約束再生混凝土足尺試件受壓應力應變全曲線試驗研究

吳超垚，彭有開，吳徽

（北京建筑大學“工程結構與新材料”北京高等學校工程研究中心，北京，100044）

約束再生混凝土足尺試件受壓應力應變全曲線試驗研究

吳超垚，彭有開，吳徽

（北京建筑大學“工程結構與新材料”北京高等學校工程研究中心，北京，100044）

為研究箍筋約束再生混凝土的單軸受壓應力應變全曲線，對9個直徑為500 mm、高度為1 500 mm的再生混凝土圓形柱進行試驗，采用20 000 k N伺服液壓試驗機進行位移控制加載。試驗參數主要為縱筋率、箍筋間距與直徑、加載應變速率。試驗結果表明，箍筋間距、配箍率對試件延性影響較大。當加載應變速率由0.000 003／s增大到0.003 3／s時，試件的峰值應力增大1.14倍。分析表明，再生混凝土應力應變全曲線與普通混凝土類似，但下降段較普通混凝土陡峭，脆性更為明顯。

約束再生混凝土；足尺試件；應力應變全曲線

為實現建筑業的可持續發展，再生混凝土作為一種綠色再生材料愈來愈得到人們的關注。受壓應力應變全曲線既是混凝土基本受壓特性的綜合性宏觀反映，又是研究混凝土結構承載力和變形的主要依據，它對于分析構件極限狀態時截面的應力分布、彈塑性全過程以及抗震結構延性和恢復力特性具有重要意義。目前，國內外學者對普通混凝土的應力應變全曲線已做了大量研究［1-7］，對于再生混凝土應力應變全曲線的研究，主要有再生混凝土單軸受壓的力學性能［8-10］和FRP、鋼管約束再生混凝土本構關系研究［11-13］，而對于箍筋約束再生混凝土本構關系的研究卻很少見，尤其缺乏采用足尺試件進行研究。本文采用20 000 k N液壓試驗機進行位移控制加載，對9個足尺的圓形截面配筋試件進行軸壓試驗，得到試件的單軸受壓應力應變全曲線，并與Mander等［14］建議的約束混凝土受壓應力應變全曲線進行對比分析，可為再生混凝土約束本構關系的深入研究提供參考。

1 試驗設計

1.1 試件材料

再生骨料由河北省邯鄲市全有生態建材有限公司生產，原材為廢棄混凝土，廢磚含量極少。再生粗骨料的最大粒徑為20 mm，試驗前對再生粗骨料和天然骨料采用同一篩網篩分，均為連續級配。再生混凝土按照強度等級C40來設計，再生粗骨料取代率為50%，配比見表1。

按照《金屬材料室溫拉伸試驗方法》（GB／T 228—2002）的要求，每種類型的鋼筋留取3個試樣，鋼筋試樣實測強度見表2。實測混凝土同齡期抗壓強度見表3。

表1 再生混凝土配合比Table 1 Mix proportion of recycled concrete kg·m－3

1.2 試件設計

共設計9根再生混凝土圓形柱，采用不間斷軸向單調加載，以得到再生混凝土柱的應力應變全曲線。圓形截面試件采用螺旋箍筋形式。截面試件尺寸與配筋等參數設置見圖1、表3。

圖1 試件尺寸 （單位：mm）Figure 1 Dimension of specimens

表3 試件設計參數Table 3 Parameters of specimens

續表3

1.3 試驗裝置與加載

試件加載安裝圖見圖2，采用20 000 k N液壓試驗機對試件施加軸向壓力，加載過程采用位移控制，加載速率見表3，當加載至箍筋斷裂，承載力顯著降低時，試驗結束。軸力值由作動器輸出，數據采集儀采集。位移傳感器通過絲桿連接在試件預埋的螺栓上，測量試件受壓時產生的軸向變形，測距為試件中間長度為450 mm的區段。4個位移傳感器兩兩對稱布置于試件周圍，試件的軸向壓縮變形值為測量數據的平均值。

圖2 加載裝置Figure 2 Test set-up

2 試驗現象與破壞形態

隨著軸向變形增大，試件達到最大承載能力之前，保護層開始松動并出現豎向裂縫，可聽到開裂的聲響。達到最大承載能力以后，豎向裂縫擴展，局部出現貫通，保護層開始剝落。隨著試件承載能力的下降，保護層大量剝落，箍筋開始外鼓，最后屈服斷裂，縱筋也出現壓屈外鼓現象。對于箍筋較密試件，混凝土壓碎現象比較明顯。對于配箍較疏試件，出現傾斜破壞帶，其傾角為45°～60°。圖3（a）～圖3（i）為試驗結束后，清理完量測儀器以及表層松動混凝土的各試件最終破壞形態。

圖3 各試件最終破壞形態Figure 3 Final failure of specimens

3 試驗結果及分析

3.1 應力應變全曲線

通過試驗實測的荷載位移數據，利用公式（1）進行轉化得到各試件加載過程中的應力應變全曲線，其曲線如圖4所示。由于試件制作時混凝土保護層取得較厚，試件加載達到最大承載力時，混凝土保護層剝落，承載力出現下降，導致試件C2和試件C9曲線下降段出現突降的原因。σ＝N／A：ε＝Δl／l（1）式中：N為試件的軸向荷載；A為試件全截面面積；為試件加載過程中量測段的壓縮位移；l為試件量測段高度450 mm。

根據各試件的應力應變全曲線可得到各自的峰值應力、峰值應變以及第一根箍筋斷裂時的應變，具體數值見表4。

表4 試件試驗結果Table 4 Experimental results of specimens

圖4 各試件應力應變全曲線Figure 4 Stress-strain curves of specimens

3.2 結果對比分析

圖5給出了不同試驗參數變化對試件應力應變全曲線的影響。1）箍筋直徑的影響。隨著箍筋直徑的增加，峰值應力、延性比β增大，但趨勢不太明顯，見圖5（a）。2）縱筋數量的影響。隨著縱筋數量的增加，即縱筋配筋率的提高，試件峰值應力、延性比β有所提高。縱筋和箍筋共同形成骨架，對混凝土約束作用加強，見圖5（b）。3）縱筋直徑的影響。在相似縱筋配筋率情況下，隨著縱筋直徑的增加，試件峰值應力變化不太，見圖5（c）。4）箍筋間距的影響。在相似箍筋配筋率情況下，隨著箍筋間距的增加，試件峰值應力變化不太，但延性比β減小，見圖5（d）。5）箍筋配筋率的影響。在其他參數一樣的條件下，配筋率越高，峰值應力、延性比β越大，見圖5（e）。6）加載速率的影響。相同條件下，加載速率越大，延性比β越小，對峰值應力的增加也有一定的影響，見圖5（f）。

圖5 不同試驗參數變化對應力應變全曲線的影響Figure 5 Effects of different experimental parameters on stress-strain curves

3.3 實驗曲線與Mander模型曲線的比較

參考Mander模型給出的本構關系，得出相同參數設置下再生混凝土試件的理論曲線。進行無量綱化處理，橫坐標用ε／εp表示（其中εp為峰值應變），縱坐標用σ／σp表示（其中σp為峰值應力）。由圖6可見，與天然骨料混凝土相比，再生混凝土的變化過程相似，上升段基本相同，但在峰值點以后的下降段開始，再生混凝土明顯下降的比天然骨料混凝土快，由此也能說明再生粗骨料存在的缺陷，其脆性性質也較天然骨料更加顯著。

圖6 實驗曲線與Mander模型曲線對比Figure 6 Comparison between stress-strain curve obtained by Mander model and experimental stress-strain curve

4 結 論

基于9個再生混凝土試件的軸向加載試驗，通過試驗結果對比分析得出如下結論。

1）在縱筋配筋率相同情況下，減少縱筋直徑，增加縱筋數量，能提高試件的延性。

2）在箍筋配筋率相同情況下，減少箍筋間距，能提高試件的延性。

3）在相同條件下，提高箍筋配筋率，可以顯著提高試件的峰值應力和延性。

4）通過采用Mander模型得出的理論曲線與實驗曲線進行對比，曲線變化基本類似，分上升段和下降段，上升段基本重合，但實測的下降段曲線較理論曲線陡峭，說明再生混凝土脆性較為顯著。

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（編輯 胡 玲）

Experimental study on complete stress-strain curve of full-scale specimen of confined recycled concrete under compression

Wu Chaoyao，Peng Youkai，Wu Hui

（Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing，100044，P.R.China）

To study the complete stress-strain curve of stirrup confined recycled concrete under uniaxial loading，we tested on nine circular column specimens of recycled concrete which have a diameter of 500 mm and a height of 1 500 mm.In this test，we used a servo-hydraulic test machine with a capacity of 20 000 k N for displacement and loading control.The main test parameters are longitudinal reinforcement ratio，the spacing and diameter of stirrup，and applied strain rate.The results show that the spacing of stirrup and stirrup ratio have great influence on the ductility of specimens.The peak stress of specimen increases 114% when the applied strain rate increases from 0.000003／s to 0.0033／s.The complete stress-strain curve of recycled concrete is similar to that of normal concrete but the descending branch is stiffer than that of normal concrete，which means that the recycled concrete is more brittle than normal concrete.

confined recycled concrete；full-scale specimen；complete stress-strain curve

2015-08-20

Beijing Municipal Commission of Education（No.PXM2015_014210_000005）；Beijing University of Civil

TU375

A

1674-4764（2016）01-0077-07

10.11835／j.issn.1674-4764.2016.01.011

2015-08-20

北京市教委市屬高校創新能力提升計劃項目（PXM2015_014210_000005）；北京建筑大學博士科研啟動基金項目（00331615007）

吳超垚（1990-），男，主要從事再生混凝土力學性能研究，（E-mail）549780410＠qq.com。

Engineering and Architecture（No.00331615007）

Author brief：Wu Chaoyao（1990-），main research interest：mechanical properties of recycled concrete，（E-mail）549780410＠qq.com。