再生粗骨料混凝土柱受壓力學性能試驗研究

張明鑫 （中電建建筑集團有限公司，北京 100120）

隨著國內科技的不斷進步以及經濟的不斷發展，建筑工程的發展規模越來越大。國家對建筑工程的需求已經從新建階段開始進入養護維修的階段，由此產生了大量的建筑垃圾，對社會環境造成了不利影響[1-3]。為了建設資源節約型和諧社會，國家開始對建筑垃圾的回收利用出臺了大量的方針政策[4]。如何將建筑垃圾進行高效再生利用成為土木工作者研究的重點，將其結合新材料制備成再生混凝土備受研究者的關注。

再生混凝土作為一種建筑材料，其在建筑構件中的應用效果是研究者最關心的。柱構件作為房屋建筑結構的承重構件，對房屋建筑的安全性起到十分重要的作用，因此,研究其力學性能具有十分重要的意義[5-7]。目前，國內外研究者已經開展了大量關于再生混凝土基本性能方面的研究，但針對再生混凝土構件的研究相對較少，有關再生混凝土柱的研究少之又少[8]。在此背景下，本文開展了再生粗骨料混凝土柱受壓力學性能隨偏心距（0、30mm、60mm）及舊骨料取代率（0、50%、100%）的演變規律研究。以期設計出最優的再生粗骨料混凝土柱的方案，提升再生混凝土柱的力學性能，對于建設長壽命房屋建筑及環境友好型可持續發展社會具有十分重要的意義。

1 再生粗骨料混凝土柱受壓力學性能試驗

1.1 試件制備

采用的試驗材料主要包括天然粗骨料、再生粗骨料、細骨料、水泥和水。其中，天然粗骨料為石灰巖碎石，最大粒徑為31.5mm，最小粒徑為5mm，表觀密度為2.7g/cm3；再生粗骨料來自廣西某一高速公路廢棄路面經破碎后的骨料，最大粒徑為29mm，最小粒徑為5mm，表觀密度為2.6g/cm3；細骨料為天然河砂，細度模數為2.8；水泥為復合硅酸鹽水泥，水為自來水。

嚴格按照規范JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》[9]中的流程設計再生混凝土柱中的建筑材料組成比例，如表1所示。為了分析再生骨料替代率及偏心距對再生混凝土柱受壓性能的影響，制備了5個再生混凝土柱（偏心距0+再生骨料替代率50%、偏心距30mm+再生骨料替代率50%、偏心距60mm+再生骨料替代率50%）及舊骨料取代率（偏心距30mm+再生骨料替代率0%、偏心距30mm+再生骨料替代率50%、偏心距30mm+再生骨料替代率100%）。其長、寬、高分別為300mm、200mm、150mm，縱向受力鋼筋和箍筋為HRB335及HPB235，縱向受力鋼筋半徑為7mm，箍筋半徑為4mm，縱筋保護層厚度為20mm。然后采用柱構件支模、骨架制作、混凝土澆筑及養護等工作制備再生粗骨料混凝土柱。

表1 單位體積再生混凝土柱材料組成比例/kg

1.2 加載方案

本試驗釆用電子萬能試驗機控制系統控制的電液伺服壓剪試驗機實施加載，采用應變采集儀獲取不同位置應變片的應變值。

試驗采用荷載控制分級加載模式。首先對試件進行預加載，然后進行正式加載。正式加載過程中，初始加載至開裂荷載計算值前每級加載值統一取Fs/10；在構件接近開裂荷載計算值到承載能力極限狀態每級加載值都統一取Fs/20，嚴格按照規范GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》[10]中規定的進行。

1.3 應變點布置

將混凝土電阻應變計布置在偏壓柱構件的沿截面四周，其中兩個側面沿橫截面高度以50mm的等距離布置，兩個側面、受拉側和受壓側的應變計沿截面高度等距離布置。此外，在每根縱向受力鋼筋1/2 處及離1/2處各貼一個鋼筋應變計。

2 再生粗骨料混凝土柱受壓力學性能與偏心距的相關關系

2.1 再生粗骨料混凝土柱極限承載力隨偏心距的演變規律

根據上述測試方法及計算方法獲取再生粗骨料混凝土柱極限承載力與偏心距的關系如圖1 所示。從圖1中可以看出，再生粗骨料混凝土柱極限承載力與偏心距呈現負相關關系。當偏心距由0mm增加至30mm，極限承載力從2850kN 降低到1950kN，降幅達到31.5%；偏心距由30mm增加至60mm，極限承載力從1950kN降低到1325kN，降幅達到32.1%；再生粗骨料混凝土柱的極限承載力隨偏心距的降低率約為30kN/mm。

圖1 再生粗骨料混凝土柱極限承載力與偏心距的關系

2.2 再生粗骨料混凝土柱混凝土最大壓應變-荷載曲線隨偏心距的演變規律

根據上述測試方法及監測方法獲取再生粗骨料混凝土柱混凝土最大壓應變-荷載曲線與偏心距的關系如圖2 所示。從圖2 中可以看出，對于所有的柱構件，加載初期混凝土最大壓應變與荷載的關系呈現近似線性增長，這是由于構件處于彈性行為階段；當達到開裂荷載后，混凝土最大壓應變隨荷載的增長率提升開始呈現非線性關系，這是由于受壓區混凝土的截面不斷減小；當鋼筋屈服后，混凝土最大壓應變迅速增加，直至峰值應變，此時受壓區混凝土被壓碎[11]。從圖2中同樣可以看出，相同荷載條件下，隨著偏心距的增加，混凝土最大壓應變不斷增加，且隨荷載的增加速率也不斷增加。

圖2 再生粗骨料混凝土柱混凝土最大壓應變-荷載曲線與偏心距的關系

2.3 再生粗骨料混凝土柱側向變形-荷載曲線隨偏心距的演變規律

根據上述測試方法及監測方法獲取再生粗骨料混凝土柱側向變形-荷載曲線與偏心距的關系如圖3 所示。從圖3 中可以看出，對于所有的柱構件，再生粗骨料混凝土柱側向變形-荷載曲線同樣呈現線性階段、快速增加階段、驟速增加階段。加載初期，該曲線基本呈現為線性關系；隨后側向變形隨荷載的增加速率開始增加，這是由于裂縫的產生和發展導致構件側向剛度減小；當構件進入屈服階段后，即使荷載增加很小，側向變形變化也很顯著，導致曲線斜率進一步增加直至構件破壞。從圖3 中同樣可以看出，相同荷載條件下，隨著偏心距的增加，柱側向變形不斷增加；且隨荷載的增加速率也不斷增加。

圖3 再生粗骨料混凝土柱側向變形-荷載曲線與偏心距的關系

3 再生粗骨料混凝土柱受壓力學性能與取代率的相關關系

3.1 再生粗骨料混凝土柱極限承載力隨取代率的演變規律

根據上述測試方法及計算方法獲取再生粗骨料混凝土柱極限承載力與再生骨料替代率的關系如圖4 所示。從圖4中可以看出，再生粗骨料混凝土柱極限承載力與再生骨料替代率呈現負相關關系。當再生骨料替代率由0 增加至50%，極限承載力從1850kN 降低到1800kN，降幅達到2.7%；再生骨料替代率由50%增加至100%，極限承載力從1800kN降低到1750kN，降幅達到2.7%；再生粗骨料替代率每降低1%，再生粗骨料混凝土柱的極限承載力降低1kN。對比偏心距對再生混凝土柱極限承載力的影響程度，偏心距對再生混凝土柱極限承載力的影響程度高于再生粗骨料替代率。

圖4 再生粗骨料混凝土柱極限承載力與取代率的關系

3.2 再生粗骨料混凝土柱混凝土最大壓應變-荷載曲線隨取代率的演變規律

根據上述測試方法及監測方法獲取再生粗骨料混凝土柱混凝土最大壓應變-荷載曲線與再生粗骨料替代率的關系如圖5所示。從圖5中可以看出，對于所有的柱構件，加載初期混凝土最大壓應變與荷載的關系呈現近似線性增長，這是由于構件處于彈性行為階段；當達到開裂荷載后，混凝土最大壓應變隨荷載的增長率提升開始呈現非線性關系，這是由于受壓區混凝土的截面不斷減小；當鋼筋屈服后，混凝土最大壓應變迅速增加，直至峰值應變，此時受壓區混凝土被壓碎。從圖5 中同樣可以看出，相同荷載條件下，隨著再生骨料替代率的增加，混凝土最大壓應變不斷增加；但隨荷載的增加速率變化不顯著。

圖5 再生粗骨料混凝土柱混凝土最大壓應變-荷載曲線與取代率的關系

3.3 再生粗骨料混凝土柱側向變形-荷載曲線隨取代率的演變規律

根據上述測試方法及監測方法獲取再生粗骨料混凝土柱側向變形-荷載曲線與再生骨料替代率的關系如圖6 所示。從圖6 中可以看出，對于所有的柱構件，再生粗骨料混凝土柱側向變形-荷載曲線同樣呈現線性階段、快速增加階段、驟速增加階段。加載初期，該曲線基本呈現為線性關系；隨后側向變形隨荷載的增加速率開始增加，這是由于裂縫的產生和發展導致構件側向剛度減小；當構件進入屈服階段后，即使荷載增加很小，側向變形變化也很顯著，導致曲線斜率進一步增加直至構件破壞。從圖6中同樣可以看出，相同荷載條件下，隨著再生骨料替代率的增加，柱側向變形不斷增加，且隨荷載的增加速率也不斷增加。

圖6 再生粗骨料混凝土柱側向變形-荷載曲線與取代率的關系

4 結語

綜上所述，再生粗骨料混凝土柱極限承載力與偏心距呈現負相關關系,再生粗骨料混凝土柱極限承載力與再生骨料替代率呈現負相關關系,偏心距對再生混凝土柱極限承載力的影響程度高于再生粗骨料替代率。對于所有的柱構件，再生粗骨料混凝土最大壓應變與荷載及柱側向變形-荷載曲線均呈現線性階段、快速增加階段、驟速增加階段；相同荷載條件下，隨著偏心距的增加，混凝土最大壓應變及柱側向變形不斷增加，且隨荷載的增加速率也不斷增加；相同荷載條件下，隨著再生骨料替代率的增加，混凝土最大壓應變及柱側向變形不斷增加，且隨荷載的增加速率也不斷增加。