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新老界面过渡区对砂浆强度的影响研究

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摘要：本文通过试验研究新老界面过渡区对砂浆强度的影响，并根据试验结果，设置有限元模型参数，进行数值模拟分析，比较分析试验结果与三维有限元数值模拟结果，分析结果表明界面过渡区的存在会改变砂浆的破坏形态，使破坏首先发生在该区域，并且界面过渡区的存在对砂浆抗折和抗压强度都有不同程度的削弱。

关键词：砂浆；界面过渡区；数值模拟；强度

引言

随着我国城市棚户区改造的推进，建筑垃圾的数量成倍增长。据统计，建筑垃圾一般占城市垃圾总量的30%~40%，每年数量达20亿吨。如何妥善处理堆积如山的建筑垃圾，是值得关注的经济问题、环境问题和社会问题，也是整个建筑行业要承担的重要责任。将建筑垃圾资源化，利用其配制再生混凝土用到新建筑中是解决这一问题的最佳方案。因此，学者们对再生混凝土做了大量研究[1~4]，研究结果普遍表明，在同样的条件下，再生混凝土的抗压强度低于普通混凝土。学者们指出，复杂且薄弱的界面过渡区是再生混凝土强度降低的主要原因。再生混凝土界面过渡区比普通混凝土复杂得多，包括旧界面过渡区（天然集料-旧砂浆）、新界面过渡区（新砂浆-旧砂浆）及天然集料-新砂浆[5]。学者们对具体每一种界面过渡区对再生混凝土强度影响并没有做相关研究。本文采用试验及数值模拟方法，研究新老砂浆界面过渡区对砂浆试块强度的影响，为新老砂浆界面过渡区对再生混凝土强度影响研究提供依据。

1试验

1.1试验原材料

试验采用水泥为南方水泥有限公司生产的42.5普通硅酸盐水泥，砂为厦门艾斯欧标准砂有限公司生产的ISO标准砂，水为普通自来水。

1.2试验方法

1.2.1试验组设置

对照组设置二十组试件（A1，A2，A3……A20），按1：3：0.5的配合比制作尺寸为40mm×40mm×160mm的水泥胶砂试件，试件在标准养护条件下成型24h后拆模，并于标准养护室中养护28天。

试验组设置二十组试件（B1，B2，B3……B20），按1：3：0.5的配合比制作尺寸为20mm×40mm×160mm的水泥胶砂试件，试件在标准养护条件下成型24h后拆模，并于标准养护室中养护28天，然后在半尺寸试件基础上制作同配比全尺寸试件，试件在标准养护条件下成型24h后拆模，并于标准养护室中养护28天。

1.2.2强度试验

将试块一个侧面放在抗折强度试验机支撑圆柱上，试块长轴垂直于支撑圆柱，通过加荷圆柱以50N/s±10N/s的速率均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面上，直至折断，根据折断时的荷载计算抗折强度。

将折断后的棱柱体置于压力机上进行抗压强度试验，在整个加荷过程中以2400N/s±200N/s的速率均匀地加荷直至破坏，根据破坏时的荷载计算抗折强度。

1.3试验结果

抗折试验结果如图1所示，由图1可以看出，A组抗折强度总体大于B组，A组抗折强度平均值为7.0MPa，B组抗折强度平均值为6.4MPa，抗折强度损失为8.6%。抗压试验结果如图2所示，由图2可以看出，A组抗压强度总体大于B组，A组抗折强度平均值为26.2MPa，B组抗折强度平均值为24.9MPa，抗压强度损失为5.0%。

在试验过程中，观察试件的破坏形态，发现，A组试件抗折破坏初始裂缝主要发生在中间底部边缘，而B组试件抗折破坏初始裂缝主要发生在中间界面过渡区的位置；A组试件抗压强度破坏呈沙漏状，而B组试件抗压破坏主要集中在中部界面过渡区。

2数值模拟

2.1有限元模型建立

采用通用软件ABAQUS中的C3D8R单元分别对A型试件和B型试件进行受力分析模拟。试件共划分为3.24万个单元。B型试件的界面过渡区弹性模量参数取正常水泥胶砂试件的50%[6]。先对试件进行抗折计算，然后取半尺寸试件进行抗压试验分析。

2.2计算结果

采用抗折试验加载荷载的平均值对试件进行加载计算，计算结果为，在平均抗折荷载作用下，A型试件底部主拉应力最先达到1.5MPa，表明试件从底部开始破坏；在平均抗折荷载作用下，B型试件界面过渡区主拉应力最先达到1.5MPa，表明试件从界面过渡区开始破坏。以上结果表明，在平均抗折荷载作用下，试件的主拉应力分布与试验情况下相同。

采用抗压试验加载荷载的平均值对试件进行加载计算，计算结果为，在平均抗压荷载作用下，A型试件上下缘主拉应力最先达到1.5MPa，试件中心主拉应力较大，表明试件出现沙漏型破坏；在平均抗压荷载作用下，B型试件界面过渡区主拉应力最先达到1.5MPa，表明试件从界面过渡区开始破坏。以上结果表明，在平均抗压荷载作用下，试件的主拉应力分布与试验情况下相同。

3结论与展望

本文以新老砂浆界面过渡区为研究对象，采用试验研究与三维有限元数值模拟分析相结合的方法，可以提出以下主要结论和展望：

（1）界面过渡区的存在削弱砂浆强度，抗折强度损失为8.6%，抗压强度损失为