黏土磚再生粗骨料混凝土構(gòu)件受力及形變分析

楊曉飛

(山西省東山供水工程建設(shè)管理局，山西 太原 030001)

隨著我國建筑行業(yè)逐漸發(fā)展，國內(nèi)上個(gè)世紀(jì)的建筑拆遷工作不斷涌現(xiàn)。在拆遷過程中存在大量的黏土廢棄磚，如何有效利用該資源是建筑行業(yè)工作者的一項(xiàng)難題[1]。為了響應(yīng)國家的綠色環(huán)保循環(huán)利用的施工建設(shè)理念，可將其處理成再生粗骨料，摻配于混凝土中。黏土磚再生粗骨料混凝土構(gòu)件能否應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中成為問題的關(guān)鍵。

本文為了研究黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻在受到低周反復(fù)載荷時(shí)的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)對比試驗(yàn)，探究其受力與形變性能。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 樣本制作

本次試驗(yàn)制作3個(gè)矩形截面短肢抗震墻樣本構(gòu)件，樣本構(gòu)件與實(shí)際構(gòu)件大小一致，樣本構(gòu)件依次是普通混凝土短肢墻(DZQ)、再生磚粗骨料百分比30%的混凝土短肢墻(ZSZDZQ)。為了保證摻入黏土磚再生粗骨料的混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度，僅摻入質(zhì)量30%的再生磚粗骨料代替石子骨料。利用江西省南昌市某縣拆遷現(xiàn)場的廢棄磚制作黏土磚再生粗骨料。先將廢棄黏土磚粉碎，再進(jìn)行篩分后形成再生粗骨料，其粒徑均在4～21mm，堆積密度是1580kg/m3，48h的吸水百分比是20.5%。結(jié)合黏土磚骨料的孔隙比、吸水特點(diǎn)，綜合考慮混凝土強(qiáng)度與干縮性，借鑒已有研究成果，標(biāo)定再生磚骨料混凝土混合比例[2- 4]。設(shè)定普通混凝土與再生磚粗骨料混凝土水灰比例0.45，含砂比例32%。普通混凝土水泥、水砂、石混合比例是：14.05∶5.64∶

12.15∶28.29，黏土磚再生粗骨料混凝土的水泥、水、砂、石、粗轉(zhuǎn)骨料混合比例是14.05∶7.38∶12.15∶18.35∶9.94。

1.2 試驗(yàn)原料性能

試驗(yàn)所用的混凝土樣本構(gòu)件力學(xué)性能檢測參數(shù)見表1中數(shù)據(jù)，所用鋼筋的力學(xué)性能檢測參數(shù)如表2中數(shù)據(jù)。

表1 混凝土各力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)概況

表2 試驗(yàn)三級鋼筋各力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)概況

1.3 加載方法介紹

本試驗(yàn)選擇低周反復(fù)加載的方法。其主要借助MTS三維擬動(dòng)力液壓伺服設(shè)備與反力架實(shí)現(xiàn)垂直與水平方向上反復(fù)加載。具體實(shí)景圖如圖1所示。

圖1 加載設(shè)備實(shí)景圖

試驗(yàn)加載分為2個(gè)階段。第1個(gè)階段主要控制載荷與位移，第2階段主要控制位移。垂直方向施加載荷時(shí)軸壓比例是0.35。在未試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)一次性施加載荷257kN，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)不得發(fā)生變化，并且保證在墻頂端表面中心位置處加載。

水平方向加載：必須在墻頂梁端表面中心位置處加載。

控制加載：在試驗(yàn)構(gòu)件鋼筋未發(fā)生屈服時(shí)，后一次都要比前一次增加22.5kN的荷載，每級都進(jìn)行循環(huán)[5]。

控制位移：一旦試驗(yàn)構(gòu)件出現(xiàn)屈服，采取水位位移控制方式，每一位移級循環(huán)2次，當(dāng)受壓縱筋屈服、水平載荷僅為極限載荷數(shù)值的0.80時(shí)才停止水平位移控制[6]。

1.4 檢測指標(biāo)與檢測方法

試驗(yàn)檢測指標(biāo)涉及到抗震墻頂端的水平力與位移、頂部施加的垂直方向的載荷、垂直方向與水平方向鋼筋的應(yīng)變值。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，隨時(shí)檢測抗震墻裂縫情況，并以圖畫形式及時(shí)記錄裂縫出現(xiàn)位置。

將8個(gè)位移傳感器安設(shè)在剪力墻試驗(yàn)構(gòu)件上，可以檢測出剪力墻頂點(diǎn)位移、墻半高處的水平位移級墻腳處位移及轉(zhuǎn)角等系列參數(shù)變化。鋼筋應(yīng)變檢測點(diǎn)應(yīng)位于暗柱縱筋、剪力墻水平分布鋼筋與垂直分布鋼筋。具體位移傳感器與鋼筋應(yīng)變檢測點(diǎn)位置如圖2所示。裂縫檢測需要借助放大鏡與裂縫寬度儀配合完成。

圖2 位移傳感器與鋼筋應(yīng)變檢測點(diǎn)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)探析

2.1 承載力

抗震墻試驗(yàn)構(gòu)件各載荷參數(shù)檢測數(shù)據(jù)匯總見表3。分析表3中數(shù)據(jù)不難得到：再生磚骨料混凝土抗震墻試驗(yàn)構(gòu)件ZSZDZQ發(fā)生開裂現(xiàn)象遠(yuǎn)遠(yuǎn)提前于普通混凝土抗震墻試驗(yàn)構(gòu)件DZQ，主要受到磚骨料抗拉強(qiáng)度降低了混合料抗拉強(qiáng)度的影響。ZSZDZQ的開裂載荷、屈服載荷、破壞載荷分別低于DZQ的相應(yīng)載荷的13.25%、4.65%、9.25%。檢測數(shù)據(jù)可以看出再生磚骨料混凝土抗震墻承載力一般為普通混凝土抗震墻承載力90%以上。黏土磚再生粗骨料混凝土與普通混凝土相比屈強(qiáng)比例升高，其脆性也隨之升高。

表3 試驗(yàn)構(gòu)件各載荷參數(shù)檢測數(shù)據(jù)對比表單位：kN

2.2 延性能力

將各個(gè)抗震墻墻頂位移與延性系數(shù)檢測數(shù)據(jù)分別匯總整理見表4、5。分析兩個(gè)表中數(shù)據(jù)，不難看出再生磚骨料混凝土抗震墻試驗(yàn)構(gòu)件ZSZDZQ開裂位移、屈服位移、極限位移、彈塑性位移角度、延性系數(shù)分別占普通混凝土抗震墻試驗(yàn)構(gòu)件DZQ相應(yīng)參數(shù)的140.42%、95.9%、90.85%、90.72%、87.76%。通過上述數(shù)據(jù)分析，得到再生磚骨料混凝土抗震墻延性雖有下降，但仍為普通混凝土延性系數(shù)的85%以上，能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)抗震規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

表4 試驗(yàn)構(gòu)件各位移相關(guān)參數(shù)檢測數(shù)據(jù)對比表

表5 試驗(yàn)構(gòu)件延性系數(shù)檢測數(shù)據(jù)對比表

2.3 滯回曲線變化

圖3、4分別是普通混凝土抗震墻試驗(yàn)構(gòu)件DZQ與再生磚骨料混凝土抗震墻試驗(yàn)構(gòu)件ZSZDZQ在低周反復(fù)載荷條件時(shí)的水平載荷P-頂點(diǎn)水平方向位移U滯回曲線變化。對比分析圖3、4，不難得到：抗震墻在未出現(xiàn)開裂時(shí)完全屬于彈性工作階段，此階段樣本構(gòu)件加載曲線和卸載曲線近乎疊合成一條直線狀態(tài)。當(dāng)樣本構(gòu)件處于開裂到屈服階段時(shí)，滯回曲線形成狹窄細(xì)長型環(huán)狀，包絡(luò)面積與耗能都很小。當(dāng)樣本構(gòu)件處于屈服后的階段時(shí)，滯回曲線發(fā)生逐步靠近坐標(biāo)橫軸的趨勢，隨之包絡(luò)面積變大。綜上所述，可得再生磚骨料混凝土抗震墻與普通混凝土抗震墻能耗并無太大差異，只是再生磚骨料混凝土抗震墻滯回環(huán)包絡(luò)面積與能耗略有下降，但幅度不大。

圖3 DZQ的P～U滯回曲線變化

圖4 ZSZDZQ的P～U滯回曲線變化

2.4 裂縫發(fā)育

通過實(shí)時(shí)記錄繪畫出各試驗(yàn)墻(DZQ與ZSZDZQ)裂縫位置分別見圖5、6。

圖5 DZQ的裂縫位置

圖6 ZSZDZQ的裂縫位置

分析圖5、6裂縫位置及形狀變化，顯然能得到如下結(jié)論：

在混凝土未開裂時(shí)，各個(gè)抗震墻完全屬于彈性工作階段。隨著水平力逐漸增加，墻體受拉位置的中間位置發(fā)生細(xì)小的水平開裂，相反方向載荷增加墻體對側(cè)受拉位置邊緣處同樣發(fā)生細(xì)小的水平開裂。隨著水平力再次增加，墻體開裂現(xiàn)象逐漸增多，先前開裂位置的裂縫寬度與長度均有明顯增加，墻體根部截面形成水平裂縫，受拉區(qū)中間部位形成大量明顯的斜裂縫；在相反方向施加載荷時(shí)，墻體對側(cè)受拉區(qū)域形成大量水平裂縫，先前開裂的裂縫逐漸延長至墻體中間位置。

隨著水平力與屈服載荷接近時(shí)，墻體受拉區(qū)域形成大量水平裂縫與斜裂縫，裂縫進(jìn)一步延長到下部，縱向受力鋼筋逐漸屈服。接著，載荷-位移變化曲線開始遠(yuǎn)離直線，試驗(yàn)構(gòu)件已經(jīng)發(fā)生屈服。隨著載荷進(jìn)一步增加，墻體受拉區(qū)域先前的裂縫發(fā)育，裂縫深度、長度、寬度及數(shù)量均有所增長。一旦墻體受壓區(qū)域縱筋屈服，試驗(yàn)構(gòu)件已經(jīng)破壞。

3 結(jié)語

本文為了研究黏土磚再生粗骨料混凝土的力學(xué)性能，設(shè)計(jì)對比試驗(yàn)。制作普通混凝土短肢抗震墻與30%的黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻，施加低周反復(fù)載荷，分析抗震墻的承載力、延性能力、滯回曲線變化、裂縫位置及發(fā)育等評價(jià)參數(shù)，探究黏土再生粗骨料混凝土短肢抗震墻的受力性能。概括分析總結(jié)如下3點(diǎn)：

(1)在其它一致情形時(shí)，黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻承載能力小于普通混凝土短肢抗震墻的承載能力，但相差不大。

(2)黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻同樣存在彈性、開裂、屈服、破壞4個(gè)受力性能階段，與普通混凝土短肢抗震墻一致。

(3)黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻出現(xiàn)彎曲破壞時(shí)具有較高的延性，滯回環(huán)包絡(luò)面積小，能耗小，承載能力與剛度平穩(wěn)減小。只要軸壓比限值設(shè)計(jì)適當(dāng)，黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻完全符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，適于作為建筑構(gòu)件。

黏土磚再生粗骨料混凝土構(gòu)件完全可以用于建筑施工中，充分利用廢棄黏土磚，避免了資源浪費(fèi)與環(huán)境污染，不僅具有經(jīng)濟(jì)效益，而且有很大的社會(huì)效益，值得推廣。