廢棄玻璃細骨料鋼筋混凝土柱的受壓性能

王鳳池 官爽 孫暢 賈世龍

摘 要：為研究廢棄玻璃細骨料對混凝土柱受力性能的影響，對6個普通骨料鋼筋混凝土柱和12個廢棄玻璃細骨料鋼筋混凝土柱進行了靜力受壓試驗?？紤]廢棄玻璃細骨料取代率、長細比和偏心距3個因素，分析了不同廢棄玻璃細骨料摻量對鋼筋混凝土柱的破壞形態(tài)、極限承載力、軸向位移、跨中撓度、混凝土應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變的影響。不論是軸心受壓還是偏心受壓，廢棄玻璃細骨料鋼筋混凝土柱破壞機理均與普通鋼筋混凝土柱相似。摻量100%的廢棄玻璃細骨料鋼筋混凝土柱的正截面承載力較高。廢棄玻璃細骨料鋼筋混凝土柱的正截面應(yīng)變符合平截面假定，采用中國相關(guān)規(guī)范計算試件的極限承載力，并將理論值與試驗值進行對比，證明可以采用現(xiàn)行的國家規(guī)范對廢棄玻璃細骨料鋼筋混凝土柱進行正截面承載力計算。研究表明，廢棄玻璃細骨料可以100%替代混凝土柱中普通砂，且抗壓性能可以滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：廢棄玻璃細骨料；鋼筋混凝土柱；極限承載力；長細比；偏心距

中圖分類號：TU375.3

文獻標志碼：A文章編號：1674-4764（2018）04-0135-07

Abstract：To study the influence of added waste glass fine aggregate on the performance of concrete column， compression static loading test was carried out on 6 reinforced normal aggregate concrete columns and 12 reinforced recycled glass fine aggregate concrete columns. Considering the replacement rate of recycled glass fine aggregate， slenderness ratio and eccentricity， the influence of different replacement rate of recycled glass aggregate on the failure modes， ultimate bearing capacity， axial displacement， cross lateral deflection， concrete strain and steel strain was analyzed. It is found that under both the eccentric compression or axial compression， the failure mechanism for reinforced recycled glass fine aggregate concrete column is similar with the normal reinforced concrete column. The ultimate bearing capacity is relatively high with 100% replacement of recycled glass fine aggregate. In addition， since it conforms to the plane section assumption， the ultimate bearing capacity of the specimens can be calculated according to the relevant domestic code. The results show that the waste glass fine aggregate can replace the general use of common sand in concrete column， without any influence on the performance.

Keywords：recycled glass fine aggregate； reinforced concrete columns； ultimate bearing capacity； slenderness ratio； eccentricity

玻璃在建筑、化工、儀器設(shè)備以及日常生活等諸多領(lǐng)域用量的逐年增加，廢棄玻璃所造成的“閃色污染”對環(huán)境造成了嚴重破壞。將廢棄玻璃回收并破碎，取代混凝土中的砂石骨料，是解決廢棄玻璃利用的新途徑[1-2]，不僅緩解了砂石的工程需求與資源匱乏之間日益突出的矛盾，也在某種程度上改善了混凝土的物理力學性能[3]。

Craig等[4]對廢棄玻璃取代天然骨料的最優(yōu)取代率、粒徑和堿硅反應(yīng)（ASR）進行了研究。認為通過優(yōu)化配合比并摻入適量粉煤灰能夠取得理想的混凝土強度，并減輕潛在ASR。Ahmad等[5]研究了廢棄玻璃作為粗骨料、細骨料和粉末骨料等3種廢棄玻璃骨料用于混凝土的性能，研究表明，細骨料能阻止ASR的影響，能改善混凝土的耐久性。王鳳池等[6]通過利用廢棄玻璃等質(zhì)量取代混凝土中的粗細骨料，研究了廢棄玻璃取代率和取代形式對混凝土抗壓強度和坍落度的影響。梁炯豐等[7]研究了玻璃骨料取代率對廢棄玻璃細骨料混凝土的單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線形狀和抗壓強度、峰值應(yīng)變、彈性模量的影響。劉光焰等[8]對廢棄玻璃混凝土的氯離子滲透性進行了研究，研究表明，與天然骨料混凝土相比，玻璃細骨料混凝土的抗氯離子擴散能力提高，玻璃粗骨料混凝土的抗氯離子擴散能力有所減弱。羅輝等[9]通過凍融循環(huán)試驗，研究了使用廢棄玻璃等質(zhì)量取代混凝土中的天然骨料對混凝土抗凍性能的影響，表明凍融循環(huán)對玻璃混凝土抗壓強度的影響小于普通混凝土。

學者們雖然對廢棄玻璃骨料混凝土的基本力學性能和耐久性能做了大量研究[10-13]，但對廢棄玻璃骨料混凝土柱力學性能的研究尚少。本文設(shè)計了18個玻璃骨料混凝土鋼筋混凝土柱，研究其在不同廢棄玻璃細骨料摻量、不同長細比和不同偏心距下的偏壓承載性能和變形性能。

1 試驗設(shè)計

1.1 材料及力學性能

試驗玻璃來源于沈陽市某玻璃加工廠的邊角余料。將回收的廢棄玻璃經(jīng)人工淘洗、碾碎后，按一定級配（最大粒徑為4 mm的篩網(wǎng)）篩選。試驗玻璃細骨料細度模數(shù)為2.97，屬于中砂，級配為Ⅱ級。玻璃細骨料基本特性如表1所示。

試驗混凝土設(shè)計強度等級均為C40，正常養(yǎng)護28 d。水灰比為0.43，廢棄玻璃細骨料取代天然河砂的取代率分別為0%、50%和100%。測定的不同玻璃骨料取代率混凝土抗壓強度如表2所示。

試件縱筋選用HRB400級熱軋帶肋鋼筋，箍筋選用HPB235級光圓鋼筋，力學參數(shù)見表3。

1.2 試件設(shè)計及制作

廢棄玻璃骨料鋼筋混凝土柱試件截面尺寸為b×h=200 mm×200 mm，保護層厚度c=25 mm。采用對稱配筋，配筋率為1.13%。試件高度l分別取800、1 200 mm，對應(yīng)的l1分別為400、800 mm。試件尺寸、骨料取代率、長細比、偏心距等見圖1和表4。

考慮到偏心受壓情況，將柱兩端設(shè)計成牛腿形狀。分別在受壓試件的柱頭兩端預(yù)埋厚度為18 mm、截面尺寸為b×h=200 mm×300 mm的鋼板。為防止試件在受壓時鋼板翹曲變形，在其中部4個角焊接上4根直徑為18 mm的HRB335級螺紋鋼筋。試件具體尺寸及配筋情況見圖1。

1.3 測點布置

軸心受壓試件的相鄰兩個側(cè)面以試件的中心線為基準，在試件中部360 mm范圍內(nèi)依次粘貼3個混凝土應(yīng)變片。偏心受壓試件受拉側(cè)，以試件的中心線為基準，在中部360 mm范圍內(nèi)依次粘貼3個應(yīng)變片。受壓側(cè)受到牛腿的影響，須確保跨中至少有1個應(yīng)變片。在試件側(cè)面寬度六等分處，平行地粘貼5個混凝土應(yīng)變片，如圖2（a）。

鋼筋應(yīng)變片的布置如圖2（b），在試件4根縱筋的跨中位置以及距跨中向上、向下各100 mm（柱高600 mm，在距跨中向上、向下各50 mm）處各粘貼1個應(yīng)變片，跨中3個箍筋均各粘貼1個應(yīng)變片。試件采用軸心、小偏心、大偏心3種加載情況，加載裝置見圖3。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 破壞現(xiàn)象

無論是軸心受壓、小偏心受壓還是大偏心受壓，玻璃混凝土柱與普通混凝土柱的破壞形態(tài)類似，都經(jīng)過了彈性變形階段、微裂縫階段、裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段和最后的裂縫迅速發(fā)展階段（圖4）。不同條件下的混凝土開裂荷載如表5。

以玻璃混凝土大偏心受壓長柱為例。玻璃摻量不同，開裂荷載不同（表4）。隨著玻璃摻量增加，開裂荷載增加。隨著偏心距的增加，開裂荷載降低明顯，這與普通混凝土是相同的。當達到開裂荷載時，在柱的跨中受拉區(qū)均出現(xiàn)了第1道橫向水平裂縫，但裂縫寬度不同，普通混凝土柱為0.03 mm，而100%玻璃混凝土柱為0.07 mm。出現(xiàn)裂縫后受拉鋼筋應(yīng)變和混凝土壓應(yīng)變增長速率加快，裂縫條數(shù)隨著荷載的增大而增多，裂縫基本等間距出現(xiàn)，普通混凝土柱裂縫間距約為100 mm，而100%玻璃混凝土柱間距略大，為110 mm；繼續(xù)加載，兩者均出現(xiàn)了典型的大偏心受壓破壞特征。玻璃混凝土柱極限裂縫寬度略大于普通混凝土柱。

2.2 荷載軸向位移曲線

圖5是長細比為4的玻璃骨料鋼筋混凝土柱在不同加載方式下的荷載與軸向位移曲線。軸心和小偏心受壓時時，隨著玻璃骨料摻量增加，極限荷載對應(yīng)的位移逐漸減小。而大偏心受壓時，100%玻璃骨料混凝土柱極限荷載對應(yīng)的軸向位移最小，50%玻璃骨料混凝土柱的軸向位移最大。

2.3 荷載跨中撓度曲線

如圖6（a）所示，軸心受壓構(gòu)件的跨中撓度變形較小，構(gòu)件的極限荷載對應(yīng)的撓度值均不大于1 mm，呈現(xiàn)了軸心受壓的特征。而小偏心受壓時（圖6（b）），普通混凝土柱荷載撓度曲線出現(xiàn)了較明顯的下降段，具有脆性破壞特征；玻璃骨料鋼筋混凝土柱則未出現(xiàn)較明顯的下降段。但無論玻璃摻量多少，極限荷載對應(yīng)的撓度值均很小，因此，小偏心受壓下玻璃骨料鋼筋混凝土柱依舊為脆性破壞。而大偏心受壓狀態(tài)下（圖6（c）），普通鋼筋混凝土柱、50%玻璃骨料鋼筋混凝土柱、100%玻璃骨料鋼筋混凝土柱撓度變化曲線基本相同，破壞荷載對應(yīng)的撓度值明顯大于小偏心下的撓度值，具有明顯延性特征。

2.4 混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

當長細比l0/h= 4時，混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7。無論是軸壓、小偏心受壓還是大偏心受壓，玻璃摻量對混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線均無明顯影響。偏心受壓時，加載初期曲線有明顯的彈性段。小偏心受壓時，偏心一側(cè)的混凝土極限應(yīng)變明顯大于另一側(cè)。相同應(yīng)力下，受壓側(cè)普通鋼筋混凝土柱的應(yīng)變較50%玻璃骨料鋼筋混凝土柱和100%玻璃骨料鋼筋混凝土柱小。受拉側(cè)100%、50%玻璃骨料鋼筋混凝土柱的應(yīng)變明顯大于鋼筋混凝土柱。而對于大偏心受壓（圖7（c）），受壓側(cè)玻璃細骨料摻量對應(yīng)力和應(yīng)變影響不大，但受拉側(cè)100%玻璃骨料鋼筋混凝土、50%玻璃骨料鋼筋混凝土的極限應(yīng)變明顯大于普通混凝土。

2.5 縱向鋼筋荷載應(yīng)變曲線

當軸心受壓柱（圖8（a））荷載從0增大到800 kN時，受壓構(gòu)件的荷載與鋼筋應(yīng)變成線性關(guān)系增大，此后鋼筋的應(yīng)變迅速增大，直到鋼筋屈服。普通鋼筋混凝土柱的應(yīng)變大于玻璃骨料細骨料鋼筋混凝土柱。對于小偏心受壓柱（圖8（b）），在受壓側(cè)的鋼筋極限應(yīng)變最小，且鋼筋荷載應(yīng)變曲線均出現(xiàn)屈服下降段。而對于大偏心受壓（圖8（c）），普通鋼筋混凝土柱和50%玻璃骨料鋼筋混凝土柱的鋼筋屈服應(yīng)變較接近，而100%玻璃骨料鋼筋混凝土柱鋼筋屈服應(yīng)變較??；在受拉側(cè)，鋼筋荷載應(yīng)變曲線基本重合。當加載至極限荷載時，玻璃骨料大偏心受壓柱的縱向鋼筋均已屈服。說明受壓側(cè)鋼筋受到混凝土的影響，而受拉側(cè)因混凝土開裂，鋼筋應(yīng)變基本相同。

3 受壓正截面承載力分析

圖9為骨料取代率為50%時，不同長細比和偏心距下跨中不同點應(yīng)變值。玻璃骨料鋼筋混凝土柱正截面應(yīng)變基本保持同一平面，可以采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）[14]（以下簡稱《規(guī)范》）中的相關(guān)公式計算柱正截面承載力。

對于軸心受壓柱，不考慮與偏心受壓構(gòu)件正截面承載力計算具有相近可靠度的調(diào)整系數(shù)0.9，采用式（1）計算。

式中參數(shù)含義見《規(guī)范》。

偏心受壓時，根據(jù)加載方式，圖1中的l即為柱的計算長度l0。當l0/b≥5時，考慮P-δ二階效應(yīng)，偏心距增大系數(shù)ηns按照式（2）計算。

附加偏心距ea主要考慮施工等因素造成的偏差，試驗已經(jīng)基本上做到了對中準確，取ea=0 mm?？刂平孛嬖跅U件長度的中點，M2/N等于試驗設(shè)計的偏心距e0。其他符號含義參見《規(guī)范》?；炷翉姸萬c、鋼筋強度fy（f′y）及鋼筋和混凝土的彈性模量Es和Ec的實測值見表2和表3，承載力計算結(jié)果見表6。

可見，除個別外，試驗值與理論計算值比較接近。因此，對于玻璃骨料鋼筋混凝土受壓柱而言，運用中國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)公式計算其承載力是合適的。

5 結(jié)論

1）玻璃骨料混凝土柱的受壓破壞機理和形態(tài)與普通混凝土柱相似，玻璃骨料摻量100%的玻璃骨料混凝土柱的承載力較高。

2）軸心和小偏心受壓時，隨著玻璃骨料摻量增加，極限荷載對應(yīng)的位移逐漸減小。而大偏心受壓時，100%玻璃骨料混凝土柱極限荷載對應(yīng)的軸向位移最小。

3）玻璃骨料混凝土柱受壓構(gòu)件正截面應(yīng)變始終保持同一平面，符合平截面假定。按現(xiàn)行的國家《規(guī)范》對玻璃骨料混凝土柱進行正截面承載力計算，試驗實測值與計算值較為接近。

4）用廢棄玻璃骨料替代天然骨料是可行的。由于取代細骨料可以避免堿骨料反應(yīng)，因此，可以100%地替代普通砂，且性能滿足要求。

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（編輯 王秀玲）