CN110610015A - 碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，通过考虑碳化和再生粗骨料含量双重因素对再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线的影响，经过计算可以准确的预测不同粗骨料含量下碳化后的再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线。计算模型合理；预测结果准确；实用性强。

Description

碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法
技术领域
本发明涉及再生粗骨料混凝土评估技术领域，具体涉及一种碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法。
背景技术
再生混凝土作为一种新型环保的建筑材料，正在逐步应用于建筑工程中，同时再生混凝土具有较好的社会、环境效益，已经引起了人们广泛的重视。在此背景下，再生混凝土技术逐渐引起了人们的注意。再生混凝土，是指对废弃混凝土进行回收利用，让其作为再生混凝土骨料，来取代天然骨料而生产制成的混凝土。很明显，再生混凝土这门技术的研究和应用不仅可以利用大量的废弃混凝土，还会因为由废弃混凝土制成的再生骨料对天然骨料的替代，使建筑业减轻对自然资源的过度消耗。
混凝土结构自浇筑成型开始其材料就受到多方面的危害，主要有碳化危害，冻融危害，盐腐蚀危害和碱集料反应危害，简称“四害”，其中碳化危害是造成混凝土结构耐久性劣化最主要的因素。混凝土的碳化所造成实际工程结构耐久性劣化，究其原因是因为混凝土碳化破坏了混凝土内部钢筋表面的钝化膜从而引起钢筋的锈蚀，并且混凝土的碳化改变了其原来的力学及变形性能，使得混凝土结构遭到严重破坏，降低了其使用年限，这将造成巨大的直接或间接的经济损失。
随着再生混凝土技术的越来越成熟和再生骨料的工业化大规模生产，以再生混凝土作为材料的建筑也越来越多。开展再生混凝土碳化后力学性能试验研究，既可以深入了解再生混凝土碳化后的力学及变形性能，又可以使我们在新建再生混凝土建筑结构耐久性设计和既有再生混凝土建筑结构耐久性评定上提供有力的理论依据。然而混凝土在轴心受压时的应力-应变全曲线,反映了混凝土的最基本力学特性。
在本构关系方面，有国外学者Bairagi等曾进行过有关研究，指出不同再生粗骨料取代率下的再生混凝土的应力应变关系曲线具有相似的上升段，但下降段有所不同；并且还通过试验得到了多种再生粗骨料取代率下再生混凝土的本构关系曲线，但是遗憾的是并未给出再生混凝土本构关系数学模型。González-Fonteboa Belén等研究发现再生混凝土的峰值和极限应变随再生粗骨料掺量的增加而增大。当再生粗骨料混凝土的再生粗骨料取代率为100％时，极限和峰值应变都降低了很多，分别达到了22.0％和20.5％。Bhikshma V等通过建立回归模型，绘制拟合曲线，并与实验得到的不同取代率下的再生混凝土的应力应变曲线做了对比，发现拟合度很高。I B等绘制了在再生粗骨料取代率分别为0、30、50、70和100％下的再生混凝土的全应力-应变关系曲线。研究还发现，当普通混凝土与再生混凝土的抗压强度相同时，普通混凝土的弹性模量要比再生混凝土高30％。DhanavathGopal等试验并绘制了在再生粗骨料取代率分别为0、20、40、60、80和100％下的混凝土本构关系曲线，并分析得出结论：再生混凝土的峰值应变随再生粗骨料取代率的增加而增加，且比普通混凝土高得多；并且随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土的峰值应力是呈降低趋势的。Rühl M等通过试验获得了不同再生骨料取代率再生混凝士的应力-应变全曲线，他们发现随着再生骨料的增加，再生混凝土的峰值应变增加，当粗骨料全部采用再生骨料时，峰值应变较普通混凝土增加约20％。
R.V.Silva等研究表明：增加再生骨料含量会导致碳化深度的增加。如果在再生混凝土中使用100％的再生粗骨料，则可能会导致相对于普通混凝土2倍的碳化深度。MiguelBravo等研究分析了由来自葡萄牙各地的建筑和爆破废物制成的再生骨料混凝土的耐久性能，实验发现再生混凝土的碳化深度随再生粗骨料取代率是呈线性增长的。P Amorim等试验研究了不同的养护条件对由混凝土碎块制成的再生混凝土耐久性的影响。研究结果发现：在所有的养护条件下，由于RCA的高孔隙率,再生粗骨料混凝土的碳化深度都要高于普通混凝土。C.Thomas等通过实验主要对再生骨料混凝土的物理、力学和耐久性能进行了研究分析，并发现：随着再生粗骨料的加入,再生混凝土碳化速率显著增加。Sageo-Crentsil等发现掺入100％的再生粗骨料会使再生混凝土碳化速率增大10％。Otsuki等通过试验表明：其他影响因素不变的情况下，随着水灰比的增大，再生混凝土的碳化深度增加。在同一水灰比下，再生混凝土的碳化深度略大于普通混凝土。
综上所述，随着再生混凝土技术的成熟，越来越多的国内外学者投入到了再生混凝土的研究当中。再生混凝土本构关系是研究再生混凝土结构承载力和变性特征的基本依据，是分析构件极限承载力和进行非线性全过程分析时必不可少的，因此对于未碳化再生混凝土应力-应变关系已有很多学者进行了很多的研究。但是碳化致使再生混凝土内部化学成分、微观组织结构改变的同时，势必会造成再生混凝土强度、变形和延性等力学指标发生变化。故对碳化后再生混凝土的本构关系研究，既可为已有建筑物的耐久性及抗震性能分析提供理论依据，又可为钢筋混凝土结构的耐久性设计提供重要的借鉴意义。但是对碳化后再生混凝土的本构关系的研究文献还很少。
发明内容
针对背景技术中的不足，本发明提供了一种碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，能够有效地、准确地、定量地预测再生粗骨料混凝土碳化后的本构关系曲线。
本发明提供的碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，包括如下步骤：
步骤一，根据混凝土配合比，确定再生粗骨料混凝土的再生粗骨料取代率；
步骤二，根据试验，确定再生粗骨料混凝土的碳化深度；
步骤三，根据构件截面尺寸，确定再生粗骨料混凝土的横截面宽度；
步骤四，通过碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线计算公式，预测碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线；
所述的再生粗骨料混凝土的横截面宽度为沿所测碳化深度方向的混凝土横截面厚度。
所述的碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线计算公式为：
其中，x为相对本构关系曲线的横坐标；y为相对本构关系曲线的纵坐标；ε为本构关系关系曲线的应变；εp是峰值应变；σ为本构关系曲线的应力；σp是峰值应力；a为相对本构关系曲线上升段形状参数；b为相对本构关系曲线下降段形状参数；
所述的本构关系曲线形状参数a与b的计算公式为：
a＝2.385-0.111R+0.054D+0.040R2-1.038D2
b＝1.267-1.740R-0.237D+3.831R2+1.139D2
其中，R为再生粗骨料取代率；D为相对碳化深度；
所述的峰值应变εp的计算公式为：
εp＝1937.867+279.938·R-442.280·D+276.363·R2+206.703·D2
其中，R为再生粗骨料取代率；D为相对碳化深度；
所述的峰值应力σp的计算公式为：
σp＝27.641-13.630·R+11.993·D-13.061·R·D+8.019·R2+1.761·D2
其中，R为再生粗骨料取代率；D为相对碳化深度；
所述的相对碳化深度D的计算公式为：D＝d/h；
其中，d为实际碳化深度；h为再生粗骨料混凝土的沿所测碳化深度方向的混凝土横截面厚度。
本发明提供的碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，主要存在以下优点：考虑了碳化和再生粗骨料含量双重因素对再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线的影响，能准确地、有效地预测不同粗骨料含量下碳化后的再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线。
附图说明
图1为再生粗骨料混凝土的本构关系曲线图；
图2为再生粗骨料混凝土试验曲线与计算曲线的对比图。
具体实施方式
本发明提供的碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所采用的碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，包括如下步骤：
(1)根据混凝土配合比，确定再生粗骨料混凝土的再生粗骨料取代率；
(2)根据试验，确定再生粗骨料混凝土的碳化深度；
(3)根据构件截面尺寸，确定再生粗骨料混凝土的横截面宽度；
(4)通过碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线计算公式，预测碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线；
(5)步骤(3)中再生粗骨料混凝土的横截面宽度为沿所测碳化深度方向的混凝土横截面厚度；
(6)步骤(4)中碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线计算公式为：
其中，x为相对本构关系曲线的横坐标；y为相对本构关系曲线的纵坐标；ε为本构关系关系曲线的应变；εp是峰值应变；σ为本构关系曲线的应力；σp是峰值应力；a为相对本构关系曲线上升段形状参数；b为相对本构关系曲线下降段形状参数；
(7)步骤(6)中本构关系曲线形状参数a与b的计算公式为：
a＝2.385-0.111R+0.054D+0.040R2-1.038D2
b＝1.267-1.740R-0.237D+3.831R2+1.139D2
其中，R为再生粗骨料取代率；D为相对碳化深度；
(8)步骤(6)中峰值应变εp的计算公式为：
εp＝1937.867+279.938·R-442.280·D+276.363·R2+206.703·D2
其中，R为再生粗骨料取代率；D为相对碳化深度；
(9)步骤(6)中峰值应力σp的计算公式为：
σp＝27.641-13.630·R+11.993·D-13.061·R·D+8.019·R2+1.761·D2
其中，R为再生粗骨料取代率；D为相对碳化深度；
(10)步骤(7)、步骤(8)和步骤(9)中相对碳化深度D的计算公式为：
D＝d/h
其中，d为实际碳化深度；h为再生粗骨料混凝土的沿所测碳化深度方向的混凝土横截面厚度。
试验例
(1)混凝土原材料
海螺牌32.5R复合硅酸盐水泥；Ⅱ区中砂，细度模数为2.60的河砂；再生粗骨料、普通粗骨料与细骨料的基本性能见表1。
表1再生粗骨料、普通粗骨料与细骨料的基本性能
(2)混凝土配合比
根据再生混凝土应用技术规程(DG/TJ-2018-2007)计算得到目标强度为20MPa的完全再生粗骨料混凝土的配合比，再通过适配确定再生混凝土的配合比，再生混凝土配合比见表2。
表2再生混凝土的配合比
(3)试验方法
根据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082-2009)对所有试块进行快速碳化试验，然后用100mm*100mm*100mm的立方体试件进行碳化深度测量试验，然后根据普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T 50081-2002)用100mm*100mm*100mm的立方体试块进行立方体抗压强度试验和用100mm*100mm*300mm的棱柱体进行单轴受压试验。碳化深度测量结果与立方体抗压强度测量结果见表3。由于试验试件的横截面为100mm*100mm，故相对碳化深度D为实际碳化深度与50mm的比值。
表3碳化深度测量结果与立方体抗压强度测量结果
(4)试验结果
每种再生粗骨料取代率下再生混凝土的本构关系曲线如图1所示。
(5)计算结果与试验结果对比
将再生粗骨料取代率和相对碳化深度等参数代入下列碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线计算公式中：
a＝2.385-0.111R+0.054D+0.040R2-1.038D2
b＝1.267-1.740R-0.237D+3.831R2+1.139D2
εp＝1937.867+279.938·R-442.280·D+276.363·R2+206.703·D2
σp＝27.641-13.630·R+11.993·D-13.061·R·D+8.019·R2+1.761·D2
其中，x为相对本构关系曲线的横坐标；y为相对本构关系曲线的纵坐标；ε为本构关系关系曲线的应变；εp是峰值应变；σ为本构关系曲线的应力；σp是峰值应力；a为相对本构关系曲线上升段形状参数；b为相对本构关系曲线下降段形状参数；R为再生粗骨料取代率；D为相对碳化深度。
不同再生粗骨料取代率和不同碳化深度下的再生粗骨料混凝土的试验本构关系曲线与计算曲线的对比如图2所示。
由图2所知，不同再生粗骨料取代率和不同碳化深度下的再生粗骨料混凝土的试验本构关系曲线与计算曲线比较吻合，说明本发明方法可靠。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (7)

1.碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一，根据混凝土配合比，确定再生粗骨料混凝土的再生粗骨料取代率；
步骤二，根据试验，确定再生粗骨料混凝土的碳化深度；
步骤三，根据构件截面尺寸，确定再生粗骨料混凝土的横截面厚度；
步骤四，通过碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线计算公式，预测碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线。
2.根据权利要求1所述的碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，其特征在于：所述的再生粗骨料混凝土的横截面厚度为沿所测碳化深度方向的混凝土横截面厚度。
3.根据权利要求1所述的碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，其特征在于：所述的碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线计算公式为：
其中，x为相对本构关系曲线的横坐标；y为相对本构关系曲线的纵坐标；ε为本构关系关系曲线的应变；εp是峰值应变；σ为本构关系曲线的应力；σp是峰值应力；a为相对本构关系曲线上升段形状参数；b为相对本构关系曲线下降段形状参数。
4.根据权利要求3所述的碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，其特征在于：所述的本构关系曲线形状参数a与b的计算公式为：
a＝2.385-0.111R+0.054D+0.040R2-1.038D2
b＝1.267-1.740R-0.237D+3.831R2+1.139D2
其中，R为再生粗骨料取代率；D为相对碳化深度。
5.根据权利要求3所述的碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，其特征在于：所述的峰值应变εp的计算公式为：
εp＝1937.867+279.938·R-442.280·D+276.363·R2+206.703·D2
其中，R为再生粗骨料取代率；D为相对碳化深度。
6.根据权利要求3所述的碳化后再生粗骨料混凝土本构关系曲线计算方法，其特征在于：所述的峰值应力σp的计算公式为：
σp＝27.641-13.630·R+11.993·D-13.061·R·D+8.019·R2+1.761·D2
其中，R为再生粗骨料取代率；D为相对碳化深度。
7.根据权利要求4所述的碳化后再生粗骨料混凝土单轴受压本构关系曲线计算方法，其特征在于：所述的相对碳化深度D的计算公式为：D＝d/h
其中，d为实际碳化深度；h为再生粗骨料混凝土的沿所测碳化深度方向的混凝土横截面厚度。
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