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提要：本文依据国际混凝土协会（fib）2010模式规范建议，采用单轴拉伸试验，对再生混凝土的受拉断裂能进行了试验研究。根据实验结果，探讨了普通混凝土断裂能计算公式关系式对再生混凝土的适用性，结果表明普通混凝土断裂能计算公式不适用于再生混凝土。在试验数据回归分析的基础上，本文建议了再生混凝土断裂能计算公式，可供再生混凝土结构构件断裂分析时参考。
关键词：再生混凝土;断裂能;计算公式
Abstract: In this paper, on the basis of International Concrete Association (FIB ) 2010 model specification recommends, the uniaxial tensile test of recycled concrete, the tensile fracture energy are studied. According to the experimental results, and discuss the applicability of calculation formula of relation of recycled concrete can ordinary concrete fracture, the results suggest that in general the fracture energy of concrete calculation formula is not suitable for recycled concrete. Based on the regression analysis of experimental data, this paper suggests the recycled concrete fracture energy formula, the reference for the regeneration of concrete structure fracture.
Keywords: recycled concrete; fracture energy; calculation formula
中圖分类号：[TQ178]文献标识码A 文章编号
1 前言
近年来，随着环境保护意识和可持续发展观念的深入，关于再生混凝土技术的研究成为建筑材料和结构领域的一个热点问题。国内众多学者针对再生混凝土的力学、耐久和结构应用展开了大量的的研究工作，取得了许多重要成果，并且有了一些再生混凝土应用于实际结构和路面工程的实例，取得了良好的经济、环境和社会效益[1-2]。
混凝土的断裂能是其一个重要的断裂力学参数，该参数反映了混凝土抵抗断裂的能力。为了对再生混凝土结构进行断裂分析，需要提供这一参数的取值。在以往关于再生混凝土断裂能的试验研究中[3-4]，研究者的试验一般是参照RILEM 1985 TC50-FMC[5]建议，采用三点弯曲梁方法作为试件，所用梁为缺口梁。这种试验方法的主要缺点是：梁的自重会对试验数据产生一定的影响；另外，由于梁转动效应的影响，试验所采用的骨料影响很大。因此，在国际混凝土学会最新规范Model Code (MC) 2010[6]中，推荐采用单轴直接拉伸试验来测定混凝土的断裂能。本文采用这一建议，对再生混凝土的断裂能进行了初步的试验研究，建议了再生混凝土断裂能的计算公式。本文的研究结果可以应用于再生混凝土结构的断裂分析。
2 试验研究
2.1 原材料
试验中所用的水泥为普通硅酸盐水泥，分为两种，即32.5R和42.5R，其中32.5R水泥用于配制强度等级为C20-C30再生混凝土，42.5R水泥用于配制C35再生混凝土。砂为普通黄砂，细度模数为2.75。再生粗骨料由某拆除废弃混凝土建筑物构件经破碎加工而成，连续级配，粒径范围为5-31.5 mm，其堆积和表观密度分别为 1285 和 2502 kg/m3，吸水率为6.28%， 压碎指标为10.2 %。 拌和水为普通自来水。
2.2 混凝土配合比
由于再生粗骨料品质较天然碎石或卵石差，一般建议采用再生骨料配制C40以下的混凝土。本文共配制了C20、C25、C30和C35共4种强度等级再生混凝土。由于再生粗骨料吸水率较高，在配制混凝土之前对其进行了润湿，达到饱和面干状态。各强度等级再生混凝土的配合比在参考文献普通混凝土常用配合比的基础上通过调整水泥用量经反复试配最终确定，具体的材料配合比如表1所示。
表2 混凝土的配合比
2.3 试件的准备及试验方法
混凝土采用人工搅拌，各组混凝土拌合物的坍落度实测结果在4至6cm之间，满足相应的规范要求。坍落度试验后，将各再生混凝土拌和物注入钢模，24h后拆模，在标准条件下养护至28d后取出进行试验。
试件分为150x150x150mm立方体试件和150x150x450mm棱柱体试件两种，立方体试件用于测定混凝土的抗压压强度，试验按照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081-2002)进行；棱柱体试件体用于直接拉伸试验。以往的混凝土单轴直接拉伸试验中试验机拉力传递方式采用粘贴式，即在棱柱体试件两端粘贴钢板后沿轴心施加拉力，一次加载直至试件破坏。为了准确获得再生混凝土轴心受拉全过程曲线，在试验中采用了电阻应变片和变形传感器来测量试件的纵向变形，电阻应变片标距为60mm，变形传感器标距为450mm。为了在截面上得到明确而均匀的拉应力，试件未留有缺口。试验中首先对试块进行预拉，观测试件相对两个侧面的相对变形值，通过调整试件位置，控制试件的该相对变形值低于15%，使试件尽量处于轴心受拉状态，然后一次加载直至试件断成两段。试验设备为LAX-W500型微机控制电液伺服刚性试验机，最大荷载为2000kN。试验采用等应变加载，加载速度为/s，以保证试块在加载过程中受力的连续性和稳定性。试验过程中试块的轴向拉力和纵向变形均由计算机自动采集。
2.4 试验结果与分析
在本文的试验条件下，再生混凝土立方体受压试件破坏面上基本为粗骨料与水泥浆间的界面破坏，试件破环时形成2个对顶的正倒相连的角锥， 而棱柱体试件的破坏形态为：破坏位置位于试件中部，破坏面基本为水平面。再生混凝土试件断裂位置主要发生在水泥砂浆薄弱部位及水泥砂浆与骨料接合处，同时还有少量再生粗骨料沿破坏面拉伸断裂。混凝土断裂能的计算按照国际混凝土协会（fib）的建议进行。
图1再生混凝土断裂能试验结果
图1给出了本文得到的再生混凝土断裂能试验结果。由图中可以看出，试验数据存在一定的离散性，但是再生混凝土的断裂能和立方体抗压强度之间仍存在一定的关系，即随着再生混凝土立方体抗压强度的增加，断裂能也随之增加。
对于普通混凝土，国际混凝土协会（fib）MC 2010建议的断裂能计算公式为
(1)
式中，为混凝土的受拉断裂能（N/m），为混凝土的圆柱体抗压强度(MPa)。
图1给出了（1）式计算结果与本文试验结果的对比，可以发现，（1）式过高估计了再生混凝土的断裂能，因此偏于不安全。
采用最小二乘法，对图1中的试验数据进行回归分析，本文得到再生混凝土断裂能的计算公式为：
(3)
由图1可以看出，（3）式与试验结果吻合良好。
4 结论
在本文的研究条件下，再生混凝土的断裂能随着立方体抗压强度的增加；
普通混凝土断裂能计算公式过高估计了再生混凝土的断裂能，偏于不安全；
在对本文试验数据回归分析的基础上，本文建议式（3）作为再生混凝土断裂能计算公式。
参考文献
肖建庄. 再生混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社，2007.
侯星宇. 再生混凝土研究综述[J].混凝土，2011(7): 25-28.
朋改非，沈大钦，朱海英 等.同配合比条件下再生骨料混凝土与基准混凝土的力学性能比较研究[J].混凝土，2006(2) ： 34-38.
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）: 699-604.
International Union of Testing and Research Laboratories for Materials and Construction（RILEM. RILEM Technical Recommendations for the Test and Use of Construction Materials: Determination of the fracture energy of mortar and concrete by means of three point bending tests on notched beams [sl]. E&FN SPON, London, 1994, pp.99-101.
International federation for Structural Concrete (fib). Model Code 2010. Lausanne 2011.
关键词：再生混凝土;断裂能;计算公式
Abstract: In this paper, on the basis of International Concrete Association (FIB ) 2010 model specification recommends, the uniaxial tensile test of recycled concrete, the tensile fracture energy are studied. According to the experimental results, and discuss the applicability of calculation formula of relation of recycled concrete can ordinary concrete fracture, the results suggest that in general the fracture energy of concrete calculation formula is not suitable for recycled concrete. Based on the regression analysis of experimental data, this paper suggests the recycled concrete fracture energy formula, the reference for the regeneration of concrete structure fracture.
Keywords: recycled concrete; fracture energy; calculation formula
中圖分类号：[TQ178]文献标识码A 文章编号
1 前言
近年来，随着环境保护意识和可持续发展观念的深入，关于再生混凝土技术的研究成为建筑材料和结构领域的一个热点问题。国内众多学者针对再生混凝土的力学、耐久和结构应用展开了大量的的研究工作，取得了许多重要成果，并且有了一些再生混凝土应用于实际结构和路面工程的实例，取得了良好的经济、环境和社会效益[1-2]。
混凝土的断裂能是其一个重要的断裂力学参数，该参数反映了混凝土抵抗断裂的能力。为了对再生混凝土结构进行断裂分析，需要提供这一参数的取值。在以往关于再生混凝土断裂能的试验研究中[3-4]，研究者的试验一般是参照RILEM 1985 TC50-FMC[5]建议，采用三点弯曲梁方法作为试件，所用梁为缺口梁。这种试验方法的主要缺点是：梁的自重会对试验数据产生一定的影响；另外，由于梁转动效应的影响，试验所采用的骨料影响很大。因此，在国际混凝土学会最新规范Model Code (MC) 2010[6]中，推荐采用单轴直接拉伸试验来测定混凝土的断裂能。本文采用这一建议，对再生混凝土的断裂能进行了初步的试验研究，建议了再生混凝土断裂能的计算公式。本文的研究结果可以应用于再生混凝土结构的断裂分析。
2 试验研究
2.1 原材料
试验中所用的水泥为普通硅酸盐水泥，分为两种，即32.5R和42.5R，其中32.5R水泥用于配制强度等级为C20-C30再生混凝土，42.5R水泥用于配制C35再生混凝土。砂为普通黄砂，细度模数为2.75。再生粗骨料由某拆除废弃混凝土建筑物构件经破碎加工而成，连续级配，粒径范围为5-31.5 mm，其堆积和表观密度分别为 1285 和 2502 kg/m3，吸水率为6.28%， 压碎指标为10.2 %。 拌和水为普通自来水。
2.2 混凝土配合比
由于再生粗骨料品质较天然碎石或卵石差，一般建议采用再生骨料配制C40以下的混凝土。本文共配制了C20、C25、C30和C35共4种强度等级再生混凝土。由于再生粗骨料吸水率较高，在配制混凝土之前对其进行了润湿，达到饱和面干状态。各强度等级再生混凝土的配合比在参考文献普通混凝土常用配合比的基础上通过调整水泥用量经反复试配最终确定，具体的材料配合比如表1所示。
表2 混凝土的配合比
2.3 试件的准备及试验方法
混凝土采用人工搅拌，各组混凝土拌合物的坍落度实测结果在4至6cm之间，满足相应的规范要求。坍落度试验后，将各再生混凝土拌和物注入钢模，24h后拆模，在标准条件下养护至28d后取出进行试验。
试件分为150x150x150mm立方体试件和150x150x450mm棱柱体试件两种，立方体试件用于测定混凝土的抗压压强度，试验按照《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T 50081-2002)进行；棱柱体试件体用于直接拉伸试验。以往的混凝土单轴直接拉伸试验中试验机拉力传递方式采用粘贴式，即在棱柱体试件两端粘贴钢板后沿轴心施加拉力，一次加载直至试件破坏。为了准确获得再生混凝土轴心受拉全过程曲线，在试验中采用了电阻应变片和变形传感器来测量试件的纵向变形，电阻应变片标距为60mm，变形传感器标距为450mm。为了在截面上得到明确而均匀的拉应力，试件未留有缺口。试验中首先对试块进行预拉，观测试件相对两个侧面的相对变形值，通过调整试件位置，控制试件的该相对变形值低于15%，使试件尽量处于轴心受拉状态，然后一次加载直至试件断成两段。试验设备为LAX-W500型微机控制电液伺服刚性试验机，最大荷载为2000kN。试验采用等应变加载，加载速度为/s，以保证试块在加载过程中受力的连续性和稳定性。试验过程中试块的轴向拉力和纵向变形均由计算机自动采集。
2.4 试验结果与分析
在本文的试验条件下，再生混凝土立方体受压试件破坏面上基本为粗骨料与水泥浆间的界面破坏，试件破环时形成2个对顶的正倒相连的角锥， 而棱柱体试件的破坏形态为：破坏位置位于试件中部，破坏面基本为水平面。再生混凝土试件断裂位置主要发生在水泥砂浆薄弱部位及水泥砂浆与骨料接合处，同时还有少量再生粗骨料沿破坏面拉伸断裂。混凝土断裂能的计算按照国际混凝土协会（fib）的建议进行。
图1再生混凝土断裂能试验结果
图1给出了本文得到的再生混凝土断裂能试验结果。由图中可以看出，试验数据存在一定的离散性，但是再生混凝土的断裂能和立方体抗压强度之间仍存在一定的关系，即随着再生混凝土立方体抗压强度的增加，断裂能也随之增加。
对于普通混凝土，国际混凝土协会（fib）MC 2010建议的断裂能计算公式为
(1)
式中，为混凝土的受拉断裂能（N/m），为混凝土的圆柱体抗压强度(MPa)。
图1给出了（1）式计算结果与本文试验结果的对比，可以发现，（1）式过高估计了再生混凝土的断裂能，因此偏于不安全。
采用最小二乘法，对图1中的试验数据进行回归分析，本文得到再生混凝土断裂能的计算公式为：
(3)
由图1可以看出，（3）式与试验结果吻合良好。
4 结论
在本文的研究条件下，再生混凝土的断裂能随着立方体抗压强度的增加；
普通混凝土断裂能计算公式过高估计了再生混凝土的断裂能，偏于不安全；
在对本文试验数据回归分析的基础上，本文建议式（3）作为再生混凝土断裂能计算公式。
参考文献
肖建庄. 再生混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社，2007.
侯星宇. 再生混凝土研究综述[J].混凝土，2011(7): 25-28.
朋改非，沈大钦，朱海英 等.同配合比条件下再生骨料混凝土与基准混凝土的力学性能比较研究[J].混凝土，2006(2) ： 34-38.
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）: 699-604.
International Union of Testing and Research Laboratories for Materials and Construction（RILEM. RILEM Technical Recommendations for the Test and Use of Construction Materials: Determination of the fracture energy of mortar and concrete by means of three point bending tests on notched beams [sl]. E&FN SPON, London, 1994, pp.99-101.
International federation for Structural Concrete (fib). Model Code 2010. Lausanne 2011.