含磚粒再生混凝土懸臂梁阻尼性能試驗(yàn)與分析

安新正, 邊金明, 申彥利

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院, 邯鄲 056038)

將經(jīng)處理后的建筑垃圾部分或全部替代天然骨料制成再生混凝土應(yīng)用于混凝土工程,是實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化和倡導(dǎo)節(jié)能環(huán)保的新途徑,已成為中外學(xué)者聚焦的話題[1-2]。據(jù)報(bào)道,中國(guó)年均需處理的由廢棄混凝土和廢棄磚為主的建筑垃圾產(chǎn)量達(dá)1億t以上[2],由于將其分類回收成本較高,一般是將其統(tǒng)一回收、加工再利用。但是目前所研究的再生混凝土中再生粗骨料多為單一的廢棄混凝土或廢棄磚塊[2-3],對(duì)由以上統(tǒng)一回收的非單一成分組成的建筑垃圾作為再生骨料研究較少。為解決這部分由廢棄混凝土和廢棄磚組成的建筑垃圾的出路問(wèn)題,對(duì)其作為再生粗骨料制備含磚粒再生混凝土進(jìn)行研究意義重大。另外,阻尼是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù),又是體現(xiàn)材料本身耗能能力的重要指標(biāo),對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)過(guò)程中能量耗散貢獻(xiàn)顯著。為加速含磚粒再生混凝土在更廣范圍內(nèi)應(yīng)用,有必要對(duì)其阻尼性能進(jìn)行探討。

直到20世紀(jì)80年代,隨著人們對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)分析日趨廣泛,對(duì)混凝土材料的阻尼選取引發(fā)中外學(xué)者廣泛關(guān)注[4]。關(guān)于再生混凝土材料阻尼性能,近年來(lái)學(xué)者們對(duì)其展開(kāi)研究。梁超鋒等[5-6]基于三點(diǎn)彎曲梁試驗(yàn),探討了再生粗骨料取代率、粒徑對(duì)再生混凝土材料阻尼性能的影響，結(jié)果表明,再生混凝土的阻尼耗能比普通混凝土高3%～10%，并借助微觀試驗(yàn)得出孔隙和薄弱界面是再生混凝土阻尼耗能的重要因素。Jordan[7]詳細(xì)研究了應(yīng)力水平、頻率、養(yǎng)護(hù)條件和齡期等因素對(duì)混凝土阻尼性能的影響,認(rèn)為微裂縫是阻尼產(chǎn)生的重要原因。肖建莊等[8]采用懸掛和懸臂兩種試驗(yàn)方法對(duì)再生混凝土材料阻尼進(jìn)行系統(tǒng)研究,結(jié)果表明懸臂法阻尼測(cè)試結(jié)果高于懸掛法?？聡?guó)軍等[9]研究表明混凝土材料阻尼比隨抗壓強(qiáng)度和彈性模量的增加而降低。

從以上研究可以看出,以往研究主要集中在單一成分再生粗骨料配制的再生混凝土的阻尼性能,且研究結(jié)果由于試驗(yàn)方法的不同和再生粗骨料性能的復(fù)雜而有所出入,對(duì)含磚粒再生混凝土材料阻尼性能的研究涉及尚少。鑒于此,現(xiàn)將以磚粒含量約50%的建筑垃圾作為再生粗骨料制備81根含磚粒再生混凝土梁,通過(guò)懸臂梁自由振動(dòng)試驗(yàn),研究含磚粒再生粗骨料(brick-containing recycled coarse aggregate,BRCA)取代率、水膠比、粉煤灰摻量、試件尺寸對(duì)含磚粒再生混凝土阻尼比的影響,以期為含磚粒再生混凝土在工程中推廣應(yīng)用以及工程抗震設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)性參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

①水泥(cement, C):紅旗牌 42.5普通硅酸鹽水泥；②細(xì)骨料(natural fine aggregate, NFA):天然河砂,細(xì)度模數(shù)為1.6；③粗骨料:天然粗骨料(ma-tural coarse aggregate,NCA):粒徑范圍為5～20 mm,連續(xù)級(jí)配,表觀密度為2 703 kg/m3,24 h吸水率為1.06%,壓碎指標(biāo)為9.8%；含磚粒再生粗骨料(BRCA):由邯鄲全有生態(tài)建材有限公司生產(chǎn)提供,粒徑范圍為5～20 mm,連續(xù)級(jí)配,表觀密度為2 514 kg/m3,24 h吸水率為11.5%,壓碎指標(biāo)16.1%；④粉煤灰(fly ash,FA):Ⅱ級(jí)粉煤灰；⑤減水劑(water reducer,WR):高效聚羧酸液態(tài)減水劑,減水率25%；⑥水(water,W):市供自來(lái)水。

1.2 試件制作及配合比

試驗(yàn)共制作9組試件。試驗(yàn)編號(hào)為B0～B8。其中B0～B4表示BRCA取代率為0%、30%、50%、70%、100%(水膠比為0.57、FA摻量為10%)的5組試件；B5～B6表示FA摻量為0%、20% (水膠比為0.57、BRCA取代率為100%)的2組試件；B7～B8表示水膠比為0.47、0.65(BRCA取代率為100%、FA摻量10%)的2組試件。每組配合比下均澆筑截面邊長(zhǎng)為100 mm,長(zhǎng)分別為1 000 mm(A1)、515 mm(A2)、400 mm(A3)的長(zhǎng)方體梁試件,每種尺寸各3根,共81根梁,用于材料阻尼性能測(cè)試；另外每組同批澆筑邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試塊各6塊,用于28 d抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度測(cè)試[10]。薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)28 d。本試驗(yàn)配合比如表1所示。

表1 各組試件配合比Table 1 Mixture ratio of each group of test pieces

1.3 試驗(yàn)方法及測(cè)試內(nèi)容

1.3.1 超聲波測(cè)試

試驗(yàn)采用瑞士TICO非金屬超聲波檢測(cè)儀測(cè)試超聲波在梁中傳播的波速,采用對(duì)測(cè)法。使用耦合劑將超聲波發(fā)射探頭和接收探頭貼合在梁試件縱向?qū)αy(cè)試面的不同測(cè)點(diǎn)上,且保持在同一水平軸線上,測(cè)試時(shí)保證換能器與梁試件表面耦合良好。其均值作為該配合比下的超聲波波速值。

1.3.2 材料阻尼測(cè)試

含磚粒再生混凝土不同配合比下梁試件的阻尼比測(cè)試采用懸臂梁自由振動(dòng)衰減法。將梁試件固定于TYA-2000 型數(shù)顯壓力試驗(yàn)機(jī)上,形成懸臂梁系統(tǒng)。用力錘輕擊圖1所示的激勵(lì)位置,通過(guò)DH5902動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。試驗(yàn)測(cè)得梁試件振動(dòng)的加速度時(shí)程曲線如圖2所示,梁試件的阻尼比計(jì)算公式為

圖1 懸臂梁自由振動(dòng)試驗(yàn)裝置Fig.1 Free vibration test device of cantilever

圖2 加速度時(shí)程曲線Fig.2 Acceleration time history curve

(1)

式(1)中:ξ為阻尼比；Ai、Ai+n為懸臂梁自由振動(dòng)衰減第i、i+n周期的加速度峰值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

含磚粒再生混凝土抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、阻尼比及超聲波波速的實(shí)測(cè)結(jié)果如表2所示。

2.2 強(qiáng)度分析

由表2可知,抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均隨BRCA取代率的增加而下降,其降幅分別為11.7%～30.9%和13.6%～34.5%。當(dāng)BRCA取代率低于30%時(shí),抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度降幅較小。因此,建議用于考慮承載力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的再生混凝土BRCA取代率不宜超過(guò)30%。這是因?yàn)锽RCA自身強(qiáng)度低,宏觀破壞表現(xiàn)出廢棄磚粒及廢棄混凝土骨料本身的斷裂破壞。另外廢棄磚粒孔隙率較高且存在初始缺陷軸向拉壓時(shí)在薄弱處易引起應(yīng)力集中[3]。

表2 再生混凝土相關(guān)性能參數(shù)Table 2 Relevant performance parameters of recycled concrete

含磚粒再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均隨FA摻量的增加呈先增加而后減少趨勢(shì)。相對(duì)于B5,B4的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度增幅分別為1.3%和8.0%。而B(niǎo)6的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度分別下降了4.6%、12.2%。表明FA摻量為10%有利于激發(fā)水泥活性,促進(jìn)水泥水化,改善內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),提高其強(qiáng)度。FA摻量為20%時(shí),由于粉煤灰活性低于水泥,其水化反應(yīng)緩慢,存在未水化部分,引起強(qiáng)度降低。含磚粒再生混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均隨水膠比的增大而降低,與普通混凝土規(guī)律基本相似。

2.3 材料阻尼性能分析

2.3.1 BRCA取代率和FA摻量的影響

不同BRCA取代率下含磚粒再生混凝土的阻尼比如圖3所示。A1、A2、A3阻尼比均隨BRCA取代率的增加而增加,與文獻(xiàn)[4-5]增長(zhǎng)趨勢(shì)一致。相比于B0,B1、B2、B3、B4的平均阻尼比分別增加了4.7%、8.6%、14.2%、13.2%,BRCA對(duì)混凝土材料阻尼性能提高顯著。在不同取代率下含磚粒再生混凝土與文獻(xiàn)[4-5]中再生混凝土材料相比,其阻尼比均有明顯提高,約是文獻(xiàn)[4-5]的1～2.5倍。主要原因是:BRCA中包含廢棄磚粒和廢棄混凝土兩部分。廢棄磚粒疏松多孔、孔徑大,而文獻(xiàn)[4-5]中廢棄混凝土作為再生粗骨料相對(duì)磚?？紫堵瘦^低、密實(shí)度較高。已有試驗(yàn)表明[6],碎磚摻量10%的全再生混凝土存在大孔和界面裂隙,其總孔體積和平均孔徑均大于不摻碎磚的全再生混凝土。另外,BRCA中部分廢棄混凝土顆粒表面局部區(qū)域附著帶有微小孔隙的舊硬化水泥砂漿。BRCA在破碎過(guò)程中內(nèi)部也產(chǎn)生了大量微裂紋?？傊?含磚粒再生混凝土內(nèi)部孔隙和損傷裂紋均是阻尼耗能的原因。

圖3 阻尼比隨含磚粒再生粗骨料取代率變化Fig.3 Damping ratio changes with BRCA substitution rate

另一方面,表面附著老舊砂漿的次生骨料、廢舊砂漿顆粒以及廢棄磚粒與新硬化水泥砂漿結(jié)合,均存在薄弱黏結(jié)過(guò)渡界面。微觀試驗(yàn)顯示[11],薄弱界面過(guò)渡區(qū)存在空隙大且密實(shí)度低的氫氧化鈣的定向結(jié)晶和鈣礬石晶體。所以,薄弱黏結(jié)過(guò)渡界面隨BRCA取代率的增加而增加,在振動(dòng)過(guò)程中更易產(chǎn)生相對(duì)滑移,有利于阻尼耗能。

在取代率R=70%時(shí),平均阻尼比達(dá)到最大值,而R=100%時(shí)略有降低。主要因?yàn)榇止橇先繛锽RCA時(shí),由于存在過(guò)多BRCA粗糙面,提高了與水泥砂漿間的有效結(jié)合面積,增強(qiáng)了彼此間的機(jī)械咬合力,彼此間的緊密結(jié)合抑制了薄弱黏結(jié)界面的相對(duì)滑移。

不同F(xiàn)A摻量下含磚粒再生混凝土的阻尼比如圖4所示。A1、A2、A3阻尼比均隨FA摻量的增加而增加。與B5相比,B4、B6的平均阻尼比分別增加了1.6%、7.8%。原因是:一方面,FA比表面積較大,隨著FA摻量的增加,增大了其與水泥砂漿之間接觸表面積,從而使界面產(chǎn)生相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻尼增加[12],使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而引起了能量的耗散。另一方面,FA由實(shí)心或空心的球狀微顆粒組成[5],顆粒內(nèi)部含有空氣,在振動(dòng)過(guò)程中形成了空氣的縮脹擠壓作用,增加阻尼耗能。

圖4 阻尼比隨粉煤灰摻量變化Fig.4 Change of damping ratio with fly ash content

由此可見(jiàn),水膠比一定時(shí),從提高含磚粒再生混凝土的阻尼比角度出發(fā),B6組可作為最佳選擇；但以破壞強(qiáng)度和耗能綜合考慮,B1組為最優(yōu)選擇。這樣既可以保證含磚粒再生混凝土的強(qiáng)度,又可以提高其耗能能力。

2.3.2 水膠比的影響

不同水膠比下含磚粒再生混凝土的阻尼比如圖5所示。含磚粒再生混凝土阻尼比隨著水膠比的增大而增大。與基準(zhǔn)組B4相比,B7的平均阻尼比降低了4.9%；B8的平均阻尼比提高了6.6%。這是由于水膠比越大,水化后含磚粒再生混凝土內(nèi)部孔隙越多,孔隙是振動(dòng)過(guò)程中引起耗能的重要因素之一。另外,在振動(dòng)過(guò)程中,孔隙外部周圍由于孔隙形狀不規(guī)則而存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,容易產(chǎn)生塑性變形[6],從而增加耗能。且孔隙內(nèi)填充有空氣,大量孔隙和微氣泡均具有緩沖過(guò)渡作用[13],也有助于耗散振動(dòng)能量。

圖5 阻尼比隨水膠比變化Fig.5 Variation of damping ratio with water binder ratio

2.3.3 試件尺寸的影響

由表2可知,在BRCA取代率、FA摻量、水膠比3種影響因素下,不同試件尺寸得到的含磚粒再生混凝土阻尼結(jié)果存在差異,A2、A3阻尼比測(cè)試結(jié)果比A1分別降低0.09%～1.21%、0.86%～1.57%,降幅波動(dòng)范圍較小,且3種試件尺寸測(cè)試結(jié)果在不同影響因素下的變化規(guī)律和總體趨勢(shì)基本一致,如圖3～圖5所示。因此,試件尺寸對(duì)含磚粒再生混凝土阻尼性能影響較小,與文獻(xiàn)[14]結(jié)果相吻合。

2.4 阻尼比與抗壓強(qiáng)度及超聲波波速的關(guān)系

2.4.1 阻尼比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系分析

已有研究表明,鋼筋混凝土構(gòu)件阻尼比與混凝土強(qiáng)度具有較好的相關(guān)性[15],考慮到BRCA取代率、FA摻量、水膠比以及試件尺寸等因素對(duì)含磚粒再生混凝土阻尼比與抗壓強(qiáng)度二者之間關(guān)系影響較小[9],對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得到了含磚粒再生混凝土阻尼比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,如圖6所示。由圖6可知,含磚粒再生混凝土與普通混凝土類似,其阻尼比隨著抗壓強(qiáng)度增加而降低,二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?；谖墨I(xiàn)[15],為了更好地得到含磚粒再生混凝土阻尼比與抗壓強(qiáng)度關(guān)系,通過(guò)非線性回歸得到表達(dá)式(2)。式(2)決定系數(shù)為0.895 3,可以在一定程度上反映含磚粒再生混凝土阻尼比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。含磚粒再生混凝土抗壓強(qiáng)度越高,內(nèi)部密實(shí)度越高,其耗能能力越低。

圖6 阻尼比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.6 Relationship between damping ratio and compressive strength

ξ=-1.109e-0.020fcu+5.087

(2)

2.4.2 阻尼比與超聲波波速的關(guān)系分析

超聲波波速是超聲波在介質(zhì)中傳播的速度,其大小反映了混凝土內(nèi)部的損傷和缺陷程度,而其內(nèi)部的損傷和缺陷則是引起材料阻尼耗能的重要因素。不同取代率下的含磚粒再生混凝土超聲波波速和阻尼比如表2所示。通過(guò)MATLAB對(duì)各組試件的阻尼比與超聲波波速進(jìn)行相關(guān)分析,二者的相關(guān)系數(shù)為0.972 2。說(shuō)明含磚粒再生混凝土阻尼比與超聲波波速具有較好的相關(guān)性。由于試驗(yàn)BRCA孔隙大,破碎時(shí)又存在初始損傷裂紋,隨著B(niǎo)RCA取代率的增加,含磚粒再生混凝土內(nèi)部缺陷增多,最終導(dǎo)致超聲波波速降低的同時(shí)耗能能力反而有所提高。所以考慮BRCA取代率R的影響,為了更好地建立二者之間的關(guān)系,引入R作為變化因子,對(duì)阻尼比與超聲波波速進(jìn)行回歸分析,得出以v和R為變量的含磚粒再生混凝土ξ的計(jì)算式為

ξ=4.772×10-2+3.343×10-4R-4.243×10-6v

(3)

式(3)的決定系數(shù)為0.945 6,說(shuō)明其在一定程度上能夠較好反映不同BRCA取代率下含磚粒再生混凝土材料阻尼比與超聲波波速的關(guān)系。由于試件尺寸的影響較小,以A1為例,將含磚粒再生混凝土材料阻尼比實(shí)測(cè)值ξ1與基于式(3)的計(jì)算值ξ2相比,其結(jié)果如表3所示。ξ1與ξ2比值的總體偏差在0.98～1.01,其平均值為0.99,均方差為0.011,變異系數(shù)為0.011,說(shuō)明含磚粒再生混凝土阻尼比按式(3)進(jìn)行計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

表3 阻尼比的理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Table 3 Comparison of theoretical value and measured value of damping ratio

3 結(jié)論

(1)與普通混凝土相比,不同取代率下的含磚粒再生混凝土抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均有一定程度的降低,而阻尼比增加4.7%～13.2%。對(duì)于部分承壓混凝土構(gòu)件,綜合考慮建議BRCA取代率不宜超過(guò)30%,可以保證強(qiáng)度降低不大而阻尼比有所提高。

(2)當(dāng)BRCA取代率為100%時(shí),摻入粉煤灰可提高含磚粒再生混凝土的阻尼比,但當(dāng)摻入量為20%時(shí),雖能提高其耗能能力但導(dǎo)致強(qiáng)度較未摻時(shí)有所降低。試件尺寸對(duì)含磚粒再生混凝土阻尼比影響不明顯。

(3)含磚粒再生混凝土阻尼比隨抗壓強(qiáng)度增加呈顯著降低趨勢(shì),與普通混凝土類似。給出了含磚粒再生混凝土阻尼比與抗壓強(qiáng)度的計(jì)算模型。另外,超聲波波速能較好地反應(yīng)材料內(nèi)部特征,依據(jù)BRCA取代率和超聲波波速,采用構(gòu)建的量化模型在一定程度上可以預(yù)測(cè)含磚粒的再生混凝土材料阻尼比。