纤维再生粗骨料混凝土冻融损伤及寿命预测.pdf
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1、引用格式:引用格式:郑传磊,李淑翔,孙呈凯,等.纤维再生粗骨料混凝土冻融损伤及寿命预测J.中国测试,2024,50(3):29-36.ZHENGChuanlei,LIShuxiang,SUNChengkai,etal.Freeze-thawdamageandlifepredictionoffiberrecycledcoarseaggregateconcreteJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(3):29-36.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022040071纤维再生粗骨料混凝土冻融损伤及寿命预测郑传磊1,李淑翔1,孙呈凯2,金宝宏1
2、(1.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川750021;2.中建八局第二建设有限公司,山东济南250014)摘要:通过在 PVA 纤维混凝土中掺入再生粗骨料,研究不同再生粗骨料替代率对混凝土力学及抗冻性能的影响,并对混凝土的抗冻性能进行灰色系统理论分析。结果表明:随着再生粗骨料替代率的增加,混凝土的抗压及劈拉强度呈现先减小后增加再减小的变化趋势,拉压比大致呈现先减小后增加的变化趋势。使用 Design-Expert 软件对混凝土冻融损伤模型拟合参数 a 及 b 与再生粗骨料替代率之间的关系进行线性拟合,发现两者之间存在较好的相关性。基于灰色系统理论 GM(1,1)模型对混凝土的相对动弹性模量进
3、行灰色系统理论分析,结果显示 R0 和 R30 模型精度评为级,其他组评为级;无论再生粗骨料替代率如何,DGM 的精度最大,ODGM 的精度最小;当再生粗骨料替代率大于 50%后,再生粗骨料替代率对混凝土抗冻耐久性寿命影响较小。关键词:再生粗骨料;响应曲面;灰色系统理论;GM(1,1)模型;寿命预测中图分类号:TU528;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)03002908Freeze-thaw damage and life prediction of fiber recycledcoarse aggregate concreteZHENGChuanlei1,LIShu
4、xiang1,SUNChengkai2,JINBaohong1(1.SchoolofCivilandHydraulicEngineering,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China;2.TheSecondConstructionLimitedCompanyofChinaConstructionEighthEngineeringDivision,Jinan250014,China)Abstract:ByaddingrecycledcoarseaggregateintoPVAfiberconcrete,theeffectsofdifferentrecycled
5、coarseaggregatereplacementratesonconcretemechanicsandfrostresistancewerestudied,andthefrostresistanceofconcretewaspredicted.Theresultsshowthatwiththeincreaseofthereplacementrateofrecycledcoarseaggregate,thecompressivestrengthandsplittingtensilestrengthofconcreteshowatrendoffirstdecreasing,then incre
6、asing,and then decreasing,and the tension-compression ratio roughly shows a trend of firstdecreasingandthenincreasing.Therelationshipbetweenthefittingparametersaandboftheconcretefreeze-thawdamagemodelandthereplacementrateofrecycledcoarseaggregatewaslinearlyfittedusingtheDesign-Expertsoftware,anditwa
7、sfoundthattherewasagoodcorrelationbetweenthetwo.BasedonthegraysystemtheoryGM(1,1)model,therelativedynamicelasticmodulusofconcreteisanalyzedbygraysystemtheory.TheresultsshowthattheaccuracyofR0andR30modelsisratedasclassII,andtheothergroupsareratedas收稿日期:2022-04-12;收到修改稿日期:2022-06-13基金项目:国家自然科学基金(51968
8、060)作者简介:郑传磊(1998-),男,湖南岳阳市人,硕士研究生,专业方向为再生混凝土材料。通信作者:金宝宏(1968-),男,北京市人,教授,硕士,研究方向为再生混凝土材料。第50卷第3期中国测试Vol.50No.32024年3月CHINAMEASUREMENT&TESTMarch,2024classI;regardlessoftherecycledcoarseaggregateNomatterwhatthereplacementrateis,theaccuracyofDGMisthelargest,andtheaccuracyofODGMisthesmallest;whentherep
9、lacementrateofrecycledcoarseaggregateisgreaterthan50%,thereplacementrateofrecycledcoarseaggregatehaslittleeffectonthefrostresistancedurabilityofconcrete.Keywords:recycledcoarseaggregate;responsesurface;greysystemtheory;GM(1,1)model;lifeprediction0 引言我国有 53.5%的土地位于寒冷地带1。对于寒冷地带的混凝土建筑而言,季节温差大及昼夜温差大等因素对
10、其造成的冻融损伤影响了建筑结构的长期安全使用及使用寿命。再生混凝土由于其内部再生骨料具有多孔隙多裂缝等缺陷,使其抗冻性能较差。因此,若想将再生混凝土以任何形式应用于工程建设中,对再生混凝土进行抗冻性能测试是非常必要的。研究表明,运用数学方法对混凝土的抗冻性能进行预测可显著节省试验时间和成本。当前,众多学者基于数学方法建立宏观模型,如用残余抗压强度建立冻融损伤模型2,但在实际工程中测试外界混凝土经冻融损伤后的残余抗压强度较为困难。也有学者从微观层面描述混凝土的冻融损伤模型。Jin 等3基于分形维数建立混凝土冻融损伤模型,从微观层面通过孔径分布曲线及孔隙体积直方图定性分析混凝土内部的损伤形态及演化
11、过程,但混凝土内部成分的离散性增加了取样难度,影响了模型精度,且测试成本较高。Wang 等4通过应用疲劳损伤力学理论建立天然浮石混凝土的冻融损伤模型。结果表明:以相对动弹性模量作为物理损伤指标的冻融损伤模型可以有效为研究天然浮石混凝土的冻融损伤机理提供理论支持。相对动弹性模量作为一种易测且直观的试验参数,使用其建立混凝土的冻融损伤模型具有较好的实用性与经济性。相对动弹性模量数据具备信息不完全和贫信息的不确定性系统特征,具备典型的“灰色”特质。灰色系统理论作为一种相对成熟的控制理论,已在多个专业领域有相关应用研究5。以相对动弹性模量作为物理损伤指标运用灰色系统理论建立混凝土的冻融损伤模型可实现对
12、“灰色”特质系统发展规律的定量预测。在本项研究中,本文以再生粗骨料替代石子的替代率为变量,通过进行 PVA 纤维再生混凝土的抗冻性能试验,研究再生粗骨料替代率对混凝土抗冻性能的影响,同时建立冻融损伤模型,并以相对动弹性模量作为物理损伤指标基于 GM(1,1)模型的 原 始 差 分(ODGM)、均 值(EGM)、均 值 差 分(EDGM)及离散(DGM)4 种形式对混凝土的抗冻性能进行灰色系统理论分析,为再生混凝土在寒冷地带的工程应用提供理论依据及技术支撑。1 试验设计1.1 试验原材料水泥:赛马牌 42.5R 普通硅酸盐水泥。粉煤灰:灵武市某发电厂生产的级灰。石子:银川市兰山砂石厂生产的碎石。
13、再生粗骨料:宁夏大学校内废弃路面板混凝土经多道工序处理后得到的碎石。砂:银川市兰山砂石厂生产的水洗中砂。PVA 纤维:可乐丽公司产品。减水剂:慕湖牌聚羧酸高效减水剂。水:银川市城市自来水。1.2 混凝土配合比设计及试件制备表 1 为基准混凝土配合比。混凝土设计目标为 C30 强度泵送混凝土,试验时将通过调整减水剂的用量使混凝土的坍落度近似于 180mm。减水剂掺量为 0.7%1.2%。试验共设计 9 组混凝土,命名为 R0、R30、R40、R50、R60、R70、R80、R90 和R100,其中 R 代表再生混凝土,数字代表再生粗骨料替代率。为增强混凝土的性能,在混凝土中掺入0.10%体积分数
14、的 PVA 纤维6。在制作混凝土试件之前,先使用干净湿抹布擦拭搅拌机及坍落度桶内壁。擦拭完成后,向搅拌机内依次倒入砂、水泥、粉煤灰、石子、再生粗骨料及表 1 基准混凝土配合比分组再生粗骨料替代率/%单位体积材料质量/(kgm3)水水泥粉煤灰石子再生粗骨料砂PVA纤维减水剂R0019034238104307871.32.6630中国测试2024年3月PVA 纤维,干拌 120s;倒入减水剂和水的混合液,搅拌 60s。搅拌结束后,先测试混凝土的坍落度。若坍落度达到要求,再将混凝土倒入塑料模具,在振动台上振捣抹面。试件在室温下静置 24h 后脱膜,再将试件移入标准养护室养护。1.3 试验方法100m
15、m100mm100mm 试件标养 28d 后,用万能试验机测试抗压及劈拉强度。100mm100mm400mm 试件标养 24d 后,将试件浸没于(202)的水中浸泡 4d,使用混凝土快速冻融机对其进行冻融试验。冻融试验方法为快冻法。当冻融次数达到 0、25、50、75、100 及 125 次时,测试其质量及相对动弹性模量。当质量损失大于 5%或相对动弹性模量小于 60%时,判定混凝土失效7。2 抗压及劈拉强度试验结果及分析从图 1 可以看出,混凝土的抗压及劈拉强度随再生粗骨料替代率的增加均呈现先减小后增加再减小的变化趋势,其大致在 50%和 70%替代率处出现两次拐点;拉压比大致呈现先减小后增
16、加的变化趋势,其在 80%替代率时为最小值。41.00043.00045.00047.00049.0002.600 02.700 02.800 02.900 03.000 00102030405060708090 1000.060 00.061 00.062 00.063 048.64644.94444.645.444.842.340.932.832.82.692.712.782.72.652.580.061 730.061 520.062 360.061 140.060 760.061 230.060 270.062 650.063 08再生粗骨料替代率/%拉压比 劈拉强度/MPa抗压强度/
17、MPa图 1 再生粗骨料替代率对混凝土抗压、劈拉强度及拉压比的影响再生粗骨料相较石子其强度较低,其表面及内部存在较多孔隙裂缝,这些孔隙裂缝在混凝土受外力破坏时快速扩展,使得掺再生粗骨料的混凝土强度较低8。再生混凝土内部存在石子-新砂浆、石子-旧砂浆及新砂浆-旧砂浆等粘结性较差的应力薄弱界面,当混凝土受到外力作用时,易在粘结薄弱处出现应力集中现象而损坏9。当再生粗骨料替代率从 50%增至 70%时,混凝土的抗压及劈拉强度出现了一段短暂的上升阶段,主要原因有:1)再生粗骨料大量吸水使得混凝土实际水胶比减小,强度增大6;2)再生粗骨料在搅拌过程中吸收的部分水分会在试件养护的过程中逐渐释放出来,使得水
18、化反应得以继续进行,从而促进强度的增长10;3)较细的 I 级粉煤灰会对再生粗骨料的孔隙裂缝起到一定修补作用,继而增强再生混凝土的强度11。3 冻融试验结果及分析3.1 结果分析图 2(a)为质量损失率与冻融次数的关系曲线。从图 2(a)可以看出,随着冻融循环次数的增加,除R0 以外,其他混凝土在冻融循环初期都出现短暂负值,宏观上表现为质量的增加。分析原因为:再生粗骨料相较石子其吸水率较大,在冻融早期混凝土因冻融损伤而造成的砂浆及骨料剥蚀现象较为轻微,反而其内部孔隙裂缝中的自由水由于冷热循环产生的有害压力,造成混凝土在产生新的孔隙裂缝的同时扩大内部原有的孔隙裂缝,这些孔隙裂缝会逐渐从环境中吸收
19、大量水分,吸水造成的试件增重大于骨料剥蚀的质量损失,使得试件增重。随着冻融次数的增加,混凝土的质量损失率呈现迅速增加,大致呈现出再生粗骨料替代率越大,质量损失率变化02550751001251012345质量损失率/%R0R30R40R50R60R70R80R90R10002550751001255060708090100相对动弹性模量/%R0R30R40R50R60R70R80R90R100冻融循环次数(a)质量损失曲线冻融循环次数(b)相对动弹性模量损失曲线图 2 抗冻性能试验曲线第50卷第3期郑传磊,等:纤维再生粗骨料混凝土冻融损伤及寿命预测31曲线斜率越大。再生粗骨料由于其品质劣势,使
20、得再生粗骨料替代率越大时混凝土受到的损伤更为严重,宏观上表现为质量损失率的快速增加。图 2(b)为相对动弹性模量与冻融次数的关系曲线。从图 2(b)可以看出,随着冻融循环次数的增加,各组混凝土的相对动弹性模量不断减小,在50125 次冻融循环次数时,各组混凝土曲线逐渐呈现“分层现象”。说明各组混凝土随着冻融次数的增加,相对动弹性模量衰变速率逐趋稳定。经历 125次冻融次数后,各组混凝土的质量损失率皆小于5%,表明混凝土未破坏;而 R70、R80、R90、R100 的相对动弹性模量小于 60%,表明混凝土已发生冻融破坏。说明使用相对动弹性模量来表述混凝土失效比质量损失更为敏感。3.2 基于动弹性
21、模量损伤的冻融损伤模型依据损伤力学理论12,定义混凝土的冻融损伤变量为:DN=1ENE0=ln(a+bN)(1)DN式中:损伤值;E0EN和0 及 N 次冻融后混凝土的相对动弹性模量;a 和 b控制参数;0 及 N冻融次数。使用式(1)对试验数据进行拟合,得到图 3 混凝土损伤值与冻融次数的拟合关系曲线及表 2 相对动弹性模量损伤模型拟合参数。在表 2 中,随着再生粗骨料替代率增大,拟合参数 a 逐渐减小,b 逐渐增大。使用 Design-Expert 软件对 a 及 b 与再生粗骨料替代率之间的关系进行线性拟合,得到关系式公式(2)。在表 2 中,各组混凝土的相关性系数 r2最低为 0.78
22、77,最高为 0.9141,表明模型拟合精度较高,损伤值与冻融循环次数之间存在较好的相关性。在图 3 中,各组混凝土损伤值随着冻融循环次数的增加而增大;相同冻融次数时,损伤值随着再生粗骨料替代率的增大而增大。a=0.0489n+0.9861,r2=0.8803b=0.0035n+0.0013,r2=0.939(2)n式中:为再生粗骨料替代率。25507510012500.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50R0R30R40R50R60R70R80R90R100R0 拟合R30 拟合R40 拟合R50 拟合R60 拟合R70 拟合R80 拟合R90 拟合R
23、100 拟合损伤值冻融循环次数图 3 混凝土损伤值与冻融次数的拟合关系曲线表 2 相对动弹性模量损伤模型拟合参数分组R0R30R40R50R60R70R80R90R100a0.98440.9770.97120.96330.94870.94470.94380.94510.9426b0.00140.00180.00270.00350.00350.00390.00410.00440.0047r20.78920.78770.91410.88720.85370.85870.86320.86520.85643.3 响应曲面回归分析使用响应曲面多项式回归分析方法可以构建不同响应与应变量的关系13。根据图 2
24、 混凝土冻融试验结果,使用 Design-Expert 软件中的 ResponseSurface-Optimal 模块构建二次模型进行拟合分析,得到质量损失率和相对动弹性模量与冻融次数及再生粗骨料替代率的响应曲面如图 4、5 所示,响应面回归方程如式(3)所示。从图 4(a)、图 5(a)及式(3)可以看出,试验所得试验值与预测值较为契合。图 4(b)中响应曲面坡度较小,图 5(b)中响应曲面坡度较大,说明冻融次数和再生粗骨料替代率对质量损失率影响不显著,对相对动弹性模量影响显著。W(N,n)=(3.0765E4)N2+(1.007E4)n2+(1.6147E4)Nn0.0194N0.017n
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