圓鋼管約束再生混凝土軸壓力學性能試驗研究

李雪鵬胡忠君金麗娜曾會淋

（吉林大學建設工程學院，長春 130026）

0 引言

隨著我國基建規模不斷擴大，砂石消耗量巨大，原材料短缺導致砂石價格逐年上升。與此同時，每年因改造、拆建產生的廢棄混凝土產量亦達到幾十億噸的規模，如何消納這些固廢材料并將其資源化再利用成為行業關注和研究熱點［1-3］。再生骨料由于表面附有既存砂漿且有較多裂紋，強度和吸水率等與天然骨料略有不同，同時考慮骨料來源、骨料處理方式等影響，配制出的再生混凝土在力學性能上亦具有一定離散性，限制了其工程應用范圍。將再生混凝土灌入鋼管形成鋼管混凝土可有效緩解再生混凝土強度離散性，按照鋼管是否承受豎向荷載，約束構件可分為鋼管再生混凝土和鋼管約束再生混凝土兩種不同受力模式。肖建莊、陳宗平等學者針對鋼管約束再生混凝土開展的試驗研究表明：鋼管約束使內部核心再生混凝土強度明顯提升，變形性能得到改善，圓鋼管約束效果好于方鋼管，并在此基礎上建立了約束強度計算［4-7］模型?？紤]到目前針對圓鋼管約束再生混凝土（Recycled Aggregate Concrete Confined by Circular Steel Tube，RACCST）開展的研究工作仍較少，本文擬針對9根RACCST試件及9根再生素混凝土試件進行軸壓試驗，研究粗骨料取代率對約束混凝土強度和應力-應變關系的影響規律。

1 試驗設計

1.1 試驗材料及參數

本次試驗選用水泥為硅酸鹽水泥，粗骨料取自建筑物拆除后的廢舊混凝土。再生粗骨料（Recyded Coarse Aggregate，RCA）經過人工和機器兩次破碎后粒徑為5～35 mm，其表觀密度為2 365 kg/m3，吸水率為5.5%，壓碎指標為13.7%。鋼管外徑為166 mm、壁厚3 mm、高450 mm，鋼管的屈服強度實測值為285 MPa，彈性模量為206 GPa。

1.2 試件設計及制作

設計9根RACCST試件及9根再生混凝土試件，依據RCA取代率不同分成三組，分別為0%、50%和100%，試件的命名法為：YG-0-1中YG表示RACCST試件，粗骨料取代率R為0%，試件編號為1號；Y-0.5-4中Y表示再生混凝土試件，粗骨料取代率R為50%，試件編號為4號。

將攪拌均勻的混凝土分別灌入圓鋼管和直徑155 mm、高450 mm的PVC模具中，澆筑后放置在振動臺上振動1 min，最后抹平靜置，在自然條件下養護28 d，同時為保證鋼管不直接承擔豎向荷載，在距離鋼管兩端30 mm處開出兩條10 mm寬的切縫，形成鋼管約束混凝土試件。RACCST試件切縫處理及截面尺寸如圖1和圖2所示。

圖1 試件端部切縫處理Fig.1 Specimen end slit treatment

圖2 試件尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of specimen size

1.3 測點布置及加載制度

粘貼應變片，首先打磨鋼管表面使其光滑，并且利用丙酮擦拭鋼管表面，在丙酮風干后利用502膠水將應變片固定在鋼管表面，試驗應變片采用河北邢臺金力傳感元件廠制造的電阻應變計。

本次試驗在力學實驗室2 000 kN壓力機上進行，在試件的兩端放置尺寸為200 mm×200 mm×10 mm的方形鋼板來保證受荷均勻，試件中部高度370 mm范圍內側面對稱布置四個豎向位移傳感器（LVDT），試件半高處沿環向布置縱向和環向應變片，試驗加載裝置及測點布置如圖3所示。

圖3 加載裝置及測點布置Fig.3 Loading device and measuring point arrangement

試驗采用分級加載，在試件到達預估極限峰值荷載60%以前，每級采用預估極限峰值荷載的1/10進行加載；在預估極限峰值荷載60%～80%范圍內，采用預估極限峰值荷載的1/15進行加載，每級持續5 min；超過預估極限峰值荷載的80%以后，按照加載速率0.1 kN/s緩慢持續加載直至試件破壞。

2 試驗結果分析

試件主要參數和試驗結果如表1所示。隨RCA取代率的不斷增加，RACCST試件峰值荷載和峰值應力均出現下降趨勢，不同RCA取代率組均以取代率為0%的三個試件最小值進行對比分析，以YG-0-1為參照，當RCA取代率從0%增加到100%，YG-0.5-5和YG-1.0-9峰值荷載和峰值應力分別下降7.46%和15.87%。同條件下的再生混凝土試件，以Y-0-2為參照，當RCA取代率從0%增加到100%，Y-0.5-5和Y-1.0-9峰值荷載和峰值應力分別下降10.91%和23.77%，可見鋼管約束作用在提高試件承載力的同時也可在一定程度上緩解再生混凝土強度的離散性。

表1 試件主要參數和試驗結果Table 1 Specimen main parameters and test results

2.1 試件破壞過程

試驗加載初期，RACCST試件和再生混凝土試件基本處于彈性受力階段，外觀無明顯變化，當加載達到RACCST試件峰值荷載的80%時，鋼管表面有部分銹斑脫落，試件中部區域的鋼管外壁開始出現環向膨脹變形；隨荷載增加，試件中部出現明顯的剪切滑移線，試件主要呈現出腰鼓型剪切破壞。再生混凝土試件破壞與普通混凝土試件破壞形態一致，無明顯差別。部分試件的破壞形態如圖4所示。

圖4 試件的主要破壞形態Fig.4 The main failure modes of specimens

2.2 鋼管受力分析

圖5為荷載-橫向變形系數曲線，εh和εv分別為鋼管中部環向應變和縱向應變，以YG-1.0-8為例，在加載初期，試件中部的εh和εv逐步增長，環向應變小于縱向應變，隨荷載增加，εh/εv比值逐漸增大，表明鋼管對核心混凝土的約束增強，后期曲線由于鋼管屈服出現斜率增大的現象。由圖6可以看出，試件中部應變片測得的鋼管屈服點與峰值荷載位置基本對應，可見鋼管不直接承受豎向荷載的加載模式，鋼管的環向約束作用更容易得到充分發揮。

圖5 荷載-橫向變形系數曲線Fig.5 Load-lateral deformation coefficient curve

圖6 荷載-豎向應變曲線Fig.6 Load-vertical strain curve

2.3 約束混凝土強度計算

國內外諸多學者均提出過適用于鋼管約束混凝土的強度計算模型，肖建莊等提出了考慮RCA取代率修正的混凝土強度計算模型；周緒紅、劉界鵬等［8-9］基于Mander模型［10］提出鋼管約束混凝土強度計算模型；滕躍［11］采用Mander模型建立了圓鋼管約束高強混凝土強度計算模型，為了驗證相關模型對預測RACCST試件約束混凝土強度計算的適用性，本文選取Mander模型、肖建莊模型、Peter［12］模型以及O'Shea［13］模型進行對比驗證，約束混凝土強度計算模型如表2所示。

表2 約束混凝土強度計算模型Table 2 Calculation models of confined concrete strength

表3為依據上述四種模型獲得的約束混凝土峰值應力計算值。本文計算過程中YG系列試件的核心混凝土強度為對比試件Y系列試件每組數據的平均值，例如YG-0系列試件的核心混凝土強度由對比試件Y-0系列確定，故未引入折減系數。

表3 四種模型計算值與試驗值對比Table 3 The calculated values of the four models compared with the experimental values

由表3可以看出，隨著RCA取代率的逐漸增高，RACCST試件的峰值應力計算值均呈下降趨勢；Mander模型峰值應力計算值與試驗值的比值區間為0.95～0.98，肖建莊模型峰值應力計算值與試驗值的比值區間為0.99～1.05，二者均吻合良好。O'Shea模型和Peter模型峰值應力計算結果均低于試驗值，且Peter模型計算結果偏差較大，其最大誤差為18.08%。Mander模型、O'Shea模型、Peter模型和肖建莊模型計算值與試驗值的比值的平均值分別為0.97、0.86、0.82和1.02，基于所有試件計算值與試驗值的比值進行整體誤差分析，通過圖形和數據分析認為Mander模型和肖建莊模型針對本次試驗均適用，由于本次試驗設有對比試件，因而未采用肖建莊模型中的折減系數φ，為保證后續模型計算的統一性，故本文選用Mander模型對RACCST試件的峰值應力進行計算，圖7為模型峰值應力的計算值與試驗值比對圖。

圖7 峰值應力計算值與試驗值比對Fig.7 Peak stress calculation values and experimental values

2.4 應力-應變關系表達式

由于Mander模型的峰值應力計算值與試驗值吻合較好，本文基于Mander模型，為考慮RCA取代率的影響，引入修正系數η，建立RACCST的應力-應變關系方程如下：

式中：σc為混凝土當前應力；x為系數，x=εc/εcc；εc為混凝土當前應變；εcc為約束混凝土應變，εcc=為系數，r=Ec/(Ec-Esec)；Ec為混凝土的彈性模量為混凝土峰值荷載處的割線量，Esec=f′cc/εcc；fcr為非約束再生混凝土強度，fcr=-5.45R+fco（由試驗數據擬合）；R為再生粗骨料取代率；fco為RCA取代率為0%的非約束混凝土強度試驗值的平均值；f′cc為修正后約束再生混凝土的強度，表達式為

式中：η為修正系數為鋼管提供的側向有效約束應力為鋼管外徑，D=166 mm，t為鋼管厚度，t=3 mm，fy為鋼管的屈服強度，fy=285 MPa。

采用上述修正的Mander模型計算獲得的試件應力-應變曲線和試驗曲線對比如圖8所示，圖中模型計算曲線選取同條件三個對比試件fco均值進行計算。由圖8可以看出，模型計算曲線與試驗曲線基本吻合，說明修正后的Mander模型用以描述RACCST應力-應變關系是適用的。

圖8 約束混凝土應力-應變關系計算與試驗曲線對比Fig.8 Stress-strain relationship of confined concrete calculation with the test curves

3 結論

（1）隨著RCA的取代率增加，RACCST試件峰值荷載略有降低，當RCA取代率從0%增加到100%，YG-0.5-5和YG-1.0-9相比于YG-0-1，試件峰值荷載分別下降7.46%和15.87%。

（2）驗證了Mander模型、肖建莊模型、O'Shea模型和Peter模型計算RACCST試件約束混凝土強度的適用性，計算結果表明：Mander模型與肖建莊模型在峰值應力預測上均具有良好的適用性。

（3）基于Mander模型本構方程，引入RCA取代率修正系數，給出適用于RACCST試件的應力-應變關系表達式，計算曲線與試驗曲線吻合良好。