文摘
本文研究天然骨料混凝土的相似之处和差异(NAC)梁和再生骨料混凝土(RAC)梁的混凝土材料性能、承载力、抗裂性,并进一步提出了校正公式的RAC梁开裂时刻计算考虑不同再生骨料替代率。首先,基本的力学性能(如立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量)的RAC块进行测试;第二,比较RAC梁和普通混凝土梁的弯曲测试进行,为了获得开裂的时刻,屈服弯矩、极限弯矩,中跨挠度和裂缝发展形式;最后,数值模拟进行调查RAC梁的开裂性能。通过分析实验结果,发现RAC梁的裂缝发展模式类似于普通混凝土梁,而RAC梁的开裂性能显著偏离NAC梁。最后,RAC开裂时刻的修正公式计算梁提出了基于数值模拟结果,验证了其他研究人员的数据,可以被视为开裂时间计算公式的修正在当前代码RAC梁对不同再生混凝土骨料替代比率。
1。介绍
城市化的发展和进步的基础设施建设,混凝土,结构中最常见的工程材料,正经历着一场消费飙升。同时,巨大的不可再生资源的开发和大量的建筑废弃物代因此不可避免的,那就是,然而,对全球环境保护和可持续发展的概念(1]。因此,许多学者最近专注于再生骨料混凝土(RAC)及其组件2- - - - - -4]。然而,实际工程应用程序之前,有必要全面评估强度,刚度,稳定性,和其他指标的RAC成员,为了使设计和制造是一致的。作为最重要的力学性能,RAC梁的承载力进行了广泛的研究(5,6]。许多研究表明,RAC梁的弯曲强度与天然骨料混凝土(NAC)梁、再生混凝土骨料的替代率(NCA)对弯曲强度(几乎没有影响7- - - - - -9]。然而,一些研究人员认为,当NCA的替换率小于50%,RAC梁的弯曲强度是几乎一样的NAC梁;而当替代率达到100%,RAC梁的弯曲强度可以降低显著(10]。至于抗弯刚度,主流观点指出,再生骨料取代率对中跨偏转的影响远远高于配筋率(7,8,11,12),它仍然是正确的情况下自然细骨料(NFC)是被再生细骨料取代13,14]。另一方面,促进应用程序的组件由RAC,正常使用极限状态也应考虑,在抗裂性是至关重要的。混凝土梁的开裂行为基本上是由最大拉伸应变。一些研究人员证明,NCA替代比例的增加,RAC的最大拉伸应变梁高于NAC梁,导致可怜的拉伸性能和延性增加(15]。当NCA支安打的替换率100%,开裂的时刻RAC梁下降值低于25% NAC横梁、造成损失的刚度,过早开裂,早期退出工作阶段(16,17]。此外,裂缝宽度和裂缝间距也应该被考虑,这是影响混凝土之间的粘结滑移行为和强化9,18]。尽管事实上,开裂后刚度的降低会导致其粘结强度的降低是毫无疑问,很少有定量研究再生骨料取代率对裂缝的影响发展。
从上面的讨论,可以得出的结论是,现有研究力学性能RAC成员缺乏定量分析,这对实际工程是不够的。为此,以RAC梁的弯曲性能为研究主题,本文研究了替代率和纵向配筋率的影响在RAC梁的弯曲性能,其结论为实际结构的设计提供了有用的指导。为了分析短期内弯曲行为,四点弯曲试验是进行全面的RAC梁。开裂的时刻,收益率,最终时刻,和中跨挠度测量和分析,详细分析了开裂的时刻。实验结果分析两个阶段:第一阶段的目标是理解NCA和纵向抗拉钢筋的影响比RAC梁的力学性能,以及四种测试光束不同再生骨料取代率和三种不同的强化比率设计制造和测试,其测试结果进行了比较和分析;在第二阶段,开裂力矩公式的实用性在当前代码RAC横梁进行了分析,对比测试值之间的相对误差和相应的值计算的代码。结果表明,RAC梁和南汽梁裂纹发展模式相似,而他们的裂化性能显著偏离对方。因此,当前的代码不能准确描述再生骨料混凝土梁的开裂行为,这就需要修正。因此,校正公式开裂时刻计算对RAC梁提出和验证基于一系列的数值分析和实验数据从不同的研究人员。
本文的组织结构如下:部分2描述了测试方法和测试内容;节3,并给出了测试结果和详细分析,以及RAC梁之间的异同和南汽梁;RAC开裂时刻的修正公式计算梁提出和验证部分4。
2。RAC梁的实验验证
本节介绍了实验测试的细节RAC光束在材料性能方面,样品配置,和实验方案。
2.1。材料特性
这个测试中使用的水泥是华信品牌pm42.5普通硅酸盐水泥、减水剂的减少比例为15%。天然骨料(NA)用于测试自然碎石,聚合是连续级配满足标准JGJ 52 - 2006 (19]。RCA由三种不同粒径粗骨料,混合成一个连续的分类做mm,满足二类骨料的分类标准GB / T 25177 - 2010 (20.]。细骨料用于测试都是天然细骨料、细度模数是中等粗。各种聚合物的物理性质如表所示1。
C30混凝土由jgj55 - 2011 (21),水灰比为0.49,NCA的替代率是0%(参照组),分别为50%,70%,和100%。分别对应的四种数据,南汽,RAC-50, rac - 70和rac - 100。从表可以看出1NCA的吸水率显著高于自然聚集,引起表面粘附的砂浆NCA [22]。这一特点导致了更大的自由水的吸收NCA混合过程中混凝土,而W / C值的减少导致的减少RAC的凝聚力。为了解决这个问题,额外的水是补充道。混合比例参数如表所示2和额外的用水量见表3。梁体的增援满足GB / T 50010 - 2010的有关规定(23]。箍筋和装配增援HPB335直径8毫米,和拉伸HRB400增援。根据配筋率的要求,14毫米,16毫米,分别和18毫米。为了获得力学参数(见表4),强调钢筋的拉伸试验是使用钢筋的拉伸试验方法根据GB / T 28900 - 2012 (24]。
2.2。标本的配置
总共有7梁设计和制造在这项研究中,横截面尺寸为150毫米×300毫米和1800毫米的长度。变量被认为是替代NCA和纵向配筋率比强调增援,下列哪分为两组:第1组有5束不同置换率NCA,强调增援2碳,NCA的替代率,分别为0%,30%,50%,70%,和100%,人数nac - 0.77, rac - 30 - 0.77, rac - 50 - 0.77, rac - 70 - 0.77,分别和rac - 100 - 0.77;组2 3束不同强化比率。NCA的替换率都是100%,负重的钢棒2 HRB400 14, 2 HRB400 16,和2 HRB400 18;强化比率分别为0.77%、1.01%和1.28%;和数字,即rac - 100 - 0.77, rac - 100 - 1.01, 1.28和rac - 100。为了减少的影响,箍筋的力学分析纯弯曲的部分,无论是马镫还是勃起酒吧被安排在纯弯曲部分的中间。试验梁的具体设计参数如表所示5,增援的细节图所示1。试验梁在结构和投入和维护拆卸武汉科技大学的实验室,和测试两束大小(100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×300 mm)是在同等条件下(如图28天2)。
(一)
(b)
2.3。实验方案
试验梁的加载模式是四点弯曲。主要工具是反应框架和500 kN电液伺服制动,然后,通过梁分布载荷均匀分布。支持的弯曲梁只是辊和销同时支持将在150毫米远离梁的两端,分别。分布梁也支持在试验梁辊和销支持都放置在650毫米远离梁的两端,分别(如图3)。加载过程严格按照GB / T 50152 - 2012 (25]。为了方便观察和分析裂纹发展的模式,一个小广场100毫米×100毫米的标志在前面和后面的光束。正式加载之前,预压进行了2次,以检查是否千分表,应变仪和机械传感器可以正常工作。在正式加载阶段,当加载力值接近80%的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载,每个级别的负载值不应超过5%的相应的计算值,和稳定的加载时间应该控制至少10分钟观察机械性能的发展趋势。
(一)
(b)
变位在中间的跨度和梁的抗拉钢筋的应变测量千分表和DH3818 y,分别。六个应变仪对称排列在抗拉钢筋两岸的纯弯曲部分的中间,和千分表安排中间的底部,如图3。
3所示。测试结果和讨论
在本节中,并给出了测试结果和调查,RAC梁之间的异同和南京汽车横梁进行了研究。
3.1。RAC的材料属性
为了获得RAC的材料特性,块RAC具有不同再生骨料取代率的制造和测试根据GB / T 50080 - 2016和GB / T 50081 - 2019 (26,27]。经济衰退指数被用来描述其和易性。数据显示,当更多的水被认为是,即使NCA替换率增加,衰退的衰退不会显著减少,仍然可以满足流动混凝土的标准。的力学性能指标,立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量主要是测量。测试结果如表所示6,从中可以看出三个力学性能降低NCA替代比例的增加。这一现象的主要原因是,有两种不同的界面过渡区(ITZ):一是新旧水泥砂浆之间的接口,另一个是新的水泥砂浆和再生骨料之间的接口。这ITZ削弱骨料和水泥之间的债券,降低混凝土的强度,增加其变形性能(28]。
3.2。分析RAC梁的承载力
测试结果表明,该测试光束具有不同再生骨料替代率和不同配筋率可以满足延性设计,这意味着强调强化收益率前梁失败。同时,由于纯弯曲部分的存在中跨,底部的第一次出现弯曲裂缝两端的纯弯曲部分。随着负载的增加,裂缝的数量和长度逐渐增加。当shear-bending部分有斜裂缝,裂缝的数量在中间跨度往往是稳定的。负载达到屈服荷载时,中跨的宽度裂缝成为更广泛的,开发的裂纹长度长,中跨偏转开始迅速增加。最后,在中跨混凝土被压碎,试验梁破坏(如图4)。
每个测试的load-mid-span挠度曲线梁图所示5,从中可以看出RAC梁的应力发展趋势和南汽梁是相似的。这表明RAC的结构工程应用是可行的。梁的发展阶段分为弹性阶段,工作阶段裂缝和破坏阶段。从图可以看出,NCA的替换率几乎没有影响RAC梁的极限荷载相比,由于配筋率的重要影响。这种现象是一样的NAC梁。此外,类似于NAC梁,从图可以看出5随着配筋率的增加,中跨钢棒在屈服阶段的挠度逐渐增加,但挠度增量减少。
(一)
(b)
通过记录开裂的时刻( ),产生的时刻( ),和最终的时刻( ),RAC梁的弯曲性能与不同再生骨料取代率、不同配筋率进行比较,其结果如表所示7。表中的弯矩值都是通过测试负载值的转换。从表可以看出7,NCA随着置换率的增加,裂纹时刻显著降低,表明RAC的抗拉强度较低,导致过早RAC梁的开裂。在这个结,它应该指出的最大减少开裂的时刻可以达到31.9%。另一方面,再生骨料替代率的变化对产量没有影响,最终的时刻,这是由于延性设计的混凝土梁(与适当的配筋率)。相比之下,配筋率有很大的影响在时刻和最终收益率,对开裂的影响是微不足道的。
图6显示了加载的载荷应变曲线钢,这表明所有的钢筋达到屈服点前梁的失败,因此,RAC梁满足延性破坏特征。使用拉伸增援也增加梁的屈服极限和强度极限,这会削弱的作用简单支撑梁的混凝土在实验失败。因此,替代率的变化NCA没有影响屈服极限和强度极限,而且没有明显的RAC梁之间的极限状态之间的差异和南汽梁。这个结论不一致Knaack和其他学者的研究成果7- - - - - -9]。
(一)
(b)
3.3。RAC梁的抗裂性
抗裂性是一个重要的指标对混凝土构件的正常使用极限状态。为了分析RAC梁的抗裂性,破解时间最终时刻的比例计算(/ )(如表所示7)。很明显,RAC梁裂缝比自然相同配筋率下混凝土梁。在实验中,应用时的NAC梁裂缝弯矩达到大约25%的极限弯矩,而对于RAC光束,将裂纹应用弯矩时只有17%到19%的极限弯矩。
图7每个试验梁的裂缝发展图,从中可以看出测试光束具有不同取代率都有类似的裂纹发展模式。所有试验梁的裂缝从纯弯曲部分开始装载应用程序点附近的长度小于50毫米。随着负载的增加,裂缝的长度和数量逐渐增加,而裂缝宽度的变化是不显眼的。负载的增加到一定阈值时,剪切斜裂缝出现在双方的光束,而支持地区几乎没有裂缝。纵向钢筋收益率时,中跨突然增加,挠度和垂直裂缝成为比1.7毫米,宽光束的失败。
(一)
(b)
从图可以看出8在相同配筋率,NCA替代比例的增加,中跨的裂纹数量逐渐增加,裂缝间距逐渐减小。这是因为,尽管债券影响RAC和钢筋之间减少和裂缝间距的增加,弹性模量和抗拉强度的降低RAC触发光束容易裂缝,这减少了裂缝间距。然而,即使NCA不变替代率和配筋率的增加,裂缝间距也会增加,这是符合南京的发展规律。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
4所示。校正公式RAC梁的开裂时刻计算
RAC开裂时刻的修正公式计算梁提出和验证在这一节中,可以解释不同的RCA替换比率。
4.1。破解RAC时刻计算梁的理论分析
根据上述讨论,RAC梁的抗裂性是主要影响RAC的极限抗拉应变。一些研究指出,RAC的拉伸应变峰值大于普通混凝土(29日]。吴等人证明了极限应变RAC相似的NAC (30.]。他进一步认为,当再生骨料替代率是100%,RAC梁的极限抗拉应变峰值压力的1.5倍,这是南汽的2倍。因此,RAC梁的正截面的应力-应变图可以得到如图9。
建立了水平力平衡方程如下(如图9):
压缩带的高度计算 。和最大压应力是1.413 。
RAC梁的开裂时刻计算如下: 在哪里是部分的阻力矩,对矩形截面, ,和是RAC的抗拉强度。
从方程(2),可以看出,塑料的基本价值影响阻力矩系数( )RAC光束为1.338,小于标准NAC价值1.55 (23]。换句话说,当拉伸应变峰值增加和极限抗拉应变不变,RAC梁的抗裂性必然会减少。自本文RAC开裂应变假设和不考虑钢筋的影响,有必要进一步验证开裂力矩的计算公式。
4.2。校正公式开裂时刻基于数值模拟计算
为了获得开裂的RAC梁对不同的再生骨料替代率,建立了三维有限元模型,分析了基于现有的有限元分析软件测试数据。
4.2.1。准备几何、材料建模和网格的有限元模拟
如图10,相应的提出了试验梁的有限元模型。图10 ()显示了混凝土梁几何、载荷的位置,和支持安排。图10 (b)显示了钢骨架的几何模型。所有模型的配筋率是0.77%不考虑配筋率的变化的数值分析。混凝土损伤塑性模型(CDP)是用于定义的本构特征。RAC丁提出的本构曲线有很好的符合南汽,从而避免混凝土弹性模量的衰减在弹性阶段(31日]。因此,采用这种本构曲线模拟,由方程(描述3)[31日]。
在哪里弹性模量的比例是RAC的割线模量达到峰值;提升部分的参数;下部分的参数; (是压力,是轴向抗压强度的测试值); (是应变,峰值应变)。单轴压缩下当RAC (n= 1),方程(3)可以改写如下:
(一)
(b)
当RAC在单向拉伸状态,(n= 2),则方程(3)成为 在哪里r是RCA的替代率,混凝土立方体抗压强度的测试值。
为了获得的损伤参数的损伤本构方程式CDP模型,本文采用的计算公式来源于Sidoroff能量等效原理,其具体公式如下(32]:
以下计算公式转换后获得的损伤因素是: 在哪里初始弹性模量;d是损害的因素。为了获得损伤本构模型的基本参数和匹配的基本机械数据测试光束,相对应的基本力学性能测试试验梁。具体数据如表所示8。
在模型中,一个三维固体元素使用8节点和6方面减少积分(C3D8R)是用于定义混凝土的主要元素。钢筋骨架元素由纵向钢筋、纵向钢筋,箍筋,模拟了一个三维的双节点桁架元素(T3D2)。T3D2元素只有三个自由度,只能进行轴向拉力或压力,这是适合模拟组件刚度大。垫块单元模拟了C3D8R元素。为了提高精度,网格大小的主要梁设置为10毫米,而钢筋骨架的长度是25毫米。
4.2.2。边界条件和加载配置
边界条件是指约束简支梁的实际情况,和垫块放置在150毫米(下缘)和650毫米从梁的两端。三个轴向约束和旋转约束Y轴和Z垫块上设置的轴是相反的方向X轴。轴向约束Y和Z旋转方向和约束Y轴和Z轴上设置缓冲块的正方向X轴。为了模拟实际的加载系统,使用单调集中力的加载模式。两个加载点的负载是100 kN(总共200 kN)。钢筋和混凝土之间的粘结滑移行为是由内置的模拟区域有限元节点的约束,它可以模拟钢筋和混凝土之间的理想滑动状态。
4.2.3。数值模拟分析结果
从图可以看出6,当混凝土的拉伸区域的下部梁裂缝,拉应力是由钢筋承担,这将导致钢筋的应变突变。因此,弯矩钢筋应变曲线的拐点通过有限元分析后处理可以用作开裂弯矩的标志( )。为了比较开裂弯矩的模拟值与相应的计算结果从当前代码值,开裂的时刻公式(8GB / T 50010 - 2010年)是用于计算23]。数值模拟计算的结果和结果代码如表所示9。 在哪里是破解的时刻;轴向抗拉强度;转换后的弹性阻力矩的横截面;是部分阻力矩的塑性影响系数;塑料的基本价值影响的阻力矩系数部分,即1.55矩形部分。
从表可以看出9,再生骨料替代率的增加,代码之间的相对误差计算值和试验值明显增加。就是破解时刻NAC梁的计算公式不再适用于RAC梁。破解时刻测试值的比值( )代码计算值( )被认为是y值(见表9),再生骨料替代率的作为r曲线拟合(图11)。因此,校正公式(10)的基本价值的塑性影响系数相应部分的阻力矩可以通过曲线拟合,其相关系数 。
改性塑料的基本价值影响部分的阻力系数和裂缝的计算值如下: 在哪里 , ,和塑料的基本价值是影响部分的阻力系数,塑料部分的阻力系数的影响,分别和开裂的时刻的价值。
4.3。验证修正公式计算开裂的时刻
为了验证提出的修改公式(12)开裂RAC梁提出的时刻,本部分分析了测试数据从其他研究人员,进一步获得比较测试结果与计算结果(12)。结果如表所示10,从这可以看出修改的公式得到的计算结果与实验数据吻合较好,得到了不同的研究人员。平均相对误差为3.83%,相对误差的标准差为2.12%,和最大绝对相对误差为7.66%,这进一步证明了(的正确性和准确性12)。
5。结论
本文首先研究的相似之处和差异NAC梁和RAC梁对混凝土材料性能、承载力、抗裂性能通过实验观察和测试。根据实验测试结果,校正公式提出了RAC梁的开裂时刻计算和验证通过数值模拟和优化拟合试验数据从其他研究人员。此外,也得出以下结论:(1)在相同配筋率下,开裂的时刻RAC梁降低RCA的替换率增加,而RCA的替换率只有一个微妙的影响产生时刻或终极RAC梁的延性设计(2)的配筋率对产量有相同的影响性能和RAC梁的极限承载力和南汽梁(3)过早开裂作用增加而越来越替代比例的RCA(4)尽管RAC梁的开裂行为类似于普通混凝土梁,债券的减少影响再生骨料混凝土与钢筋之间将导致裂缝宽度的增加,而弹性模量的降低和再生骨料混凝土的抗拉强度都导致早期开裂,裂缝间距的减少,增加钢筋应变和跨中挠度的增加(5)发现RAC梁的开裂的时刻逐渐减少随着置换率的增加,在RAC梁的开裂的时刻可以超过25%低于NAC梁如果RCA完全取代了天然骨料,指示当前的代码并不适用于RAC梁开裂计算(6)开裂的时刻的修正公式计算有足够的精度,其平均相对误差仅为3.83%。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称他们没有关于这篇文章的出版的利益冲突。
确认
作者希望承认金融支持提供由中国国家自然科学基金(52178301),重点研究和发展项目的湖北省科学技术厅(2020号bab071),武汉理工学院和科学研究基金会(K2021030)。