2011 年 9 月 Sept.2011 第 32 卷第 5 期 Vol.32 No.5 doi:10.3969/j.isn.1671-7775.2011.05.020 高强再生混凝土常规三轴受压本构曲线试验 杨海峰 1, 孟少平 2 1, 邓志恒 (1. 广西大学土木建筑工程学院, 广西南宁 530004;2. 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 江苏南京 210096) 摘要 : 为了研究高强再生混凝土单轴及常规三轴应力状态下的受压应力应变全曲线特征, 通过 RMT-201 完成 43 个 Φ50mm 100mm 圆柱体试验, 分析了不同围压 不同再生粗骨料取代率对高强再生混凝土强度 峰值应变以及全曲线的影响, 提出了高强再生混凝土应力应变曲线本构方程. 试验结果表明 : 高强再生混凝土试件破坏形态与普通混凝土类似, 但再生骨料与普通骨料最后破坏形态差异较大 ; 随着侧压力增大, 再生混凝土峰值应力 峰值应变呈线性增长 ; 单轴及常规三轴应力状态下, 高强再生混凝土受压应力应变全曲线形状与普通高强混凝土相似, 但峰值应变具有较大增长. 随着侧压力的增长, 高强再生混凝土上升段变陡, 下降段变得越来越平缓. 关键词 : 再生混凝土 ; 高强 ; 常规三轴 ; 应力应变全曲线 ; 本构方程中图分类号 :TU528 文献标志码 :A 文章 :1671-7775(2011)05-0597-05 Stres straincurvesofhigh performancerecycled concreteunderconventionaltriaxialcompresion YangHaifeng 1,MengShaoping 2,DengZhiheng 1 (1.ColegeofCivilandArchitectureEngineering,GuangxiUniversity,Nanning,Guangxi530004,China;2.KeyLaboratoryofConcrete andprestresed ConcreteStructuresofMinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing,Jiangsu210096,China) Abstract:Inordertoinvestigatethestres straincurvesofhighperformancerecycledconcreteunder uniaxialandconventionaltriaxialcompresion,theexperimentsof43cylinderwithφ50mm 100mm wereconductedaccordingtormt 201.Theefectsoflateralpresureandrecycledaggregatereplacement ratiostrength,strainpeakandstres straincurvewerediscusedtoestablishtheconstitutiveequations. Testresultsshowthatthefailuremodeofhighperformancerecycledconcretearesimilartothatofordina ryconcrete,whilethefinalfailuremodeofrecycledaggregateisquitediferentwiththatofnaturalaggre gate.asthelateralpresureincreases,thepeakstresandpeakstrainincreaselinearly.theshapeof highperformancecompresivestres staincurvesunderuniaxialandconventionaltriaxialcompresionis similartothatofordinaryconcretewithgreatincreaseofpeakstrain.withtheincreaseoflateralpres sure,theascendingstagebecomesmoresteepwithmoregentledeclineofdescendingstage. Keywords:recycledconcrete;high performance;conventionaltriaxial;stres straincurve; constitutiveequation 收稿日期 :2010-11-03 基金项目 : 东南大学博士生国内访学基金资助项目 (BSFX2009-03) 作者简介 : 杨海峰 (1984 ), 男, 江西吉安人, 博士研究生 (yhfbb1984@yahoo.com.cn), 主要从事混凝土力学特性及结构性能研究. 孟少平 (1960 ), 男, 江苏泰州人, 教授, 博士生导师 (msp1960@vip.sina.com), 主要从事混凝土及预应力混凝土结构基本理论及设计方法研究.
598 第 32 卷 随着城市建筑垃圾的累增, 再生混凝土已经成为当前研究热点 [1]. 但是由于再生骨料经过一系列破碎加工后存在大量内部裂纹和先天缺陷, 高强高性能化是再生混凝土的必然途径. 而应力应变全曲线能很好地反映再生混凝土强度及变形性能, 正确的本构关系在混凝土结构非线性分析中对计算结果的准确度有着决定性作用. 目前国内外相关研究中, 以普通强度单轴应力状态下的研究居多 [2-4], 而高强再生混凝土常规三轴应力状态下应力应变全曲线研究尚未见报道. 为此, 本研究针对高强再生混凝土单轴及常规三轴受压应力应变全曲线进行试验研究, 为高强再生混凝土推广应用提供参考. 1 试验 1 1 原材料 1) 骨料. 再生粗骨料为南宁市望园路路面混凝土, 经机械破碎 颚式破碎机破碎, 最后筛分得到. 粒径均在 5~15mm 之间, 符合级配要求. 天然细骨料为邕江河沙, 属中砂. 详细粗骨料基本性能见表 1, RA,NA 分别为再生 天然粗骨料. 2) 胶凝材料及减水剂. 水泥采用海螺牌 42 5 普通硅酸盐水泥 ; 粉煤灰为 Ⅱ 级灰. 试验采用南宁市能博牌 AF-CA 聚羧酸系缓凝高效减水剂 ( 溶 液 ), 其掺量占胶凝材料重量的 2 5%. 骨料 表 1 粗骨料基本性能 Tab.1 Basicpropertiesofcoarseaggregate 级配 /mm 表观密度 / (kg m -3 ) 堆积密度 / 吸水率 / 压碎指标 / (kg m -3 ) % % RA 2430 1260 5 96 19 5 NA 5~15 2760 1429 1 35 13.0 1 2 配合比 再生骨料采用等重取代天然骨料的质量分数, 取代率分别为 0(HA1 系列 ) 50% (HA3 系列 ) 100%(HA5 系列 ), 详细配合比见表 2. 表 2 试验配合比及塌落度 Tab.2 Mixproportionandslump 配合比 /(kg m -3 ) C KF FA W S NA RA 塌落度 / cm HA1 420 90 90 168 670 1050 0 21 8 HA3 420 90 90 168 670 525 525 16 5 HA5 420 90 90 168 670 0 1050 9 3 注 : 表中 C 为水泥 ;KF 为矿粉 ;FA 为粉煤灰 ;W 为水 ;S 为沙. 2 结果与分析 2 1 应力应变全曲线试验结果 应力应变全曲线试验结果如表 3 所示. 表 3 应力应变全曲线试验结果 Tab.3 Testresultsofstres straincurve 围压 / 峰值应力 / 平均峰值应力 / 峰值应变 / 平均峰值 10-6 应变 /10-6 围压 / 峰值应力 / 平均峰值应力 / 峰值应变 / 平均峰值 10-6 应变 /10-6 0 HA1-1 63.43 HA1-3 65.29 8 HA1-4 118.05 HA1-5 118.70 HA1-6 125.23 16 HA1-7 159.71 HA1-8 158.16 24 HA1-9 159.06 HA1-11 190.67 HA1-12 185.65 32 HA1-13 218.77 HA1-14 214.90 HA1-15 223.45 0 HA3-1 43.94 HA3-2 44.57 HA3-3 47.12 8 HA3-4 94.13 HA3-5 90.29 HA3-6 90.05 16 HA3-7 138.45 HA3-8 132.64 HA3-9 125.78 64.36 2137 2220 120.67 10180 10518 9908 158.98 16893 16100 188.16 14673 21023 17291 219.04 25251 21918 27370 45.21 2375 2355 2477 91.49 13500 11277 11149 132.29 21937 15951 18366 2179 10202 15889 19157 24846 2402 11975 18751 24 HA3-10 166.01 HA3-11 162.91 HA3-12 167.46 32 HA3-13 196.21 HA3-14 187.02 HA3-15 191.46 0 HA5-1 48.82 HA5-2 53.98 HA5-3 41.14 8 HA5-4 91.57 HA5-5 87.09 HA5-6 93.30 16 HA5-7 121.39 HA5-8 122.09 HA5-9 124.04 24 HA5-10 144.54 HA5-11 152.38 HA5-12 148.26 32 HA5-13 180.88 HA5-14 181.76 HA5-15 178.26 165.46 21398 18745 25039 191.56 29612 23888 24225 47.98 2605 2618 2338 90.65 11600 12517 11700 122.51 16563 18524 15900 148.39 41000 30000 24876 180.30 46900 34000 26950 18751 25908 2520 11939 16996 31959 35950
第 ５期 杨海峰等 高强再生混凝土常规三轴受压本构曲线试验 再生混凝土破坏形态 ５９９ 力 峰值应变与侧压力关系 再生骨料混凝土与天然骨料混凝土在单轴受力 情况下 其破坏模式基本相同由于再生混凝土界面 及骨料内部均存在先天裂缝 相比天然骨料而言具 有较多的内部缺陷 从而导致再生混凝土裂缝的发 展具有先导性荷载较小时 再生混凝土内部裂缝有 一定发展 外观未能观测到明显裂缝随着荷载增 峰值应力出现明显局部裂缝 并伴随 大 大约 ７ 混凝土压碎的噼啪声 裂缝逐渐延伸发展并相连 整 个破坏过程发展很快 与普通混凝土相似 再生混凝土不同围压情况 下 整体呈现大约 ５ 斜面剪切破坏轻轻用 力掰开破坏面 可以看出 普通天然骨料混凝土破坏 面处 骨料均出现粉碎性破坏 骨料几乎被剪切成粉 末状 而再生骨料混凝土的破坏面处均出现在界面 处 或沿着骨料被劈开 如图 １所示 图 常规三轴峰值应力 峰值应变与侧压力关系 Ｆ Ｒ ｌ ｈ ｐ ｌ ｌ 由图 可知 与普通混凝土相似 随着围压 σ 的增大 高强再生混凝土三轴抗压强度 σ１ 成线性增 长当 σ ８时 三轴抗压强度可增至 接近 其常规三轴强度可按 Ｒ ｈ 普通混凝土公式 ５ 进行计算 ８ 图 １ 破坏形态对比 Ｆ １ Ｃ ｌ ｐ σ１ σ １ ５８ １ 分析以上原因 主要是由于再生骨料本身已经 式中 普通混凝土中参数一般 为单轴抗压强度 积累大量损伤 这些导致再生骨料强度远小于普通 取 １ 而高强再生混凝土中参数为 ５ ８ 说明再生 天然骨料强度 在三向压力作用下 可以认为其破坏 混凝土在三轴受压应力状态下强度提高更大 原因为斜截面出现剪应力大于其界面承载力 从而 随着侧压力增大 轴向峰值应变增长幅度远大 发生了破坏由于再生骨料强度较小 容易在其界面 于峰值应力增长幅度 其变化规律曲线近乎直线 薄弱或骨料先天裂纹处发生破坏 故再生混凝土在 三轴应力作用下其骨料并未破碎成粉末状 ８时 三 轴 抗 压 峰 值 应 变 即 可 增 至 约 σ ε 主要原因在于侧压力的存在直接限制再生混 峰值应力及峰值应变 凝土的横向变形 同时也限制内部裂缝的开展 在提 １ 单轴峰值应力及峰值应变 单轴应力状态下 ＨＡ１ ＨＡ和 ＨＡ５峰值应力 平均 值 分 别 为 ５ １和 ７ ９８ 取 代 率 为 ５ 和 １ 时 其强度相对天然骨料分别降低了 ９ ７ ５ 和 ５ ５ 而 １ 取代率比 ５ 取代率 强度略有提高 可能主要是由于再生骨料吸水作用 起主导因素 ５ ７ 随着粗骨料取代率的增加 再生混 和 １ 凝土峰值应变有增大趋势 取代率为 ５ 时 比普通混凝土分别增大约 １ 和 １５ ５ 高了承载力的同时 纵向塑性应变得到发展峰值应 常规三轴峰值应力及峰值应变 图 为高强再生混凝土常规三轴受压峰值应 变可采用直线公式表达 ε１ σ １ １９９ ε 应力 应变全曲线及其本构方程 １ 单轴应 力应变全曲线 图 为单轴无量纲受压应力 应变全曲线由图 可见 高强再生混凝土单轴应力 应变全曲线走向规 律与普通混凝土相似 由上升段和下降段组成 但再生 以 混凝土全曲线上升段直线段都较长 峰值应力 ８ 前均接近线性段 与取代率基本无关 而再生混凝土全
第 卷 曲线下降段比较离散 但总体而言 在同等强度条件 图 ５为 ＨＡ５在不同围压情况下的常规三轴受 下 随着取代率的增加 下降段有变陡的趋势说明再 压应力 应变全曲线 其中每条曲线均为一组 个试 生混凝土达到峰值应变后 下降段延性相比普通混凝 块所测 条全曲线的平均值 土较差 同时 再生混凝土较普通混凝土下降段下降速 度更快 说明高强再生混凝土的脆性较大 且再生混凝 土相比普通混凝土的残余应力小 破坏后 再生混凝土 残余应力大约只占峰值应力的 ５ 图 ５ 不同围压下 ＨＡ５受压应力 应变全曲线 受压应力 应变全曲线 Ｆ ５ Ａ ＨＡ５ ｌ 图 单轴无量纲受压应力 应变全曲线 Ｆ Ｓ ｌ 根据以上分析 曲线上升段可采用过 ＣＥＢ ＦＩ Ｐ Ｍ ｌｃ １９９ 提出的有理分式 下降段可采用过 镇海教授的有理分式 由图 可知 相同围压下 不同取代率再生混凝 土上升段均相对比较一致 且相比普通混凝土更陡 围压小于 １ＭＰ时 取代率为 ５ １ 时 直 上升段表达式与取代率无关 可以采用相同的上升 段表达由图 ５可知 达到三轴强度后 随着围压增 ８ １ 即 大 曲线下降段越来越平缓 围压 ＭＰ时 达到峰 １ ｋ ε εｐ ｙ ｋ α １ εｐ ε ε ｙ 式中 ε 根据试验结果 拟合系数 ｋ εｐ ｙ σ 值后有很长一段下降平台 峰值点不是十分明确 不随取代率变化 取 １１ ７ ＨＡ系列 α ８５ ＨＡ５ 模型同样可以采取分段式表达 即 系列 α １ 常规三轴应力 应变全曲线 高强再生混凝土不同围压时 常规三轴应力状 态下应力 应变全曲线形状与单轴状态相似 由上升 段和下降段组成但常规三轴时应力 应变全曲线下 降段十分平缓 横向效应作用下 随着围压增大 曲 线上升段相比单轴时更陡直 初始切线模量具有增 大趋势图 为围压 ８ＭＰ时 种取代率再生混凝 土常规三轴应力 应变全曲线 高强再生混凝土常规三轴应力 应变曲线本构 ε εｐ ｙ １ εｐ ε ε ｙ Ａ Ｄ １ Ａ Ｄ 式中拟合参数结果见表 表 常规三轴试验拟合参数结果 Ｔ ｂ Ｆ ｌ ｌ 参数 １ ５８ ＨＡ Ａ １ ９ ５ Ｄ １ ７ ９８ １ ５８ Ａ １ ７ Ｄ ９ ８ ７ 结 受压应力 应变全曲线 Ｆ Ａ ＨＡ１ ＨＡ５ ８ＭＰｌ 围压 ＭＰ ＨＡ５ 图 围压 ８ＭＰ时 种取代率再生混凝土 １ 论 １ 高强再生混凝土单轴及常规三轴应力状态 下试件的破坏形态与普通混凝土相似 但常规三轴 应力状 态 下 种 混 凝 土 骨 料 破 坏 形 态 存 在 明 显
第 5 期杨海峰等 : 高强再生混凝土常规三轴受压本构曲线试验 601 差异. 2) 常规三轴应力状态下, 高强再生混凝土峰值应力及峰值应变随侧压力的增加呈线性增长趋势, 可采用普通混凝土公式计算, 但参数不同. 3) 单轴应力状态下, 高强再生混凝土应力应变全曲线上升段几乎与再生骨料取代率没有关系, 下降段十分陡直, 且随着再生骨料取代率的增加具有变陡趋势. 4) 在常规三轴应力状态下, 高强再生混凝土上升段相比普通骨料混凝土更陡, 下降段相比单轴应力状态而言下降十分缓慢. 5) 本研究提出了单轴及常规三轴应力状态高强再生混凝土应力应变全曲线表达式, 可为今后高强再生混凝土理论分析提供参考. 参考文献 (References) [1] RaoA,JhaKN,MisraS.Useofaggregatesfromrecy cledconstructionanddemolitionwasteinconcrete[j]. ResourcesConservationandRecycling,2007,50(1):71-81. [2] 杜婷. 高性能再生混凝土微观结构及性能试验研究 [D]. 武汉 : 华中科技大学土木工程与力学学院, 2006. [3] 邓志恒, 杨海峰, 林俊, 等. 再生混凝土应力应变全曲线试验研究 [J]. 混凝土,2008(11):22-24. DengZhiheng,YangHaifeng,LinJun,etal.Experi mentalstudyonthestres straincurveofrecycledcon crete[j].concrete,2008(11):22-24.(inchinese) [4] XiaoJianzhuang,LiJiabin,ZhangCh.Mechanicalpro pertiesofrecycled aggregateconcreteunderuniaxial loading[j].cementandconcreteresearch,2005,35 (6):1187-1194. [5] CorinaldesiV.Mechanicalandelasticbehaviourofcon cretesmadeofrecycled concretecoarseaggregates[j]. ConstructionandBuildingMaterials.2010,24(9):1616-1620. [6] PadminiAK,RamamurthyK,MathewsM S.Influence ofparentconcreteonthepropertiesofrecycledaggregate concrete[j]. Construction and Building Materials, 2009,23(2):829-836. [7] TabshSW,AbdelfatahAS.Influenceofrecycledcon creteaggregatesonstrengthpropertiesofconcrete[j]. ConstructionandBuildingMaterials,2009,23(2):1163-1167. [8] 过镇海. 混凝土的强度和变形 试验基础和本构关系 [M]. 北京 : 清华大学出版社,1997. [9] BhikshmaV,KishoreR.Developmentofstres strain curvesforrecycledaggregateconcrete[j].asianjour nalofcivilenginering:buildingandhousing,2010,11 (2):253-263. [10] LamL,TengJG.Stres strainmodelforfrp confined concreteundercyclicaxialcompresion[j].engine ringstructures,2009,31(2):308-321. ( 责任编辑赵鸥 )