燒結(jié)磚粗骨料取代率對再生混凝土柱軸壓性能的影響

黃 靚, 張玉山, 鄧 鵬, 李福安

(1. 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410082; 2. 湖南大學(xué)建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室， 湖南 長沙 410082; 3. 許昌金科資源再生股份有限公司， 河南 許昌 461001)

0 引言

在國家“舊城改造”“城鎮(zhèn)化” “鄉(xiāng)村振興”等戰(zhàn)略的大力推動下， 城鎮(zhèn)中老舊建筑不斷拆除， 新建工程持續(xù)增加. 老舊建筑的拆除產(chǎn)生了大量的建筑垃圾， 其中含燒結(jié)磚的建筑垃圾達(dá)到了總量的30%～50%， 大部分未經(jīng)任何處理被露天堆放或掩埋， 不僅侵占了大量的土地， 還造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染. 同時， 與日俱增的新建工程對天然骨料的消耗巨大， 使自然資源日漸匱乏. 若能將含燒結(jié)磚的建筑垃圾回收、 粉碎、加工成可用于拌制混凝土的粗細(xì)骨料， 并應(yīng)用在實際工程中， 便可很好地解決以上兩個問題， 具有社會、 經(jīng)濟、 環(huán)保等諸多效益.

近年來， 許多學(xué)者對再生混凝土及其構(gòu)件進(jìn)行了廣泛而深入的研究[1-6]. 結(jié)果表明： 再生混凝土基本符合普通混凝土技術(shù)要求； 再生混凝土柱受壓的破壞機理與普通混凝土柱類似， 變形比普通混凝土大， 可基于現(xiàn)行規(guī)范受壓承載力計算方法進(jìn)行計算. 然而, 當(dāng)前針對燒結(jié)磚骨料再生混凝土的研究尚處于起步階段， 且大多數(shù)研究主要集中在材料性能層面[7-10]， 對構(gòu)件性能, 尤其是燒結(jié)磚再生粗骨料鋼筋混凝土柱的研究較少[11-13]. 因此， 本研究以燒結(jié)磚粗骨料取代率為變化參數(shù)， 設(shè)計并完成了15個再生混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊和15個再生混凝土棱柱體試塊的抗壓試驗， 10根再生骨料取代率為0%、 25%、 50%、 75和100%的再生混凝土柱的軸心抗壓試驗， 從構(gòu)件的層次研究再生粗骨料取代率對再生混凝土基本力學(xué)性能和再生混凝土柱軸壓性能的影響.

1 試驗概況

1.1 材料特性

由廢棄燒結(jié)磚和其它建筑垃圾加工得到的粗骨料被稱為燒結(jié)磚再生粗骨料(以下簡稱再生骨料). 本試驗所用的燒結(jié)磚再生粗骨料由許昌金科資源再生股份有限公司加工和提供， 原料中燒結(jié)磚骨料約占41%， 其他建筑垃圾骨料占59%， 其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示. 試驗前對鋼筋屈服強度、 極限強度和伸長率進(jìn)行了測試， 結(jié)果如表2所示.

表1 骨料的主要性能指標(biāo)

表2 鋼筋材料性能

試驗混凝土強度設(shè)計等級為C30， 試驗中以燒結(jié)磚再生粗骨料部分或全部取代天然粗骨料， 具體配合比如表3所示. 為改善再生混凝土的脆性和內(nèi)部孔隙率[14]， 在混凝土中摻入1 kg·m-3的聚丙烯纖維， 纖維的直徑為6 μm， 長度為6 mm， 抗拉強度為486 MPa， 斷裂伸長率為36.4%， 彈性模量為4 286 MPa.

表3 再生混凝土配合比

1.2 試驗工況

以燒結(jié)磚再生粗骨料取代率(以下簡稱取代率)為研究參數(shù)， 以燒結(jié)磚再生粗骨料部分或全部取代天然粗骨料， 設(shè)計了取代率為0%、 25%、 50%、 75%、 100%的5組再生混凝土柱構(gòu)件. 由于混凝土離散性較大， 為減小偶然誤差， 提高試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性， 每組制作2個完全相同試件， 其配筋圖如圖1所示. 試件澆筑過程中， 5組構(gòu)件各預(yù)留3個150 mm ×150 mm ×150 mm立方體試塊和3個100 mm ×100 mm ×300 mm的棱柱體試塊， 并進(jìn)行同條件養(yǎng)護.

試驗在全國經(jīng)濟循環(huán)中心實驗室的500 t剛性壓力機(MTS制造)上進(jìn)行. 試驗時首先進(jìn)行幾何對中， 其次預(yù)加10%預(yù)估極限荷載， 檢查儀表及加載設(shè)備是否正常， 并進(jìn)行物理對中， 使試件四周對應(yīng)位置的應(yīng)變片讀數(shù)變化基本保持一致. 正式加載方式采用位移控制， 加載速度為0.1 mm·min-1豎向位移達(dá)到10 mm時停止加載. 試驗過程中測量的主要數(shù)據(jù)有混凝土應(yīng)變、 縱筋應(yīng)變及柱端軸向相對位移， 其中: 柱端軸向相對位移由壓力機自帶的位移計測量， 混凝土應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變由應(yīng)變儀采集， 試驗裝置和應(yīng)變測點布置圖如圖2所示.

圖1 構(gòu)件配筋圖(單位： mm)Fig.1 Sreinforcement layout of specimens (unit: mm)

圖2 試驗裝置與應(yīng)變片測點布置Fig.2 Loading setup and arrangement diagram of measured points

1.3 試驗現(xiàn)象

試驗中， 燒結(jié)磚粗骨料再生混凝土柱與普通柱表現(xiàn)出相似的現(xiàn)象， 共經(jīng)歷了彈性階段、 屈服階段、 破壞階段和下降階段4個階段.

1) 彈性階段. 當(dāng)荷載較小時， 鋼筋和混凝土處于彈性階段， 鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變基本成線性增長. 荷載-中部鋼筋應(yīng)變曲線如圖3所示， 荷載-中部混凝土豎向應(yīng)變曲線如圖4所示， 其中混凝土應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變試驗結(jié)果取2個相同試件的平均值.

圖3 荷載-中部鋼筋應(yīng)變曲線 Fig.3 Load-central steel strain curve

圖4 荷載-中部混凝土豎向應(yīng)變曲線Fig.4 Load-central concrete strain curve

2) 屈服階段. 當(dāng)荷載較大時， 試件頂端或中上部開始出現(xiàn)豎向細(xì)裂縫， 軸向變形、 混凝土應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變增加速率比荷載增加速率大. 取代率越高的柱構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的時間越早， 開裂聲越大越清脆， 裂縫發(fā)展越快， 裂縫寬度越大.

3) 破壞階段. 隨著荷載的繼續(xù)增大， 鋼筋屈服， 混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變， 且形成了貫穿通長裂縫， 承載力達(dá)到極限值， 試件破壞. 取代率越高的柱構(gòu)件的通縫越寬， 如圖5所示.

籍此次活動，天王表也再次踐行公益之心，與百大名品中心溫暖攜手，一同向蚌埠特殊教育中心進(jìn)行愛心捐贈，再次彰顯了品牌的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

4) 下降階段. 荷載急速下降， 通縫變多變長變寬， 核心混凝土逐漸開裂并壓碎， 鋼筋屈服變形越來越大， 整個構(gòu)件向外膨脹， 荷載慢慢穩(wěn)定在200～300 kN范圍內(nèi). 取代率越高的柱構(gòu)件核心混凝土被壓碎得越早， 最終破壞得越嚴(yán)重， 如圖6所示.

圖5 柱極限承載時的破壞形態(tài)Fig.5 Extreme load-bearing failure mode of specimens

圖6 柱最終破壞形態(tài)Fig.6 Final failure mode of specimens

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 取代率對燒結(jié)磚粗骨料再生混凝土力學(xué)性能的影響

試驗測得各組立方體強度和棱柱體強度如表4所示， 表中各數(shù)值為3個試件的平均值. 取代率對燒結(jié)磚粗骨料混凝土抗壓強度的影響如圖7所示. 由圖7可知， 隨著取代率的增加， 混凝土立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度不斷減小， 當(dāng)取代率為100%時， 再生混凝土立方體和棱柱體抗壓強度降到最低， 分別降低8.0%和6.4%. 這是由于燒結(jié)磚再生粗骨料強度和穩(wěn)定性低于天然骨料， 燒結(jié)磚粗骨料的高吸水性影響了內(nèi)部水泥水化， 燒結(jié)磚粗骨料混凝土的和易性和流動性差導(dǎo)致試塊內(nèi)部空隙較多. 從骨料的破壞機理上看， 天然粗骨料一部分是骨料本身被剪切破壞， 一部分是骨料與水泥凝膠體黏結(jié)面的破壞， 而燒結(jié)磚粗骨料大都是骨料本身被剪切破壞， 如圖8所示. 因此， 取代率越高的試塊損壞越嚴(yán)重.

表4 混凝土的立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度

圖7 再生混凝土試塊抗壓強度Fig.7 Strength of recycled concrete

圖8 再生混凝土的界面破壞形態(tài)Fig.8 Failure mode of CBRCA

由圖7還可知， 再生混凝土立方體和棱柱體的抗壓強度和取代率呈明顯的線性相關(guān)， 兩者關(guān)系的建議計算公式如下.

立方體抗壓強度:

fcu, r=fcu, 0(1-0.081r)

棱柱體抗壓強度:

fc, r=fc, 0(1-0.064r)

式中：r為燒結(jié)磚再生粗骨料取代率；fcu, r、fc, r分別為取代率為r的再生混凝土立方體和棱柱體的抗壓強度；fcu, 0、fc, 0分別為普通混凝土立方體和棱柱體的抗壓強度.

fc =0.76fcu

2.2 取代率對柱端軸向相對位移的影響

荷載和柱端軸向相對位移的關(guān)系如圖9所示， 取代率對極限荷載時柱端軸向相對位移的影響如圖10所示. 由圖9可知， 試驗開始時， 荷載和軸向相對位移基本呈線性關(guān)系， 這是由于混凝土柱處于彈性階段. 接著， 軸向相對位移增加速度大于荷載增加速度， 軸向相對位移與荷載呈非線性關(guān)系， 這是由于此時混凝土柱處于塑性階段. 之后， 軸向相對位移增加但荷載不增加， 這是由于混凝土柱處于屈服破壞階段. 最后， 荷載下降但位移一直增加， 當(dāng)位移接近4.5 mm后， 曲線相交荷載相近， 這是由于此時保護層混凝土脫落， 核心筒混凝土壓碎， 鋼筋骨架和混凝土基本無法共同工作， 荷載主要由鋼筋骨架承擔(dān).

圖9 荷載-柱端軸向相對位移曲線 Fig.9 Load- relative axial displacement of column ends curve

圖10 極限荷載時的柱端軸向相對位移Fig.10 Relative axial displacement of extreme bearing capacity

由圖9和圖10可知， 隨著取代率的增加， 試件剛度不斷減小， 試件屈服位移和柱極限荷載時的柱端軸向相對位移不斷增大(極限荷載指壓力機測得的混凝土柱最大承載力). 這是由于再生燒結(jié)磚粗骨料的彈性模量較小， 相同的荷載下， 再生混凝土柱的變形較大.

由圖10可知， 取代率和極限荷載時的柱端軸向相對位移平均值呈線性相關(guān)， 兩者關(guān)系的建議計算公式如下:

Δr=Δ0(1+0.23r)

式中：Δr為取代率為r的柱極限荷載時的柱端軸向相對位移；Δ0為取代率為0%的柱極限荷載時的柱端軸向相對位移.

2.3 取代率對極限荷載時裂縫最大寬度的影響

極限荷載時裂縫最大寬度指的是柱達(dá)到極限荷載時所有裂縫的最大寬度， 取代率對極限荷載時裂縫最大寬度的影響如圖11所示. 由圖11可知， 隨著取代率的增加， 極限荷載時裂縫最大寬度也增加. 這是由于燒結(jié)磚再生粗骨料的自身強度低、 變形大、 裂縫發(fā)展速度快. 從骨料的破壞機理上看， 天然粗骨料一部分是骨料本身被剪切破壞， 一部分是骨料與水泥凝膠體面的黏結(jié)破壞， 而燒結(jié)磚粗骨料大都是骨料本身被剪切破壞. 因此， 燒結(jié)磚粗骨料摻量越多， 混凝土破壞越徹底， 極限荷載時最大裂縫寬度越大.

2.4 取代率對開裂荷載的影響

開裂荷載指混凝土柱首次出現(xiàn)裂縫時壓力機顯示的荷載， 取代率對開裂荷載的影響如圖12所示. 由圖12可知， 取代率越大， 柱的開裂荷載越大. 與天然混凝土柱相比， 取代率為25%、 50%、 75%和100%的再生混凝土柱開裂荷載分別降低了1.4%、 8.9%、 11.9%和14.1%. 這是由于燒結(jié)磚再生粗骨料的強度較低、 彈性模量較小、 變形大， 內(nèi)部裂縫發(fā)展更早更迅速.

圖11 取代率對極限荷載時裂縫最大寬度的影響Fig.11 Influence of substitution rates on maximum crack width under ultimate load

圖12 取代率對開裂荷載的影響Fig.12 Influence of substitution rates on cracking load

2.5 取代率對極限承載力的影響

取代率對極限承載力的影響如圖13所示. 由圖13可知， 隨著取代率的增加， 再生混凝土柱的極限承載力不斷減小， 其主要原因與混凝土抗壓強度降低的原因相似； 當(dāng)取代率為25%、 50%、 75%和100%時， 極限承載力分別降低2.8%、 5.8%、 7.5%和9.1%.

極限承載力試驗值和計算值的對比如表5所示. 由表5可知， 按照規(guī)范[15]相關(guān)公式進(jìn)行承載力計算時， 試驗值略低于計算值， 偏不安全. 因此， 由于再生混凝土強度離散性較大， 出于安全儲備的考慮， 筆者建議對再生混凝土承載能力進(jìn)行一定的系數(shù)折減， 折減系數(shù)與取代率有關(guān)， 建議公式為：

N=0.9φ(f′yA′s+fcA(1-0.12r))

式中：φ為穩(wěn)定系數(shù)， 取1；f′y為縱向鋼筋抗壓屈服強度， 取實測值；fc為混凝土軸心受壓強度， 取實測值；A′s為縱向受力鋼筋截面面積；A為柱受壓截面面積.

由表5可知， 按建議公式進(jìn)行計算時， 試驗值略高于計算值， 有一定的安全儲備. 因此， 按建議公式計算燒結(jié)磚粗骨料再生混凝土柱的軸心受壓承載力比較合適.

圖13 取代率對極限承載力的影響Fig.13 Influence of substitution rates on ultimate bearing capacity

表5 極限承載力試驗值與計算值比較

Tab.5Comparison of test value and calculated valueof compressive bearing capacity

r/%0255075100N規(guī)范 / kN13521327130612921278p試件1 / N規(guī)范1.011.000.990.990.98p試件2/ N規(guī)范1.000.990.970.960.95N建議 / kN13101307125812381219p試件1/ N建議1.011.021.021.041.05p試件2/ N建議0.991.001.001.001.02

注：p為試驗值，N為計算值.

圖14 力學(xué)性能指標(biāo)的降低幅度對比Fig.14 Reduction of mechanical performance indicators

2.6 取代率對力學(xué)性能指標(biāo)的影響程度對比

取代率對各項力學(xué)性能的影響程度對比如圖14所示. 由圖14可知， 在相同的取代率下， 燒結(jié)磚再生粗骨料使構(gòu)件性能降低幅度比材料試驗強度的降低幅度更大. 如取代率為75%時， 柱的開裂荷載和 極限荷載降低幅度分別為11.9%和7.5%， 而立方體和棱柱體的抗壓強度降低幅度分別為6.0%和5.2%. 這是由于燒結(jié)磚骨料的穩(wěn)定性較差， 再生混凝土的尺寸效應(yīng)顯著. 因此， 在構(gòu)件層次上研究燒結(jié)磚粗骨料再生混凝土具有更加重要的意義.

3 結(jié)語

1) 隨著取代率的增加， 燒結(jié)磚粗骨料再生混凝土立方體強度和棱柱體強度不斷降低.

2) 燒結(jié)磚再生粗骨料混凝土柱軸向抗壓時的受力過程和破壞形態(tài)與普通混凝土柱相似.

3) 隨著取代率的增加， 柱開裂荷載不斷減小， 極限荷載時的柱端軸向相對位移和裂縫最大寬度不斷增大.

4) 隨著取代率的增加， 燒結(jié)磚再生粗骨料混凝土柱的軸壓承載力不斷減小. 按照現(xiàn)行規(guī)范計算燒結(jié)磚再生粗骨料混凝土柱的軸壓承載力略不安全， 建議對燒結(jié)磚再生粗骨料混凝土強度進(jìn)行系數(shù)折減， 折減系數(shù)與取代率有關(guān).

5) 燒結(jié)磚再生粗骨料使構(gòu)件性能降低幅度比材料試驗強度的降低幅度要大.

6) 在取代率合適的情況下， 將燒結(jié)磚再生粗骨料混凝土柱應(yīng)用于實際工程是可行的.