混凝土橋梁拆除廢料再生利用試驗研究

李雅娟 韋錦帆 杜進生

摘要：利用混凝土橋梁拆除廢料制作同一強度等級的不同粗骨料替代率的3根混凝土梁，并對其進行靜力加載試驗，比較不同的替代率對試驗梁性能的影響。結果表明：各試驗梁的截面變形符合平截面假定，受壓區高度隨著替代率的增加而增大；再生混凝土梁的開裂彎矩均比普通混凝土梁小，結構規范中的公式計算值偏于不安全；再生混凝土梁的裂縫發展較普通混凝土梁紊亂和密集，跨中撓度略大于普通混凝土梁，極限抗彎承載力平均值比普通混凝土梁低11.7%。

關鍵詞：混凝土橋梁；廢料再生；抗彎承載力；再生粗骨料

中圖分類號：U443.32文獻標志碼：B

0引言

隨著危舊橋梁的逐年遞增、改擴建項目的不斷增加及公路建設的持續發展，許多橋梁需要進行拆除，大量的拆除廢料隨之產生[1]。對橋梁拆除所產生的混凝土廢料進行破碎、清洗和分級后，作為再生混凝土的骨料再利用，不僅可節約成本，提高經濟效益，而且可減少環境污染，對推進資源節約型、環境友好型社會建設具有重要的現實意義。

為此，國內外學者進行了多方位的研究：美國學者對再生粗骨料混凝土的性能進行了深入研究；澳大利亞學者對比了澳洲和日本的再生混凝土建設成果；國內數十家研究機構和大學（包括同濟大學、西安建筑科技大學、哈爾濱工業大學、廣西大學等）開展了再生混凝土的研究，一些學者進行了材料及結構構件層次的研究，并取得了一定成果。

目前，混凝土廢料循環再利用更多地還處在試驗室研究階段，缺乏完善的再生骨料和再生骨料混凝土的技術規程、標準；且研究多集中在建筑領域，橋梁工程技術領域的研究相對較少[24]。基于此，本文在借鑒已有研究成果的基礎上，制作3根同一強度等級、不同替代率的再生混凝土梁，分析其正截面抗彎性能，并討論與現行規范的符合程度，為再生粗骨料混凝土梁在工程中的應用提供參考。

1試驗概況

考慮不同再生粗骨料替代率（0、50%、100%），試驗設計了1根普通粗骨料混凝土梁和2根再生粗骨料混凝土梁，分別以NC、RC50、RC100表示。

1.1配合比設計

試驗梁材料采用拉法基牌42.5R復合硅酸鹽水泥，試驗用水為實驗室的生活用水，骨料包括粒徑為5～315 mm連續級配的天然骨料和粒徑為5～300 mm的再生骨料（基體混凝土為強度等級C40的廢料混凝土）；細骨料為河道天然細沙。粗骨料的基本物理性能按照《建設用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的技術要求進行試驗，結果見表1。

再生混凝土采用基于自由水的配合比設計方法，以避免再生骨料因吸水率較大而導致再生混凝土強度不穩定的問題[5]。首先根據普通混凝土的配合比確定每立方米混凝土各材料用量；然后根據表1中粗骨料的吸水率增加相應的用水量進行試配，拌制混凝土拌和物，進行和易性試驗，觀察拌和物的粘聚性與保水性，并測量坍落度，直至符合技術要求，最后確定各試驗梁的配合比，見表2。

1.2試驗方案

試驗梁所使用的材料參數見表3，試驗梁內部鋼筋應變和外部混凝土應變、撓度測點布置如圖1、2所示。

由圖2可看出，試驗梁采用三分點加載方式，在加載點和支座段有500 mm的彎剪段，在加載點之間有500 mm的純彎段，荷載通過分配梁被平均分到2個加載點上。

試驗過程共有2個加載步驟，分為預加載和正式加載。預加載值取計算開裂荷載的60%，并觀察各位移計和應變片的數值變化情況，以保證正常工作。之后進行正式加載，以0.1 MPa·s-1的速率進行加載，系統每秒自動采集試驗梁的荷載、撓度和應變等數值，2名觀察者在梁旁邊觀察裂縫的開展情況，并做好標記，寫上此時的荷載值。

2試驗結果分析

2.1主要試驗結果

3根試驗梁的主要試驗結果見表4。由表4可知，相同的混凝土強度下，再生混凝土梁的抗彎極限彎矩均比普通混凝土梁小，兩者差異在11.7%之內，并未隨粗骨料替代率的增加而發生大幅度降低。但再生混凝土梁的開裂彎矩要低于普通混凝土梁，其中RC50梁的開裂彎矩最低，為NC梁的51.0%。試驗梁的跨中撓度也隨著替代率的增加而小幅增大。

2.2荷載縱向主筋應變分析各個荷載等級下，試驗梁跨中縱向主筋應變變化情況見圖3。由圖3可見，曲線主要由3段組成，即彈性工作階段、開裂后至縱向主筋屈服段以及屈服后的水平段。開始加載時，試驗梁整個截面都會參加工作，成為全截面工作階段，由于荷載較小，混凝土處于彈性階段，受拉區混凝土承擔主要的拉力，截面應變分布基本呈三角形；之后，荷載繼續增大至約15 kN時，混凝土達到極限拉應變，截面底部開始出現橫向裂縫。開裂后至縱向主筋屈服時，隨著荷載的增加，鋼筋應變逐漸增大[6]，在同一級荷載下，普通混凝土梁的鋼筋應變要比再生混凝土梁小。鋼筋屈服后，試驗梁的荷載幾乎不再增加，但是應變持續變大，直至受壓區混凝土壓碎。

2.3荷載跨中撓度分析

梁的撓度變化能很好地反映梁受力時的變化情況，撓度的增加直觀展現了試驗梁從加載到破壞的整個過程，綜合反映試驗梁的抗彎性能[7]。通過對各試驗梁撓度數據的處理，剔除支座位移，得出梁撓度隨著荷載的變化情況，如圖4所示。

由圖4可見，再生混凝土梁與普通混凝土梁一樣，隨著荷載加載的持續進行，荷載撓度曲線大致可分為3個階段，即彈性階段、帶裂縫工作階段和破壞階段。

2.3.1彈性階段

這一階段再生混凝土梁與普通混凝土梁相同，隨著荷載增加，撓度呈線性增加[8]。受拉區混凝土和縱向主筋共同承擔梁的拉應力。

2.3.2帶裂縫工作階段

這一階段曲線的斜率較彈性階段減小，形狀近似直線，說明試驗梁此時仍具有較好的線彈性。當截面出現裂縫后，受拉混凝土退出工作，原先承擔的拉力傳給了主筋，梁的撓度和截面曲率比彈性階段大幅增加[9]。從圖4可以看出，相同的加載值下，隨著粗骨料替代率的增加，試驗梁的撓度值逐漸變大，抗彎剛度逐漸降低，NC梁跨中撓度值最小。由數據分析可知，再生混凝土梁在此階段的平均撓度值比NC梁大10%左右，說明再生混凝土梁的抗彎剛度的下降速度較普通混凝土梁快。

試驗梁抗彎剛度降低的原因為：再生骨料強度較低，所以再生混凝土梁的彈性模量較低，降低速率隨著粗骨料替代率的增加逐漸減小，造成了RC50梁和RC100梁的抗彎剛度幾乎相同；再生粗骨料在制備時內部損傷較多，在荷載作用下，微裂縫易發展成界面裂縫，進而貫通，使混凝土強度降低；再生骨料和天然卵石骨料混合時，由于卵石骨料內摩擦角較小，骨料間的機械咬合力不強，界面間容易發生滑動產生裂縫，所以在后期的荷載等級下，RC50梁的曲線斜率會比RC100梁低，直至梁被破壞，說明RC50梁的極限荷載比RC100梁略小；澆筑時，水泥膠體會流入再生粗骨料表面的微裂縫，使界面水泥水化反應更加充分，膠結力得到增強，再生混凝土的界面得到較大強化，從而提高了混凝土整體的強度和剛度。因此，隨著粗骨料替代率的增加，后期RC100梁的抗彎剛度比RC50梁略微提高。

2.3.3破壞階段

隨著荷載持續加大，梁的跨中撓度繼續增加，當縱向主筋屈服后，荷載不再增大，而撓度大幅增加，增長速度變快。當加載值達到極限荷載，曲線出現明顯的拐點，之后由于撓度過大，荷載逐漸下降。鋼筋屈服后，在很小的荷載增量下，梁都會產生很大的變形，中性軸不斷上移[10]。當受壓區混凝土達到混凝土的極限壓應變時，受壓區混凝土被壓碎，梁正截面受到彎破壞，再生混凝土梁的破壞彎矩均比普通混凝土梁小，撓度范圍為107～111 mm，相差不大，隨著粗骨料替代率的增加，撓度小幅增加。

2.4裂縫發展及分布

3根試驗梁的裂縫開展規律基本相同：彈性階段結束后，隨著荷載的增加，在試驗梁的跨中底部出現第一條橫向受拉裂縫，然后往梁側面延伸，在支座和加載點之間的梁段也出現斜裂縫；當荷載繼續增大，裂縫開展更充分，分布更加密集，有些裂縫甚至相互連通起來；當達到極限荷載時，裂縫寬度最大，達到20 mm，長度可達15 cm。試驗梁典型裂縫分布情況如圖5所示。

但是，試驗梁裂縫開展情況也存在差異。隨著粗骨料替代率的增加，平均裂縫間距隨之增加，RC50梁、RC100梁的平均間距較NC梁分別增長了71%、14.1%。對于相同的加載值，裂縫的寬度隨著粗骨料替代率的增加而略微變寬，裂縫長度有所降低，但是裂縫條數更多，說明再生骨料的微裂縫對裂縫的形成至關重要[11]。隨著替代率的增加，試驗梁的裂縫分布也更加密集和紊亂，其中RC100梁加載點下側面還出現沿縱筋方向的水平裂縫。具體原因主要是：再生混凝土與縱筋的粘結力不足，導致鋼筋周邊混凝土劈裂受拉而出現裂縫；再生混凝土的抗拉強度不足。

3規范適用性驗證分析

3.1平截面假定驗證

根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）中的要求，抗彎構件在進行承載力計算時，必須滿足規范中的基本假定。其中就有滿足平截面假定這個重要條件，這是承載力計算和后續分析的基礎。

試驗梁沿截面高度每隔40 mm布置一個應變片，通過IMP數據采集系統直接采集應變值，圖6為3根試驗梁在各個加載值下混凝土的受拉、受壓應變曲線。

從圖6可以看出，平截面假定仍然適用本文抗彎過程中的試驗梁。在各級荷載下，隨著粗骨料替代率的增加，各測點的應變值也隨之線性降低，說明再生混凝土的材料均勻性比普通混凝土差。3根試驗梁的受壓區高度如表5所示。

由表5可知，隨著再生混凝土替代率的增加，受壓區高度隨之增加。這是因為再生粗骨料孔隙率大，強度較低，需要較高的高度才能承擔由受拉鋼筋所產生的彎矩。

3.2開裂彎矩

《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）中關于開裂彎矩的計算公式為

Mcr=724ftbh2（1）

式中：Mcr為受彎構件正截面開裂彎矩值；ft為混凝土軸心抗拉強度設計值；b、h分別為構件截面的寬度和高度。

利用式（1）計算出各梁的開裂彎矩計算值，并與試驗值進行對比分析。

3根試驗梁的開裂彎矩計算值與試驗值如表6所示。從表6可知，相同的混凝土強度等級下，再生梁的開裂彎矩均比普通梁小，其平均值大致為普通梁的569%，減小幅度較大，這是由再生骨料的內部缺陷過多而導致的。

根據數值對比，3根梁的計算值與試驗值的比值為1.030～1.250，其中再生混凝土梁的計算值與試驗值差距超過24%，誤差較大。故規范中關于開裂荷載的計算對再生混凝土不適用，需綜合考慮在再生混凝土梁的計算值基礎上乘以折減系數。

3.3抗彎承載能力

通過以上的試驗結果可知，再生混凝土梁的正截面受彎時能保持平面，滿足平截面假定，破壞特征也與普通混凝土梁類似，符合《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）中關于抗彎承載力計算的4個基本假定。因而，可以根據規范中關于梁正截面抗彎承載公式計算其抗彎承載力。

在簡化計算時，采用等效原理，截面受力狀態及計算示意如圖7所示。2個圖形的等效原則為：2個應力圖形的合力C相等；合力C的作用點不變。

根據以上的基本假定和等效原則，由平衡條件可得到再生混凝土梁抗彎承載力C的計算公式

C=fyAs=α1fcbx（2）

Mu=Ch0-x2=α1fcbxh0-x2（3）

聯立式（2）、（3）得

Mu=fyAsh0-fyAs/2α1fcb（4）

式中： fy為鋼筋抗拉強度設計值；As為縱向受拉鋼筋截面面積；α1為等效矩形應力圖系數，取10；fc為混凝土軸心抗壓設計強度；b為截面寬度；xn為中性軸高度；x為混凝土等效受壓區高度；Mu為構件的正截面受彎承載力設計值；h0為截面有效高度。

將試驗中實測的材料強度值，即fy=412 MPa，fc=0.76 fcu（fcu為邊長為150 mm的混凝土立方體抗壓強度標準值）代入式（4），得到各試驗梁的極限彎矩計算值，結果見表7。由表7中的結果對比可以得到，再生混凝土梁極限彎矩試驗值與計算值之比的平均值為1037，標準差為0004 3，變異系數為042%。規范計算值與試驗值符合度較好，3根梁的極限彎矩試驗值均大于計算值，規范中計算正截面抗彎承載力的理論和方法適用于再生混凝土梁。

4結語

通過本文的研究，可以得到如下結論。

（1） 再生混凝土梁在抗彎過程中有3個階段：混凝土未裂階段、混凝土帶裂縫工作階段和破壞階段。再生混凝土梁與普通混凝土梁的抗彎過程有一致性，破壞特征均為縱向主筋先屈服，然后受壓區混凝土被壓碎。

（2）再生混凝土梁在抗彎破壞過程中，隨著粗骨料替代率的增加，受壓區高度逐漸增大，截面的應變變化情況滿足平截面假定原則。

（3） 再生混凝土梁的開裂彎矩比普通混凝土梁小，其平均值大致為普通混凝土的56.9%，規范中關于開裂彎矩的計算公式不再適用，應考慮一定的調整系數。

（4）再生混凝土梁的跨中撓度略大于普通混凝土梁，裂縫的發展和延伸隨著粗骨料替代率的增加而更加紊亂和密集，裂縫長度較短，但是寬度較大。

（5） 再生混凝土梁的撓度和應變變化與普通混凝土梁類似，抗彎過程滿足設計規范中的4個基本假定，再生粗骨料混凝土梁抗彎承載力總體比普通混凝土梁低，隨著粗骨料替代率的增加又略微增長，可以依照現行規范估算再生粗骨料混凝土梁的正截面抗彎承載力。

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[責任編輯：王玉玲]