廢棄纖維再生混凝土受壓徐變及預測模型

作者:未知

西甲积分榜 www.llkxvd.tw   摘要:為研究再生粗骨料替代率、廢棄纖維體積摻入量對廢棄纖維再生混凝土受壓徐變破壞時間、徐變變形和徐變度的影響規律,對普通混凝土、再生混凝土和廢棄纖維再生混凝土試件在實驗室條件下進行了85%、90%和95%應力水平的徐變試驗。試驗結果表明:隨著再生粗骨料替代率的增加,徐變破壞的時間縮短、徐變變形及徐變度增大;隨著廢棄纖維體積摻入量的增加,徐變變形及徐變度減小,徐變破壞時間增加。廢棄纖維的加入能有效緩解再生混凝土受壓徐變的破壞程度。在考慮再生粗骨料替代率及廢棄纖維體積摻入量的基礎上,對ACl209R徐變預測模型進行修正,模型預測結果與試驗值吻合較好。
  關鍵詞:廢棄纖維;再生混凝土;高應力;徐變破壞;徐變預測模型
  中圖分類號:TU528 文獻標志碼:A 文章編號:2096-6717(2019)06-0143-09
  中國每年會產生大量建筑垃圾,如何有效處理這些建筑垃圾已成為亟待解決的問題。具有造價低、節約資源等優勢及顯著經濟與社會效益的再生混凝土無疑是克服傳統處理方式缺點、實現資源可持續利用的有效方法。但隨著對再生混凝土研究的深入,再生骨料孔隙率大、早期裂紋多等問題相繼暴露,這就使得再生混凝土體積穩定性較普通混凝土差,更易開裂。而廢棄纖維具有質輕、吸水率低和耐酸堿性好等特點,可顯著減小再生混凝土內部微裂縫的數量、長度和寬度,使混凝土的抗滲性能得到明顯改善,因此,廢棄纖維再生混凝土便應運而生。
  學者們已對再生混凝土長期徐變性能開展了大量工作,一般認為,再生骨料替代率增加,再生混凝土的徐變也隨之增加,Domingo-Cabo等通過試驗研究得到了相同的結論,在90d的徐變試驗中,再生粗骨料取代率為50%和i00%的再生混凝土較基準混凝土的徐變變形增長25%和62%。Geng等等對40個再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土柱進行8個月的長期荷載作用后,表明再生混凝土柱的徐變變形比普通混凝土柱大50%~120%。曹萬林等對6根再生混凝土足尺梁進行了750d的長期穩定加載,發現隨著再生粗骨料取代率的增加,再生混凝土梁的徐變系數初期增長趨勢一致,但隨著時間的推移,后期的差異會逐漸變大。Ravindrarajah等研究發現,再生混凝土的徐變變形與水灰比呈正比關系,再生骨料表面附著的老舊水泥砂漿是再生混凝土徐變變形大的主要原因。肖建莊等通過試驗證明,再生混凝土加載時的齡期越早則徐變值越大。羅素蓉等通過試驗得出如果用預處理過的高品質再生骨料拌制而成的再生混凝土進行徐變試驗,則其徐變變形會明顯減小。肖建莊等研究發現,再生混凝土所受荷載的應力水平越高,徐變增加越快,且持荷應力比超過0.4后,其徐變增長會表現出明顯的非線性。
  摻合料及纖維可以改善混凝土的徐變性能。大量的試驗證明摻加粉煤灰后,混凝土的徐變性能發生了很大的改變,通常情況下,粉煤灰混凝土的徐變小于普通混凝土。Castel等通過試驗證明在再生混凝土中摻人礦渣等礦物摻合料也可以明顯降低其徐變度。周靜海等通過非金屬超聲檢測儀測定技術研究了廢棄纖維再生混凝土在長期荷載下的徐變,在加載初期,混凝土損傷發展的速率較快,損傷變量會隨著再生粗骨料取代率的增大而增大,在再生混凝土中添加廢棄纖維可以增強混凝土承受損傷的能力。于俊超對比研究各種工程纖維混凝土加載后的徐變性能發現,彈性模量低于基準混凝土的工程纖維對于混凝土徐變性能不但沒有抑制作用,還會增加其內部缺陷,增大混凝土的徐變變形。而彈性模量遠大于基準混凝土的工程纖維則可以抑制混凝土徐變,但摻量過大時,工程纖維與基體之間大量增加的界面層會減弱纖維對徐變的抑制作用。
  分析長期荷載作用下結構的應力、應變、裂縫、破壞和屈曲等問題,必須考慮徐變的作用和影響。盡管學者們對于混凝土的徐變性能做了大量的研究,但對于廢棄纖維再生混凝土的徐變研究尚少。本文設計了5組試件,通過其高應力持續作用下的徐變試驗,分別研究再生粗骨料替代率、廢棄纖維體積摻入量以及應力水平對廢棄纖維再生混凝土抗壓徐變的影響。
  1試驗概況
  1.1試件設計
  1.1.1試驗材料水泥選用P.042.5普通硅酸鹽水泥。細骨料為天然中砂。水為沈陽建筑大學自來水。試驗所用粗骨料分為兩種,一種是從骨料廠購置的天然粗骨料,一種是再生粗骨料。
  再生粗骨料由沈陽建筑大學結構實驗室里初始強度為C40的廢棄混凝土構件,經過人工破碎、清洗、篩分等一系列流程所制成。根據《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685-2011)規范標準,測得再生粗骨料的各項基本性能見表1。試驗的再生粗骨料性能符合《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177-2010)規范標準。
  廢棄纖維來自廢舊丙綸地毯,材質為聚丙烯纖維,經過人工拆分,裁剪成長度為19mm的纖維段,作為增強纖維摻人混凝土中,如圖1所示。纖維的密度為0.91g/cm3,直徑30um,極限伸長率為15%~25%,彈性模量為3.79×103N/mm2,吸水率小于1%,耐酸堿性高。
  1.1.2配合比 根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)的有關規定,設計尺寸為100mm×100mm×400mm的棱柱體試塊。共分5組,其中第1組為普通混凝土試件,其他4組為廢棄纖維再生混凝土試件。
  因為再生粗骨料表面附著大量的老舊砂漿,而且本身也存在著在制備過程中產生的微裂縫,所以孑L隙率和吸水率會變高。若是按照普通混凝土的配合比來制備再生混凝土,會降低有效水灰比,故在拌制再生混凝土時需加入附加水,各試件的配合比列于表2中,其中,NC為普通混凝土試件,RCA為再生粗骨料替代率為A%的再生混凝土試件,FRCA-B為再生粗骨料替代率為A%,廢棄纖維體積摻人量為B%的廢棄纖維再生混凝土試件。試驗利用強制式攪拌機拌制混凝土,采用干拌法制備廢棄纖維再生混凝土,先將水泥與砂攪拌均勻后將廢棄纖維分散投入,攪拌1min,使其在拌合物中均勻分布,加水繼續攪拌1min至水泥砂漿均勻,最后投入粗骨料拌制2~3min。   1.1.3廢棄纖維再生混凝土力學性能 進行了廢棄纖維再生混凝土的基本力學性能試驗,混凝土抗壓強度試驗和靜力受壓彈性模量試驗均按照規范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)進行。立方體抗壓強度試驗選用150mm×150mmX 150mm的標準試件;軸心抗壓強度試驗和靜力受壓彈性模量試驗選用150mm×150mmX 300mm的標準試件。廢棄纖維再生混凝土抗壓強度和彈性模量試驗結果列于表3、表4中。
  1.2試驗加載設計
  試驗分為3組,進行高應力作用下的徐變試驗。85%應力水平下的徐變破壞試驗,選擇32t螺旋式機械千斤頂作為長期持荷裝置,用螺栓固定橫鋼梁以承受荷載的反力,試驗裝置如圖2所示。正式加載前,先用千斤頂加至預加荷載的20%,同時,觀測設置在試件兩側的應變讀數的變化,如兩側的應變均不大于平均值的10%,表示試件受荷均勻,否則,重新調整對中,再次重復以上步驟,直至讀數符合要求。對中完畢后,繼續加荷,直到加至預加荷載,隨后保持荷載不變。
  90%、95%應力水平下采用反力架、50t螺旋式千斤頂進行試驗,試驗裝置如圖3所示,預加載方式與85%應力水平下相同。荷載受荷均勻后,保持荷載恒定不變,當力傳感器的讀數小于所需荷載的2%時,應進行補載,直至試件發生徐變破壞。觀察破壞狀態,記錄徐變破壞曲線以及破壞時間。
  2試驗結果與分析
  2.185%應力水平下徐變試驗結果與分析
  在進行徐變試驗前,首先進行100mm×100mm×400mm的棱柱體極限抗壓強度試驗,以確定每組徐變試驗的持荷應力。棱柱體極限抗壓強度試驗按照規范《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2016)進行,每組取3個試塊,取其平均值作為棱柱體極限抗壓強度值,若所測得的最大值或最小值中的一個與中間值之差的絕對值大于中間值的15%,取中間值。廢棄纖維再生混凝土試件的抗壓強度試驗結果如圖4所示。廢棄纖維再生混凝土棱柱體的軸心抗壓強度會隨著再生粗骨料替代率的增大而降低,隨著廢棄纖維體積摻入量的增多而增強;在混凝土中摻入再生粗骨料和廢棄纖維會降低混凝土的彈性模量,但降低程度不大。
  85%應力水平下,試驗齡期60d的徐變變形如圖5所示,徐變度如圖6所示。其中,徐變度是單位應力作用下所發生的徐變應變。85%應力水平下徐變變形及徐變度均為每組3個試件進行徐變試驗后的平均值。
  由圖5可知,隨著再生粗骨料替代率的增加,徐變變形增大。徐變現象是由于混凝土內部微裂縫的不斷產生和擴展所致,而再生粗骨料在回收破碎的過程中,會產生一些內部損傷和微裂紋且再生粗骨料與水泥漿體的界面過渡區較為薄弱,在高應力作用下很容易使界面和砂漿內產生微裂縫,使再生混凝土產生較大的徐變變形。在再生混凝土中摻人廢棄纖維能夠降低其徐變變形。
  由圖6可知,85%應力水平下,RC50、FRCS0-0.08與NC徐變度變化曲線基本平行,而RCl00的徐變度變化曲線則偏離前三者距離較遠,徐變度增加的速度顯著加快,非線性關系明顯,說明當再生粗骨料替代率提升至100%時,再生粗骨料本身的微裂縫等缺陷會顯著的增加混凝土的徐變變形。
  2.290%、95%應力水平試驗結果與分析
  2.2.1再生粗骨料取代率 不同再生粗骨料替代率的混凝土在高應力持續作用下所產生的徐變變形和發生徐變破壞的時間均存在一定差異。90%和95%應力水平下,每組3個混凝土試件在發生徐變破壞前的徐變變形和徐變時間平均值如圖7所示。
  由圖7(a)可知,在90%應力水平作用下,RCS0和RC100同比NC的徐變變形分別增加了17.6%和30%;在95%應力水平作用下,RC50和RC100同比NC的徐變變形分別增加了15.9%和31.1%。說明再生粗骨料替代率越大,再生混凝土的徐變變形越大。
  由圖7(b)可知,混凝土所處的應力水平越高,發生徐變破壞的時間越短。在90%應力水平下,試件均在持荷幾十分鐘后才會發生破壞,而在95%應力水平下,試件僅持荷短短幾分鐘就發生了破壞,僅約為90%應力水平下破壞時間的十分之一。這是由于混凝土所受的荷載越大,其內部微裂縫產生的越多,擴展速度越快。在徐變過程中,徐變損傷起主導地位,使得原有的微裂縫和新增的微裂縫加速擴展并且貫通,從而使發生徐變破壞的時間縮短。
  再生混凝土發生徐變破壞的時間較普通混凝土會縮短一倍以上。這是因為在回收廢棄混凝土和制造再生粗骨料的過程中,由于損傷的累積導致再生粗骨料表面及內部已存在不同程度的缺陷。而高應力下的徐變不僅會使再生混凝土中原有的微裂縫擴展,還會產生新的微裂縫與其貫通,形成更大的裂縫。并且再生粗骨料對水泥砂漿的約束剛度不足,從而導致再生混凝土發生徐變破壞的時間大大縮短。
  2.2.2廢棄纖維體積摻入量 不同的廢棄纖維體積摻人量也會導致混凝土在高應力持續作用下所產生的徐變變形和發生徐變破壞的時間均存在一定差異。90%和95%應力水平下,不同廢棄纖維體積摻人量的廢棄纖維再生混凝土在發生徐變破壞前的徐變變形和徐變時間均為每組3個試件進行徐變試驗后的平均值。
  由圖8(a)可知,在90%應力水平作用下,FRCS0-0.08和FRCS0-0.12同比RCS0的徐變變形分別增加了4.9%和17.7%;在95%應力水平作用下,FRCS0-0.08和FRC50-0.12同比RC50的徐變變形分別增加了26.1%和14.2%,再生混凝土中縱橫交錯的廢棄纖維可以一定程度上抑制微裂縫發展,使廢棄纖維再生混凝土試件在高應力下的持續變形過程增長,混凝土破壞也由脆性破壞轉為塑性破壞。廢棄纖維再生混凝土在95%應力水平作用時,FRCS0-0.12的徐變變形要低于FRC50-0.08,分析其原因,可能是因為在拌制FRCS0-0.12試件時,廢棄纖維并沒有均勻分布在混凝土中,產生“抱團”現象,因此,抑制裂縫擴展的效果不明顯,或者是由于試件內大量的廢棄纖維在較高的應力水平作用下被拉斷,失去效用。   由圖8(b)所示,廢棄纖維在徐變破壞的發生過程中能夠有效地起到抑制破壞的作用,而且在95%高應力狀態下效果更加顯著。廢棄纖維均勻地分布在混凝土基體中,可以在徐變過程中起到阻礙混凝土內部微裂紋的產生和發展,提高混凝土的延性,從而使混凝土的徐變破壞時間得到較大的延長。
  2.3機理分析
  圖9為再生混凝土的微觀形貌,再生混凝土各相間存在明顯的界面,區別于普通混凝土,主要包括新舊水泥石界面、原天然骨料與舊水泥石界面和原天然骨料與新水泥石界面。這些界面結構疏松,主要由不定形態的水化產物組成,是裂縫主要生成和擴展的區域。因此,在宏觀尺度上表現為在高應力作用下,隨著再生粗骨料替代率的增加,再生混凝土的徐變破壞時間減小,徐變變形增加。
  圖10為廢棄纖維再生混凝土中的廢棄纖維微觀形貌,可以看到廢棄纖維橫貫于混凝土裂紋的兩側,為抑制混凝土裂紋的發展提供拉力,改善了再生混凝土的微觀結構。再生混凝土在高應力下的徐變是一個微裂縫隨時間的增長而不斷擴展的過程,而廢棄纖維均勻分布在再生混凝土中,使得微裂縫在擴展的過程中受到阻礙,廢棄纖維也會憑借其較好的變形能力消耗一部分能量,從而起到阻裂的作用,有效抑制微裂縫的產生和擴展。
  3廢棄纖維再生混凝土徐變預測模型
  3.1混凝土徐變預測模型
  基于試驗中NC的彈性模量、抗壓強度、試件的體表比及相對環境濕度等各種基本的試驗數據,首先計算了NC試件的徐變系數,并與通過試驗所得到的徐變系數試驗值進行對比,見圖11。
  由圖11可見,由于預測模型所考慮的因素與實際試驗條件存在差異,導致該模型無法反映廢棄纖維再生混凝土的徐變變形,所以,在預測廢棄纖維再生混凝土的徐變時,要考慮再生粗骨料替代率和廢棄纖維體積摻人量的影響。
  3.2修正的AC1209R預測模型
  對AC1209R預測模型進行修正,要考慮再生粗骨料替代率r和廢棄纖維摻量w對廢棄纖維再生混凝土徐變的影響,對式(2)再乘以系數y進行修正。根據r和叫分別為0,0;50%,0;100%,0;50%,0.08%的徐變系數試驗值,回歸得到y,并根據試驗數據線性擬合出y與r、w的關系
  同時,為進一步檢驗修正后的徐變系數預測模型的精度,利用修正后的模型計算文獻[27]中RCS0、RC100組試件的徐變系數,并與其文中的試驗值進行對比,發現二者的結果比較接近,如圖13。對故修正后的模型可以較為準確的預測廢棄纖維再生混凝土的徐變趨勢。
  目前,將聚丙烯纖維作為增強材料摻入再生混凝土中研究其徐變性能的文獻較少,故在廢棄纖維方面僅用試驗所得的數據進行擬合。式(3)適用于由原始強度為C40的廢棄混凝土破碎后形成的再生粗骨料制備而成的再生混凝土,以及廢棄聚丙烯纖維再生混凝土的徐變系數預測。
  4結論
  1)混凝土在85%應力水平下,持荷60d仍未發生徐變破壞。再生混凝土的徐變變形和徐變度要大于普通混凝土,且徐變變形和徐變度隨著再生粗骨料替代率的增大而增大;在再生混凝土中摻人體積分數為0.12%的廢棄纖維能夠顯著降低混凝土的徐變變形和徐變度。
  2)廢棄纖維再生混凝土在90%和95%應力水平下持載會發生徐變破壞現象,在90%應力水平下,混凝土均在持荷幾十分鐘才會發生破壞,在95%應力水平下,混凝土僅持荷短短幾分鐘就發生了破壞,對混凝土所施加的應力水平越大,發生徐變破壞時間越短。高應力水平下持載,添加廢棄纖維的再生混凝土試件徐變破壞時間相比未添加廢棄纖維的再生混凝土試件有所延長。
  3)在NC、RC50、RC100、RCS0-0.08組試件85%應力水平下的徐變試驗結果的基礎上,對ACl209R徐變預測模型進行了修正,修正后的模型中加入的系數y,考慮了再生粗骨料替代率和廢棄纖維體積摻人量對混凝土徐變的影響,可以較為準確地預測高應力水平下的再生混凝土徐變情況。
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