再生混凝土的实用性研究

1再生混凝土应用于复合路面的实用性研究李玉章摘要:基于再生混凝土的研究和发展现状，本文较为全面地论述了再生混凝土热膨胀系数、泊松比、弹性模量及疲劳性能的变化对其在复合路面中应用的影响，并提出疲劳应力扩大系数。在复合路面的应用中，再生混凝土的热膨胀系数、泊松比可按普通混凝土规范取值；弹性模量的变化对其应用设计影响不大；疲劳寿命相对普通混凝土有小幅下降，疲劳应力扩大系数的提出可对该指标进行修正。关键词:复合路面、再生混凝土、弹性模量、疲劳性能Abstract：Basedontheresearchanddevelopmentofrecycledconcretesituation,thispaperdiscussescomprehensivelythechangeofrecycledconcretethermalexpansioncoefficient,Poissonratio,elasticmodulusandfatiguepropertyintheapplicationofcompositepavementinfluencesandputsforwardsomefatiguestressexpandcoefficient.Intheapplicationofcompositepavementinthermalexpansioncoefficientofrecycledconcrete,Poissonratiocanpressordinaryconcretecodevalue;Theelasticmoduluschangesofitsapplicationanddesignincompositepavementhaslittleeffect;Fatiguelifecomparedtonormalconcretehavesmalldrop,fatiguestressexpandcoefficientoftheindicatorsproposedcanbemodified.Keywords:complexpavement,recycledconcrete,elasticmodulus,fatigueperformance1前言自20世纪90年代以来，我国很多城市都出现了大量的建筑垃圾，其中废弃混凝土约占建筑垃圾的30%-40%。而公路新建和改造产生的废弃混凝土更多，例如1条宽9m，混凝土面板厚24cm的二级公路，每公里就产生废弃混凝土2160m3。据有关资料显示[1]，上海市每天新增6万t建筑垃圾,其中废弃混凝土600万-800万t/年，如何处理这么多的废弃混凝土成为首要解决的问题。废弃混凝土的再生利用因此成为热点，并不断有成功案例出现。例如，1991年建成的合宁高速公路，随着交通量的增大和使用年限的增加，路面出现了不同程度的病害，每年路面维修工程量约为9-10万㎡，其中再生混凝土用量约为3-4万m3[2]。湖北襄樊市辖区道路改造工程，共利用混凝土路面旧板5000t以上。应用结果表明，将再生混凝土用于路面基层，效果良好，节约资金，保护了土地，并避免了废弃混凝土处理对环境的二次污染，具有良好的经济效益、社会效益和环保效益[3]。这也表明再生混凝土在复合路面中的应用是可行的。与此同时，再生混凝土的性能主要包括热膨胀系数、泊松比、弹性模量及疲劳性能对其在路面及复合路面中的应用效果有重要的影响。以其在复合路面中的应用为主，研究以上性能对其实用性的影响。22再生混凝土的热膨胀系数由于水化水泥砂浆体的热膨胀系数（11-20×10－6/℃）远高于天然骨料的热胀系数（5-11×10－6/℃），再生骨料表面额外包裹旧水泥砂浆，使再生混凝土中的砂浆比例高于普通混凝土，故再生混凝土的热膨胀系数较普通混凝土有所增大。季光耀[4]、李旭平[5]测试了再生混凝土的热膨胀系数α试验方法参照照文献[6]），试验结果分别如图1和图2。可以看出再生混凝土的热膨胀系数大致在1×10－5/℃，与普通混凝土差别不大。◆普通混凝土;△再生混凝土图1混凝土的热膨胀系数试验结果图2混凝土的热膨胀系数试验结果33再生混凝土的泊松比对于再生混凝土的泊松比，胡琼等[7]的试验结果见表1和表2，由表1知随着应力水平的增加，再生混凝土的泊松比变化规律与普通混凝土的比较一致，在应力水平较低的时候，再生混凝土的泊松比在0.15-0.23之间,强度较高时，泊松比较小。徐蔚[8]对各混凝土在各应力水平下（0.2、0.4、0.6、0.8）的泊松比进行了试验，结果显示：再生粗骨料的取代率对混凝土的泊松比影响不大；再生混凝土的泊松比与普通混凝土的基本相同100%取代时仅在0.2fc应力水平下再生混凝土的泊松比比普通混凝土的低0.1，其余均相同，该研究结果具有普遍性和科学性[9-12]。因此，实际工程应用中，可以取再生混凝土的泊松比与普通混凝土一致，即0.2。表1试件分组表2混凝土横向变形系数4再生混凝土的弹性模量在地基模量一定的情况下，影响复合路面的板底荷载应力的因素有沥青面层的厚度、混凝土板的厚度及其两者的弹性模量比（Ec/Ea）。其中弹性模量比对板底荷载应力的影响不大。胡长顺、王秉纲[13]采用了弹性层状连续体系理论进行荷载应力分析，得到如表3的结果。从表中可以看出，Ec/Ea分别取24和36，ha=2cm时，应力仅增加0﹒20%；随着ha的增加，应力的增长率明显增大，但其4绝对值仍然很小，ha=4cm时，应力仅增加0﹒47%，ha=6cm应力仅增加0﹒77%。因此在常用Ec/Ea(24-26)、ha(2-10cm)范围内,Ec/Ea变化对板底应力的影响可忽略不计。对此，杨斌等人[14]也有类似结论。表3Ec/Ea的对σm影响Ec/Eaσm（MPa）Hacm）2428323620.99690.99780.99840.998940.96430.96620.96770.968860.92920.93230.93460.946480.89280.89700.90030.9028100.85570.86110.86520.8684除此以外再生混凝土弹性模量的变化也不会影响热量的传递，表现为对复合路面的最大应力梯度、最大温度应力和疲劳温度应力都没有影响。混凝土板弹性模量的下降对混凝土沥青层的受力产生不利影响，影响不大[15-16]；对行车荷载作用下的应力强度因子与温度应力下的应力强度因子有降低的趋势，其中后者表现特别明显[16]，考虑到再生混凝土的耐久性较差，设计中不予考虑再生混凝土的有利方面，将其作为安全储备以实现复合路面中再生混凝板的长寿。5再生混凝土疲劳强度的计算5.1再生混凝土的疲劳性能疲劳破坏，是由于材料的内部存在局部的缺陷或不均质，在荷载作用下该处发生应力集中而出现微裂缝并逐步扩展,从而不断减少承受应力的有效面，最终在反复荷载作用一定次数后导致的破坏。一方面，再生混凝土的破坏形式与普通混凝土类似，应力应变中的滞回曲线与普通混凝土类似，在理论上再生混凝土疲劳破坏规律与普通混凝土的类似，肖建清等人[17]进行了试验证实。由于再生混凝土孔隙率大，旧砂浆存在大量裂纹，新砂浆先天也存在微观裂纹，理论上再生混凝土的疲劳强度的降幅比普通混凝土大。但目前研究成果表明，再生混凝土的疲劳性能与普通混凝土差别不大[18-19]。季天剑等人[20]进一步指出，再生混凝土中掺入粉煤灰后，其疲劳曲线与普通水泥混凝土的几乎一致，见图3。5.图3不同材料的疲劳方程对比5.2疲劳性能的修正由上可知，再生混凝土的疲劳方程与普通混凝土的相似，基于双对数疲劳方程的特点，需确定低应力水平时的疲劳寿命，适用于该方程。双对数方程为lgS=lga–blgN。式中：S为应力水平，即S=σr/σf；a，b为回归系数；N为疲劳寿命。季天剑等人[21]进行了三分点法疲劳试验，试件采用尺寸为150mm×150mm×550mm的小梁，实验前对试件反复预加5kN的荷载。采用控制应力的方式进行试验，设置正弦波荷载的最小荷载Pmin为最大荷载Pmax的10%，即荷载的循环特征值R=Pmin/Pmax=0﹒1，加载频率选用10Hz，相当于车辆的行驶速度为60km/h。试验结果如图4所示，得出回归系数a=1﹒0216，b=0﹒0385，相关系数为0﹒9712，未加粉煤灰再生水泥混凝土的疲劳方程为：lgS=lg1﹒0216–0﹒0385lgN。路用普通混凝土的弯折疲劳方程lgS=0﹒0162–0﹒0422（1-R）lgNf[22]，R=σmin/σma=0﹒1时：lgS=0﹒0162–0.03798lgNf。设S’、S分别为再生混凝土与普通混凝土的应力水平，当Nf=10-7，5×10-7，10×10-7，S’/S=0﹒97598，0﹒97101，0﹒94650，其疲劳应力增大系数Kβ=S/S’=100.0069191+0.00052lgNf，取不利值为1/0.94650=1.058。Kβ表示的意义为，假设一定荷载作用次数下（108次，其可以达到长寿路面车轴作用次数），再生混凝土与普通混凝土同时发生疲劳破坏；此种情况下，再生混凝土在其荷载应力乘以Kβ（1﹒058）后,按照普通混凝土的疲劳破坏规律计算，会在特定的荷载作用次数（108次）下时发生疲劳破坏。实际工程应用中，掺入适量粉煤灰再生混凝土的Kβ取1﹒05；未掺入粉煤灰的再生混凝土的Kβ取1﹒10。修正方式，复合路面中再生混凝土板底最大弯拉疲劳应力：σpra=KβKrKfKcσpsa相应最不利温度疲劳应力σtra=（1+ζ’ha）σtr，公式中的各符号均同普通水泥混凝土路面中设计中的相应符号，且算法一致。6结论1、再生混凝土的热膨胀系数、泊松比可按普通混凝土规范取值，即热6膨胀系数取1×10－5/℃，泊松比取0.2。2、再生混凝土弹性模量的下降对其在复合路面中的影响可忽略不计，一般在0﹒5%以内。3、对再生混凝土的疲劳应力扩大系数Kβ修正后，在复合路面完全可按普通混凝土复合路面进行设计，其中掺入粉适量煤灰时Kβ取1﹒05，未掺入粉煤灰的Kβ取1﹒10。参考文献：[1]孙跃东,肖建庄.再生混凝土骨料[J].混凝土,2004,(6):33-36.[2]陈凯安.我国建筑垃圾的现状和综合利用[J].建筑技术,1999,5:44-55.[3]杜婷,李惠强,郭太平,周志强.废弃混凝土再生骨料应用的经济性分析[J].新型建筑材料,2006.6:32.[4]季光耀.再生混凝土用作结构材料的关键问题研究[J].工业建筑,2010,3:101.[5]李旭平.再生混凝土基本力学性能研究(Ⅱ).建筑材料学报2007,6（12）:703.[6]马新伟,钮长仁.混凝土硬化早期热膨胀的量化方法研究[J].低温建筑技术,2005,(2):8,9.[7]胡琼,宋灿,邹超英.再生混凝土力学性能试验[J].哈尔滨工业大学学报,2009年4月:35.[8]徐蔚.再生粗骨料取代率对混凝土基本性能的影响[J].混凝土,2006,946.[9]胡敏萍.不同取代率再生粗骨料混凝土的力学性能[J].混凝土,2007,253.[10]金莉.再生混凝土力学性能试验研究[J].新型建筑材料,2006,7:11.[11]李旭平.再生混凝土基本力学性能研究(Ⅰ)———单轴受压性能料[J].建筑材料学报,2007,10:602.[12]吴淑海,李晓文,肖慧,柴圆圆.C30再生混凝土变形性能及应力-应变曲线试验研究混凝土[J].2009,12：24.[13]胡长顺,王秉纲.复合式路面荷载应力实用计算方法[J].华东公路,1995,1（2）:42.[14]杨斌,陈拴发,胡长顺.路面板断裂尺寸对沥青加铺层应力的影响[J].长安大学学报,2006,1:13.[15]资建民,汤文,江滔,邬旭.旧混凝土路面沥青加铺层有限元力学分析[J].华中科技大学学报,2006,2(6)54.[16]孙涛.复合式路面反射裂缝机理与防治措施研究[D].重庆:重庆大学硕士学位,2009,13.[17]肖建清,丁德馨,骆行文,徐根.再生混凝土疲劳损伤演化的定量描述[J].中南大学学报,2011,1