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再生粗集料混凝土的弯曲疲劳行为

Sumit Arora，S.P. Singh

土木工程系，Dr. B. R. Ambedkar国家技术研究所，Jalandhar 144 011, India

论文信息

论文简史：

2015年3月21日投稿

2015年9月5日定稿

2015年10月16日发表

2015年11月14日联网

摘要

本论文研究比较了再生粗集料（RCA）混凝土梁和天然粗集料（NA）混凝土梁的弯曲疲劳性能。根据弯曲疲劳寿命分布和200万次周期下的疲劳极限，我们对RCA和NA混凝土预应力梁的疲劳性能进行了评估。通过实验获得了100% RCA和100%NA混凝土预应力梁试件在不同应力水平下的弯曲疲劳寿命，并与现有文献中涉及到的有关NA混凝土的疲劳性能进行深层次的对比。规格100mmtimes;100 mmtimes;500 mm的混凝土试件在四点弯曲疲劳载荷并施加10Hz的频率下进行测试。100% RCA和100%NA混合集料混凝土的疲劳寿命分布符合两参数Weibull分布模型。在现在和以前的调查和研究中，被测得的RCA混凝土Weibull分布形状参数的值比NA混凝土小，因此与NA混凝土相比，RCA混凝土的弯曲疲劳寿命分布有更高的可变性。100% RCA混凝200万周期下的疲劳极限折减系数为50%，比现在和以前研究中的NA混凝土的疲劳极限分别约低8%和7%。

2015 Elsevier Ltd版权所有

本文的特色：

·研究100% RCA混凝土的弯曲疲劳性能。

·建立100% RCA混凝土疲劳寿命分布。

·观察RCA混凝土疲劳寿命的变异。

·观察RCA混凝土200万疲劳寿命下的疲劳极限。

关键词：疲劳极限，疲劳寿命，再生混凝土骨料，应力水平

1.引言

混凝土产业每年使用126亿吨原材料，是世界上自然资源的最大使用源。全球建筑骨料市场每年预计增长5.2%,直到2015年高达483亿吨。在美国，环境保护局估测2003年建造、拆除和翻新的住宅和非住宅建筑物产生的垃圾接近1亿7000万吨。据欧盟统计局统计2010年欧盟产生的废料总量超过25亿吨，其中将近8亿6000万来源于建造和拆毁活动。印度每年建造和拆毁产生的废料有2375万吨。建造和拆毁废料的倾倒需要大量的空间并伴随着严峻的环境问题。因维护和保护环境是人类生存的至关重要的问题，拆毁的混凝土废料可通过折断或压碎转换成有价值的合适级配的粗骨料，而不是倾倒在空地上。

混凝土生产大约需75%集料，其中65%来源于粗集料。值得注意的是，生产1吨天然粗集料（NA）可导致4600吨碳排放，然而，生产1吨再生粗集料(RCA)排放量为2400吨碳。就每年全球混凝土生产消费100亿吨集料而言，碳排放可由NA及RCA 而定。

与NA相比，RCA的比重低是因为附着砂浆的密度比底层岩石的小。在早期报道中，RCA与NA的体积密度相差约17%，其值分别为2394和2890㎏/m³ 。一些学者认为RCA比重比NA低7%-9%。且RCA和NA的吸水率分别为4.9-5.2%和1.0-2.5%。RCA级配曲线上位于集料所需范围内的才能用于混凝土生产中。附着砂浆的量是原混凝土强度特性、破碎程序的有效性、破碎方法和RCA的粒径的重要指标。RCA的质量与附着砂浆呈负相关。附着砂浆的存在使RCA表面结构粗糙且形状不规则。RCA与天然集料相比，具有较差的机械性能如低抗压性、低抗冲击性和低耐磨性。混凝土中RCA的性能和含量影响混凝土的强度性能。据报道，相同水灰比下，由RCA取代25%NA 的混凝土性能可与100%NA 混凝土相媲美。然而，为了获得相同的抗压强度需要50-100%的RCA替换NA且水灰比需要降低4-10%。据悉，100%RCA混凝土的抗压强度与100%NA 混凝土相比下降率从15%到30%。据观察，RCA混凝土的张拉强度受RCA含量影响较小。调查显示，RCA混凝土表现出类似或者优于NA混凝土的抗张拉性能。抗拉性能的增强是因为增加的吸收附着砂浆层对于再生骨料是一种有效界面，从而提高骨料和砂浆基体之间的粘结。生产RCA是提高RCA混凝土的抗张拉强度从而获得高强度混凝土的主要来源。

大量关于RCA混凝土的文献针对静态荷载下硬化混凝土全新机械性能的流变学特性进行研究报告。使用RCA混凝土可通过降低项目的总成本来为建筑产业创造巨大的利益。RCA混凝土可应用于桥面和桥墩，硬化路面，高层建筑，快速运输系统，隧道衬砌，堤坝，预制结构件，储存罐等方面。许多结构都受疲劳荷载的影响，因此必须对疲劳荷载下混凝土的性能进行研究。

在过去的几十年里，已经对NA 混凝土的疲劳行为进行了大量研究。其主要性能包括S-N方程，Weibull参数，疲劳极限，平均和设计疲劳寿命。在这些调查中进行了各种预测模型的分析，以评估混凝土的疲劳性能。在一定应力范围内对混凝土疲劳强度影响相当大。加载频率的影响已被一些研究员调查。一般来说，如果最大应力水平保持低于静态强度的75%且加载频率在1-30Hz范围内变化时对混凝土疲劳行为的影响微不足道。

据报道，与基准混凝土相比，含外加剂混凝土的疲劳寿命分布的变异性减少。调查显示，在75%的最大弯曲应力水平下，水泥稀浆和水泥粉煤灰混凝土的失败重复次数分别为2000和20000周期。同样地，掺杂25%低钙粉煤灰和掺杂50%高钙粉煤灰的混凝土其抗压和疲劳强度同等甚至更高。无粉煤灰混凝土和0.70高掺量粉煤灰混凝土疲劳极限值为0.65。相同条件下，空气中素混凝土的抗压疲劳强度比为56%。混凝土的静态弯曲和疲劳弯曲强度随粉煤灰掺量从15%增加到55%而降低，粉煤灰掺量为15%时其强度下降最少。

关于RCA混凝土的疲劳性能的研究非常有限。随着RCA替换NA量的增加，其疲劳极限如预期降低。但在这些调查中样本数量相对较少。由于疲劳现象的统计性质，在给定应力水平下，甚至在严格控制的测试程序下，混凝土的疲劳寿命数据通常发生较大的变化。因此，研究中疲劳数据的概率分析是主要目标，在给定应力水平测试更多样本得到具有统计学意义的数据是可取的。这种方法在先前学者研究NA混凝土时已被采用。

将大量的废弃混凝土作为RCA的原材料是有广阔前景的，但其疲劳性能的研究相对滞后，因此目前对100% RCA制成的混凝土梁的弯曲疲劳性能的调查已开展。这项研究的目的是通过比较目前和以前NA的研究结果来验证RCA混凝土潜在的实际应用的有效性。

标注：

2.研究意义

文献的简要回顾表明：调查NA混凝土的弯曲疲劳行为的大量研究工作已经实施。关于静载荷下RCA混凝土机械性能的大量数据已研究出。然而，RCA混凝土的弯曲疲劳特性的相关信息却很少，因此要促进这方面工作得开展。在目前的情况下，考虑RCA混凝土在土木工程应用中的预期用途是重要的。因此，本次调查的目的是评估比较100% RCA混凝土和100% NA混凝土的弯曲疲劳性能。在不同应力水平下两参数Weibull分布已被验证，可分别建立RCA和NA混凝土的概率分布。此外，RCA混凝土二百万次循环下的疲劳强度或疲劳极限可用S–N图表来估测。

3.实验步骤

在四点弯曲荷载下，采用规格100mmtimes;100mmtimes;500mm的预应力梁试件，进行64组弯曲疲劳测试和48组互补的静态弯曲测试。对不同批次的混凝土进行了抗压强度测试，来检验每一批次28天养护后的质量。

4.材料和配合比

本论文研究的是PC 43型水泥。该学院混凝土实验室使用的是通过破碎混凝土试件得到的最大尺寸为12.5mm的具有良好级配

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