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粗骨料取代率再生混凝土的粘结特性试验研究.pdf

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文档编号：42037

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第４０卷第２期２０１４年４月四川建筑科学研究ＳｉｃｈｕａｎＢｕｉｌｄｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ收稿日期：２０１２  １１  １４作者简介：赵军（１９７０－），男，四川南部人，副教授，工学博士，研究方向：复杂结构的可靠性。基金项目：广西自然科学基金（２０１１ＧＸＮＳＦＡ０１８０３１）；广西教育厅科研资助项目（２０１０１２ＭＳ０９８）通讯作者：王根伟（１９８５－），男，河南宜阳人，工学硕士，研究方向：再生混凝土应用。Ｅｍａｉｌ：ｐｏｐｌａｒ３１０＠１６３．ｃｏｍ。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｊ６１３０＠１６３．ｃｏｍ粗骨料取代率再生混凝土的粘结特性试验研究赵军１，２，王根伟３（１．桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林５４１００４；２．桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林５４１００４；３．桂林理工大学高等职业技术学院，广西南宁５３０００１）摘要：再生混凝土的概念符合环境保护和可持续发展战略的需要，如今对它的研究已成为一个热点。但能否真正将再生混凝土运用到实际工程中去，则取决于它本身的各项性能指标是否达到要求和生产工艺是否可行，其中粘结性能是非常重要的一项。本文采用立方体中心拉拔试验，通过对不同粗骨料取代率０％、３０％、６０％和１００％时的混凝土试件进行拉拔试验来探讨钢筋与再生混凝土之间的粘结锚固性能。试验发现再生混凝土粘结强度要高于基准混凝土，且随着粗骨料取代率的增加，粘结强度先增大后减小，当取代率为６０％时，粘结强度达到最大值。试验结果表明将再生混凝土运用到实际工程中是可行的。关键词：再生混凝土；粘结特性；试验研究中图分类号：ＴＵ５２８文献标志码：Ａ文章编号：１００８－１９３３（２０１４）０２－２２５－０４ＴｅｓｔａｎｄｓｔｕｄｙｏｎｂｏｎｄｉｎｇｐｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｅｃｙｃｌｅｄａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｔｈａｇｇｒｅｇａｔｅｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｒａｔｅＺＨＡＯＪｕｎ１，２，ＷＡＮＧＧｅｎｗｅｉ３（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ；２．ＧｕａｎｇｘｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＧｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ５４１００４，Ｃｈｉｎａ；３．ＶｏｃａｔｉｏｎａｌＣｏｌｌｅｇｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｕｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｒｅｃｙｃｌｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｍｐｌｙｗｉｔｈｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，ｉｔｓｒｅｓｅａｒｃｈｈａｓｂｅｃｏｍｅａｈｏｔｓｐｏｔｉｎｒｅｃｅｎｔｌｙ．Ｂｕｔｒｅｃｙｃｌｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃａｎｒｅａｌｌｙｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏａｃｔｕａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｄｅｐｅｎｄｉｎｇｏｎｗｈｅｔｈｅｒｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎｄｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅｔｅｓｔｏｆｃｕｂｅｐｕｌｌｅｄ  ｏｕｔｗｉｌｌｂｅｕｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｗｉｔｈｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｒａｔｅｏｆｒｅｃｙｃｌｅｄｃｏａｒｓｅａｇｇｒｅｇａｔｅｏｆ０％，３０％，６０％ａｎｄ１００％，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｉｍｓｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｂｅｔｗｅｅｎｒｅｃｙｃｌｅｄａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅａｎｄｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ．Ｗｅｆｉｎｄｔｈａｔｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｒｅｃｙｃｌｅｄｃｏａｒｓｅａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅｉｓｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｗｉｔｈｔｈｅｃｏａｒｓｅａｇｇｒｅｇａｔｅｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｆｉｒｓｔｉｎｃｒｅａｓｅｓａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ｗｈｅｎｔｈｅｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｒａｔｅｉｓ６０％，ｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅａｃｈｅｓｉｔｓｍａｘｉｍｕｍ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｒｅｃｙｃｌｅｄａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｃｙｃｌｅｄａｇｇｒｅｇａｔｅｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｂｏｎｄｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｓｔｕｄｙ１研究背景在建筑施工过程中，混凝土不仅能消化大量的工业废料，而且具有强度较高、耐久性好、施工方便等优点，因而成为当今世界消费量较大、应用最广泛的一种建筑材料。然而在城市房屋拆迁、道路的维修养护以及新建项目施工的过程中往往会产生大量的建筑废弃物，其中占比重较大的是废弃混凝土。据不完全统计，日本每年产生的废弃混凝土大约为３８００万吨，美国６０００万吨，欧共体国家每年排放废弃混凝土１００００万吨，我国每年的废弃混凝土排放量约为１３６０万吨，而且废弃混凝土的排放量还在逐年增加［１］。此外，混凝土原材料中的粗细骨料约占混凝土总量的７５％，所以每年对天然砂石的开采量也十分巨大，导致天然骨料资源趋于枯竭，对生态环境的破坏十分严重，且其开采的运输能耗与费用惊人，据统计，俄罗斯一些地区，砂石的运输费用是骨５２２料生产成本的１  ５倍［２］，混凝土的可持续发展与骨料危机的矛盾日益尖锐。随着人们环保意识的日益增强和可持续发展战略的深入，废弃混凝土对环境造成的负面影响及循环利用问题已成为人们关注的焦点，人们迫切要求对这些废弃混凝土进行有效、合理的加以处理。因此，科研人员便着眼于研究新的废弃混凝土处理方法，将废弃混凝土块经过清洗、破碎、分级和按一定比例相互配合后得到的“ 再生骨料” 作为部分或全部骨料配置而成的混凝土，这种混凝土便被称作再生骨料混凝土（ＲｅｃｙｃｌｅｄＡｇｇｒｅｇａｔｅＣｏｎｃｒｅｔｅ）［３］，简称再生混凝土（ＲＡＣ）。再生混凝土的概念很符合环境保护和可持续发展战略的需要，但能否真正将再生混凝土运用到实际工程中去，则取决于再生混凝土本身的各项性能指标是否达到要求和生产工艺是否可行，其中再生混凝土与钢筋的粘结问题是非常重要的一项。２粘结锚固研究现状１９５１年，Ｍａｉｎｓ［４］采用在钢筋内开槽贴应变片的方法通过拔出试验成功测量了钢筋的应变，这种应变量测方法不会破坏钢筋和混凝土之间的粘结作用，用两点钢筋应力差除以接触面积得到沿钢筋长度上粘结应力的分布，确定出拉拔试件和梁式试件钢筋与混凝土的粘结应力分布。１９６６年，ＴｈｏｍＰｓｏｎ［５］用类似的试验方式，测试了拉拔试件、三分点梁试件和梁内截断钢筋的粘结应力，试验结果表明三种情况的最大粘结应力相同，但粘结应力分布不同。日本学者后藤幸正［６］采用往拉伸构件内注入红墨水的方法，观察到了拉伸试件的内裂缝状态，第一次直观地证明了粘结内裂缝的存在，并形象地揭示了局部裂缝是由变形钢筋凸肋和混凝土之间的机械咬合作用而引起的。我国的徐有邻［７］通过试验探讨得出的粘结作用由胶结、摩阻和咬合三部分组成，且各自在粘结受力过程中的作用是变化的。清华大学滕智明、叶知满［８］首次采用科学的试验方法连续量测了变形钢筋在拉拔荷载作用下滑移、劈裂、破坏发展的全过程。肖建庄［９］对再生混凝土和普通混凝土的粘结强度进行了对比试验研究得出：再生混凝土与钢筋间的荷载滑移全曲线的总体形状与普通混凝土相似，均有微滑阶段、内裂滑阶段、拔出阶段、下降阶段和残余阶段。先前的研究者直接用再生粗骨料将天然碎石全部替换，或者用再生细骨料将砂子全部替换。这些方法往往忽略了再生骨料取代率对再生混凝土基本性能的影响，研究结果不能反映出再生骨料不同取代率的变化对再生混凝土性能的影响规律；从另一方面来讲，用部分再生骨料取代天然骨料有可能实现对再生骨料的最大利用率；因此，通过再生骨料的不同取代率试验对再生混凝土基本性能进行研究显得很有必要。本文为进一步研究再生混凝土的力学性能及其在工程实践中的推广提供了理论基础。３配合比设计本试验设计的再生混凝土强度等级为Ｃ３０。１）水泥：本文在试验中采用普通硅酸盐水泥Ｐ．Ｏ４２  ５，相对密度３  １０ｇ／ｃｍ３；２）砂：桂林河砂（中粗砂），级配良好，表观密度为２  ６５ｇ／ｃｍ３；３）石子：粒径为５～３１  ５ｍｍ连续级配的碎石，表观密度为２  ５３ｇ／ｃｍ３；４）再生粗骨料收集桂柳高速公路破碎板，经破碎、清洗后制成，选取粒径５～３１  ５ｍｍ；５）掺和料选取桂林电厂Ⅱ级粉煤灰；６）钢筋：ＨＲＢ３３５级钢筋  １２；７）水为市自来水。本文参照ＪＧＪ５５ —２０００（Ｊ６４ —２０００）《普通混凝土配合比设计规程》进行再生混凝土配合比设计，即先配制出抗压强度为Ｃ３０的天然骨料混凝土，将此作为基准配合比，然后在水灰比、坍落度不变的情况下，用再生粗骨料部分或全部替代基准配合比中的天然骨料（碎石）。为了使试验结果对比更加明显，本文取较大的再生粗骨料取代率差值，分别为０％、３０％、６０％和１００％，相应的配合比编号分别为ＲＧＳ０、ＲＧＳ３０、ＲＧＳ６０和ＲＧＳ１００，具体配合比见表１。表１再生粗骨料取代率配合比Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｍｉｘｔｕｒｅｒａｔｉｏｏｆｒｅｃｙｃｌｅｄｃｏａｒｓｅａｇｇｒｅｇａｔｅｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ编号水泥／ｇ中砂／ｇ石子／ｇ水／ｇ再生粗骨料／ｇ附加水／ｇＲＧＳ０３４９６１６１２５０１８５００ＲＧＳ３０３４９６１６８７５１８５３７５待定ＲＧＳ６０３４９６１６５００１８５７５０待定ＲＧＳ１００３４９６１６０１８５１２５０待定４试验装置和加载方法参照ＧＢ５０１５２ —９２《混凝土结构试验方法标准》给出的立方体拔出试验装置如图１所示，本试６２２四川建筑科学研究第４０卷验试件设计如图２所示。图１立方体拔出试验示意Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｔｅｓｔｏｆｃｕｂｅｐｕｌｌｅｄ  ｏｕｔｓｃｈｅｍａｔｉｃ图２拔出试件示意Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｐｕｌｌ  ｏｕｔｔｅｓｔｓｃｈｅｍａｔｉｃ图１中１为百分表或位移传感器，２为试件，３为塑料套管，４为承压垫板，５为穿孔球铰，６为试验机垫板。图２中拔出试件的尺寸为１５０ｍｍ１５０ｍｍ１５０ｍｍ，中心埋置直径为１２的ＨＲＢ３３５月牙纹钢筋，保护层厚度为６９ｍｍ。在加载端设置７５ｍｍ硬质光滑塑料套管，套管末端与钢筋之间空隙用塑料纸填充封闭形成钢筋与混凝土间的无粘结区，以消除试验时加载端与垫板间的局部挤压影响。为使粘结应力的增长速度均匀，本试验采取均匀加载，其中ＶＦ为：ＶＦ＝０  ０３ｄ２式中ＶＦ— — —加载速率（ｋＮ／ｍｉｎ）；ｄ — — —钢筋直径（ｍｍ）。５试验现象及结果分析假定整根钢筋在埋置长度范围内粘结应力是均匀分布的，则其平均粘结强度按下式来计算： τ＝Ｐｕ π ｄｌａ式中Ｐｕ— — —粘结极限荷载；ｄ — — —钢筋直径；ｌａ— — —钢筋的有效锚固长度。拉拔试验结果见表２。表２再生粗骨料取代率拉拔试验结果Ｔａｂｌｅ２Ｔｈｅｐｕｌｌ  ｏｕｔｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｒｅｃｙｃｌｅｄｃｏａｒｓｅａｇｇｒｅｇａｔｅｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ试件组试件编号试件参数ｄ／ｍｍｌａ／ｍｍＣ／ｍｍＰｕ／ｋＮＳｕ／ｍｍ τ ｕ／ＭＰａ τ ｕ，ｍ／ＭＰａ破坏形式１１２７５６９３９１．７５１３．８拔出ＲＧＳ０２７５６９３８．８６１．７９１３．７５１３．６８拔出３７５６９３８．２１．６１３．５拔出１１２７５６９３９．４１．８２１３．９４拔出ＲＧＳ３０２７５６９４０１．７４１４．１５１４．１拔出３７５６９４０．１６１．６８１４．２１拔出１１２７５６９４５．９３１．９２１６．２５劈裂ＲＧＳ６０２７５６９４９．９５１．７４１７．６８１７．２１劈裂３７５６９５０１．８５１７．６９劈裂１１２７５６９４１．９１．１２１４．８３劈裂ＲＧＳ１００２７５６９４５．１１１．０８１５．９６１５．４劈裂３７５６９４３．５１．０５１５．３９劈裂注： τ ｕ为极限粘结应力； τｕ，ｍ为极限粘结应力平均值。再生粗骨料取代率为０％、３０％、６０％和１００％的拉拔试件 τ －ｓ曲线变化过程如图３～６所示，相应的配合比编号分别为ＲＧＳ０、ＲＧＳ３０、ＲＧＳ６０和ＲＧＳ１００。图３ＲＧＳ０混凝土 τ－ｓ曲线Ｆｉｇ．３ＲＧＳ０ｃｏｎｃｒｅｔｅ τ－ｓｃｕｒｖｅ图４ＲＧＳ３０混凝土 τ－ｓ曲线Ｆｉｇ．４ＲＧＳ３０ｃｏｎｃｒｅｔｅ τ－ｓｃｕｒｖｅ本文采用钢筋直径为１２ｍｍ的拉拔试件，由于其保护层厚度较大，所以在加载初期只有加载端有滑移，自由端无滑移。随着荷载继续增加，自由端开始产生滑移，说明粘结应力已经发展到自由端，但自由端滑移比加载端滑移的增长速率要慢很多。荷载７２２２０１４Ｎｏ  ２赵军，等：粗骨料取代率再生混凝土的粘结特性试验研究图５ＲＧＳ６０混凝土 τ－ｓ曲线Ｆｉｇ．５ＲＧＳ６０ｃｏｎｃｒｅｔｅ τ－ｓｃｕｒｖｅ图６ＲＧＳ１００混凝土 τ－ｓ曲线Ｆｉｇ．６ＲＧＳ１００ｃｏｎｃｒｅｔｅ τ－ｓｃｕｒｖｅ继续增加，到某一值后，自由端开始产生滑移，说明粘结应力已经发展到自由端，但其增加速度比加载端的滑移增长速度慢。随后，当荷载接近极限荷载时，加载端和自由端两者的滑移增长速度均较大，此时钢筋被缓缓拔出，试件发生拔出破坏。当试件发生劈裂破坏时，径向裂缝缓慢发展至表面，并沿纵向延伸，当荷载加载到一定值时，试件突然发出轻微的劈裂声响，在加载端液压万能试验机显示屏上，荷载读数不再继续增加，百分表读数下降速度加快。但是破坏后试件不会被劈开，仍保持为一整体。从表２和图３～６中可以看出，再生混凝土的粘结强度随粗骨料取代率ＲＧＳ的变化规律成曲线形式。当再生粗骨料取代率为３０％和６０％时，粘结强度较基准混凝土分别提高了３  ０７％和２５  ８％。再生混凝土浇筑静置后，再生骨料吸收了部分自由水，使混凝土拌和物的有效水灰比降低，同时由于再生骨料表面粗糙，与新水泥砂浆之间的结合比较紧密，因而再生混凝土的粘结强度较基准混凝土的粘结强度有所提高。而当再生粗骨料取代率为１００％时，粘结强度较取代率为３０％和６０％时有所下降。其主要原因是由于再生骨料具有坚固性差、压碎指标高及含泥量高等弱点，所以掺入再生骨料会给再生混凝土带来不利影响。当再生粗骨料取代率较小时，这种影响起次要作用；当再生粗骨料取代率为１００％时，这种影响超过了有效水灰比降低带来的强度提高，成为主要作用，从而发生由量变到质变的过程。６结论与展望通过对不同粗骨料取代率０％、３０％、６０％和１００％的再生混凝土试件进行拉拔试验，由于再生粗骨料外表面附着大量的硬化水泥浆体、凹凸不平，因此与新水泥砂浆之间的结合比较紧密。本文试验结果表明，再生粗骨料混凝土的粘结强度较基准混凝土要高，且随着粗骨料取代率的增加，粘结强度先增大后减小，当再生粗骨料取代率为６０％时，粘结强度达到最大值。再生混凝土与钢筋之间的粘结应力滑移曲线与普通混凝土的总体形状相似，因此，将再生混凝土运用到实际工程中是可行的。为了更好地促进再生混凝土技术的研究和应用，本文认为应该从以下两个方面展开进一步的研究：１）在普通混凝土配合比设计方法的基础上，充分考虑再生骨料的基本性能以及混凝土拌和物的工作性，借助计算机辅助技术建立有关数学模型，实现再生混凝土的配合比设计及施工控制智能化，制定出一套适用于再生混凝土配合比设计的规程。２）收集和分析已有的研究成果，得出再生混凝土的基本力学性能变化规律，制定出适合国内情况的有关再生混凝土的设计施工规范以及相应的质量检验标准和规程，使再生混凝土技术的应用在我国有法可依。参考文献：［１］杜婷，等．再生混凝土的研究现状及存在问题［Ｊ］．建筑技术，２００３（２）：７４  ７７．［２］马嵘．论再生混凝土在生态建筑中的意义［Ｊ］．混凝土，２００３（１０）：２１  ２７．［３］肖建庄，李佳彬，兰阳．再生混凝土技术研究最新进展与评述［Ｊ］．混凝土，２００３（１０）：１７  ２０．［４］ＭａｉｎｓＲＭ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｅｎｓｉｌｅａｎｄｂｏｎｄ  ｓｔｒｅｓｓｅｓａｌｏｎｇｒｅｌｎｆｏｒｃｉｎｇｂａｒｓ［Ｊ］．ＡＣＩ．Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｖ２３，１９５１（３）：２２５  ２５２．［５］ＲＭａｎｄＴｈｏｍＰｓｏｎＪＮ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｌｅｎｇｔｈｆｏｒｌａｒｇｅｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇｂａｒｓ［Ｊ］．ＡＣＩ，Ｊｏｕｍａｌ，Ｖ６２，１９６５（１）：７１  ９４．［６］陈伟伟．再生混凝土粘结性能试验研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２００７：６  ７．［７］徐有邻，沈文都．钢筋砼粘结锚固性能的试验研究［Ｊ］．建筑结构学报，１９９４（３）：２６  ３７．［８］王洪昌．复合材料与钢筋粘结性能的试验研究［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００７：１２  １３．［９］肖建庄，兰阳．再生粗骨料混凝土梁抗弯性能试验研究［Ｊ］．特种结构，２００６（３）：９  １２．８２２四川建筑科学研究第４０卷

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