不同再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土短柱承載能力的影響研究

楊維威 （中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100071）

再生混凝土是指將混凝土工程改擴(kuò)建產(chǎn)生的廢棄混凝土塊，經(jīng)破碎、清洗和分級(jí)處理后混合天然骨料所制備的新混凝土[1-3]。該技術(shù)的應(yīng)用能夠有效提升混凝土材料的利用率，解決廢棄混凝土對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。混凝土短柱是建筑工程中常用結(jié)構(gòu)之一，其承載能力水平對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生一定影響[4]。目前，國內(nèi)學(xué)界已經(jīng)針對(duì)再生混凝土開展一系列研究，但研究內(nèi)容大多集中于再生混凝土材料的自身性能，試驗(yàn)中所使用的試件以混凝土梁為主，而再生混凝土短柱的研究內(nèi)容相對(duì)較少[5-7]。由此出發(fā)，結(jié)合常規(guī)混凝土短柱承載能力研究方法，對(duì)再生混凝土短柱開展軸心受壓試驗(yàn)并對(duì)比普通混凝土短柱承載能力，分析各再生骨料取代率條件下的混凝土短柱承載能力差異，以期為相關(guān)工程實(shí)踐帶來啟發(fā)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

所用再生粗骨料原材料取自某建筑工程改擴(kuò)建產(chǎn)生的廢棄混凝土，經(jīng)破碎、清洗、篩分后制備再生粗骨料，該建筑工程原有混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30。試驗(yàn)中所用水泥材料為P·O 32.5 普通硅酸鹽水泥，所用再生粗骨料為5mm～20mm連續(xù)級(jí)配碎石，天然粗骨料為5mm～20mm連續(xù)級(jí)配碎石，兩者具體性能水平測(cè)試結(jié)果如表1所示。所用細(xì)骨料為天然河砂，試驗(yàn)中所用水均為自來水。

表1 粗骨料性能水平

結(jié)合表1數(shù)據(jù)可知，天然粗骨料和再生骨料基本性能測(cè)試結(jié)果不盡相同，其中再生骨料吸水率更高，壓碎指標(biāo)也相對(duì)更高，堆積密度和表觀密度則相對(duì)略低。究其原因在于再生骨料自身強(qiáng)度較低且結(jié)構(gòu)中存在大量孔隙，這是再生粗骨料結(jié)構(gòu)表面存在大量水泥砂漿所導(dǎo)致。

1.2 配合比

根據(jù)再生粗骨料取代率不同設(shè)置4組試驗(yàn)組，記為PC-0、PC-5、PC-10、PC-15，分別對(duì)應(yīng)普通混凝土試件和再生粗骨料取代率為5%、10%、15%的再生混凝土試件，此處應(yīng)注意再生粗骨料吸水量是天然粗骨料的數(shù)倍，因而隨再生粗骨料取代率增加，摻水量也進(jìn)行補(bǔ)償性提升。具體配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比/kg/m3

1.3 力學(xué)性能

首先，根據(jù)前面所述配合比及粗骨料取代率分別制備標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，尺寸為150mm×150mm×150mm，分別測(cè)定各組混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度，而后取樣各組混凝土縱向鋼筋并測(cè)定其彈性模量、極限強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等參數(shù)，所得結(jié)果如表3所示。

表3 鋼筋混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)前述各試驗(yàn)組配合比分別制備混凝土短柱試件12 個(gè)，其中包含再生粗骨料混凝土短柱9 個(gè)和普通混凝土短柱3個(gè)，各混凝土短柱試件均為截面200mm×200mm、高600mm的立方體混凝土短柱，試件長細(xì)比為3，屬于混凝土短柱范圍。在混凝土短柱側(cè)面的中心位置及縱向鋼筋中心位置分別設(shè)置電阻應(yīng)變片，后續(xù)加載時(shí)即可直接讀取軸心荷載條件下混凝土壓應(yīng)變和鋼筋壓應(yīng)變。同時(shí)，在混凝土短柱頂部和底部分別設(shè)置一塊鋼板，以避免混凝土短柱出現(xiàn)局部受壓破壞問題，鋼板厚度取14mm。除前文差異外，各組混凝土短柱試件配筋等其他因素均無明顯差異。

1.4 加載方式

在混凝土短柱垂直方向跨中1/4 節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置位移計(jì)，讀取軸心壓力條件下混凝土短柱側(cè)向變形情況，并在混凝土短柱軸心方向上平行布置一個(gè)200mm量程的位移計(jì)讀取混凝土短柱試件受壓條件下產(chǎn)生的軸向變形。軸心加壓通過500t 液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)開展，加載過程中首先預(yù)加載50kN，待壓力穩(wěn)定后逐漸逐級(jí)加壓、分級(jí)加載，單次加壓水平為極限荷載10%左右。當(dāng)軸心壓力接近極限荷載時(shí)進(jìn)一步放緩加壓速率，到荷載停止增加時(shí)停止加壓并記錄數(shù)據(jù)，各試件均加壓1h左右。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

混凝土短柱試件加壓直至破壞過程可大致分為三個(gè)階段[8-10]。

（1）彈性階段。這一階段外加荷載水平較小，混凝土短柱試件在壓力條件下依舊能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)，鋼筋和混凝土構(gòu)件雖然發(fā)生形變但均屬于彈性形變，兩者壓應(yīng)變變化幅度較小。

（2）帶裂縫階段。這一過程中荷載已經(jīng)提升至較高水平，混凝土短柱底部或頂部已經(jīng)逐漸產(chǎn)生微小縱向裂縫，且各組混凝土短柱出現(xiàn)裂縫的時(shí)間有早有晚，再生骨料取代率越高的混凝土短柱出現(xiàn)裂縫時(shí)間越早，而后隨荷載水平進(jìn)一步增加。壓縮變形速率突然大幅提升，該速率此時(shí)增加速度遠(yuǎn)高于荷載提升速度，換言之荷載和應(yīng)變之間并非線性關(guān)系，且這一過程中鋼筋壓應(yīng)變變化速率顯著高于混凝土。荷載水平進(jìn)一步增加過程中混凝土短柱試件縱向裂縫的長度、寬度逐漸增加。

（3）荷載水平較高條件下混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到極限壓應(yīng)變，這一狀態(tài)下混凝土出現(xiàn)主裂縫且伴隨產(chǎn)生大量寬度長度均較大的小裂縫，短柱試件發(fā)生破壞。

2.2 應(yīng)變分析

各組混凝土短柱試件在軸心荷載下發(fā)生破壞過程中的縱向變形情況如圖1所示，圖1中各項(xiàng)數(shù)據(jù)均為各組3個(gè)試件所得結(jié)果平均值。

圖1 荷載-位移曲線

結(jié)合圖1 數(shù)據(jù)可知，在軸心荷載不斷增加過程中，不同再生骨料取代率條件下混凝土短柱試件基本保持大致相同的破壞過程，其中再生骨料取代率為5%的混凝土短柱試件對(duì)應(yīng)的荷載-位移曲線和普通混凝土短柱試件大致相同，而進(jìn)一步增加再生骨料取代率至10%和15%時(shí)，位移隨荷載增加而表現(xiàn)出更明顯的變化趨勢(shì)[11-12]。

記錄數(shù)據(jù)并繪制鋼筋跨中荷載-應(yīng)變曲線如圖2所示，混凝土荷載-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖2 鋼筋跨中荷載-應(yīng)變

圖3 混凝土荷載-應(yīng)變

由圖2、圖3可知，在試驗(yàn)施加荷載范圍內(nèi)，不同試驗(yàn)組混凝土短柱在界面上承受的應(yīng)力應(yīng)變水平均處于相對(duì)均勻狀態(tài)，有利于混凝土受壓性能的發(fā)揮，且鋼筋、混凝土壓應(yīng)變水平之間大致相同。其中，荷載處于較低水平時(shí)，隨軸向壓力提升混凝土短柱豎向位移的發(fā)展呈現(xiàn)出接近線性發(fā)展的趨勢(shì)；但進(jìn)一步增加荷載至較高水平時(shí)，混凝土材料結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致軸向位移和軸向壓力之間脫離線性關(guān)系，這一條件下試件變形速率明顯比荷載增加速率更快，且這一特征隨再生骨料取代率增加并未出現(xiàn)變化[13]。

2.3 承載力分析

試驗(yàn)過程中各組混凝土短柱試件最大承載能力見表4。

表4 混凝土短柱試件承載能力匯總

結(jié)合表4可知，試件開裂荷載隨再生骨料取代率提升而逐漸降低，其中再生骨料取代率為5%和15%時(shí)各存在一個(gè)試件出現(xiàn)承載能力計(jì)算值低于試驗(yàn)所得數(shù)值的問題，但僅有這兩試件出現(xiàn)，經(jīng)分析可能由于數(shù)據(jù)讀數(shù)誤差等人為因素導(dǎo)致。混凝土短柱試件承載力隨再生骨料取代率提升而降低，但降低幅度處于較低水平，其中再生骨料取代率提升至15%時(shí)，承載力僅比普通混凝土短柱試件承載力低約10%～15%。提升荷載水平至極限荷載，此時(shí)隨著再生骨料取代率增加，混凝土短柱裂縫寬度最大值也有所提升，其中再生骨料取代率為15%的混凝土短柱試件最大裂縫寬度可達(dá)15mm，而普通混凝土短柱試件最大裂縫寬度僅為5mm。觀察壓碎后混凝土短柱剝落殘?jiān)芍撀錃堅(jiān)糠衷醋运嗄z和粗骨料結(jié)合面粘結(jié)破壞。

3 結(jié)語

綜上所述，隨再生骨料取代率提升，混凝土短柱承載力水平出現(xiàn)一定程度的下降，其中再生骨料取代率為15%時(shí)，試件承載力水平相較普通混凝土試件降低10%～15%。普通混凝土短柱試件和再生混凝土短柱試件之間保持大致相同的破壞形式。再生混凝土短柱承載能力的判斷方式尚需進(jìn)一步研究，適宜摻量條件下再生混凝土短柱具備工程應(yīng)用價(jià)值。