再生混凝土早龄期拉伸徐变试验研究

罗素蓉， 叶世昌， 黄海生

(1.福州大学 土木工程学院, 福建 福州 350116；2.福建省环保节能型高性能混凝土协同创新中心， 福建 福州 350116)

再生混凝土是指全部或部分使用再生骨料制备而成的混凝土，因其有利于节约资源、保护环境和促进可持续发展而具有广阔的发展前景[1].再生粗骨料附着的旧水泥砂浆使再生混凝土的裂纹较普通混凝土多，孔隙率和吸水率高，界面过渡区薄弱[2-4]，导致其体积稳定性差.研究[5-8]显示，再生混凝土收缩变形值比普通混凝土大11%～70%，更易发生早龄期开裂.当混凝土早龄期体积变化受约束形成的拉应力达到其此时的极限拉应力时便产生裂缝.在此过程中，混凝土早龄期的拉伸徐变性能至关重要，原因在于其早龄期拉伸徐变可大幅度缓解拉应力，有效延缓开裂[9-10].目前，对再生混凝土早龄期拉伸徐变性能的研究极少.为掌握再生混凝土抗裂特性，有必要对其拉伸徐变性能进行研究.

本文通过再生混凝土早龄期拉伸徐变试验，揭示了再生粗骨料取代率、矿物掺和料掺量对其早龄期拉伸徐变度的影响，并对M-Burgers徐变预测模型进行修正，建立了适用于再生混凝土早龄期拉伸徐变度的预测模型.

1 试验

1.1 原材料

水泥(C)采用42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为372m2/kg；粉煤灰(FA)为Ⅱ级粉煤灰，比表面积为442m2/kg； 矿渣(GGBS)为S95级粒化高炉矿渣微粉，比表面积为411m2/kg.胶凝材料的化学组成见表1.

表1 胶凝材料的化学组成

天然粗骨料(NCA)为5～20mm连续级配的花岗岩碎石，满足GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》要求；细骨料(S)采用河砂，细度模数为2.26，表观密度为2630kg/m3.减水剂(SP)为聚羧酸减水剂，其中SP1的减水率(质量分数)为25%，SP2的减水率为18%.

再生粗骨料(RCA)取自某省级干线公路拆除后的废混凝土，强度等级C18，使用年限已达18a，破碎筛分成5～20mm连续级配，其性能满足GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》要求.再生粗骨料及天然粗骨料性能比较见表2.

表2 再生粗骨料与天然粗骨料的性能指标

1.2 混凝土配合比及基本力学性能

依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、CECS 207：2006《高性能混凝土应用技术规程》及DG/T J08—2018—2007《再生混凝土应用技术规程》进行配合比设计，其中水胶比(质量比)为0.4，砂率(质量分数)为38%，混凝土配合比及基本力学性能见表3，表中NC为普通混凝土，RAC50，RAC70，RAC100分别表示再生粗骨料取代率(质量分数)为50%，70%，100%的再生混凝土，F，S后面的数字分别代表粉煤灰或矿渣取代水泥的质量分数.

1.3 再生混凝土搅拌工艺

依据前期再生粗骨料强化预处理试验结果[11]，采用二次搅拌工艺制备再生混凝土：先将全部胶凝材料、外加剂和1/2水加入搅拌机中搅拌60s，接着加入粗骨料搅拌90s，最后加入河砂和剩余1/2水搅拌60s，出料并制成试件.

1.4 单轴拉伸徐变试验

单轴拉伸徐变试件参考GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中关于混凝土压缩徐变的规定进行.试件为100mm×100mm×400mm棱柱体，浇筑成型后在标准养护室内养护至22h脱模，24h后进行拉伸试验，同时测试混凝土立方体劈裂抗拉强度.实验室恒温恒湿，环境温度为(20±2) ℃，相对湿度为(60±5)%.由拉伸试验测得的试件变形扣除对照试件收缩变形得到试件拉伸徐变变形.同时，为区分基本徐变和干燥徐变，将每组试件分为密封试件(基本徐变)和不密封试件(总徐变)，并置于同一拉伸装置中进行试验.密封试件在混凝土脱模后进行表面涂蜡和包膜双重处理.

表3 混凝土配合比及基本力学性能

拉伸徐变加载装置参照文献[12]设计，如图1所示.通过旋紧杆件端部的螺栓对试件进行拉伸.拉伸前，测得试件1d时的劈裂抗拉强度，并以此为依据通过LTR-1型拉压力传感器将持荷应力比控制为0.3.试件的变形通过粘贴于2个侧面中部的BX120-100AA型电阻应变片进行测量.在试验过程中，为防止混凝土体积变化和试验装置变形对施加荷载的影响，定期对试件持荷状况进行检查、调整.

图1 单轴拉伸徐变试验装置Fig.1 Uniaxial tensile creep test apparatus

为使试验结果具有可比性，按式(1)将试件拉伸徐变换算成拉伸徐变度.

(1)

式中：Csp(t,t0)为试件由t0时刻加载至t时刻的拉伸徐变度；εc(t,t0)为试件由t0时刻加载至t时刻的拉伸徐变；σ0为混凝土t0时刻的持荷应力.

2 拉伸徐变试验结果分析

2.1 再生粗骨料取代率对再生混凝土拉伸徐变度的影响

再生粗骨料取代率对再生混凝土拉伸徐变度和基本徐变度的影响分别见图2，3.由图2，3可见，再生混凝土拉伸徐变度的增长规律与普通混凝土一致，呈现早期发展迅速、后期发展减缓并趋于稳定的趋势，而且再生混凝土拉伸徐变度随再生粗骨料取代率的增加而增大.持荷14d时，50%～ 100%再生粗骨料取代率的再生混凝土较对照组混凝土拉伸徐变度增长8%～31%，基本徐变度增长7%～23%.原因在于砂浆是混凝土产生徐变的组分，粗骨料是约束砂浆徐变的组分[13-14]，再生粗骨料表面附着旧砂浆，用其取代天然粗骨料后，造成再生混凝土中的砂浆增多，天然粗骨料减少，从而使徐变增大.此外，再生混凝土存在多重界面，微观结构复杂，再生粗骨料的损伤和微裂缝会导致界面过渡区薄弱[1]，使其在拉伸时更易产生变形.

图2 再生粗骨料取代率对再生混凝土拉伸徐变度的影响Fig.2 Influence of recycled coarse aggregate replacement rates on total tensile creep of recycled concrete

图3 再生粗骨料取代率对再生混凝土基本徐变度的影响Fig.3 Influence of recycled coarse aggregate replacement rates on basic tensile creep of recycled concrete

2.2 矿物掺和料对再生混凝土拉伸徐变度的影响

掺粉煤灰及复掺粉煤灰+矿渣对再生混凝土拉伸徐变度的影响分别见图4～7.由图4～7可见，再生混凝土拉伸徐变度随粉煤灰掺量的增加而增大，持荷14d时，掺30%～60%粉煤灰的再生混凝土拉伸徐变度和基本徐变度较对照组混凝土增长8%～32%.再生混凝土拉伸徐变度随粉煤灰+矿渣复掺量的增加而增大，但与单掺同等掺量的粉煤灰再生混凝土相比，增加幅度减小，持荷14d时，复掺30%～ 60%粉煤灰+矿渣的再生混凝土拉伸徐变度较对照组混凝土增长3%～22%，基本徐变度增长2%～21%.原因在于粉煤灰活性低于水泥，掺粉煤灰导致再生混凝土早期强度低且增长缓慢，从而使粉煤灰掺量大的再生混凝土拉伸徐变度增大.由于粉煤灰+矿渣复掺能提高再生混凝土的密实度，且矿渣的活性大于粉煤灰，强度增长较快，所以复掺粉煤灰+矿渣的再生混凝土拉伸徐变度小于单掺同等掺量粉煤灰的再生混凝土.

图4 粉煤灰对再生混凝土拉伸徐变度的影响Fig.4 Influence of fly ash on total tensile creep of recycled concrete

图5 粉煤灰对再生混凝土基本徐变度的影响Fig.5 Influence of fly ash on basic tensile creep of recycled concrete

图6 粉煤灰+矿渣复掺对再生混凝土拉伸徐变度的影响Fig.6 Influence of fly ash and slag on total tensile creep of recycled concrete

图7 粉煤灰+矿渣复掺对再生混凝土基本徐变度的影响Fig.7 Influence of fly ash and slag on basic tensile creep of recycled concrete

3 再生混凝土拉伸徐变度预测模型

对混凝土拉伸徐变度进行预测的模型有ACI 209R-92模型、B3模型、CEB MC90-99模型和GL2000模型[15].NC，RAC70组试件拉伸徐变度试验值与模型预测值对比分别见图8，9.由图8，9可见，各预测模型对普通混凝土和再生混凝土早龄期拉伸徐变度预测的可靠性较差.

图8 NC组试件拉伸徐变度试验值与模型预测值对比Fig.8 Comparison between experiment values of NC and predicted values of model

图9 RAC70组试件拉伸徐变度试验值与模型预测值对比Fig.9 Comparison between experiment values of RAC70 and predicted values of model

Burgers徐变预测模型由基本流变模型中的Kelvin模型与Maxwell模型串联组成[16]，见图10.在Burgers徐变预测模型中混凝土的整体骨架(骨料及水泥浆体构成)由Maxwell模型中的弹性元件表示，其产生的变形为弹性应变εe，而混凝土中的水泥浆体由Kelvin模型及Maxwell模型中的黏性元件表示，其产生的变形为徐变.t0时刻在应力σ作用下Burgers徐变预测模型将产生瞬时弹性应变，此后Maxwell模型中的黏性元件产生黏性流动应变εd，Kelvin模型则产生受弹性元件约束的应变εk.t1时刻卸载后，εe立即恢复，εd不可恢复，εk则逐渐恢复.Burgers徐变预测模型的变形响应见图11.试件的总应变εtotal为：

εtotal=εe+εd+εk

(2)

图10 Burgers徐变预测模型Fig.10 Composition of Burgers model

图11 Burgers徐变预测模型应变响应Fig.11 Deformation response of Burgers model

由应力-应变关系得到：

(3)

式中：EM，EK分别为Maxwell模型和Kelvin模型中弹性元件的弹性系数；ηM，ηK分别为Maxwell模型和Kelvin模型中黏性元件的黏性系数.

为更加合理地反映混凝土特性随时间变化的实际情况，以便更有效预测早龄期混凝土拉伸徐变度，对Burgers预测模型进行如下修正[17-18]：

ηM=α1eα2(t-t0)

(4)

ηK=β1EK(t-t0)β2

(5)

式(4)，(5)中：α1为修正Maxwell模型中加载时混凝土的初始黏性参数；α2为修正Maxwell模型中影响黏性系数增长速率的参数；β1，β2均为修正Kelvin模型中影响延迟时间增长速率的参数.

综上，经过推导，可得修正后的再生混凝土早龄期拉伸徐变度Burgers预测模型(以下简称M-Burgers徐变预测模型)，即：

(6)

M-Burgers徐变预测模型并未考虑干燥因素，所以该模型只适用于混凝土早龄期基本徐变度预测.根据文献[12]，可取β1=0.890，β2=0.500，其余参数依据NC组试件试验结果拟合确定.经拟合，α1=0.098，α2=0.848，EK=0.094，相关系数R2为0.971，结果见图12.由图12可见，M-Burgers徐变预测模型的拟合精度较高.

图12 NC组试件的拟合结果Fig.12 Fitting result of NC

将确定参数后的M-Burgers徐变预测模型计算值与NC组以外的其余各组试件早龄期基本徐变度的试验值进行比较，结果显示徐变预测值与试验值仍存在较大偏差.这是因为再生粗骨料取代率和矿物掺和料对混凝土拉伸徐变存在影响.据此，基于M-Burgers徐变预测模型分别引入考虑再生粗骨料取代率、粉煤灰掺量、粉煤灰+矿渣复掺量对再生混凝土早龄期基本徐变度影响的参数Rr，Rf和Rfs，这时掺入粉煤灰的再生混凝土早龄期基本徐变度的M-Burgers预测模型修正为：

(7)

复掺粉煤灰+矿渣的再生混凝土早龄期基本徐变度的M-Burgers预测模型修正为：

(8)

根据拟合分析，Rr，Rf和Rfs的取值及式(7)，(8)拟合结果见表4.由表4可见，各试件的拟合结果良好，且14d的残差百分比均在10%内，表明修正后的M-Burgers徐变预测模型能较好预测再生混凝土早龄期的基本徐变度.通过Rr，Rf和Rfs取值与再生粗骨料取代率(wr)、粉煤灰掺量(wf)、粉煤灰+矿渣复掺量(wfs)之间的关系，进一步拟合分析可得Rr，Rf和Rfs的计算式为：

(9)

表4 Rr，Rf和Rfs取值及式(7)，(8)拟合结果

4 结论

(1)再生混凝土拉伸徐变度随持荷时间的变化规律与普通混凝土一致，呈早期发展迅速、后期发展减缓并趋于稳定的趋势.再生混凝土拉伸徐变度随再生粗骨料取代率的增加而增大，再生粗骨料取代率50%～100%时，其拉伸徐变度较普通混凝土增加8%～31%.

(2)再生混凝土拉伸徐变度随粉煤灰掺量、粉煤灰+矿渣复掺量的增加而增大，掺30%～60%粉煤灰的再生混凝土拉伸徐变度增加8%～32%，复掺30%～60%粉煤灰+矿渣的再生混凝土拉伸徐变度增加3%～22%.掺粉煤灰或复掺粉煤灰+矿渣可增加再生混凝土的拉伸徐变度，从而延缓混凝土裂缝产生.

(3)考虑再生粗骨料取代率和矿物掺和料对再生混凝土拉伸徐变度的影响，引入修正系数对M-Burgers徐变预测模型进行修正，修正后的M-Burgers徐变预测模型能较好预测再生混凝土的基本徐变度.

参考文献：

[1] 肖建庄.再生混凝土[M].北京：中国建筑工业出版社,2008:5-7.

XIAO Jianzhuang.Recycled concrete[M].Beijing:China Architecture & Building Press,2008:5-7.(in Chinese)

[2] SOMNA R,CHAI J,AMDE A M.Effect of ground fly ash and ground bagasse ash on the durability of recycled aggregate concrete[J].Cement and Concrete Composites,2012,34(7):848-854.

[3] 朋改非，黄艳竹，张九峰.骨料缺陷对再生混凝土力学性能的影响[J].,2012,15(1):80-84.

PENG Gaifei,HUANG Yanzhu,ZHANG Jiufeng.Influence of defects in recycled aggregate on mechanical properties of recycled aggregate concrete[J].,2012,15(1):80-84.(in Chinese)

[4] 雷斌，肖建庄.再生混凝土抗碳化性能的研究[J].，2008,11(5):605-611.

LEI Bin,XIAO Jianzhuang.Research on carbonation resistance of recycled aggregate concrete[J].,2008,11(5):605-611.(in Chinese)

[6] 肖建庄，郑世同，王静.再生混凝土长龄期强度与收缩徐变性能[J].建筑科学与工程学报，2015,32(1):21-26.

XIAO Jianzhuang,ZHENG Shitong,WANG Jing.Long-term strength,shrinkage and creep properties of recycled aggregate concrete[J].Journal of Architecture and Civil Engineering,2015,32(1):21-26.(in Chinese)

[7] 陈欣，郑建岚，王国杰.预处理方法对再生混凝土收缩性能的影响[J].，2016，19(5):909-914.

CHEN Xin,ZHENG Jianlan,WANG Guojie.Influence of pretreatment methods on shrinkage performance of recycled concrete[J].,2016,19(5):909-914.(in Chinese)

[8] 肖建庄，胡博，丁陶.再生混凝土早期抗开裂性能试验研究[J].同济大学学报(自然科学版)，2015，43(11):1649-1655.

XIAO Jianzhuang,HU Bo,DING Tao.Test of crack resistance of recycled aggregate concrete at early stage[J].Journal of Tongji University(Nature Science),2015,43(11):1649-1655.(in Chinese)

[9] SEO T S,LEE M S.Experimental study on tensile creep of coarse recycled aggregate concrete[J].International Journal of Concrete Structures and Materials,2015,9(3):337-343.

[10] 杨杨，许四法，叶德艳，等.早龄期高强混凝土拉伸徐变特性[J].硅酸盐学报，2009,37(7):1124-1129.

YANG Yang,XU Sifa,YE Deyan,et al.Tensile creep behavior of high strength concrete at early ages[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2009,37(7):1124-1129.(in Chinese)

[11] 翁志英.再生粗骨料强化预处理对高性能再生混凝土细观结构影响的试验研究[D].福州:福州大学,2012.

WENG Zhiying.Experimental study on microstructure of recycled high performance concrete affected by intensified test[D].Fuzhou:Fuzhou University,2012.(in Chinese)

[12] 叶德艳.早龄期高性能混凝土拉伸徐变研究[D].浙江:浙江工业大学,2008.

YE Deyan.Study on tensile creep of high performance concrete at early ages[D].Zhejiang:Zhejiang University of Technology,2008.(in Chinese)

[13] BISSONNETT B,PIGEON M.Tensile creep at early ages of ordinary,silica fume and fiber reinforced concretes[J].Cement and Concrete Research,1995,25(5):1075-1085.

[14] 惠荣炎，黄国兴，易冰若.混凝土的徐变[M].北京:中国铁道出版社,1988:23-28.

HUI Rongyan,HUANG Guoxing,YI Bingruo.Creep of concrete[M].Beijing:China Railway Publishing House,1988:23-28.(in Chinese)

[15] ACI209.2R-08 Guide for modeling and calculating shrinkage and creep in hardened concrete[S].

[16] NEVILLE A,DILGER W,BROOKS J.Creep of plain and structural concrete[M].New York:Construction Press,1983:435-436.

[17] SHINJI H,YOSHIHIRO M,SHIGEHARU N.Experimental study on creep behavior of high-strength concrete in early age[J].Journal of Structural & Construction Engineering,2002,67(552):31-36.

[18] EL-MAHADY O,YAMAGUCHI T,IKEDA S.On predicting creep towards high strength concrete[J].Journal of Materials of Concrete Structure and Pavements,1996,5(30):173-181.