再生混凝土变形性能的研究进展 再生混凝土变形性能的研究进展.pdf
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1、 1 0 6 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 4 年 1月( 上) 第2 8 卷第 1 期 再 生混凝土变形性能 的研 究进展 曹明莉, 张会 霞, 许玲 ( 大连理工大学土木工程学院, 大连 1 1 6 0 2 4 ) 摘要 再生混凝土的变形性能主要包括化学收缩、 干湿变形、 温度变形、 短期荷载下的变形和长期荷栽下的变 形( 即徐变) 等。通过查阅相关文献资料, 总结了国内外有关再生混凝土的研究成果, 对其变形性能进行深入分析, 揭 示其变形性能的影响规律 , 以期对再生混凝土的变形性能有更为全面的认识和把握 , 从而全面发展再生混凝土在建 筑工程上的应用。 关键词 再生骨料变形性能再
2、生混凝土 中图分类号 : T U5 2 8 1 文献标识码 : A Re s e a r c h Pr o g r e s s o n De f o r ma t i o n Pe r f o r ma nc e o f Re c y c l e d Co nc r e t e C AO M i n g l i ,Z HANG Hu i x i a ,XU Li n g ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Da l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Da l i a n
3、1 1 6 0 2 4 ) Ab s t r a c t De f o r ma t i o n p r o p e r t i e s o f r e c y c l e d c o n c r e t e m3 i n l y i n c l u d e c h e mi c a l s h r i n k a g e ,we t a n d d r y p e r f o r - ma n c e ,t e mp e r a t u r e d e f o r ma t i o n,s h o r t - t e rm d e f o rm a t i o n u n d e r l o
4、 a d a n d l o n g - t e rm d e f o rm a t i o n u n d e r l o a d ,n a me l y c r e e p,e t c B a s e d o n t h e r e l a t e d l i t e r a t u r e ,t h i s a r t i c l e s u n ma a r i z e d t h e o v e r s e a s a n d d o me s t i c r e s e a r c h a c h i e v e me n t s o f r e c y c l e d c o n
5、 c r e t e ,d e e p l y a n a l y z e d i t s d e f o r ma t i o n p r o p e r t i e s ,r e v e a l e d t h e i n f l u e n c e o f i t s d e f o rm a t i o n p e r f o rm a n c e ,i n o r d e r t o h a v e a mo r e c o mp r e h e n s i v e u n d e r s t a n d i n g a n d g r a s p i n t h e d e f o
6、 rm a t i o n p r o p e r t i e s o f r e c y c l e d c o n c r e t e ,a n d a l l - r o u n d d e v e l o p me n t o f t h e a p p l i c a t i o n o f r e c y c l e d c o n c r e t e i n c o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n g Ke y w o r d s r e c y c l e d a g g r e g a t e ,d e f o r ma t i
7、 o n p e r f o rm a n c e ,r e c y c l e d c o n c r e t e 0 引言 混凝土是土木工程与各项基础设施建设的首选材料和 最大宗的材料 , 在外界荷载 和周围环境 的作用下 , 混 凝土将 产生变形并导致开裂。据估计 , 8 0 以上的开裂都是 由于混 凝土变形 所引起 , 只有很 小一部 分是 由于承 载力 不足 导 致 1 。混凝土的变形包括非荷载作用下 的变形和荷载作用 下的变形。非荷载下的变形, 分为混凝 土的化学 收缩 、 干湿 变形及温度变形 ; 荷 载作用下的变形 , 分 为短期荷载作用下 的变形及长期荷载作用下 的变形徐变。
8、本文在再生混 凝土基本力学性能研究的基础上 , 概述了其变形性能的研究 进展 , 以期为再生混凝土的广泛利用奠定良好基础 。 1 非荷载作用下的变形 1 1 再生混凝土化学收缩 在混凝土硬化过程中, 由于水泥水化物 的固体体积比反 应前物质的总体积小 , 从而引起混凝 土的收缩 , 称为化学收 缩 。化学收缩是不可恢复的, 其收缩量随混凝土硬化龄期 的 延长而增加 , 收缩值一般小于 1 , 对混凝土结构没有破坏作 用, 但在混凝土内部可能产生微细裂缝而影响承载状态和耐 久性 。 虽然收缩是混凝土一项重要的变形性质 , 但是 由于影响 昆 凝土的因素很多, 机理也较复杂 , 同时 , 通常所测
9、的干缩值 是干缩 、 化学收缩和碳化收缩之总和, 因此 , 很少有学者单独 研究胶凝材料的化学收缩值 。其 中, 严吴南等口 选择了几个 重要因素, 将样品( 水泥 +水) 装于长颈瓶 中摇匀、 赶气后迅 速加盖并密封( 防止水分蒸发 ) 置于恒温恒湿室( 2 O , 相对 湿度 6 O ) 中, 按预定水化龄期测读玻璃瓶中的流体高度 , 获 得体积缩减值 , 即水泥浆体 的化学收缩 。结果表明 , 随着胶 凝材料用量和水胶 比的增大 , 混凝土化学收缩增大 ; 随着 水 化龄期 的增长 , 混凝土的化学收缩也随之增长 , 但 3 d以前的 化学收缩速度增长很快, 以后逐渐变慢, 1 4 d
10、以后明显减缓。 所有的胶凝材料水化以后都存在化学减缩作用, 这是由 水化反应前后的平均密度不同造成 的。水泥水化反应的主 要产物是 D H凝胶 , 其体积小于水泥与水的体积之和 , 即 固相体积增加, 但水泥一 水体系的绝对体积减小。大部分硅酸 盐水泥浆体完全水化后, 理论上体积缩减为 7 9 。因 此 , 可以通过减少胶凝材料用量、 降低水灰 比的方法 , 或者采 用补偿收缩的方法来抵消化学收缩 。 1 。 2 再生混凝土干缩变形 干湿变形是由于混凝土周围环境湿度的变化而引起的, 表现为干缩湿胀 。干缩变形对混凝 土危害较大 , 干缩能使混 *国家自然科学基金青年基金( 5 1 1 0 2
11、0 3 5 ) 曹明莉: 女, 1 9 7 1 年生, 博士, 副教授, 主要从事新型水泥基材料研究E - ma i l : c a o mi n g l i 3 5 0 2 1 6 3 c o rn 再生混凝土变形性能的研 究进展 曹明莉等 1 0 7 凝土表面产生较大 的拉应力而导致开裂 , 降低混凝 土的抗 渗、 抗冻、 抗侵蚀等耐久性能。 目前, 通常用 1 8 0 d的收缩率来评价混凝土的干缩 , 但在 实际的研究中, 可根据具体的情况增加或减少这个最终评 价 收缩率的龄期 。曹勇等 以 1 0 0 再生骨料替代天然碎石制 备再生混凝土试 件, 研究其早期干燥收缩。试验结果表明: 7
12、 d 龄期时, 再生混凝土的收缩率明显大于普通混凝土 ; 相 同 强度时, 随着水灰 比的增大 , 再生混凝土的干燥 收缩率也随 之变大, 这是 由于在单位用水量不变 的条件下, 水灰 比变大 时, 水泥用量就相对减少 , 这就给混凝土试件提供 了水泥水 化反应后较多的自由水分, 自由水分 的蒸发就引起 了较大 的 干燥收缩。 王武祥等 的研究结果表明: 再生混凝土的收缩值随着 再生集料取代率的提高而增大, 当再生粗集料取代 1 0 0 原 生集料时, 其收缩率增大 5 O 。A D o mi n g o C a b o等 6 研究 了再生骨料取代率为 2 O 、 5 O 和 1 0 0 再生
13、混凝 土 1 8 0 d 龄期的干燥收缩值 , 结果表明, 与普通混凝土相 比, 取代率为 2 0 时 , 再生混凝土的干燥 收缩值增大了 4 O ; 当取代率为 1 0 0 时, 则高达 7 O 。骆行文_ 7 的试验结果亦表明 , 再生混 凝土的干燥收缩较 同配合 比采用天然骨料配制的混凝 土有 较大幅度的增加。刘数华等_ 8 也得出了类似 的结果, 同时还 发现 , 再生混凝土的早期干缩增加得快 , 后期增长速率较慢, 且干缩率随着水灰比的增大而增大。 S d n c h e z d e J u a n 、 K Amn o n 、G6 me z - S o b e r 6 n E 等 在
14、再生混凝土的变形性能研究方面也做 了一系列的试验研 究 , 得到了如下结论 : 与普通混凝土相 比, S d n c h e z d e J u a n的 试验表明, 再生混凝 土的干燥 收缩值增 大 了 1 5 6 O ; G 6 me z - S o b e r 6 n的试验亦表明, 由于再生骨料的高吸附性 , 再 生混凝土的干燥收缩值高于普通混凝土。 骨料有 自 然干燥、 饱和面干 、 完全干燥 3 种含水状态 , 使 用不同含水状态 的再生骨料制备的混凝土的变形性能也不 同。水 中和等 1 的试验显示 : 由饱和面干状态和完全干燥状 态的再生骨料制备的混凝土 的干缩值 明显高于 自然干
15、燥再 生骨料混凝土的干缩值 。这是 由于再生骨料的吸水性强 , 当 其含水过高或过低时都可能导致界面 区微结构的多孔性 , 从 而导致干缩增大。 再生骨料中含有大量水泥砂浆 , 水泥浆中吸附水 的消失 也将导致再生混凝土干缩值的增加。李占印 1 3 就曾指出, 再 生混凝土的龄期、 再生粗骨料及水泥浆基体是影响再生混凝 土收缩变形的关键因素。Ha s a b a 等 1 的试验发现 , 当水泥 用量为 3 0 0 k g m3 时, 与普通混凝土相比, 再生混凝土的收 缩值增加 5 o 左右 , C o q u i l l a t 1 s 发现增加 7 3 , We s c h e l_ 】
16、n 贝 0 发现增加 4 O 。 综合 以上试验结果可以得出如下结论: 再生混凝土的收 缩值比普通混凝土高 , 且随着再生骨料取代率 、 水灰 比的增 大而增大。其原因是再生混凝土比普通混凝土粗、 细骨料的 吸水量大, 混凝土硬化后粗 、 细骨料由于水分蒸发而引起较 大的干燥收缩 ; 此外 , 混凝土收缩率取决 于粗集 料和砂浆 的 收缩率 , 由于再生粗集料中含有大量旧砂浆, 因此 , 其收缩率 大大高于原生集料( 天然石子) 。 1 3 再生混凝土温度变形 温度变形是指混凝土随着温度 的变化而产生热胀冷缩 变形 。混凝土的温度变形系数 口为( 1 1 5 ) 1 0 , 即温 度每升高 1
17、, 每 1 I n 胀缩 0 O 1 O 0 1 5 m m。温度变形对 大体积混凝土、 纵长的混凝土结构 、 大面积混凝 土工程极为 不利 , 易使这些混凝土形成温度裂缝 。 混凝土的热膨胀系数是水泥砂浆体和碎石 两种组分的 共同结果 , 且水化水泥砂浆体的热膨胀系数 比天然骨料 的热 膨胀系数高得多。由于再 生骨料表面还额外包裹一部分 旧 水泥砂浆 , 新旧砂浆 的比例高于普通混凝土, 故热膨胀系数 有所增大。刘数华等 8 的试验就曾验证了这一点 , 指出再生 混凝土的热膨胀系数比普通混凝土略高。 2 荷载作用下的变形 2 1 短期荷载作用下的变形 混凝土是一种由水泥石、 砂、 石、 孔隙
18、等组成的不匀质的 复合材料 。它既不是一个完全弹性体, 也不是一个完全塑性 体, 而是一个弹塑性体 , 受力时既产生弹性变形 , 又产生塑性 变形 , 而弹性模量是表征混凝土变形 的一个重要参数 。 和普通混凝土一样 , 再生混凝土的弹性模量也与砂浆、 骨料的弹性模量及其体积分数有关 。胡敏萍_ 】 的试验结果 表明: 随再生骨料取代率 的增加, 再生混凝土弹性模 量逐渐 降低 , 当再 生粗骨 料完全取 天然粗骨料 时, 弹性模量下 降 2 3 4 。 X i a o J Z等口 。 发现当再生骨料取代率为 1 0 0 时 , 弹 性模量降低 了 4 O , Z h o u Hl 1 鲴 则
19、认 为降低 了 1 5 2 6 , Ko u 。 0 则发现降低了 4 O 左右。 V B h i k s h m a 等D z 研究了 C 1 5 、 C 2 O 、 C 2 5 、 C 3 0 和 C 3 5 五 个强度等级 , 再生骨料取代率分别 为 0 、 5 0 、 7 5 、 8 5 和 1 0 0 混凝土弹性模量 的变化 。结果表 明, 不同强度等级 的 混凝土 , 随着再生骨料取代率 的增加 , 弹性模量逐渐 降低 。 骆行文等l 2 3 的试验也得出了类似的结论。 刘数华等 8 指出, 再生混凝 土的弹性模量不仅与再生骨 料的取代率有关, 还与水灰 比有着密切关系。改变水灰比
20、会 显著影 响混凝 土 的弹性模量 , 当水灰 比从 0 1 8降到 0 1 4 时 , 再生混凝土的抗压弹性模量增加 了 3 3 1 7 , 抗拉弹性 模量增加了 5 3 1 7 。 为了改善再生混凝 土相对普通混凝土材料性质上 的不 足 , 有学者提出在再生混凝土配制过程中添加各种外加剂进 行改善。国外的研究资料 2 4 , 2 5 表明, 掺入膨胀剂能有效提高 再生混凝土的弹性模量值 , 当掺人 1 O 的膨胀剂后 , 弹性模 量可提高 8 1 O ; 在掺入 2 0 膨胀剂时混凝土弹性模量 提高不多( 2 左右) 。图 1 为弹性模量随再生骨料取代率的 增加而下降的趋势图。 综合 以上
21、研究可 以发现 , 再生混凝 土的弹性模量较普 通混凝土的低 , 其原 因是再 生骨料上 附着 大量弹性模量较 低 的砂浆, 使得再生 骨料本 身弹性模量较低 以及 再生混凝 土的孔隙率较 高, 故造成再生混凝土弹性模量降低 , 变形 性 能增加。 1 0 8 材料导报 A: 综述篇 2 0 1 4年 1月( 上) 第 2 8 卷第 1期 1 0 三 0 8 : 0 6 : 0 4 0 2 O 0 RCA r e p l a c e me n t p e r c e n t a g e 图 1 再生骨料取代率对弹性模量的影响 Fi g 1 El a s t i c mo d u l u s a
22、s a f u n c t i o n o f RCA r e p l a c e me n t p e r c e n t a g e 2 2 徐 变 混凝土在长期荷载作用下 , 沿着作用力方向的变形会随 时间不断增长, 即荷载不变 , 而变形 随时间延长不断增长, 一 般可持续 2 3 年才趋于稳定 , 这种现象称 为徐变 。一般认 为, 混凝土的徐变是水泥石 中的凝胶体在长期荷载作用下 的 粘性流动 , 并向毛细孔 内迁移的结果。在混凝土的较早龄期 加荷 , 水泥尚未充分水化 , 所含凝胶体较多, 且水 泥石 中毛细 孔较多, 凝胶体易流动, 所 以徐变发展较快 ; 在晚龄期 , 水泥
23、继续硬化 , 凝胶体含量相对减 少, 毛细孔亦少 , 徐变发展愈 慢。 肖建庄等_ 2 的试验得出, 再生混凝土的徐变普遍较普通 混凝土大 , 影 响因素 主要有再生混凝 土的弹性模量 和水灰 比, 并与水泥的水化程度有关。骆行文_ 2 的试验也得 出了类 似的结果 , 并指出: 再生混凝土弹性模量较小 , 如果采用基于 普通混凝土配合比设计的用水量, 再加上再生集料经一定时 间吸水量的配合 比设计方法, 则再生混凝 土的徐变将更大。 F a t h i f a z l c 。 的试验研究表 明, 相同条件下, 再 生混凝 土的徐 变应变比普通混凝土大 4 O 。刘数华等 的试验表明, 与普
24、通混凝土相比, 再生混凝 土的干缩 量和徐 变量增 加 4 O 8 O , 增量取决于基体混凝土的性能、 再生骨料 的品质以及 再生混凝土的配合比。叶禾_ 2 9 的试验结果表明, 再生骨料混 凝土的各龄期徐变值较普通混凝土大为增加, 增加程度约为 5 O , 这也与以往的国内外研究结果 比较一致E 6 , r 。 然而, 邹超英等_ 3 叩 的研究结果表明, 再生粗骨料 的掺加 可降低再生混凝土的徐变度, 且随着再生细骨 料的增加 , 徐 变度总体表现为增加 , 其数据表 明相对于基准混凝土 , 粗骨 料完全 被取代 的再生混 凝土 的 6 0 d 、 9 0 d徐变度 均 降低 1 6 6
25、 。 A n d r z e j 等 通过试 验也得 出了相似的结论再 生混凝土 1 年 的徐变量要 比普通混凝土低 2 O 。 徐变量是用徐变系数来度量的, 徐变系数为徐变应变与 瞬时应变之 比。D o mi n g o等 3 在相 同的水 胶 比( O 5 ) 条件 下, 研究了 C 4 0以上再生粗骨料不同取代率的再生混凝土徐 变性能, 结果显 示, 天然粗 骨料被 完全取代 的再生混凝 土 1 8 0 d的徐变度较基准混凝土增加 了 3 2 , 经分析得出, 水胶 比过大是使再生混凝土徐变增大的一个主要因素。 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
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