鋼管再生混凝土柱力學性能的影響因素

王 剛

（1.攀枝花學院土建學院，攀枝花 617000；2.工業固態廢棄物土木工程綜合開發利用四川省高校重點實驗室，攀枝花 617000）

0 引言

再生混凝土是指將廢棄的混凝土塊經過破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合，部分或全部代替砂石等天然集料（主要是粗集料），再加入水泥、水等配而成的新混凝土［1］。在城鎮化不斷推進的今天，城市建筑固體廢棄物排放量日益增加，其中，廢混凝土占比可達45%左右，廢混凝土排放總量已經突破1億噸，這些城市建筑固體廢棄物不僅會占據大量的土地資源，而且還會造成一系列環境問題和社會問題，如何將這些城市建筑固體廢棄物進行循環再利用并形成再生混凝土是大家共同關注且亟待解決的課題［2］。雖然相較天然混凝土再生混凝土的力學性能和耐久性能等較差而在很大程度上限制了其應用，但是其耐久性能和對混凝土的約束能力會由于鋼管的密封性而得以改善［3］，鋼管與再生混凝土的協同作用將為再生混凝土在實際建筑工程中的應用提供機遇，然而，目前國內外對于鋼管與再生混凝土的協同作用及其作用機理的報道較少［4］。在此基礎上，本文探討將再生混凝土應用于鋼管混凝土柱中，并對鋼管再生混凝土在承受偏壓過程中的破壞特征與受力性能進行分析，以期為鋼管再生混凝土柱在城鎮化建設實際工程中的應用提供參考和技術支撐。

1 試驗材料與方法

試驗材料包括細度1.42%的P42硅酸鹽水泥（3 d抗壓強度和抗折強度分別為33.5 MPa和6.2 MPa）、廢棄混凝土加工而成的再生骨料（平均粒徑15 mm、含水率1.7%、吸水率4.6%、微粉含量3.2%）、河沙和自來水。再生混凝土配合比設計如表1所示，按照GB/T 50107—2010《混凝土強度檢驗評定標準》制作150 mm×150 mm×150 mm立方試塊并自然養護28 d后［5］，測試取代率為0、40%和100%時再生混凝土立方體的抗壓強度分別為27.8 MPa、30.8 MPa和30.3 MPa；鋼管選用名義壁厚為3 mm和5 mm的Q275方鋼管，依據國標GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗方法》測得壁厚3 mm和5 mm鋼管的抗拉強度分別為360 MPa和395 MPa，屈服強度分別為290 MPa和330 MPa，斷后伸長率分別為34.5%和30.9%，彈性模量都為2.05×105MPa。

表1 再生混凝土配合比設計Table 1 Mix design of recycled concrete

共設計7組再生骨料取代率、長細比和鋼管壁厚的再生混凝土柱，試件具體尺寸如圖1所示，鋼管再生混凝土柱的設計參數如表2所示，分別列出了7組試件的再生骨料取代率、柱高、長細比、偏心距、偏心率、壁厚和寬厚比指標。

表2 鋼管再生混凝土柱的設計參數Table 2 Design parameters of recycled concrete filled steel tubular columns

圖1 鋼管再生混凝土柱的具體尺寸Fig.1 Specific dimensions of recycled concrete filled steel tube column

再生混凝土柱的制作在哈爾濱工業大學結構實驗室進行，加載試驗在YES-500型壓力試驗機上進行，所有試件安裝完畢后進行位移計、連接應變片等的連接［6］。荷載控制采用逐級加載方式進行，每級加載值為預估載荷的10%、持續1.5 min，直至加載至極限載荷70%后調整為預估載荷的5%進行加載，加載速率控制在0.5 kN/s，試件承載下降過程中的載荷達到80%極限載荷時停止加載［7］。再生混凝土柱的位移計和應變片布局如圖2所示。試驗過程中，通過INV2366型總線多功能靜態應變測試分析系統采集數據，破壞過程中的宏觀形貌采用Nikon數碼相機進行拍攝。

圖2 鋼管再生混凝土柱的具體測點布局Fig.2 Layout of specific measuring points of recycled concrete column

2 試驗結果及討論

2.1 破壞過程

圖3為不同取代率下試件的破壞發展過程宏觀形貌。對于FPXB3-1（100%）試件，隨著試驗加載的進行，試件宏觀形貌中會依次出現輕微鼓脹、鼓曲變形、嚴重變形和整體破壞的過程，而FPXB3-7（0）和FPXB3-9（40%）試件在加載過程也會出現同樣的破壞形態；對比分析可知，再生骨料取代率為100%、0和40%時試件在出現輕微鼓脹時的載荷分別為對應峰值載荷的75%、71%和67%，且輕微鼓脹對應的部位都位于試件上端（距頂部120～220 mm），此時試件逐漸從彈性變形階段轉變為彈塑性階段；隨著荷載的繼續增大，再生骨料取代率為100%、0和40%的試件會出現明顯鼓脹變形，且出現的位置與輕微鼓脹位置相同，此時試件的承受的載荷都已經達到峰值載荷的85%左右，試驗過程中還可以聽到3組試件上發出混凝土壓裂的聲音；繼續增加載荷至峰值載荷后，再生骨料取代率為100%、0和40%的試件都出現了嚴重變形，局部位置還會發出炸裂聲音，隨后承載力出現降低；當3組試件的載荷降低至峰值載荷75%時，終止試驗并觀察到試件發生不同程度的整體破壞。從再生骨料取代率為100%、0和40%的試件破壞形態來看，加載過程中都會出現輕微鼓脹、鼓曲變形、嚴重變形和整體破壞的過程，再生骨料取代率并不會改變試件的破壞過程。

圖3 不同再生骨料取代率下試件的破壞形態Fig.3 Failure modes of specimens with different replacement rates of recycled aggregate

圖4為不同長細比下試件的破壞發展過程宏觀形貌。對于長細比分別為33.5（FPXB3-3）和51.8（FPXC3-3）試件，加載過程中試件同樣會依次出現輕微鼓脹、鼓曲變形、嚴重變形和整體破壞的過程，以及彈性、彈塑性和承載力降低階段；此外，不同長細比的兩組試件的鼓脹位置與不同再生骨料取代率的試件（圖1）相同，鼓曲變形階段對應的載荷相似且同樣伴隨著混凝土破碎聲音，而嚴重變形階段出現的3個試面的褶皺形態以及鋼管角度炸裂均與圖1的3組試件相似，直至試件承載力降低至峰值載荷75%時終止試驗。由此可見，長細比的變化不會改變鋼管再生混凝土柱的破壞過程。

圖4 不同長細比下試件的破壞形態Fig.4 Failure modes of specimens with different slenderness ratios

選取壁厚不同的FPXB3-3（3.23 mm）和FPXB5-1（5.03 mm）試件進行對比分析，后者在加載過程中的破壞形態如圖5所示。與壁厚為3.23 mm的試件相同的是，加載過程中壁厚5.03 mm的試件也出現了輕微鼓脹、鼓曲變形、嚴重變形和整體破壞的過程，以及彈性、彈塑性和承載力降低階段［8］；兩組不同壁厚試件的差異在于，在兩組試件的荷載到達峰值載荷75%左右時，壁厚3.23 mm試件上部已出現輕微鼓脹，而壁厚5.03 mm試件表面未見鼓脹現象。當荷載增加至峰值載荷85%左右時，壁厚3.23 mm試件上端板發生嚴重傾斜及鼓曲變形，而壁厚5.03 mm試件僅在中部出現輕微鼓脹；當荷載增加至峰值載荷時，壁厚3.23 mm試件上端發生嚴重變形，表面呈現褶皺狀，直至卸載過程中發生整體破壞，而壁厚5.03 mm試件則出現鼓脹變形、嚴重變形直至整體彎曲破壞。對比分析可知，在其他設計參數相同條件下，壁厚會對鋼管再生混凝土柱的破壞過程產生明顯影響，即較薄的壁厚下試件會由于端部屈曲而造成整體破壞，而較厚的壁厚下試件主要為中部彎曲失穩造成整體破壞，且端部具有較好的抵抗承載力的作用［9］。

圖5 FPXB5-1試件的破壞形態Fig.5 Failure mode of FPXB5-1 test piece

2.2 承載力

對不同設計參數下鋼管再生混凝土柱的承載力進行分析，結果如圖6所示。從圖6（a）的取代率對承載力的影響曲線中可知，再生骨料取代率為100%、0和40%時試件的峰值載荷分別為967.3 kN、924.4 kN和853.4 kN，再生骨料取代率為100%和40%時試件的承載力平均值相較再生骨料取代率為0試件分別降低2.0%和3.9%，即鋼管再生混凝土柱的承載力會隨著再生骨料取代率減小而增大。從圖6（b）的長細比對承載力的影響曲線中可知，長細比為33.5和51.8時試件的峰值載荷分別為967.3 kN和804.4 kN，后者的承載力平均值較前者降低約13.3%，即鋼管再生混凝土柱的承載力會隨著長細比增大而減小。從圖6（c）的壁厚對承載力的影響曲線中可知，壁厚為3.23 mm和5.03 mm時試件的峰值載荷分別為702.3 kN和1148.0 kN，后者的承載力平均值較前者提升了51.7%，即鋼管再生混凝土柱的承載力平均值會隨著壁厚增大而提高，且壁厚影響較為顯著。

圖6 鋼管再生混凝土柱的承載力曲線Fig.6 Bearing capacity curves of recycled concrete filled steel tube columns

2.3 軸向荷載-軸向位移曲線

對不同設計參數下鋼管再生混凝土柱的軸向荷載-軸向位移曲線進行測試，結果如圖7所示。從圖7（a）的取代率對軸向荷載-軸向位移的影響曲線可知，隨著再生骨料取代率從0增加至100%，試件在彈性階段的直線斜率逐漸減小，這主要是因為再生骨料取代率較高試件的初始軸向剛度較小，在試件到達峰值載荷時軸向壓縮位移較大的緣故［10］；從圖7（b）的長細比對軸向荷載-軸向位移的影響曲線可知，隨著長細比從33.5增加至51.8，試件在彈性階段的直線斜率減小，這與長細比較大試件的初始軸向剛度較小，在試件到達峰值載荷時軸向壓縮位移較小有關［11］，此外，長細比為33.5的試件的軸向剛度相對較大；從圖7（c）的壁厚對軸向荷載-軸向位移的影響曲線可知，壁厚3.23 mm試件在彈性階段的直線斜率與壁厚5.03 mm試件基本重合，而加載過程中壁厚3.23 mm試件的軸向載荷較小，這也就說明壁厚對初始軸向剛度影響較小，而加載過程中壁厚較小試件的軸向剛度相對較小［12］。

圖7 鋼管再生混凝土柱的軸向荷載-軸向位移曲線Fig.7 Axial load axial displacement curves of recycled concrete filled steel tube columns

2.4 軸向荷載-柱中側向撓度曲線

對不同設計參數下鋼管再生混凝土柱的軸向荷載-柱中側向撓度曲線進行測試，結果如圖8所示。從圖8（a）的取代率對軸向荷載-柱中側向撓度的影響曲線可知，再生骨料取代率為0、40%和100%時試件的破壞位移分別為9.45 mm、12.87 mm和9.87 mm，峰值位移分別為5.27 mm、7.66 mm和8.11 mm，隨著再生骨料取代率從0增加至100%，鋼管再生混凝土柱的側向剛度會不斷減小，而側向變形則呈現逐漸增大趨勢；從圖8（b）的長細比對軸向荷載-柱中側向撓度的影響曲線可知，長細比為33.5和51.8時，試件的破壞位移分別為21.55 mm和26.85 mm，峰值位移分別為13.53 mm和19.45 mm，隨著長細比從33.5增加至51.8，鋼管再生混凝土柱的側向剛度明顯減小、側向擾度明顯增大，造成試件的整體變形更加嚴重；從圖8（c）的壁厚對軸向荷載-柱中側向撓度的影響曲線可知，壁厚3.23 mm和5.03 mm試件的破壞位移分別為21.55 mm和35.47 mm，峰值位移分別為13.53 mm和15.83 mm，壁厚增加會造成側向剛度略有增大，而側向擾度則明顯增大，整體表現出延性顯著改善的特征［13］。

圖8 鋼管再生混凝土柱的軸向荷載-柱中側向撓度曲線Fig.8 Axial load lateral deflection curves of recycled concrete filled steel tube columns

2.5 分析與討論

不同取代率、長細比和壁厚條件下的鋼管再生混凝土柱在加載過程中都會依次出現輕微鼓脹、鼓曲變形、嚴重變形和整體破壞的過程，但是不同設計參數下鋼管再生混凝土柱的破壞過程與特征存在一定差異，且具體可分為兩類：①加載過程中試件上端距頂部120～220 mm位置處受壓屈曲并發生彎曲，直至整體破壞；②加載過程中鋼管再生混凝土柱中部彎曲失穩直至整體彎曲破壞。

從鋼管再生混凝土柱的承載力曲線可知［14］，取代率、長細比和壁厚都會對單偏壓試件承載力產生影響，但是取代率對試件承載力的影響要小于長細比和壁厚，后兩種因素對承載力的影響都較為顯著。在其他設計參數不變條件下，鋼管再生混凝土柱的承載力會隨著再生骨料取代率減小而增大、長細比增大而減小、壁厚增大而提高。

從鋼管再生混凝土柱的軸向荷載-軸向位移曲線可知，取代率、長細比和壁厚都會不同程度影響軸向荷載-軸向位移曲線［15］。其中，在其他設計參數不變前提下，再生骨料取代率小的試件的軸向剛度較大，長細比雖然對初始軸向剛度不會產生明顯影響，但是增加長細比會減小加載后期試件的軸向剛度；此外，壁厚對鋼管再生混凝土柱的軸向剛度有明顯影響，壁厚小的試件的軸向剛度會相對較低。

從鋼管再生混凝土柱的軸向荷載-柱中側向撓度曲線可知，取代率、長細比和壁厚不同的試件在加載過程中都經歷了彈性、彈塑性和塑性變形階段，其中，加載初期的彈性階段的軸向荷載-柱中側向撓度基本呈線性關系，載荷增加過程中的彈塑性階段的軸向荷載-柱中側向撓度曲線斜率逐漸減小，直至峰值載荷后的塑性變形階段的側向撓度急劇上升并造成試件整體破壞。隨著再生骨料取代率的增加，鋼管再生混凝土柱的側向剛度不斷減小、側向變形逐漸增大；隨著長細比從33.5增加至51.8，鋼管再生混凝土柱的側向剛度明顯減小、側向擾度明顯增大，造成試件的整體變形更加嚴重；壁厚增加則會造成鋼管再生混凝土柱側向剛度略有增大、側向擾度則明顯增大，整體表現出延性顯著改善的特征［16］。

3 結論

（1）不同取代率、長細比和壁厚條件下的鋼管再生混凝土柱在加載過程中都會依次出現輕微鼓脹、鼓曲變形、嚴重變形和整體破壞的過程，且破壞特征可分為加載過程中試件上端距頂部120～220 mm位置處受壓屈曲并發生彎曲直至整體破壞，以及中部彎曲失穩直至整體彎曲破壞兩類。

（2）取代率對單偏壓試件承載力的影響要明顯小于長細比和壁厚，且在其他設計參數不變條件下，鋼管再生混凝土柱的承載力會隨著再生骨料取代率減小而增大、長細比增大而減小、壁厚增大而提高。

（3）在其他設計參數不變條件下，再生骨料取代率小的試件的軸向剛度較大，增加長細比會減小加載后期試件的軸向剛度，壁厚小的試件的軸向剛度會相對較低。在其他設計參數不變條件下，再生骨料取代率的增加會造成鋼管再生混凝土柱側向剛度減小、側向變形增大；長細比的增加會造成鋼管再生混凝土柱的側向剛度減小、側向擾度明顯增大；壁厚的增加會造成鋼管再生混凝土柱側向剛度略有增大、側向擾度則明顯增大。