混凝土橋梁拆除廢料再生利用試驗(yàn)研究

李雅娟 韋錦帆 杜進(jìn)生

摘要：利用混凝土橋梁拆除廢料制作同一強(qiáng)度等級(jí)的不同粗骨料替代率的3根混凝土梁，并對(duì)其進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)，比較不同的替代率對(duì)試驗(yàn)梁性能的影響。結(jié)果表明：各試驗(yàn)梁的截面變形符合平截面假定，受壓區(qū)高度隨著替代率的增加而增大；再生混凝土梁的開(kāi)裂彎矩均比普通混凝土梁小，結(jié)構(gòu)規(guī)范中的公式計(jì)算值偏于不安全；再生混凝土梁的裂縫發(fā)展較普通混凝土梁紊亂和密集，跨中撓度略大于普通混凝土梁，極限抗彎承載力平均值比普通混凝土梁低11.7%。

關(guān)鍵詞：混凝土橋梁；廢料再生；抗彎承載力；再生粗骨料

中圖分類號(hào)：U443.32文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

隨著危舊橋梁的逐年遞增、改擴(kuò)建項(xiàng)目的不斷增加及公路建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，許多橋梁需要進(jìn)行拆除，大量的拆除廢料隨之產(chǎn)生[1]。對(duì)橋梁拆除所產(chǎn)生的混凝土廢料進(jìn)行破碎、清洗和分級(jí)后，作為再生混凝土的骨料再利用，不僅可節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，而且可減少環(huán)境污染，對(duì)推進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方位的研究：美國(guó)學(xué)者對(duì)再生粗骨料混凝土的性能進(jìn)行了深入研究；澳大利亞學(xué)者對(duì)比了澳洲和日本的再生混凝土建設(shè)成果；國(guó)內(nèi)數(shù)十家研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)（包括同濟(jì)大學(xué)、西安建筑科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、廣西大學(xué)等）開(kāi)展了再生混凝土的研究，一些學(xué)者進(jìn)行了材料及結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次的研究，并取得了一定成果。

目前，混凝土廢料循環(huán)再利用更多地還處在試驗(yàn)室研究階段，缺乏完善的再生骨料和再生骨料混凝土的技術(shù)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)；且研究多集中在建筑領(lǐng)域，橋梁工程技術(shù)領(lǐng)域的研究相對(duì)較少[24]?；诖耍疚脑诮梃b已有研究成果的基礎(chǔ)上，制作3根同一強(qiáng)度等級(jí)、不同替代率的再生混凝土梁，分析其正截面抗彎性能，并討論與現(xiàn)行規(guī)范的符合程度，為再生粗骨料混凝土梁在工程中的應(yīng)用提供參考。

1試驗(yàn)概況

考慮不同再生粗骨料替代率（0、50%、100%），試驗(yàn)設(shè)計(jì)了1根普通粗骨料混凝土梁和2根再生粗骨料混凝土梁，分別以NC、RC50、RC100表示。

1.1配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)梁材料采用拉法基牌42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥，試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室的生活用水，骨料包括粒徑為5～315 mm連續(xù)級(jí)配的天然骨料和粒徑為5～300 mm的再生骨料（基體混凝土為強(qiáng)度等級(jí)C40的廢料混凝土）；細(xì)骨料為河道天然細(xì)沙。粗骨料的基本物理性能按照《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

再生混凝土采用基于自由水的配合比設(shè)計(jì)方法，以避免再生骨料因吸水率較大而導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度不穩(wěn)定的問(wèn)題[5]。首先根據(jù)普通混凝土的配合比確定每立方米混凝土各材料用量；然后根據(jù)表1中粗骨料的吸水率增加相應(yīng)的用水量進(jìn)行試配，拌制混凝土拌和物，進(jìn)行和易性試驗(yàn)，觀察拌和物的粘聚性與保水性，并測(cè)量坍落度，直至符合技術(shù)要求，最后確定各試驗(yàn)梁的配合比，見(jiàn)表2。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)梁所使用的材料參數(shù)見(jiàn)表3，試驗(yàn)梁內(nèi)部鋼筋應(yīng)變和外部混凝土應(yīng)變、撓度測(cè)點(diǎn)布置如圖1、2所示。

由圖2可看出，試驗(yàn)梁采用三分點(diǎn)加載方式，在加載點(diǎn)和支座段有500 mm的彎剪段，在加載點(diǎn)之間有500 mm的純彎段，荷載通過(guò)分配梁被平均分到2個(gè)加載點(diǎn)上。

試驗(yàn)過(guò)程共有2個(gè)加載步驟，分為預(yù)加載和正式加載。預(yù)加載值取計(jì)算開(kāi)裂荷載的60%，并觀察各位移計(jì)和應(yīng)變片的數(shù)值變化情況，以保證正常工作。之后進(jìn)行正式加載，以0.1 MPa·s-1的速率進(jìn)行加載，系統(tǒng)每秒自動(dòng)采集試驗(yàn)梁的荷載、撓度和應(yīng)變等數(shù)值，2名觀察者在梁旁邊觀察裂縫的開(kāi)展情況，并做好標(biāo)記，寫(xiě)上此時(shí)的荷載值。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1主要試驗(yàn)結(jié)果

3根試驗(yàn)梁的主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知，相同的混凝土強(qiáng)度下，再生混凝土梁的抗彎極限彎矩均比普通混凝土梁小，兩者差異在11.7%之內(nèi)，并未隨粗骨料替代率的增加而發(fā)生大幅度降低。但再生混凝土梁的開(kāi)裂彎矩要低于普通混凝土梁，其中RC50梁的開(kāi)裂彎矩最低，為NC梁的51.0%。試驗(yàn)梁的跨中撓度也隨著替代率的增加而小幅增大。

2.2荷載縱向主筋應(yīng)變分析各個(gè)荷載等級(jí)下，試驗(yàn)梁跨中縱向主筋應(yīng)變變化情況見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，曲線主要由3段組成，即彈性工作階段、開(kāi)裂后至縱向主筋屈服段以及屈服后的水平段。開(kāi)始加載時(shí)，試驗(yàn)梁整個(gè)截面都會(huì)參加工作，成為全截面工作階段，由于荷載較小，混凝土處于彈性階段，受拉區(qū)混凝土承擔(dān)主要的拉力，截面應(yīng)變分布基本呈三角形；之后，荷載繼續(xù)增大至約15 kN時(shí)，混凝土達(dá)到極限拉應(yīng)變，截面底部開(kāi)始出現(xiàn)橫向裂縫。開(kāi)裂后至縱向主筋屈服時(shí)，隨著荷載的增加，鋼筋應(yīng)變逐漸增大[6]，在同一級(jí)荷載下，普通混凝土梁的鋼筋應(yīng)變要比再生混凝土梁小。鋼筋屈服后，試驗(yàn)梁的荷載幾乎不再增加，但是應(yīng)變持續(xù)變大，直至受壓區(qū)混凝土壓碎。

2.3荷載跨中撓度分析

梁的撓度變化能很好地反映梁受力時(shí)的變化情況，撓度的增加直觀展現(xiàn)了試驗(yàn)梁從加載到破壞的整個(gè)過(guò)程，綜合反映試驗(yàn)梁的抗彎性能[7]。通過(guò)對(duì)各試驗(yàn)梁撓度數(shù)據(jù)的處理，剔除支座位移，得出梁撓度隨著荷載的變化情況，如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，再生混凝土梁與普通混凝土梁一樣，隨著荷載加載的持續(xù)進(jìn)行，荷載撓度曲線大致可分為3個(gè)階段，即彈性階段、帶裂縫工作階段和破壞階段。

2.3.1彈性階段

這一階段再生混凝土梁與普通混凝土梁相同，隨著荷載增加，撓度呈線性增加[8]。受拉區(qū)混凝土和縱向主筋共同承擔(dān)梁的拉應(yīng)力。

2.3.2帶裂縫工作階段

這一階段曲線的斜率較彈性階段減小，形狀近似直線，說(shuō)明試驗(yàn)梁此時(shí)仍具有較好的線彈性。當(dāng)截面出現(xiàn)裂縫后，受拉混凝土退出工作，原先承擔(dān)的拉力傳給了主筋，梁的撓度和截面曲率比彈性階段大幅增加[9]。從圖4可以看出，相同的加載值下，隨著粗骨料替代率的增加，試驗(yàn)梁的撓度值逐漸變大，抗彎剛度逐漸降低，NC梁跨中撓度值最小。由數(shù)據(jù)分析可知，再生混凝土梁在此階段的平均撓度值比NC梁大10%左右，說(shuō)明再生混凝土梁的抗彎剛度的下降速度較普通混凝土梁快。

試驗(yàn)梁抗彎剛度降低的原因?yàn)椋涸偕橇蠌?qiáng)度較低，所以再生混凝土梁的彈性模量較低，降低速率隨著粗骨料替代率的增加逐漸減小，造成了RC50梁和RC100梁的抗彎剛度幾乎相同；再生粗骨料在制備時(shí)內(nèi)部損傷較多，在荷載作用下，微裂縫易發(fā)展成界面裂縫，進(jìn)而貫通，使混凝土強(qiáng)度降低；再生骨料和天然卵石骨料混合時(shí)，由于卵石骨料內(nèi)摩擦角較小，骨料間的機(jī)械咬合力不強(qiáng)，界面間容易發(fā)生滑動(dòng)產(chǎn)生裂縫，所以在后期的荷載等級(jí)下，RC50梁的曲線斜率會(huì)比RC100梁低，直至梁被破壞，說(shuō)明RC50梁的極限荷載比RC100梁略??；澆筑時(shí)，水泥膠體會(huì)流入再生粗骨料表面的微裂縫，使界面水泥水化反應(yīng)更加充分，膠結(jié)力得到增強(qiáng)，再生混凝土的界面得到較大強(qiáng)化，從而提高了混凝土整體的強(qiáng)度和剛度。因此，隨著粗骨料替代率的增加，后期RC100梁的抗彎剛度比RC50梁略微提高。

2.3.3破壞階段

隨著荷載持續(xù)加大，梁的跨中撓度繼續(xù)增加，當(dāng)縱向主筋屈服后，荷載不再增大，而撓度大幅增加，增長(zhǎng)速度變快。當(dāng)加載值達(dá)到極限荷載，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，之后由于撓度過(guò)大，荷載逐漸下降。鋼筋屈服后，在很小的荷載增量下，梁都會(huì)產(chǎn)生很大的變形，中性軸不斷上移[10]。當(dāng)受壓區(qū)混凝土達(dá)到混凝土的極限壓應(yīng)變時(shí)，受壓區(qū)混凝土被壓碎，梁正截面受到彎破壞，再生混凝土梁的破壞彎矩均比普通混凝土梁小，撓度范圍為107～111 mm，相差不大，隨著粗骨料替代率的增加，撓度小幅增加。

2.4裂縫發(fā)展及分布

3根試驗(yàn)梁的裂縫開(kāi)展規(guī)律基本相同：彈性階段結(jié)束后，隨著荷載的增加，在試驗(yàn)梁的跨中底部出現(xiàn)第一條橫向受拉裂縫，然后往梁側(cè)面延伸，在支座和加載點(diǎn)之間的梁段也出現(xiàn)斜裂縫；當(dāng)荷載繼續(xù)增大，裂縫開(kāi)展更充分，分布更加密集，有些裂縫甚至相互連通起來(lái)；當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，裂縫寬度最大，達(dá)到20 mm，長(zhǎng)度可達(dá)15 cm。試驗(yàn)梁典型裂縫分布情況如圖5所示。

但是，試驗(yàn)梁裂縫開(kāi)展情況也存在差異。隨著粗骨料替代率的增加，平均裂縫間距隨之增加，RC50梁、RC100梁的平均間距較NC梁分別增長(zhǎng)了71%、14.1%。對(duì)于相同的加載值，裂縫的寬度隨著粗骨料替代率的增加而略微變寬，裂縫長(zhǎng)度有所降低，但是裂縫條數(shù)更多，說(shuō)明再生骨料的微裂縫對(duì)裂縫的形成至關(guān)重要[11]。隨著替代率的增加，試驗(yàn)梁的裂縫分布也更加密集和紊亂，其中RC100梁加載點(diǎn)下側(cè)面還出現(xiàn)沿縱筋方向的水平裂縫。具體原因主要是：再生混凝土與縱筋的粘結(jié)力不足，導(dǎo)致鋼筋周邊混凝土劈裂受拉而出現(xiàn)裂縫；再生混凝土的抗拉強(qiáng)度不足。

3規(guī)范適用性驗(yàn)證分析

3.1平截面假定驗(yàn)證

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中的要求，抗彎構(gòu)件在進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，必須滿足規(guī)范中的基本假定。其中就有滿足平截面假定這個(gè)重要條件，這是承載力計(jì)算和后續(xù)分析的基礎(chǔ)。

試驗(yàn)梁沿截面高度每隔40 mm布置一個(gè)應(yīng)變片，通過(guò)IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接采集應(yīng)變值，圖6為3根試驗(yàn)梁在各個(gè)加載值下混凝土的受拉、受壓應(yīng)變曲線。

從圖6可以看出，平截面假定仍然適用本文抗彎過(guò)程中的試驗(yàn)梁。在各級(jí)荷載下，隨著粗骨料替代率的增加，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值也隨之線性降低，說(shuō)明再生混凝土的材料均勻性比普通混凝土差。3根試驗(yàn)梁的受壓區(qū)高度如表5所示。

由表5可知，隨著再生混凝土替代率的增加，受壓區(qū)高度隨之增加。這是因?yàn)樵偕止橇峡紫堵蚀螅瑥?qiáng)度較低，需要較高的高度才能承擔(dān)由受拉鋼筋所產(chǎn)生的彎矩。

3.2開(kāi)裂彎矩

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中關(guān)于開(kāi)裂彎矩的計(jì)算公式為

Mcr=724ftbh2（1）

式中：Mcr為受彎構(gòu)件正截面開(kāi)裂彎矩值；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b、h分別為構(gòu)件截面的寬度和高度。

利用式（1）計(jì)算出各梁的開(kāi)裂彎矩計(jì)算值，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。

3根試驗(yàn)梁的開(kāi)裂彎矩計(jì)算值與試驗(yàn)值如表6所示。從表6可知，相同的混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，再生梁的開(kāi)裂彎矩均比普通梁小，其平均值大致為普通梁的569%，減小幅度較大，這是由再生骨料的內(nèi)部缺陷過(guò)多而導(dǎo)致的。

根據(jù)數(shù)值對(duì)比，3根梁的計(jì)算值與試驗(yàn)值的比值為1.030～1.250，其中再生混凝土梁的計(jì)算值與試驗(yàn)值差距超過(guò)24%，誤差較大。故規(guī)范中關(guān)于開(kāi)裂荷載的計(jì)算對(duì)再生混凝土不適用，需綜合考慮在再生混凝土梁的計(jì)算值基礎(chǔ)上乘以折減系數(shù)。

3.3抗彎承載能力

通過(guò)以上的試驗(yàn)結(jié)果可知，再生混凝土梁的正截面受彎時(shí)能保持平面，滿足平截面假定，破壞特征也與普通混凝土梁類似，符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）中關(guān)于抗彎承載力計(jì)算的4個(gè)基本假定。因而，可以根據(jù)規(guī)范中關(guān)于梁正截面抗彎承載公式計(jì)算其抗彎承載力。

在簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)，采用等效原理，截面受力狀態(tài)及計(jì)算示意如圖7所示。2個(gè)圖形的等效原則為：2個(gè)應(yīng)力圖形的合力C相等；合力C的作用點(diǎn)不變。

根據(jù)以上的基本假定和等效原則，由平衡條件可得到再生混凝土梁抗彎承載力C的計(jì)算公式

C=fyAs=α1fcbx（2）

Mu=Ch0-x2=α1fcbxh0-x2（3）

聯(lián)立式（2）、（3）得

Mu=fyAsh0-fyAs/2α1fcb（4）

式中： fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As為縱向受拉鋼筋截面面積；α1為等效矩形應(yīng)力圖系數(shù)，取10；fc為混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度；b為截面寬度；xn為中性軸高度；x為混凝土等效受壓區(qū)高度；Mu為構(gòu)件的正截面受彎承載力設(shè)計(jì)值；h0為截面有效高度。

將試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的材料強(qiáng)度值，即fy=412 MPa，fc=0.76 fcu（fcu為邊長(zhǎng)為150 mm的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值）代入式（4），得到各試驗(yàn)梁的極限彎矩計(jì)算值，結(jié)果見(jiàn)表7。由表7中的結(jié)果對(duì)比可以得到，再生混凝土梁極限彎矩試驗(yàn)值與計(jì)算值之比的平均值為1037，標(biāo)準(zhǔn)差為0004 3，變異系數(shù)為042%。規(guī)范計(jì)算值與試驗(yàn)值符合度較好，3根梁的極限彎矩試驗(yàn)值均大于計(jì)算值，規(guī)范中計(jì)算正截面抗彎承載力的理論和方法適用于再生混凝土梁。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的研究，可以得到如下結(jié)論。

（1） 再生混凝土梁在抗彎過(guò)程中有3個(gè)階段：混凝土未裂階段、混凝土帶裂縫工作階段和破壞階段。再生混凝土梁與普通混凝土梁的抗彎過(guò)程有一致性，破壞特征均為縱向主筋先屈服，然后受壓區(qū)混凝土被壓碎。

（2）再生混凝土梁在抗彎破壞過(guò)程中，隨著粗骨料替代率的增加，受壓區(qū)高度逐漸增大，截面的應(yīng)變變化情況滿足平截面假定原則。

（3） 再生混凝土梁的開(kāi)裂彎矩比普通混凝土梁小，其平均值大致為普通混凝土的56.9%，規(guī)范中關(guān)于開(kāi)裂彎矩的計(jì)算公式不再適用，應(yīng)考慮一定的調(diào)整系數(shù)。

（4）再生混凝土梁的跨中撓度略大于普通混凝土梁，裂縫的發(fā)展和延伸隨著粗骨料替代率的增加而更加紊亂和密集，裂縫長(zhǎng)度較短，但是寬度較大。

（5） 再生混凝土梁的撓度和應(yīng)變變化與普通混凝土梁類似，抗彎過(guò)程滿足設(shè)計(jì)規(guī)范中的4個(gè)基本假定，再生粗骨料混凝土梁抗彎承載力總體比普通混凝土梁低，隨著粗骨料替代率的增加又略微增長(zhǎng)，可以依照現(xiàn)行規(guī)范估算再生粗骨料混凝土梁的正截面抗彎承載力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李佳彬.再生混凝土基本力學(xué)性能研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2004.

[2]李占印.再生骨料混凝土性能的試驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2003.

[3]宋燦.再生混凝土抗壓力學(xué)性能及顯微結(jié)構(gòu)分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.

[4]林俊.再生混凝土抗壓和梁受彎性能研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2007.

[5]鄧志恒，楊海峰，林俊，等.再生混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)研究[J].混凝土，2008（11）：2224.

[6]肖建莊.再生混凝土單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（11）：14451449.

[7]黃健.再生混凝土梁極限承載力可靠度分析[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[8]曹萬(wàn)林，劉強(qiáng)，張建偉，等.再生混凝土低矮剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].世界地震工程，2009，25（1）：15.

[9]張建偉，曹萬(wàn)林，董宏英，等.再生骨料摻量對(duì)中高剪力墻抗震性能影響試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，25（S2）：5561.

[10]肖建莊，雷斌.再生混凝土碳化模型與結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，25（3）：6672.

[11]應(yīng)敬偉，肖建莊.再生骨料取代率對(duì)再生混凝土耐久性的影響[J]. 建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，29（1）：5662.

[責(zé)任編輯：王玉玲]