廢棄玻璃細(xì)骨料鋼筋混凝土柱的受壓性能

王鳳池，官爽，孫暢，賈世龍

(沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168)

玻璃在建筑、化工、儀器設(shè)備以及日常生活等諸多領(lǐng)域用量的逐年增加，廢棄玻璃所造成的“閃色污染”對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞。將廢棄玻璃回收并破碎，取代混凝土中的砂石骨料，是解決廢棄玻璃利用的新途徑[1-2]，不僅緩解了砂石的工程需求與資源匱乏之間日益突出的矛盾，也在某種程度上改善了混凝土的物理力學(xué)性能[3]。

Craig等[4]對(duì)廢棄玻璃取代天然骨料的最優(yōu)取代率、粒徑和堿硅反應(yīng)(ASR)進(jìn)行了研究。認(rèn)為通過(guò)優(yōu)化配合比并摻入適量粉煤灰能夠取得理想的混凝土強(qiáng)度，并減輕潛在ASR。Ahmad等[5]研究了廢棄玻璃作為粗骨料、細(xì)骨料和粉末骨料等3種廢棄玻璃骨料用于混凝土的性能，研究表明，細(xì)骨料能阻止ASR的影響，能改善混凝土的耐久性。王鳳池等[6]通過(guò)利用廢棄玻璃等質(zhì)量取代混凝土中的粗細(xì)骨料，研究了廢棄玻璃取代率和取代形式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和坍落度的影響。梁炯豐等[7]研究了玻璃骨料取代率對(duì)廢棄玻璃細(xì)骨料混凝土的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀和抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量的影響。劉光焰等[8]對(duì)廢棄玻璃混凝土的氯離子滲透性進(jìn)行了研究，研究表明，與天然骨料混凝土相比，玻璃細(xì)骨料混凝土的抗氯離子擴(kuò)散能力提高，玻璃粗骨料混凝土的抗氯離子擴(kuò)散能力有所減弱。羅輝等[9]通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)，研究了使用廢棄玻璃等質(zhì)量取代混凝土中的天然骨料對(duì)混凝土抗凍性能的影響，表明凍融循環(huán)對(duì)玻璃混凝土抗壓強(qiáng)度的影響小于普通混凝土。

學(xué)者們雖然對(duì)廢棄玻璃骨料混凝土的基本力學(xué)性能和耐久性能做了大量研究[10-13]，但對(duì)廢棄玻璃骨料混凝土柱力學(xué)性能的研究尚少。本文設(shè)計(jì)了18個(gè)玻璃骨料混凝土鋼筋混凝土柱，研究其在不同廢棄玻璃細(xì)骨料摻量、不同長(zhǎng)細(xì)比和不同偏心距下的偏壓承載性能和變形性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料及力學(xué)性能

試驗(yàn)玻璃來(lái)源于沈陽(yáng)市某玻璃加工廠的邊角余料。將回收的廢棄玻璃經(jīng)人工淘洗、碾碎后，按一定級(jí)配(最大粒徑為4 mm的篩網(wǎng))篩選。試驗(yàn)玻璃細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.97，屬于中砂，級(jí)配為Ⅱ級(jí)。玻璃細(xì)骨料基本特性如表1所示。

試驗(yàn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為C40，正常養(yǎng)護(hù)28 d。水灰比為0.43，廢棄玻璃細(xì)骨料取代天然河砂的取代率分別為0%、50%和100%。測(cè)定的不同玻璃骨料取代率混凝土抗壓強(qiáng)度如表2所示。

試件縱筋選用HRB400級(jí)熱軋帶肋鋼筋，箍筋選用HPB235級(jí)光圓鋼筋，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 玻璃細(xì)骨料基本特性

表2 混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度和彈性模量Table 2 Measured compressive strength and elastic modulus

表3 鋼筋的力學(xué)性能Table 3 The mechanical properties of steel bars

1.2 試件設(shè)計(jì)及制作

廢棄玻璃骨料鋼筋混凝土柱試件截面尺寸為b×h=200 mm×200 mm,保護(hù)層厚度c=25 mm。采用對(duì)稱配筋，配筋率為1.13%。試件高度l分別取800、1 200 mm，對(duì)應(yīng)的l1分別為400、800 mm。試件尺寸、骨料取代率、長(zhǎng)細(xì)比、偏心距等見(jiàn)圖1和表4。

圖1 試件的截面尺寸及配筋圖Fig.1 Section Dimension and Reinforcement of Specimens

考慮到偏心受壓情況，將柱兩端設(shè)計(jì)成牛腿形狀。分別在受壓試件的柱頭兩端預(yù)埋厚度為18 mm、截面尺寸為b×h=200 mm×300 mm的鋼板。為防止試件在受壓時(shí)鋼板翹曲變形，在其中部4個(gè)角焊接上4根直徑為18 mm的HRB335級(jí)螺紋鋼筋。試件具體尺寸及配筋情況見(jiàn)圖1。

表4 鋼筋混凝土柱基本參數(shù)Table 4 Basic parameters of reinforced concrete columns

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

軸心受壓試件的相鄰兩個(gè)側(cè)面以試件的中心線為基準(zhǔn)，在試件中部360 mm范圍內(nèi)依次粘貼3個(gè)混凝土應(yīng)變片。偏心受壓試件受拉側(cè)，以試件的中心線為基準(zhǔn)，在中部360 mm范圍內(nèi)依次粘貼3個(gè)應(yīng)變片。受壓側(cè)受到牛腿的影響，須確保跨中至少有1個(gè)應(yīng)變片。在試件側(cè)面寬度六等分處，平行地粘貼5個(gè)混凝土應(yīng)變片，如圖2(a)。

鋼筋應(yīng)變片的布置如圖2(b)，在試件4根縱筋的跨中位置以及距跨中向上、向下各100 mm(柱高600 mm，在距跨中向上、向下各50 mm)處各粘貼1個(gè)應(yīng)變片，跨中3個(gè)箍筋均各粘貼1個(gè)應(yīng)變片。試件采用軸心、小偏心、大偏心3種加載情況，加載裝置見(jiàn)圖3。

圖2 應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)分布Fig.2 Measuring point distribution of strain gauge

圖3 加載裝置Fig.3 Test setup

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 破壞現(xiàn)象

無(wú)論是軸心受壓、小偏心受壓還是大偏心受壓，玻璃混凝土柱與普通混凝土柱的破壞形態(tài)類似，都經(jīng)過(guò)了彈性變形階段、微裂縫階段、裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段和最后的裂縫迅速發(fā)展階段(圖4)。不同條件下的混凝土開(kāi)裂荷載如表5。

表5 開(kāi)裂荷載Table 5 cracking load

圖4 大偏心受壓柱的初始裂縫、極限裂縫及破壞形態(tài)Fig.4 The initial crack, limit crack and experimental phenomenon of large eccentric compression columns

以玻璃混凝土大偏心受壓長(zhǎng)柱為例。玻璃摻量不同，開(kāi)裂荷載不同(表4)。隨著玻璃摻量增加，開(kāi)裂荷載增加。隨著偏心距的增加，開(kāi)裂荷載降低明顯，這與普通混凝土是相同的。當(dāng)達(dá)到開(kāi)裂荷載時(shí)，在柱的跨中受拉區(qū)均出現(xiàn)了第1道橫向水平裂縫，但裂縫寬度不同，普通混凝土柱為0.03 mm，而100%玻璃混凝土柱為0.07 mm。出現(xiàn)裂縫后受拉鋼筋應(yīng)變和混凝土壓應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率加快，裂縫條數(shù)隨著荷載的增大而增多，裂縫基本等間距出現(xiàn)，普通混凝土柱裂縫間距約為100 mm，而100%玻璃混凝土柱間距略大，為110 mm；繼續(xù)加載，兩者均出現(xiàn)了典型的大偏心受壓破壞特征。玻璃混凝土柱極限裂縫寬度略大于普通混凝土柱。

2.2 荷載-軸向位移曲線

圖5是長(zhǎng)細(xì)比為4的玻璃骨料鋼筋混凝土柱在不同加載方式下的荷載與軸向位移曲線。軸心和小偏心受壓時(shí)時(shí)，隨著玻璃骨料摻量增加，極限荷載對(duì)應(yīng)的位移逐漸減小。而大偏心受壓時(shí)，100%玻璃骨料混凝土柱極限荷載對(duì)應(yīng)的軸向位移最小，50%玻璃骨料混凝土柱的軸向位移最大。

圖5 荷載-軸向位移曲線Fig.5 Load-axial displacement curves

2.3 荷載-跨中撓度曲線

如圖6(a)所示，軸心受壓構(gòu)件的跨中撓度變形較小，構(gòu)件的極限荷載對(duì)應(yīng)的撓度值均不大于1 mm，呈現(xiàn)了軸心受壓的特征。而小偏心受壓時(shí)(圖6(b))，普通混凝土柱荷載-撓度曲線出現(xiàn)了較明顯的下降段，具有脆性破壞特征；玻璃骨料鋼筋混凝土柱則未出現(xiàn)較明顯的下降段。但無(wú)論玻璃摻量多少，極限荷載對(duì)應(yīng)的撓度值均很小，因此,小偏心受壓下玻璃骨料鋼筋混凝土柱依舊為脆性破壞。而大偏心受壓狀態(tài)下(圖6(c))，普通鋼筋混凝土柱、50%玻璃骨料鋼筋混凝土柱、100%玻璃骨料鋼筋混凝土柱撓度變化曲線基本相同，破壞荷載對(duì)應(yīng)的撓度值明顯大于小偏心下的撓度值，具有明顯延性特征。

圖6 荷載-跨中撓度曲線Fig.6 Load-Middle Span Deflection Curves

2.4 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比l0/h= 4時(shí)，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7。無(wú)論是軸壓、小偏心受壓還是大偏心受壓，玻璃摻量對(duì)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均無(wú)明顯影響。偏心受壓時(shí)，加載初期曲線有明顯的彈性段。小偏心受壓時(shí)，偏心一側(cè)的混凝土極限應(yīng)變明顯大于另一側(cè)。相同應(yīng)力下，受壓側(cè)普通鋼筋混凝土柱的應(yīng)變較50%玻璃骨料鋼筋混凝土柱和100%玻璃骨料鋼筋混凝土柱小。受拉側(cè)100%、50%玻璃骨料鋼筋混凝土柱的應(yīng)變明顯大于鋼筋混凝土柱。而對(duì)于大偏心受壓(圖7(c))，受壓側(cè)玻璃細(xì)骨料摻量對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變影響不大，但受拉側(cè)100%玻璃骨料鋼筋混凝土、50%玻璃骨料鋼筋混凝土的極限應(yīng)變明顯大于普通混凝土。

圖7 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Concrete stress-strain curve

2.5 縱向鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

當(dāng)軸心受壓柱(圖8(a))荷載從0增大到800 kN時(shí)，受壓構(gòu)件的荷載與鋼筋應(yīng)變成線性關(guān)系增大，此后鋼筋的應(yīng)變迅速增大，直到鋼筋屈服。普通鋼筋混凝土柱的應(yīng)變大于玻璃骨料細(xì)骨料鋼筋混凝土柱。對(duì)于小偏心受壓柱(圖8(b))，在受壓側(cè)的鋼筋極限應(yīng)變最小，且鋼筋荷載-應(yīng)變曲線均出現(xiàn)屈服下降段。而對(duì)于大偏心受壓(圖8(c))，普通鋼筋混凝土柱和50%玻璃骨料鋼筋混凝土柱的鋼筋屈服應(yīng)變較接近，而100%玻璃骨料鋼筋混凝土柱鋼筋屈服應(yīng)變較小；在受拉側(cè)，鋼筋荷載-應(yīng)變曲線基本重合。當(dāng)加載至極限荷載時(shí)，玻璃骨料大偏心受壓柱的縱向鋼筋均已屈服。說(shuō)明受壓側(cè)鋼筋受到混凝土的影響，而受拉側(cè)因混凝土開(kāi)裂，鋼筋應(yīng)變基本相同。

圖8 鋼筋荷載-應(yīng)變曲線Fig.8 Reinforced load-strain curve

3 受壓正截面承載力分析

圖9為骨料取代率為50%時(shí)，不同長(zhǎng)細(xì)比和偏心距下跨中不同點(diǎn)應(yīng)變值。玻璃骨料鋼筋混凝土柱正截面應(yīng)變基本保持同一平面，可以采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[14](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)中的相關(guān)公式計(jì)算柱正截面承載力。

圖9 跨中不同點(diǎn)應(yīng)變值Fig.9 Strain values at mid span

對(duì)于軸心受壓柱，不考慮與偏心受壓構(gòu)件正截面承載力計(jì)算具有相近可靠度的調(diào)整系數(shù)0.9，采用式(1)計(jì)算。

(1)

式中參數(shù)含義見(jiàn)《規(guī)范》。

偏心受壓時(shí)，根據(jù)加載方式，圖1中的l即為柱的計(jì)算長(zhǎng)度l0。當(dāng)l0/b≥5時(shí)，考慮P-δ二階效應(yīng)，偏心距增大系數(shù)ηns按照式(2)計(jì)算。

(2)

表6 試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 6 Test results and calculate data

可見(jiàn)，除個(gè)別外，試驗(yàn)值與理論計(jì)算值比較接近。因此，對(duì)于玻璃骨料鋼筋混凝土受壓柱而言，運(yùn)用中國(guó)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)公式計(jì)算其承載力是合適的。

5 結(jié)論

1)玻璃骨料混凝土柱的受壓破壞機(jī)理和形態(tài)與普通混凝土柱相似，玻璃骨料摻量100%的玻璃骨料混凝土柱的承載力較高。

2)軸心和小偏心受壓時(shí)，隨著玻璃骨料摻量增加，極限荷載對(duì)應(yīng)的位移逐漸減小。而大偏心受壓時(shí)，100%玻璃骨料混凝土柱極限荷載對(duì)應(yīng)的軸向位移最小。

3)玻璃骨料混凝土柱受壓構(gòu)件正截面應(yīng)變始終保持同一平面，符合平截面假定。按現(xiàn)行的國(guó)家《規(guī)范》對(duì)玻璃骨料混凝土柱進(jìn)行正截面承載力計(jì)算，試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值較為接近。

4)用廢棄玻璃骨料替代天然骨料是可行的。由于取代細(xì)骨料可以避免堿骨料反應(yīng)，因此，可以100%地替代普通砂，且性能滿足要求。

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