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各国再生混凝土弹性模量公式误差对比及计算方法研究

2024-11-20 117 上传者：管理员

摘要：再生混凝土力学性能参数的确定对再生混凝土的推广使用至关重要，但各国规范中仅对普通混凝土的性能提出了一些经验公式估算，对再生混凝土并无详细规定。弹性模量是再生混凝土的重要力学指标，为了明确再生混凝土的弹性模量计算方法，现对比7个国家的规范标准（TS 500、ACI 318M-05、CSA A23.3-04、SP 52-101-2003、EN 1992-1-1、DB11/T 803和AS-3600-2001）公式对已有的试验数据进行预测结果，对比分析发现，TS 500、DB11/T 803和EN-1992-1-1高估了弹性模量，美国规范ACI318较为接近。因此考虑各国规范的优缺点，提出了一个新的公式推导了再生混凝土弹性模量，取得了较好结果。为再生混凝土结构的工程应用提供一定的参考价值。

关键词：
再生混凝土
各国规范对比
弹性模量
环保意识
环境保护
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环境保护是一项关乎民生的基本问题。在建筑行业中，应更加重视环保意识，保护自然资源和可持续发展。近年来，中国的城市化进程加快，导致大量基础设施被拆除，产生了大量的建筑垃圾。目前，中国的建筑垃圾已经占到城市固体垃圾总量的30%-40%，而废旧混凝土则是建筑垃圾中占比最大的一项，据估计，中国大陆目前每年产生约2亿吨废旧混凝土[1]。从环境保护和资源循环使用角度出发，正确地进行废旧混凝土的回收利用迫在眉睫。而利用再生混凝土骨料，发展再生混凝土（RAC），是回收利用废混凝土的有效途径，对建筑业实现可持续发展具有重要意义[2]。

随着越来越多的中国专家和工程师认识到再生混凝土的优点和重要性[3-4]，迄今为止，已进行了大量实验研究，以研究再生骨料混凝土（RCA）的材料和物理性能以及再生骨料混凝土在工程实践中的应用[5-6]。对于再生混凝土的推广使用，其性能参数包括，再生骨料的性能、再生混凝土的配合比设计、再生混凝土抗压强度测试、直接和间接抗拉强度、抗剪强度、弹性模量、泊松比等，都需要被确定[7-8]。为了方便设计人员的使用，我们需要对相关联的材料性能进行理论预测。在Dilbas等[9]人之前的研究中，制备了包括100%再生骨料、5%粉煤灰和10%粉煤灰的试样组，在28天龄期时，对试件的抗压强度、压缩弹性模量、劈裂抗拉强度和密度进行了测试。

本研究的目的是确定使用不同国家标准中给出的理论公式计算出普通混凝土和再生混凝土的弹性模量是否与试验结果接近，并改进提出新的弹性模量预测公式，使之能够更好地反映再生混凝土的力学性能，为再生混凝土的推广使用提供一定的参考。

1、试验数据

1.1试验设计

收集了来自文献[9]的再生混凝土弹性模量试验数据，其中，再生混凝土骨料来源于拆除的建筑物，拆除的构件先在施工现场破碎成大块，之后再进入实验室利用颚式破碎机进行破碎，再生粗骨料被破碎成<30mm的骨料。之后通过筛分机，将再生骨料按照天然骨料的筛分等级进行筛分，具体为0.25,0.5,1,2,4,8,16,32mm。再生骨料的密度和吸水率都按照标准方法进行测算。

为了增强再生混凝土的工作性能，在生产中使用了减水剂，增强了流动性能，并且对所有的再生骨料进行了预浸泡的方式，减少吸水率对强度的影响。再生混凝土的具体配比如表1所示。再生混凝土的受压试块均采用150*D300的圆柱体试块。

试验采用伺服压力机进行，压力和位移均有自带的量测系统记录，试验采用力控的形式，根据《混凝土力学性能试验方法标准》，加载速率取为10.6k N/s，加载至试件破坏。

1.2试验结果

该试验采用弹性切线模量表征再生混凝土的弹性模量，切线模量的取值为在应力等于最大应力值的40%的点处与应力-应变曲线相切的直线的斜率，所有试件的弹性模量计算值如表2所示。

表1 混凝土配合比

2、不同规范弹性模量公式

各国的公式被用于估算试样的弹性模量。表2中列出了确定的弹性模量值。

(1)土耳其规范TS 500。土耳其规范关于混凝土的弹性模量公式如下所示：

其中，fck为混凝土的标准强度值，它的取值应满足下面的规定。

其中，fcm为一组混凝土试块中平均值，fc,min为一组混凝中的最小值。

(2)美国规范ACI-318。美国规范关于混凝土的弹性模量公式如下所示：（MPa)

其中，wc为混凝土密度（kg/m3),f′c为一组混凝土试块的平均抗压强度（MPa）。第一个公式适用于密度较小的混凝土，其密度范围在1440～2480kg/m3之间，第二公式则用于密度正常的混凝土。为了区分两个公式，后续的计算以ACI 318M(1）表示第一个公式计算结果，ACI 318M(2）表示第二个公式计算结果。

(3)加拿大规范CSA A23.3-04。加拿大规范关于混凝土的弹性模量公式如下所示，适用于正常密度范围内的混凝土，且其抗压强度在20-40MPa之间。

其中，f′c为一组混凝土试块的平均抗压强度（MPa）。

(4)俄罗斯规范规范SP 52-101-2003。俄罗斯规范SP52-101-2003定义了混凝土的应力与应变之间的关系，给出了三线性和双线性应力-应变图，如图1所示。根据该标准，混凝土状态图用于非线性变形模型中钢筋混凝土构件的计算。

对于三段式线性而言，混凝土的弹性模量计算方法如下所示。

其中，σb为混凝土受压强度（MPa),εb为与混凝土受压强度对应的应变，Eb为弹性模量（MPa),Rb为考虑除以安全系数γb计算得到的轴压强度值（MPa），σb1为计算强度0.6Rb的对应的抗压强度值（MPa),εb1为混凝土强度σb1对应的应变值，εb2为规范规定的应变值。

对于二段式线性而言，混凝土的弹性模量计算方法如下所示：

其中，σb为混凝土受压强度（MPa),εb为与混凝土受压强度对应的应变，Eb,red为缩减弹性模量（MPa),Rb为最大轴压强度值（MPa），σb1为与Rb数值相等时的抗压强度值（MPa),εb1为混凝土强度σb1对应的应变值，εb2为规范规定的应变值。

图1 混凝土三线性和双线性本构图

(5)欧洲规范EN 1992-1-1。欧洲规范中的弹性模量公式如下所示

其中，fcm是混凝土平均抗压强度（GPa）。

(6)澳大利亚规范AS-3600-2001。澳大利亚规范中的弹性模量公式如下所示：

其中，fcm是一组混凝土的平均抗压强度（MPa），ρ为混凝土的密度（kg/m3）。

表2 各国规范结果对比（MPa)

表3 各国规范计算弹性模量归一化结果

(7)中国规范。中国规范中的普通混凝土弹性模量公式如下所示：

其中，fcu是一组混凝土的平均抗压强度（MPa）。

(8)各国规范公式结果对比。通过将各国公式计算，与实验结果对比可知，其中，中国规范，美国规范ACI中的弹性模量结果与实验结果相符，具体可见表2。

(9)新拟合公式提出。由表2可知，当再生混凝土中使用了较大取代率的再生骨料时，ACI给出了再生混凝土的较低弹性模量。因此，尝试根据获得的试验参数（弹性模量、抗压强度、密度、混合物中的取代率比例等）来推导出一个有效的弹性模量公式。根据对弹性模量与其他参数之间关系的检验，得出了以下方程（包括抗压强度和密度的独立变量）：

其中，fcm是一组混凝土的平均抗压强度（MPa），ρ为混凝土的密度（kg/m3）。

3、结果与讨论

为方便比较，我们通过将规范公式计算值与切线模量分别进行归一化，具体的计算结果如表3所示。研究发现，与试验结果相比，中国规范、TS 500和EN-1992-1标准高估了弹性模量。一般来说，弹性模量与混凝土的参数密切相关，如混合物中骨料的体积比、抗压强度和骨料模量。再生骨料的力学性能较差，如裂缝和粘附的旧砂浆具有较高孔隙率，会导致再生混凝土的弹性模量降低。然而，根据试验结果，普通混凝土的弹性模量高于所有试样的弹性模量。另一方面，美国规范ACI 318M-05和澳大利亚规范AS-3600-2001提出了相同的理论弹性模量方程，并且它们均考虑了密度和平均抗压强度对弹性模量的影响，同时密度对弹性模量的影响不容忽视。根据规范结果和提出的新公式发现，新公式对试验结果拟合取得较好的效果，并且更加准确地考虑再生骨料取代率对弹性模量的影响。

4、结论

本文探究了再生混凝土各国规范弹性模量计算公式。(1)在弹性模量预估计算中，中国规范、土耳其标准（TS500）和欧洲标准（EN-1992-1-1）高估了弹性模量，美国规范ACI318较为接近。(2)随着再生骨料取代率的增加，现行规范对再生混凝土弹性模量的计算误差偏高，取代率越高，误差越大。(3)本文提出了一种适用于再生混凝土弹性模量的计算公式，与试验结果对比，取得了较好的结果。

参考文献:

[1]孙跃东,肖建庄.再生混凝土骨料[J].混凝土,2004(06):33-36.

[2]陈峰,伍凯,南洋,等.混合再生骨料混凝土基本力学性能研究[J].四川建筑科学研究,2016,42(04):93-97.

[3]刘坚,吴城斌.再生混凝土发展现状及性能研究[J].混凝土,2018(06):148-150.

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[5]王春晖,肖建庄.再生细骨料混凝土材料性能与结构行为研究评述[J].土木工程学报,2022,55(05):37-53.

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[7]李祥,崔浩.土木工程中组合再生混凝土材料性能分析[J].黑龙江科学,2023,14(10):37-39.

[8]丁发兴,方常靖,龚永智,等.再生混凝土单轴力学性能指标统一计算方法[J].建筑科学与工程学报,2014,31(04):16-22.

文章来源:陈达文,余汉国,钱振华.各国再生混凝土弹性模量公式误差对比及计算方法研究[J].价值工程,2024,43(32):92-94.