黏土磚再生骨料混凝土柱軸心受壓承載力試驗研究

路曉明，張浩

（1.鄭州科技學(xué)院，河南 鄭州 450064；2.河南省信息咨詢設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450008）

0 引言

長期以來，我國建筑物中大量使用黏土磚作為承重或圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料。隨著城市建設(shè)和城市改造的加快，以及自然災(zāi)害等原因造成的建筑物提前毀棄，拆除舊建筑物將產(chǎn)生大量的廢棄黏土磚，成為建筑垃圾。鑒于粗骨料的大量需求和廢棄黏土磚污染環(huán)境這一現(xiàn)狀，若能有效地將廢棄黏土磚加以回收處理、加工成可用于拌制混凝土的粗細(xì)骨料，生產(chǎn)出大量的黏土磚再生骨料混凝土，既可以解決廢棄黏土磚的處理問題，又能緩解拌制混凝土所需粗細(xì)骨料對自然資源的消耗問題，對建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將起到積極推進(jìn)作用。

很多學(xué)者通過配制不同再生骨料摻量的混凝土并研究其抗壓強度，得出了有意義的成果[1-3]；肖斌等[4]用不同粒徑、不同含量的廢磚再生骨料拌制混凝土，對其進(jìn)行力學(xué)性能試驗；王純合[5]對磚骨料替代率分別為30%、50%、70%、100%的4根混凝土梁與1根天然骨料的普通混凝土梁進(jìn)行對比試驗；趙文蘭等[6]研究了由廢棄黏土磚作粗骨料拌制澆筑的混凝土組合墻體。近年來，國內(nèi)外科研人員完成了一些廢磚再生骨料混凝土的相關(guān)研究和探索，但大多集中于基本物理力學(xué)性能的研究，很少針對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)、特別是針對再生骨料混凝土柱軸心受壓的研究，因此研究黏土磚再生骨料混凝土柱軸心受壓承載力具有重要的意義。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：河南星達(dá)水泥廠，P·O32.5。

砂：普通河砂，細(xì)度摸數(shù)為2.8。

天然骨料：河南省內(nèi)破碎花崗巖石子，粒徑為5～20 mm，顆粒級配良好。

再生骨料：鄭州市城中村拆房廢磚，粉碎篩分后骨料粒徑為5～20 mm，級配良好。

水：自來水。

天然骨料與再生骨料的主要物理指標(biāo)見表1。

表1 天然骨料及再生骨料的主要物理指標(biāo)

1.2 試驗配合比

以往研究結(jié)果表明[3]，黏土磚再生骨料的替代率太大時強度不能保證，太小則經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效果不顯著，其中最佳替代率為20%～40%。本試驗制作試件時水灰比為0.5，黏土磚再生骨料替代率分別為0、20%、25%、30%、35%，黏土磚再生骨料混凝土柱配合比見表2。

表2 黏土磚再生骨料混凝土柱配合比 kg

1.3 試件制作

根據(jù)預(yù)定試驗方案，每組3個共制作15個試件（天然骨料混凝土柱作為對比組），試件尺寸為150 mm×150 mm×1200 mm。

（1）鋼筋籠綁扎及支模：混凝土柱受力縱筋采用4根直徑12 mm的鋼筋，箍筋采用直徑6 mm的鋼筋，底部采用加寬加長固定端底座。

（2）鋼筋應(yīng)變片粘貼及應(yīng)變導(dǎo)線的焊接：應(yīng)變片分別在柱底部50、300、600 mm處及離頂部50 mm處粘貼，并在4根主筋同等位置處粘貼，粘貼好應(yīng)變片后，用導(dǎo)線連接并將導(dǎo)線通過柱上端引出柱外面。

（3）澆筑成型拆模并打磨：將澆筑好的柱用覆膜保水養(yǎng)護(hù)，達(dá)到養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)后，用打磨機將表面打磨平整。

（4）混凝土柱表面粘貼應(yīng)變片：將打磨好的混凝土柱表面清理干凈，在柱的4個面的上部、中部和下部分別貼上2個、3個、2個應(yīng)變片。

1.4 試驗儀器及方法

試驗采用單次加載，試驗裝置為2000 kN伺服液壓式萬能試驗機，最大軸向壓力為2000 kN，最大行程300 mm，測量精度±1%。柱頂部安裝位移傳感器，用于測量柱的軸向變形，柱表面的應(yīng)變片用于測定混凝土的應(yīng)變。應(yīng)變采集儀為CM1A型靜態(tài)應(yīng)變儀。

依據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》及GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

2 黏土磚再生骨料混凝土柱軸心受壓破壞形態(tài)分析

混凝土柱最常見的受力模式是軸心受壓，柱內(nèi)部配置縱向鋼筋的作用是承擔(dān)部分荷載，這樣可減少構(gòu)件的截面尺寸，同時改善混凝土的徐變特性，減少混凝土的離散性，增強構(gòu)件的延展性，防止偶然的偏心作用引起構(gòu)件破壞。箍筋主要與縱筋形成骨架，防止縱筋的壓彎屈服，保證縱筋與混凝土共同受力。對于配有縱向鋼筋的混凝土柱，在軸心受壓的情況下，理論上在破壞之前柱任意截面上壓應(yīng)變是均勻分布的，鋼筋的應(yīng)變和混凝土的應(yīng)變應(yīng)當(dāng)相等。不同黏土磚再生骨料摻量下混凝土柱軸心受壓破壞形態(tài)見圖1。

由圖1可見，不同再生骨料摻量的混凝土柱破壞形態(tài)與普通混凝土柱沒有本質(zhì)區(qū)別，都是經(jīng)歷了3個階段，即彈性階段、塑性階段和破壞階段。然而再生骨料混凝土柱在裂縫發(fā)生、發(fā)展及貫通過程中，仍表現(xiàn)出一定的特異性。

（1）彈性階段：當(dāng)荷載較小時，鋼筋和混凝土都處于彈性階段，縱向鋼筋和混凝土的應(yīng)變隨著軸向力的增加而增加，二者的應(yīng)力也隨著軸力的增加而呈線性增加模式，由于鋼筋的彈性模量比混凝土大，所以鋼筋的應(yīng)力要大于混凝土中的應(yīng)力。

（2）塑性階段：隨著荷載的增大，混凝土首先進(jìn)入塑性階段，在柱頂端出現(xiàn)細(xì)微的縱向裂縫；隨著黏土磚再生骨料摻量的增加，細(xì)微裂縫出現(xiàn)的時間越快，裂縫發(fā)展速度也越快。荷載進(jìn)一步增加，柱身也開始出現(xiàn)裂縫，并逐漸與端部裂縫貫通。

圖1 不同再生骨料摻量下混凝土柱軸心受壓破壞形態(tài)

（3）破壞階段：隨著荷載的繼續(xù)增大，混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變，混凝土柱裂縫從端部開始向四周蔓延，最終出現(xiàn)貫通的縱向裂縫，承載力不再增加，試件即告破壞。再生骨料摻量越大，柱子裂縫貫通發(fā)生的時間越快，整個柱子破壞的時間越短，其承載力也越低。從破壞后的殘渣看，再生骨料混凝土柱的破壞，一部分是骨料自身強度不足而破壞，另一部分是骨料和水泥漿體的開裂而破壞。

3 黏土磚再生骨料混凝土柱軸心受壓承載力與位移分析

3.1 承載力分析

不同再生骨料摻量下混凝土柱開裂荷載、極限荷載見表3，其中開裂荷載指混凝土柱首次出現(xiàn)裂縫時的荷載，極限荷載指儀器測得的混凝土柱最大承載力。

表3 不同再生骨料摻量下混凝土柱開裂限荷、極限荷載

由表3可見：黏土磚再生骨料混凝土柱的開裂荷載和極限荷載均隨著黏土磚再生骨料摻量的增加而降低，黏土磚再生骨料摻量為20%、25%、30%、35%時，混凝土柱的開裂荷載分別降低8.45%、13.18%、19.91%、27.44%，極限荷載分別降低6.03%、9.90%、14.10%、18.31%。這可能與以下原因有關(guān)：

（1）黏土磚再生骨料自身性質(zhì)的影響：由于黏土磚再生骨料自身強度不高，穩(wěn)定性和堅固性沒有普通骨料大，隨著黏土磚再生骨料摻量的增加，再生混凝土抵抗破壞的能力變?nèi)?，混凝土更易發(fā)生拉裂破壞。

（2）黏土磚再生骨料吸水性的影響：隨著黏土磚再生骨料摻量的增大，其自身的吸水量也在增大，對試件內(nèi)部水泥的水化有一定的影響。由于本次試驗所用的配合比中水灰比為0.5，在黏土磚再生骨料摻量較低的情況下，再生骨料對水化影響有限，但在摻量較大時，對水化作用的影響越來越明顯。

（3）普通骨料的骨架作用：在摻量較低時，普通骨料有一定的骨架作用，而在摻量較大時，這種骨架作用就會破壞。

（4）施工性能的影響：再生骨料自身具有吸水性強，顆粒表面多棱角等特點，這在拌和及澆筑過程中，影響混凝土的和易性、流動性及保水性，使試塊不易振搗密實，中間多空隙，因此隨著黏土磚再生粗骨料摻量的增加，試塊的強度有所降低。

當(dāng)黏土磚再生骨料摻量為30%時，開裂荷載的降低幅度為19.91%，極限荷載的降低幅度為14.10%；當(dāng)摻量達(dá)到35%時，開裂荷載的降低幅度達(dá)到27.44%，極限荷載的降低幅度也達(dá)到了18.31%，與上一級摻量均有較大的變化。因此，綜合考量經(jīng)濟(jì)和強度的因素，建議黏土磚再生骨料摻量不宜大于30%。

從混凝土柱開裂荷載與極限荷載的比值來看，黏土磚再生骨料的摻量越大，其比值越小，混凝土柱從開始出現(xiàn)裂縫到破壞經(jīng)歷的過程也越長，混凝土柱表現(xiàn)出越大的塑性。從抗震設(shè)計的“強柱弱梁”的角度分析，要保證梁先于柱子破壞，柱子的剛度要比梁的剛度大，所以再生骨料混凝土柱的塑性是不利于抗震的，從這一點來說，再生骨料的摻量也不宜過大。但是當(dāng)再生骨料摻量為30%時，混凝土柱的開裂荷載與極限荷載比值為0.720，比不摻再生骨料的普通混凝土柱的比值僅降低6.7%。

3.2 承載力與位移分析

不同再生骨料摻量下混凝土柱的荷載-位移曲線見圖2。

圖2 不同再生骨料摻量下混凝土柱的荷載-位移曲線

由圖2可見：

（1）無論混凝土柱是否摻加再生骨料，隨著荷載的增大，混凝土柱的軸向位移均隨之增大，但二者并非線性關(guān)系。初始階段位移突然增大，是試驗機軸壓板與混凝土柱相互貼合過程中的位移突變，不具有代表性。隨著荷載的增大，軸向位移與荷載基本成線性關(guān)系，此時混凝土柱處于彈性階段。荷載繼續(xù)增大，軸向位移增加速度逐漸變大，軸向位移與荷載成非線性關(guān)系，此時混凝土柱處于塑性階段。當(dāng)荷載大于塑性極限時，混凝土柱開始出現(xiàn)裂縫，軸向位移增加很快，混凝土柱進(jìn)入破壞階段，同時在荷載增大很小的情況下，柱子發(fā)生破壞。

（2）從位移增量來看，黏土磚再生骨料摻量越大，相同荷載條件下，軸向位移也越大。例如，當(dāng)荷載值為300 kN時，黏土磚再生骨料摻量為0、20%、25%、30%的混凝土柱的軸向位移分別為 1.61、2.11、2.22、2.40 mm。

（3）黏土磚再生骨料摻量越大，混凝土柱破壞時的荷載越小，軸向位移卻越大，這進(jìn)一步說明黏土磚再生骨料的摻加，增大了混凝土柱的塑性。在抗震設(shè)計時宜注意此不利影響。

4 軸心受壓黏土磚再生骨料混凝土柱的設(shè)計計算

黏土磚再生骨料摻量為30%的軸心受壓混凝土柱正截面受壓承載力設(shè)計值可依據(jù)GB 50010—2010中有關(guān)條文進(jìn)行計算：

式中：N——軸向壓力設(shè)計值，N；

φ——鋼筋混凝土構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，見GB 50010—2010表格6.2.15，本例中由于柱的長細(xì)比等于8，故取值為1；

λ——再生骨料混凝土柱的安全系數(shù)，當(dāng)摻量為30%時，建議取值為0.9；

fc——混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值，MPa，當(dāng)摻量為30%時，建議折減系數(shù)取0.8；

fy＇——鋼筋的抗壓強度設(shè)計值，MPa；

A、As′——構(gòu)件截面面積和全部縱向鋼筋的截面面積，mm2，當(dāng)縱向鋼筋配筋率＞3%時，A 應(yīng)當(dāng)減去 As′。

對于λ的取值，已考慮了混凝土柱的極限荷載、開裂荷載和塑性指標(biāo)等因素，但主要是以極限荷載的折減為準(zhǔn)。

對于fc的取值，建議折減系數(shù)取值為0.8，主要是考慮到黏土磚再生骨料混凝土的抗壓強度的折減。

在實際使用時，建議對黏土磚再生骨料混凝土試件先進(jìn)行抗壓強度試驗；如無實際資料時，黏土磚再生骨料混凝土抗壓強度值可按折減系數(shù)為0.8的普通混凝土抗壓強度取值。

5 結(jié)語

5 結(jié)語

（1）不同再生骨料摻量的混凝土柱破壞形態(tài)與普通混凝土柱沒有本質(zhì)區(qū)別，都經(jīng)歷了彈性階段、塑性階段和破壞階段。但是黏土磚再生骨料摻量越大，混凝土柱進(jìn)入塑性階段的時間越早，柱子頂端及柱身出現(xiàn)裂縫的時間越早，裂縫貫通速度越快，柱子破壞的越快，承載力越低。

（2）黏土磚再生骨料混凝土柱的開裂荷載和極限荷載均隨著黏土磚再生骨料摻量的增加而降低。綜合考量經(jīng)濟(jì)和強度的因素，建議黏土磚再生骨料摻量不宜大于30%。

（3）黏土磚再生骨料混凝土柱正截面受壓承載力設(shè)計值可依據(jù)GB 50010—2010的有關(guān)公式計算，但應(yīng)乘以相應(yīng)的折減系數(shù)，混凝土的抗壓強度折減系數(shù)為0.8，再生混凝土柱的安全系數(shù)取0.9。

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