約束再生混凝土足尺試件受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)研究

吳超垚，彭有開(kāi)，吳徽

（北京建筑大學(xué)“工程結(jié)構(gòu)與新材料”北京高等學(xué)校工程研究中心，北京，100044）

約束再生混凝土足尺試件受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)研究

吳超垚，彭有開(kāi)，吳徽

（北京建筑大學(xué)“工程結(jié)構(gòu)與新材料”北京高等學(xué)校工程研究中心，北京，100044）

為研究箍筋約束再生混凝土的單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€，對(duì)9個(gè)直徑為500 mm、高度為1 500 mm的再生混凝土圓形柱進(jìn)行試驗(yàn)，采用20 000 k N伺服液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行位移控制加載。試驗(yàn)參數(shù)主要為縱筋率、箍筋間距與直徑、加載應(yīng)變速率。試驗(yàn)結(jié)果表明，箍筋間距、配箍率對(duì)試件延性影響較大。當(dāng)加載應(yīng)變速率由0.000 003／s增大到0.003 3／s時(shí)，試件的峰值應(yīng)力增大1.14倍。分析表明，再生混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€與普通混凝土類似，但下降段較普通混凝土陡峭，脆性更為明顯。

約束再生混凝土；足尺試件；應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€

為實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，再生混凝土作為一種綠色再生材料愈來(lái)愈得到人們的關(guān)注。受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€既是混凝土基本受壓特性的綜合性宏觀反映，又是研究混凝土結(jié)構(gòu)承載力和變形的主要依據(jù)，它對(duì)于分析構(gòu)件極限狀態(tài)時(shí)截面的應(yīng)力分布、彈塑性全過(guò)程以及抗震結(jié)構(gòu)延性和恢復(fù)力特性具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通混凝土的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€已做了大量研究［1-7］，對(duì)于再生混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€的研究，主要有再生混凝土單軸受壓的力學(xué)性能［8-10］和FRP、鋼管約束再生混凝土本構(gòu)關(guān)系研究［11-13］，而對(duì)于箍筋約束再生混凝土本構(gòu)關(guān)系的研究卻很少見(jiàn)，尤其缺乏采用足尺試件進(jìn)行研究。本文采用20 000 k N液壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行位移控制加載，對(duì)9個(gè)足尺的圓形截面配筋試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，得到試件的單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€，并與Mander等［14］建議的約束混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行對(duì)比分析，可為再生混凝土約束本構(gòu)關(guān)系的深入研究提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件材料

再生骨料由河北省邯鄲市全有生態(tài)建材有限公司生產(chǎn)，原材為廢棄混凝土，廢磚含量極少。再生粗骨料的最大粒徑為20 mm，試驗(yàn)前對(duì)再生粗骨料和天然骨料采用同一篩網(wǎng)篩分，均為連續(xù)級(jí)配。再生混凝土按照強(qiáng)度等級(jí)C40來(lái)設(shè)計(jì)，再生粗骨料取代率為50%，配比見(jiàn)表1。

按照《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》（GB／T 228—2002）的要求，每種類型的鋼筋留取3個(gè)試樣，鋼筋試樣實(shí)測(cè)強(qiáng)度見(jiàn)表2。實(shí)測(cè)混凝土同齡期抗壓強(qiáng)度見(jiàn)表3。

表1 再生混凝土配合比Table 1 Mix proportion of recycled concrete kg·m－3

1.2 試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)9根再生混凝土圓形柱，采用不間斷軸向單調(diào)加載，以得到再生混凝土柱的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€。圓形截面試件采用螺旋箍筋形式。截面試件尺寸與配筋等參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖1、表3。

圖1 試件尺寸 （單位：mm）Figure 1 Dimension of specimens

表3 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Parameters of specimens

續(xù)表3

1.3 試驗(yàn)裝置與加載

試件加載安裝圖見(jiàn)圖2，采用20 000 k N液壓試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件施加軸向壓力，加載過(guò)程采用位移控制，加載速率見(jiàn)表3，當(dāng)加載至箍筋斷裂，承載力顯著降低時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。軸力值由作動(dòng)器輸出，數(shù)據(jù)采集儀采集。位移傳感器通過(guò)絲桿連接在試件預(yù)埋的螺栓上，測(cè)量試件受壓時(shí)產(chǎn)生的軸向變形，測(cè)距為試件中間長(zhǎng)度為450 mm的區(qū)段。4個(gè)位移傳感器兩兩對(duì)稱布置于試件周圍，試件的軸向壓縮變形值為測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。

圖2 加載裝置Figure 2 Test set-up

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

隨著軸向變形增大，試件達(dá)到最大承載能力之前，保護(hù)層開(kāi)始松動(dòng)并出現(xiàn)豎向裂縫，可聽(tīng)到開(kāi)裂的聲響。達(dá)到最大承載能力以后，豎向裂縫擴(kuò)展，局部出現(xiàn)貫通，保護(hù)層開(kāi)始剝落。隨著試件承載能力的下降，保護(hù)層大量剝落，箍筋開(kāi)始外鼓，最后屈服斷裂，縱筋也出現(xiàn)壓屈外鼓現(xiàn)象。對(duì)于箍筋較密試件，混凝土壓碎現(xiàn)象比較明顯。對(duì)于配箍較疏試件，出現(xiàn)傾斜破壞帶，其傾角為45°～60°。圖3（a）～圖3（i）為試驗(yàn)結(jié)束后，清理完量測(cè)儀器以及表層松動(dòng)混凝土的各試件最終破壞形態(tài)。

圖3 各試件最終破壞形態(tài)Figure 3 Final failure of specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€

通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的荷載位移數(shù)據(jù)，利用公式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到各試件加載過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€，其曲線如圖4所示。由于試件制作時(shí)混凝土保護(hù)層取得較厚，試件加載達(dá)到最大承載力時(shí)，混凝土保護(hù)層剝落，承載力出現(xiàn)下降，導(dǎo)致試件C2和試件C9曲線下降段出現(xiàn)突降的原因。σ＝N／A：ε＝Δl／l（1）式中：N為試件的軸向荷載；A為試件全截面面積；為試件加載過(guò)程中量測(cè)段的壓縮位移；l為試件量測(cè)段高度450 mm。

根據(jù)各試件的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€可得到各自的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變以及第一根箍筋斷裂時(shí)的應(yīng)變，具體數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 試件試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of specimens

圖4 各試件應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€Figure 4 Stress-strain curves of specimens

3.2 結(jié)果對(duì)比分析

圖5給出了不同試驗(yàn)參數(shù)變化對(duì)試件應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€的影響。1）箍筋直徑的影響。隨著箍筋直徑的增加，峰值應(yīng)力、延性比β增大，但趨勢(shì)不太明顯，見(jiàn)圖5（a）。2）縱筋數(shù)量的影響。隨著縱筋數(shù)量的增加，即縱筋配筋率的提高，試件峰值應(yīng)力、延性比β有所提高?？v筋和箍筋共同形成骨架，對(duì)混凝土約束作用加強(qiáng)，見(jiàn)圖5（b）。3）縱筋直徑的影響。在相似縱筋配筋率情況下，隨著縱筋直徑的增加，試件峰值應(yīng)力變化不太，見(jiàn)圖5（c）。4）箍筋間距的影響。在相似箍筋配筋率情況下，隨著箍筋間距的增加，試件峰值應(yīng)力變化不太，但延性比β減小，見(jiàn)圖5（d）。5）箍筋配筋率的影響。在其他參數(shù)一樣的條件下，配筋率越高，峰值應(yīng)力、延性比β越大，見(jiàn)圖5（e）。6）加載速率的影響。相同條件下，加載速率越大，延性比β越小，對(duì)峰值應(yīng)力的增加也有一定的影響，見(jiàn)圖5（f）。

圖5 不同試驗(yàn)參數(shù)變化對(duì)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€的影響Figure 5 Effects of different experimental parameters on stress-strain curves

3.3 實(shí)驗(yàn)曲線與Mander模型曲線的比較

參考Mander模型給出的本構(gòu)關(guān)系，得出相同參數(shù)設(shè)置下再生混凝土試件的理論曲線。進(jìn)行無(wú)量綱化處理，橫坐標(biāo)用ε／εp表示（其中εp為峰值應(yīng)變），縱坐標(biāo)用σ／σp表示（其中σp為峰值應(yīng)力）。由圖6可見(jiàn)，與天然骨料混凝土相比，再生混凝土的變化過(guò)程相似，上升段基本相同，但在峰值點(diǎn)以后的下降段開(kāi)始，再生混凝土明顯下降的比天然骨料混凝土快，由此也能說(shuō)明再生粗骨料存在的缺陷，其脆性性質(zhì)也較天然骨料更加顯著。

圖6 實(shí)驗(yàn)曲線與Mander模型曲線對(duì)比Figure 6 Comparison between stress-strain curve obtained by Mander model and experimental stress-strain curve

4 結(jié) 論

基于9個(gè)再生混凝土試件的軸向加載試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得出如下結(jié)論。

1）在縱筋配筋率相同情況下，減少縱筋直徑，增加縱筋數(shù)量，能提高試件的延性。

2）在箍筋配筋率相同情況下，減少箍筋間距，能提高試件的延性。

3）在相同條件下，提高箍筋配筋率，可以顯著提高試件的峰值應(yīng)力和延性。

4）通過(guò)采用Mander模型得出的理論曲線與實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，曲線變化基本類似，分上升段和下降段，上升段基本重合，但實(shí)測(cè)的下降段曲線較理論曲線陡峭，說(shuō)明再生混凝土脆性較為顯著。

［1］Scott B D，Park R，Priestley M J N.Stress-Strain behavior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates［J］.ACI Journal，1982，79（1）：13-27.

［2］Mander J B，Priestley M J N，Park R.Observed stress-strain behavior of confined concrete［J］.Journal of Structural Engineering.ASCE，1988，114（8）：1827-1849.

［3］Cusson D，Paultre P.High-strength concrete columns confined by rectangular ties［J］.Journal of Structural Engineering［J］.ASCE，1994，120（3）：783-804.

［4］Li B，Park R，Tanaka H.Stress-Strain behavior of high-strength concrete confined by ultra-high-and normal-strength transverse reinforcements［J］.ACI Structural Journal，2001，98（3）：395-406.

［5］Yan X，Hui W.Compressive behavior of concrete confined by carbon fiber composite jackets［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，ASCE，2000，12（2）：139-146.

［6］趙作周，張石昂，賀小崗，等.箍筋約束高強(qiáng)混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，35（5）：96-103.

Zhao Z Z，Zhang S A，He X G，et al.Stress-strain relationship of stirrup-confined high-strength concrete［J］.Journal of Building Structural，2014，35（5）：96-103.（in Chinese）

［7］宋佳，李振寶，王元清，等.考慮尺寸效應(yīng)影響的箍筋約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36（8）：99-107.

Song J，Li Z B，Wang Y Q，et al.Stress-Strain constitutive model of concrete confined by hoops with considering size effect［J］.Journal of Building Structural，2015，36（8）：99-107.（in Chinese）

［8］吳淑海，李曉文，肖慧，等.C30再生混凝土變形性能及應(yīng)力應(yīng)變曲線試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2009（12）：21-25.

Wu S H，Li X W，Xiao H，et al.Experimental research on deformation properties and stress-strain curve of C30 recycled concrete［J］.Concrete，2009，（12）：21-25.（in Chinese）

［9］王雪婷，楊德健.再生混凝土單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)［J］.天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，16（3）：175-178.

Wang X T，Yang D J.Experimental Investigation on complete stress-strain curve of recycled concrete under uniaxial［J］.Journal of Tianjin Institute of Urban Construction，2010，16（3）：175-178.（in Chinese）

［10］Xiao J Z，Huang Y J，Yang J，et al.Mechanical properties of confined recycled concrete under axial compression［J］.Construction and Building Materials，2012，26：591-603.

［11］Zhao J L，Yu T，Teng J G，et al.Stress-strain behavior of FRP-confined recycled aggregate concrete［J］.Journal of Composites for Construction，ASCE，2015，19（3）：1-11.

［12］曾嵐，李麗娟，陳光明，等.GFRP-再生混凝土-鋼管組合柱軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2014，47（2）：21-27

Zeng L，Li L J，Chen G M，et al.Experimental study on mechanical behavior of GFRP-recycled concrete-steel tubular columns under axial compression［J］.China Civil Engineering Journal，2014，47（2）：21-27.（in Chinese）

［13］牛海成，曹萬(wàn)林，董宏英，等.鋼管高強(qiáng)再生混凝土柱軸壓性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36（6）：128-136

Niu H C，Cao W L，Dong H Y，et al.Experimental research on high-strength recycled concrete-filled steel tube columns subjected to axial compression［J］.Journal of Building Structural，2015，36（6）：128-136.（in Chinese）

［14］Mander J B，Priestley M J N，Park R.Theoretical stress-strain model for confined concrete［J］.Journal of Structural Engineering，ASCE，1988，（8）：1804-1826.

［15］關(guān)萍，王清湘，趙國(guó)藩.高強(qiáng)約束混凝土應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，1997，27（11）：26-29.

Guan P，Wang Q X，Zhao G F.Study on the tests of stress-strain relationship of confined high strength concrete［J］.Industrial Construction，1997，27（11）：26-29.（in Chinese）

（編輯 胡 玲）

Experimental study on complete stress-strain curve of full-scale specimen of confined recycled concrete under compression

Wu Chaoyao，Peng Youkai，Wu Hui

（Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing，100044，P.R.China）

To study the complete stress-strain curve of stirrup confined recycled concrete under uniaxial loading，we tested on nine circular column specimens of recycled concrete which have a diameter of 500 mm and a height of 1 500 mm.In this test，we used a servo-hydraulic test machine with a capacity of 20 000 k N for displacement and loading control.The main test parameters are longitudinal reinforcement ratio，the spacing and diameter of stirrup，and applied strain rate.The results show that the spacing of stirrup and stirrup ratio have great influence on the ductility of specimens.The peak stress of specimen increases 114% when the applied strain rate increases from 0.000003／s to 0.0033／s.The complete stress-strain curve of recycled concrete is similar to that of normal concrete but the descending branch is stiffer than that of normal concrete，which means that the recycled concrete is more brittle than normal concrete.

confined recycled concrete；full-scale specimen；complete stress-strain curve

2015-08-20

Beijing Municipal Commission of Education（No.PXM2015_014210_000005）；Beijing University of Civil

TU375

A

1674-4764（2016）01-0077-07

10.11835／j.issn.1674-4764.2016.01.011

2015-08-20

北京市教委市屬高校創(chuàng)新能力提升計(jì)劃項(xiàng)目（PXM2015_014210_000005）；北京建筑大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（00331615007）

吳超垚（1990-），男，主要從事再生混凝土力學(xué)性能研究，（E-mail）549780410＠qq.com。

Engineering and Architecture（No.00331615007）

Author brief：Wu Chaoyao（1990-），main research interest：mechanical properties of recycled concrete，（E-mail）549780410＠qq.com。