力-应变全曲线的特点，并对曲线进行拟合，提出适合再生混凝土的应力-应变曲线方程，为再生混凝土的应用提供理论依据.

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥为骆驼牌42.5R普通硅酸盐水泥，砂为天然黄砂，拌合水为自来水，天然粗骨料为天然碎石，级配为连续级配.再生粗骨料由老城区改造产生的废弃混凝土加工而成，最大粒径 31.5 mm，以 9.5 mm、16 mm粒径居多.粗骨料基本性能见表1.

表1 粗骨料的基本性能

1.2 混凝土配合比设计

分别配制 4种不同再生骨料取代率0%，30%，50%，100%的 C30再生混凝土，制作 6个 100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱体试块，用取芯机取出 24个尺寸为 φ50 mm×100 mm 的圆柱体试块用于测试应力-应变全曲线[3-4].再生混凝土详细配合比见表2.

表2 再生混凝土配合比

1.3 试验设备与加载制度

试件在常温下养护 28 d后，通过万能试验机测试其棱柱体抗压强度.本试验应用RMT-150试验机进行应力-应变曲线测试(该设备可测出包括再生混凝土应力-应变曲线下降段的全曲线).初始加载方式采用力控制，在荷载达到预估轴压峰值荷载的 80%时采用位移控制，试件加载装置如图1所示.

图1 试件加载装置

2 试验结果

按再生粗骨料取代率不同将试验分为四组，每组取 6个试件.试验所得的每条曲线均取自 6块圆柱体全曲线的平均值.各组试件的弹性模量实测值、平均峰值的应力与应变等参数列于表3.图2给出了实测的不同再生粗骨料取代率下再生混凝土的应力-应变全曲线.

表3 各组试件的相关参数

图2 再生混凝土应力-应变全曲线

由图2可以看出：再生粗骨料取代率对混凝土的应力应变全曲线有较大影响，但均由上升段和下降段组成，且存在比例极限点、临界应力点、峰值点、反弯点和收敛点.但随着再生粗骨料取代率的增加，应力应变全曲线上升段的斜率逐渐减小，表明再生混凝土的弹性模量降低；下降段变陡，表明材质变脆.

3 结果分析

3.1 弹性模量分析

再生混凝土的弹性模量随再生粗骨料取代率的变化关系如3图所示.

图3 再生粗骨料取代率与弹性模量的关系曲线

由表3和图3可以看出，再生混凝土的弹性模量总体上低于普通混凝土的弹性模量.分析其原因，混凝土的弹性模量受骨料和界面过渡区的影响.再生粗骨料孔隙率大、密度较天然骨料小、存在先天的微细裂纹，其弹性模量较低；此外，再生粗骨料表面附着水泥砂浆较多，造成了实际的砂率比普通混凝土的砂率大，这些都降低了再生混凝土的弹性模量.

3.2 峰值点分析

应力-应变曲线峰值应力、峰值应变随再生粗骨料取代率的变化关系如图4、图5所示.

图4 再生粗骨料取代率与峰值应力的关系曲线

图5 再生粗骨料取代率与峰值应变的关系曲线

由表3及图4可以看出：当再生粗骨料的取代率增大时，再生混凝土的峰值应力逐渐增大.其原因为再生骨料与新拌水泥砂浆之间有很好的相容性，彼此间存在发生化学反应的可能；再生骨料表面粗糙，界面咬合力强；再生骨料吸水率大，能吸收新拌水泥砂浆中多余的水分，这样既降低了粗骨料表面的水灰比，也降低了混凝土拌合物的有效水灰比.

由表3及图5可以看出：再生混凝土的峰值应变较普通混凝土略微增加.可见，在达到峰值应力之前，再生混凝土的变形能力较普通混凝土的略好.峰值应变与混凝土的弹性模量有关，再生骨料的性质决定了再生混凝土的弹性模量比普通混凝土弹性模量小.因此，再生混凝土的峰值应变比普通混凝土的峰值应变大.

4 应力-应变全曲线方程

以 σ/fc和 ε/εp为坐标的应力-应变全曲线见图6，其中σ 为应力，ε为应变.

图6 再生混凝土无量纲的应力-应变全曲线

由图6可见，曲线的上升段和下降段有明显的区别，本文采用文献[5]给出的方程进行拟合

其中：x 表示 ε/εp，y表示 σ/fc.

将试验所得的数据，用最小二乘法计算拟合，得到各再生粗骨料取代率下待定参数a和b，见表4，相应的相关系数均在0.97以上.由表4可见，再生混凝土的a值比普通混凝土的小，而且随着再生粗骨料取代率的增加，a值不断减小，表明混凝土的弹性模量降低；而再生混凝土的 b值比普通混凝土的大，说明再生混凝土的脆性增大.

表4 不同取代率再生混凝土应力-应变全曲线的参数拟合结果

分别以r = 30%和r = 100%为例，利用所得到的a和 b值，代入方程(1)，得到应力-应变全曲线方程(2)、(3)及全曲线与实测的全曲线对比(见图 7).经对比发现，二者吻合良好[6-8].

图7 应力-应变拟合全曲线与实测全曲线比较

5 结 论

(1)再生混凝土的弹性模量总体上比普通混凝土的弹性模量低，其降低的幅度随着再生粗骨料取代率的变化而不同.

(2)再生混凝土的应力-应变全曲线与普通混凝土的应力-应变全曲线类似，分上升段和下降段，且峰值应变和峰值应力均随再生粗骨料取代率的增加而增加.但下降段曲线较普通混凝土的陡，说明再生混凝土的材质变脆.

［1］侯景鹏，宋玉普，史 巍. 再生混凝土技术研究与应用开发[J]. 低温建筑技术，2001(2)：9-10.

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［7］肖建庄. 再生混凝土单轴受压应力应变全曲线试验研究[J]. 同济大学学报：自然科学版，2007，35(11)：1445-1449.

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