反復荷載作用下鋼筋再生混凝土框架邊節(jié)點的破壞機理

孫 禎， 鄭建嵐, 2, 3

(1. 福州大學土木工程學院， 福建 福州 350108； 2. 福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心， 福建 福州 350108； 3. 福建江夏學院工程學院， 福建 福州 350108)

0 引言

再生混凝土框架節(jié)點受再生粗骨料表面附著老砂漿、 界面過渡區(qū)薄弱等影響， 其破壞形態(tài)與普通混凝土框架節(jié)點存在差異. 國內(nèi)外關(guān)于再生混凝土框架節(jié)點的研究主要集中在抗震性能[1-7]和抗剪分析[8]方面， 對反復荷載作用下不同再生粗骨料取代率框架節(jié)點的破壞過程、 形態(tài)及機理研究較少， 文獻[9]認為再生粗骨料取代率為0%和100%框架邊節(jié)點的破壞形態(tài)類似， 但取代率為50%試件的裂縫形狀較為雜亂， 核心區(qū)主斜裂縫向下柱偏移， 導致屈服時塑性鉸偏離設(shè)計位置. 而文獻[4]則認為再生混凝土節(jié)點與普通混凝土節(jié)點破壞形態(tài)相同， 但在混凝土塊體剝落處出現(xiàn)較多新老砂漿， 體現(xiàn)了再生骨料新舊砂漿界面薄弱的特征， 但并不隨取代率發(fā)生規(guī)律性變化. 為進一步探討再生粗骨料取代率對節(jié)點破壞形態(tài)的影響規(guī)律和作用機理， 本研究設(shè)計了4個不同再生粗骨料取代率(0%、 50%、 70%和100%)的框架邊節(jié)點試件并進行擬靜力實驗， 通過觀測節(jié)點區(qū)域的裂縫發(fā)展、 鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變， 研究再生粗骨料取代率對框架邊節(jié)點破壞機理的影響規(guī)律， 以期為再生混凝土的工程應(yīng)用提供參考.

1 試驗概況

1.1 原材料

再生粗骨料取自某路面廢混凝土， 其基本性能見表1. 采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、 細砂、 聚羧酸高效減水劑， 混凝土配合比及實驗當天(齡期300 d)的立方體抗壓強度測試結(jié)果見表2， 其中， NJ表示普通混凝土試件， RJx代表再生粗骨料取代率為x%的試件. 梁縱筋為直徑22 mm的HRB400變形鋼筋， 屈服強度469 MPa、 極限強度588 MPa； 柱縱筋為直徑18 mm的HRB400變形鋼筋， 屈服強度505 MPa、 極限強度628 MPa； 箍筋為直徑6 mm的HPB300光圓鋼筋， 屈服強度318 MPa、 極限強度429 MPa.

表2 混凝土配合比及其抗壓強度

注：p300 d表示混凝土齡期300 d的立方體抗壓強度.

1.2 試驗設(shè)計

框架邊節(jié)點的尺寸配筋見圖1， 擬靜力加載示意圖見圖2， 鋼筋和混凝土應(yīng)變片布置見圖3， 其中， 節(jié)點核心區(qū)僅有一根箍筋， 分別在四周粘貼鋼筋應(yīng)變片， 以測量核心區(qū)箍筋在截面高度和寬度方向上的微應(yīng)變.

實驗過程中， 對柱端施加軸壓比為0.15的恒定軸壓力， 對梁端施加±2.5、 ±5.0、 ±7.5、 ±10.0、 ±20.0、 ±30.0和±40.0 mm的豎向位移， 每級加載循環(huán)3次.

圖1 節(jié)點尺寸及配筋(單位： mm)

Fig.1 Dimension and details of exterior joint(unit: mm)

圖2 擬靜力加載示意圖

Fig.2 Quasi-static loading diagram

圖3 鋼筋和混凝土應(yīng)變片布置

Fig.3 Layout of strain gauges

2 破壞過程與分析

2.1 破壞過程與裂縫發(fā)展

本研究4個試件的尺寸配筋均相同僅再生粗骨料取代率不同， 反復荷載作用下的破壞過程和裂縫發(fā)展見圖4～7， 各試件的裂縫發(fā)展異同點詳述如下.

1) 相同點. 均經(jīng)歷初裂(在節(jié)點核心區(qū)觀察到第一條橫向裂縫)、 通裂(節(jié)點核心區(qū)形成兩條X型的交叉主斜裂縫)、 極限(梁端荷載達到最大)與破壞(梁端荷載降低到峰值荷載的80%以下)四個階段； 從各試件的最終破壞形態(tài)看， 其破壞機理是節(jié)點核心區(qū)剪切破壞為主， 梁端彎曲破壞為輔.

2) 不同點. ① 再生粗骨料會影響節(jié)點的裂縫走向， 比如反復荷載作用下， 試件NJ(普通混凝土)會在節(jié)點核心區(qū)產(chǎn)生對稱斜裂縫， 如圖4(b)， 而對于試件RJ50、 RJ70和RJ100(再生混凝土)而言， 改變加載方向會改變裂縫的走向， 但仍沿原有裂縫開展， 從而在梁柱交界處形成水波紋形狀的裂縫， 如圖5(b)、 圖6(c)、 圖7(c)所示； ② 再生混凝土試件的裂縫明顯多且密， 比如通裂時， 試件NJ僅有兩條貫通主斜裂縫， 如圖4(b)， 但其他試件的裂縫分布細密, 多條裂縫平行發(fā)展. 原因是再生粗骨料表面附著老砂漿， 導致其界面過渡區(qū)較為薄弱， 裂縫更容易發(fā)展.

圖4 試件NJ的破壞過程Fig.4 Failure progress of specimen NJ

圖5 試件RJ50的破壞過程Fig.5 Failure progress of specimen RJ50

圖6 試件RJ70的破壞過程Fig.6 Failure progress of specimen RJ70

圖7 試件RJ100的破壞過程Fig.7 Failure progress of specimen RJ100

2.2 加載位移—應(yīng)變滯回曲線

僅通過肉眼觀測節(jié)點的破壞情況較為主觀， 還應(yīng)測量節(jié)點核心區(qū)的混凝土應(yīng)變、 節(jié)點箍筋應(yīng)變、 梁柱縱筋應(yīng)變， 以便從材料局部應(yīng)變角度分析試件的破壞過程和機理.

2.2.1節(jié)點混凝土應(yīng)變

以核心區(qū)左上角的混凝土應(yīng)變片為例， 各試件的混凝土應(yīng)變隨加載位移的變化曲線見圖8. 由圖可知： I) 加載初期， 混凝土應(yīng)變隨加載的反復而正負交替， 應(yīng)變變化在±500個微應(yīng)變以內(nèi)， 且卸載后應(yīng)變值回歸初始值、 殘余變形較小， 仍屬彈性變形; 當加載位移大于7.5 mm時， 混凝土應(yīng)變片迅速失效， 說明此時測點部位的混凝土開裂， 核心區(qū)進入初裂階段. II) 彈性范圍內(nèi)， 試件NJ、 RJ50、 RJ70和RJ100的混凝土微應(yīng)變范圍分別為-144～ 265、 -403～135、 -535～226和-397～239， 即分別浮動了409、 538、 761和636個微應(yīng)變， 說明再生混凝土試件的微裂縫比普通混凝土試件多， 且試件RJ70的微裂縫最多.

圖8 節(jié)點混凝土應(yīng)變Fig.8 Concrete strain of joint core area

2.2.2節(jié)點箍筋截面高度方向應(yīng)變

節(jié)點箍筋在截面高度方向的微應(yīng)變變化如圖9所示. 由圖中可知： 1) 截面高度方向的節(jié)點箍筋受反復荷載作用的影響最大， 通裂前(加載位移約0～7.5 mm)變化很小， 說明此時節(jié)點箍筋受力較小， 節(jié)點抗剪主要由混凝土斜壓桿機制分擔; 通裂后箍筋應(yīng)變迅速增大， 說明此時節(jié)點抗剪由鋼筋構(gòu)成的桁架機構(gòu)和斜壓桿機構(gòu)共同承擔， 在試件達到峰值荷載(加載位移為20 mm)時屈服， 多數(shù)應(yīng)變片損壞失效， 說明節(jié)點箍筋已經(jīng)屈服破壞. 2) 初次達到峰值荷載時， 試件NJ、 RJ50、 RJ70和RJ100的節(jié)點箍筋(截面高度方向)應(yīng)變分別為-1 042、 -2 669、 -5 647和-3 393個微應(yīng)變， 說明再生混凝土試件的核心區(qū)箍筋變形或滑移較普通混凝土試件嚴重， 且試件RJ70最為嚴重.

圖9 節(jié)點箍筋在截面高度方向的微應(yīng)變Fig.9 Joint stirrup strain along the section height

2.2.3節(jié)點箍筋截面寬度方向應(yīng)變

節(jié)點箍筋在截面寬度方向的微應(yīng)變變化如圖10所示. 節(jié)點箍筋在截面寬度方向的應(yīng)變片在加載全程都沒有失效， 原因是節(jié)點截面寬度方向的箍筋應(yīng)變主要與核心區(qū)混凝土的膨脹有關(guān)， 受反復荷載作用的直接影響較??； 再生混凝土試件的核心區(qū)混凝土膨脹現(xiàn)象較普通混凝土試件嚴重， 試件NJ、 RJ50、 RJ70和RJ100在加載全過程中的應(yīng)變變化范圍分別約為-1 902～270、 -1 088～1 214、 -1 332～818和-2 958～54， 即分別浮動了2 172、 2 302、 2 150和3 012個微應(yīng)變； 試件NJ和RJ100的箍筋應(yīng)變以受拉為主， 而試件RJ50和RJ700的箍筋應(yīng)變則拉壓結(jié)合， 較為混亂.

圖10 節(jié)點箍筋在截面寬度方向的微應(yīng)變Fig.10 Joint stirrup strain along the section width

2.2.4梁縱筋應(yīng)變

靠近節(jié)點的梁固定端縱筋應(yīng)變變化見圖11， 其中試件NJ的應(yīng)變片在澆筑過程中損傷， 無法獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù). 由圖11可知： 在整個加載過程中， 梁縱筋應(yīng)變片一直沒有損壞， 與節(jié)點箍筋在截面高度方向的應(yīng)變片迅速失效形成鮮明對比， 說明節(jié)點先于梁端發(fā)生剪切破壞； 梁縱筋應(yīng)變在反復荷載作用下正負交替， 且鋼筋受拉應(yīng)變明顯大于受壓， 原因是鋼筋主要承擔拉力； 試件RJ50、 RJ70和RJ100的梁縱筋微應(yīng)變范圍分別約為-2 081～1 059、 -2 941～2 948和-2 476～1 046， 即分別浮動了3 140、 5 889和3 522個微應(yīng)變， 說明試件RJ70的梁縱筋變形或滑移較試件RJ50和RJ100更嚴重.

圖11 梁縱筋應(yīng)變Fig.11 Longitudinal reinforcement strain of beam

2.2.5柱縱筋應(yīng)變

柱縱筋應(yīng)變隨加載位移的變化如圖12所示. 在整個加載過程中， 各試件的柱縱筋應(yīng)變片一直沒有損壞(僅試件RJ50的柱縱筋在后期失效)， 與節(jié)點箍筋在截面高度方向的應(yīng)變片迅速失效形成鮮明對比， 說明節(jié)點先于柱端發(fā)生剪切破壞； 實驗初期， 隨著荷載的反復， 柱縱筋應(yīng)變正負交替， 核心區(qū)剪切破壞后， 節(jié)點抗彎剛度較小， 梁端荷載通過鋼筋以軸力的形式傳至柱中， 柱端鋼筋受拉為主； 試件NJ、 RJ50、 RJ70和RJ100的柱縱筋微應(yīng)變范圍分別為-1 417～495、 -2 088～207、 -3 197～684和-2 272～465， 即分別浮動了1 912、 2 295、 3 881和2 737個微應(yīng)變， 說明試件RJ70的柱縱筋變形最為嚴重.

圖12 柱縱筋應(yīng)變Fig.12 Longitudinal reinforcement strain of column

2.3 結(jié)果分析

通過對比不同再生粗骨料取代率下各節(jié)點試件的混凝土應(yīng)變、 箍筋應(yīng)變、 梁縱筋應(yīng)變以及柱縱筋應(yīng)變， 可以發(fā)現(xiàn)： 試件RJ70的各項應(yīng)變最大， 其次為試件RJ100和RJ50， 試件NJ的各項應(yīng)變最小， 說明再生混凝土試件的應(yīng)變普遍較普通混凝土大. 這是由于再生粗骨料的初始缺陷(如骨料加工過程中產(chǎn)生的微裂縫、 表面附著老砂漿)造成的. 再生粗骨料取代率為70%試件的應(yīng)變較取代率100%的試件更大， 原因是天然、 再生粗骨料的物理力學性能相差較大， 二者混合使用會使應(yīng)力集中在再生粗骨料薄弱的界面過渡區(qū)[10]， 進而使試件更易損傷.

3 結(jié)論

1) 反復荷載作用下， 再生混凝土試件與普通混凝土試件的破壞過程類似， 均經(jīng)歷初裂、 通裂、 極限與破壞四個階段. 節(jié)點核心區(qū)的箍筋應(yīng)變片明顯早于梁縱筋和柱縱筋失效， 體現(xiàn)了剪切變形的受力特征， 從各試件的最終破壞形態(tài)看， 其破壞機理是節(jié)點核心區(qū)剪切破壞為主， 梁端彎曲破壞為輔.

2) 加載初期， 各試件的節(jié)點箍筋(截面高度方向)應(yīng)變變化較小， 通裂后， 應(yīng)變增速加快并迅速失效， 說明在通裂前， 節(jié)點抗剪主要由混凝土斜壓桿機制分擔， 通裂后則由節(jié)點抗剪鋼筋構(gòu)成的桁架機構(gòu)和斜壓桿機構(gòu)共同承擔.

3) 再生混凝土試件較普通混凝土試件更易開裂， 這是由于再生粗骨料界面過渡區(qū)較為薄弱導致的. 天然和再生粗骨料混合會使再生粗骨料的界面過渡區(qū)更為薄弱(尤其是再生粗骨料取代率為70%的情況)， 導致其縱筋變形或滑移、 混凝土開裂等, 甚至比全部采用再生粗骨料的試件更嚴重. 因此， 對于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位， 應(yīng)慎重考慮將天然和再生粗骨料混合使用的情況.