強(qiáng)化再生骨料混凝土柱抗震性能研究

張鋒劍，朱麗華，王浩楠，武海榮，師 政,4，曹夫利,4，張 遠(yuǎn),4

(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036； 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；3.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061； 4.華北水利水電大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，河南 鄭州 450011)

近年來，我國基礎(chǔ)建設(shè)迅速發(fā)展，但也產(chǎn)生了很多建筑垃圾，與此同時天然粗骨料也越來越缺乏，利用建筑垃圾生產(chǎn)再生骨料混凝土便成為解決以上問題的途徑之一[1-3].由于建筑垃圾經(jīng)破碎后獲得的再生粗骨料微裂縫多、壓碎指標(biāo)高、吸水率大等缺陷，影響了配制混凝土的力學(xué)性能與耐久性[4].近年來，再生粗骨料強(qiáng)化方法研究較多[5-7]，主要方法有物理強(qiáng)化法[8]和化學(xué)強(qiáng)化法[9-11]，再生骨料通過強(qiáng)化可以提升配置混凝土的力學(xué)性能[12].

目前，國內(nèi)外學(xué)者對強(qiáng)化骨料再生混凝土主要集中到混凝土材料性能方面的研究[13]，對強(qiáng)化后再生骨料所制作的構(gòu)件抗震性能研究較少.為此，本文通過普通混凝土柱和強(qiáng)化再生骨料混凝土柱的擬靜力試驗，研究其滯回曲線、骨架曲線、延性、剛度退化、耗能能力和強(qiáng)度衰減等指標(biāo)，并提出結(jié)構(gòu)設(shè)計建議.

1 試驗概況

1.1 材料試驗

試驗所用粗骨料分為天然粗骨料(NCA)、再生粗骨料(RCA)和強(qiáng)化再生粗骨料(ERCA).天然粗骨料為普通碎石，連續(xù)級配，粒徑為(5～40 mm)；再生粗骨料是通過實驗室廢棄構(gòu)件破碎制備，粒徑為(5～40 mm)；強(qiáng)化再生粗骨料是將再生粗骨料經(jīng)過外摻10%硅粉的水泥漿液(水灰比為1.1∶1)浸泡4小時后得到，硅粉物理性能見表1，三種粗骨料性能見表2.

表1 硅粉物理性能指標(biāo)

表2 粗骨料基本力學(xué)性能

配置標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊[14]進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗，試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試塊與試驗試件同時澆筑，測得混凝土強(qiáng)度指標(biāo)見表3.各試件箍筋采用HPB300鋼筋，縱筋采用HRB400鋼筋，每種鋼筋分別預(yù)留3個標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件，測得力學(xué)性能指標(biāo)見表3.

表3 混凝土及鋼筋材料性能

1.2 試件設(shè)計

為了對比普通混凝土柱與強(qiáng)化再生骨料混凝土柱的抗震性能，研究軸壓比和體積配箍率對粗骨料強(qiáng)化的再生混凝土柱抗震性能的影響，試驗設(shè)計制作了3個普通混凝土柱和5個強(qiáng)化再生骨料混凝土柱，混凝土強(qiáng)度等級為C30，尺寸等參數(shù)見圖1和表4.為控制各試件有效水灰比[1]一致，強(qiáng)化再生骨料混凝土采用添加附加水的方法確定最終配合比，其中附加水以粗骨料10 min吸水率計算確定，在拌制時與自由水一并加入攪拌，詳細(xì)配合比見表5.

圖1 試件截面及配筋

表4 試件尺寸、參數(shù)

表5 混凝土配合比

1.3 加載方式

擬靜力試驗的豎向荷載由軸壓比確定，并在試驗過程中保持恒定[14].水平加載采用力-位移混合加載制度，首先以10 kN為級差逐級加載，每級循環(huán)1次，當(dāng)縱筋達(dá)到屈服強(qiáng)度后使用位移控制加載，位移控制加載級差取柱頂屈服位移，每一級循環(huán)3次.加載裝置如圖2，加載制度如圖3.

圖2 加載裝置示意圖

圖3 加載制度

2 破壞過程及破壞形態(tài)

2.1 彎剪破壞

柱ERCA-0.25-1.28與柱ERCA-0.40-1.99發(fā)生了彎剪破壞，具體破壞過程如下：

加載初期，柱頂荷載-位移基本呈斜直線，荷載隨側(cè)向位移增大而增大，表明試件基本處于彈性階段.隨位移增大，框架柱根部混凝土開裂后，裂縫水平延伸、變寬，當(dāng)水平裂縫延伸至縱筋位置時，裂縫與水平面之間的夾角開始增大，水平位移繼續(xù)增大，縱向鋼筋屈服.

隨加載繼續(xù)進(jìn)行，斜裂縫出現(xiàn)，水平裂縫產(chǎn)生的位置變高，并不斷向中性軸延伸，在反復(fù)荷載作用下，柱根部的水平裂縫相互延伸并貫通.當(dāng)荷載加至極值Pmax后，斜裂縫傾角大于45°，斜裂縫的發(fā)展明顯快于水平裂縫，同時混凝土保護(hù)層出現(xiàn)豎向裂縫并開始剝落，縱筋屈曲向外凸起，部分箍筋及縱筋裸露；當(dāng)荷載降至0.85Pmax后，試驗結(jié)束，此時縱筋屈服，塑性鉸區(qū)混凝土壓碎，破壞形態(tài)見圖4.

2.2 彎曲破壞

普通混凝土柱NCA-0.10-1.99、NCA-0.25-1.99、NCA-0.40-1.99與強(qiáng)化再生骨料混凝土柱ERCA-0.10-1.99、ERCA-0.25-1.66、ERCA-0.25-1.99都發(fā)生了典型的彎曲破壞.

加載初期，試件處于彈性階段，當(dāng)水平荷載超過0.1Pmax時，柱出現(xiàn)水平裂縫；隨著水平荷載的增大，柱頂側(cè)向位移也隨之增大，NCA柱和ERCA柱的水平裂縫數(shù)量逐漸增加，水平裂縫的位置升高，原水平裂縫向中性軸延伸.

隨荷載繼續(xù)增大，塑性鉸區(qū)混凝土表面出現(xiàn)少量豎向裂縫，當(dāng)水平裂縫向內(nèi)延伸約75 mm以后，縱筋屈服，繼續(xù)加載，框架柱根部出現(xiàn)的水平裂縫多而密，隨后逐漸向內(nèi)部延伸，裂縫寬度增大并貫通，混凝土保護(hù)層開始脫落，縱筋屈曲和外凸使箍筋及縱筋裸露，荷載下降至0.85Pmax試驗結(jié)束.

2.3 各試件破壞形態(tài)對比

各試件破壞形態(tài)見圖4，根據(jù)圖4(a)、(d)、(e)、(f)、(g)與(h)，ERCA框架柱在軸壓比適中時破壞不嚴(yán)重，與NCA框架柱相比無明顯劣勢，軸壓比較大時破壞嚴(yán)重.

圖4 試件破壞形態(tài)

觀察圖4(b)、(c)、(d)，ERCA柱破壞受體積配箍率影響明顯，適當(dāng)增大體積配箍率可以減少混凝土脫落.

3 滯回特性

3.1 滯回曲線

各試件滯回曲線見圖5所示.

根據(jù)圖5各試件有如下特征：

(1)加載初期，試件處于線彈性狀態(tài)，試件在荷載下的變形可以完全恢復(fù)，滯回曲線近似為一條直線，此階段無地震能量的吸收，試件剛度不變.隨后試件進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，試件產(chǎn)生裂縫，滯回曲線由直變曲，試件剛度減小，消耗地震能量.屈服位移后，滯回環(huán)包圍的面積逐漸增大，更加飽滿，試件吸收能量更多.峰值荷載后，試件承載力下降，滯回環(huán)更加扁平，耗能能力下降.

(2)觀察圖5(a)和(f)、(d)和(g)、(e)和(h)可以發(fā)現(xiàn)，兩種混凝土試件滯回環(huán)均有不同程度捏縮現(xiàn)象，與NCA框架柱滯回環(huán)相比，ECRA框架柱滯回環(huán)雖然較為扁平，但并沒有明顯劣勢，抗震能力相差不大，主要由于硅粉的顆粒微小，混凝土很致密，使抗震性能有所提高.

圖5 試件滯回曲線

3.2 骨架曲線

根據(jù)試件滯回曲線(見圖5)，繪制出頂點荷載-位移(P—Δ)骨架曲線，如圖6所示，相關(guān)特征值見表6.

表6 試驗實測特征值與位移延性系數(shù)

(1)軸壓比為0.10、0.25、0.40時，ERCA柱承載力的平均值較NCA柱分別增大10.3%、1.3%和4.1%，該強(qiáng)化方式對承載力的提升效果明顯.軸壓比為0.40時圖6(c)，從骨架曲線可以看出，NCA柱的推、拉承載力之差較大，這表明NCA柱的損傷累積在高軸壓比時嚴(yán)重；軸壓比為0.25時圖6(b)，ERCA柱與NCA柱承載力基本一致，但前者極限變形較大；軸壓比為0.10時圖6(a)，NCA柱的極限位移大于ERCA柱的極限位移，這表明在低軸壓比時，ERCA柱的極限變形能力差于NCA柱，但承載能力達(dá)到峰值時，ERCA柱的承載能力迅速下降，破壞速度更快.原因分析：NCA柱開裂后，由于骨料相對完整，幾何形狀規(guī)則，破碎的混凝土較快掉落，而ERCA柱的破碎混凝土，棱角較多，不會立即下落，仍會在裂縫中分擔(dān)一部分承載力，減緩了試件的破壞速度，但是在高軸壓比作用下，ERCA柱的破壞速度加快.

圖6 試件骨架曲線對比圖

(2)由表6可見，NCA柱與ERCA柱隨軸壓比增大，水平承載力提高.由圖6-d和圖6-e，可以發(fā)現(xiàn)軸壓比是兩種框架柱骨架曲線的重要影響因素，試件的初始剛度及水平承載力隨著軸壓比的增加而增大.高軸壓比試件載荷達(dá)到峰值以后，承載力下降較快，且延性低，在低軸壓比的情況下，承載力下降平緩.NCA試件極限變形能力隨著軸壓比增大而降低，而對于ERCA試件，軸壓比增大過程中，極限變形先升后降，說明在一定范圍內(nèi)通過增大軸力提高其抗震性是可行的.

(3)當(dāng)軸壓比為0.25時，ERCA柱與體積配箍率為1.99%、1.66%和1.26%相應(yīng)的水平承載力平均值分別為114.6 kN、109.9 kN和103.9 kN，表明ERCA柱的承載力隨體積配箍率降低而減小.由圖6-f，體積配箍率是ERCA試件骨架曲線的重要影響因素.對于高體積配箍率試件，由曲線前半段看出，試件的剛度下降緩慢，曲線達(dá)到峰值點之后，幾乎沿直線下降.對于低體積配箍率試件，由曲線前半段看出，試件的剛度下降較快，曲線峰值點低，達(dá)到峰值點后，曲線迅速下降，但加載結(jié)束之前，曲線下降速率變小.試件的極限變形能力、承載力和剛度都隨著體積配箍率的增加而增加，表明箍筋和縱向鋼筋對混凝土有很好的約束作用，ERCA試件的抗震性能可以通過提高體積配箍率來改善.

3.3 變形能力

對于框架柱而言，延性是衡量變形能力的重要參數(shù)，是衡量結(jié)構(gòu)或試件在破壞前所能承受的彈塑性變形的能力[15].本文將延性定義為極限位移與屈服位移的比值，見下式.

(1)

(2)

(3)

式中：Δy的取值根據(jù)通用“屈服彎矩法確定”，如圖7，計算結(jié)果見表6.

圖7 屈服彎矩法

(1)普通混凝土柱與強(qiáng)化再生骨料混凝土柱比較

在體積配箍率和軸壓比相同的情況下，比較NCA試件和ERCA試件的延性系數(shù).當(dāng)軸壓比為0.10時，ERCA試件的延性系數(shù)較NCA試件降低1.3%；當(dāng)軸壓比為0.25時，ERCA試件比NCA試件的延性系數(shù)高49.8%；軸壓比為0.40時，兩者延性系數(shù)相近，可以得出，ERCA試件擁有良好的延性性能.

(2)變量為軸壓比

觀察不同試件的延性系數(shù)，軸壓比越高，NCA試件的延性系數(shù)越低，NCA試件延性系數(shù)受軸壓比影響較大，可以通過降低軸壓比提高其抗震性能.試件ERCA-0.10-1.99和ERCA-0.25-1.99延性系數(shù)分別為7.90和7.61，表明軸壓比由0.10增大至0.25，試件變形能力并未明顯減低；試件ERCA-0.40-1.99的延性系數(shù)較試件ERCA-0.25-1.99降低明顯47.0%，表明軸壓比在該增長范圍內(nèi)，ERCA柱的變形性能大幅度降低.

(3)變量為體積配箍率

ERCA柱與體積配箍率為1.99%、1.66%和1.26%相應(yīng)的延性系數(shù)分別為7.61、7.15和6.51，表明提高體積配箍率會改善ERCA柱的延性性能.

(4)破壞形態(tài)與延性系數(shù)

圖8為框架柱位移延性系數(shù)與破壞形態(tài)的關(guān)系，發(fā)生彎曲破壞的試件延性更好.

圖8 位移延性系數(shù)與破壞形態(tài)關(guān)系

3.4 剛度退化

在低周往復(fù)加載試驗中，常常取折算割線剛度來替代切線剛度，其基本公式為

(4)

圖9 柱剛度退化對比

(1)NCA柱與ERCA柱剛度退化差異由圖9(a)、(b)、(c)可知，軸壓比為0.40時，NCA柱與ERCA柱剛度退化基本一致；軸壓比為0.25時，NCA柱與ERCA柱剛度退化有所差異，在相同位移下，ERCA柱相對剛度大于NCA柱；軸壓比為0.10時，與ERCA柱相比，NCA柱剛度退化先慢后快，兩種材料柱剛度退化相差不大.

(2)變量為軸壓比

根據(jù)圖9(d)、(e)，軸壓比為0.10時，NCA柱水平位移由4 mm至10 mm加載過程中，剛度退化速度較快，之后剛度退化速度減緩；ERCA柱的剛度退化曲線較為接近，表明剛度退化受軸壓比影響較小.

(3)變量為體積配箍率

由圖9(f)，三條曲線的前半段基本重合，剛度退化程度基本相同，曲線后半段，配箍率為1.99%的試件剛度退化最慢，增大配箍率有助于減緩剛度退化.

3.5 能量耗散

按等效粘滯阻尼系數(shù)he[16]計算方法，算出各試件等效粘滯阻尼系數(shù)，見表7，圖10為he與位移Δ關(guān)系.

表7 試件等效粘滯阻尼系數(shù)計算值

(1)NCA柱與ERCA柱耗能差異

由圖10(a)可以看到，軸壓比為0.10，在位移不大時，NCA試件與ERCA試件等效粘滯阻尼系數(shù)有較大差異，NCA試件等效粘滯阻尼系數(shù)大，耗能性能好，隨著位移增大，二者差距越來越大，在位移為20 mm時差距最大，隨后NCA試件等效粘滯阻尼系數(shù)逐漸降低，并在位移為32 mm左右時小于ERCA試件，加載末期NCA試件耗能能力低于ERCA試件.由圖10(b)，軸壓比為0.25時，NCA試件與ERCA試件等效粘滯阻尼系數(shù)穩(wěn)步上升，NCA試件耗能能力一直比ERCA試件強(qiáng).由圖10(c)，軸壓比為0.40，加載初期ERCA試件等效粘滯阻尼系數(shù)較小，在位移達(dá)到10 mm后，NCA試件耗能能力開始強(qiáng)于ERCA試件且二者差距逐漸拉大.NCA耗能性能優(yōu)于ERCA耗能性能.

(2)變量為軸壓比

對于NCA試件如圖10(d)，曲線的前半段，隨著軸壓比增大，試件耗能能力下降，且隨著位移增加，三者有規(guī)律地依次降低，軸壓比為0.10的試件先下降，其次是軸壓比為0.25的試件，最后是軸壓比為0.40的試件，在位移到達(dá)25 mm左右時三條曲線交匯于一點，試件接近破壞時，軸壓比越大，三者耗能能力越小.對于ERCA試件，如圖10(e)，三者耗能能力在前半段很接近，在位移達(dá)到30 mm左右時，耗能能力有所差異，軸壓比為0.10的試件耗能能力穩(wěn)步上升，軸壓比為0.40的試件耗能能力上升最快，軸壓比為0.25的試件耗能能力上升較慢.總體而言，NCA試件耗能能力受軸壓比影響較大，ERCA試件耗能能力受軸壓比影響較小.

(3)變量為體積配箍率

分析ERCA試件耗能性能受體積配箍率影響如圖10(f)，三個試件在加載前期等效粘滯阻尼系數(shù)基本相同，耗能能力相近，隨著位移增大，配箍率為1.99%的試件耗能能力增長緩慢，加載后期，配箍率為1.66%的試件耗能能力最強(qiáng)，說明要合理選擇配箍率，以提高試件耗能能力.

圖10 等效粘滯阻尼系數(shù)對比

3.6 強(qiáng)度衰減

強(qiáng)度衰減[15]是試件在同一位移下往復(fù)加載中，承載力有所降低的現(xiàn)象.承載力衰減率λi用公式表示如下.

(5)

(1)NCA試件與ERCA試件強(qiáng)度衰減對比

由圖11(a)、(b)和(c)，軸壓比為0.10時，兩種混凝土試件的強(qiáng)度衰減系數(shù)及變化規(guī)律相似，再生混凝土試件無明顯劣勢；軸壓比為0.25時，兩種試件的曲線稍有差異，但總體變化保持一致；軸壓比為0.40時，兩種試件的強(qiáng)度衰減曲線差異較大，可以看到高軸壓比時NCA試件強(qiáng)度衰減較嚴(yán)重.總體上看，ERCA試件在抵抗強(qiáng)度衰減方面稍有優(yōu)勢.

(2)變量為軸壓比

由圖11(d)，對于ERCA試件，隨著軸壓比增大，試件強(qiáng)度衰減并沒有明顯的減小或增大，但強(qiáng)度衰減曲線的上下波動范圍變大，穩(wěn)定性下降.由圖(e)可以看到，NCA試件受軸壓比影響較大，軸壓比從0.10到0.25時，加載前期二者差距不大，但加載后期軸壓比為0.25的試件強(qiáng)度衰減明顯，到軸壓比0.40時，強(qiáng)度衰減更加明顯.

(3)變量為體積配箍率

由圖11(f)，試件強(qiáng)度衰減受體積配箍率影響較大，配箍率從1.99%到1.66%變化中，加載后期，試件強(qiáng)度衰減更嚴(yán)重，對于配箍率為1.28%的試件，強(qiáng)度衰減曲線與前兩種試件相差較大，強(qiáng)度衰減嚴(yán)重，加載后期強(qiáng)度衰減更加嚴(yán)重.總體而言，ERCA試件隨著體積配箍率減小，強(qiáng)度衰減更嚴(yán)重.

圖11 各柱強(qiáng)度衰減對比

4 結(jié)論

(1)在低軸壓比(0.10和0.25)作用下，強(qiáng)化骨料再生混凝土柱與普通混凝土柱的抗震性能無明顯差異，強(qiáng)化再生骨料性能可以充分利用.

(2)軸壓比為0.10、0.25、0.40時，ERCA柱承載力較NCA柱稍大，表明強(qiáng)化再生粗骨料混凝土柱的承載性能有所提高，該強(qiáng)化方式對承載力的提升效果明顯.

(3)通過增大強(qiáng)化骨料再生混凝土柱體積配箍率，可以提高強(qiáng)化再生骨料混凝土柱變形能力和承載力，減小強(qiáng)度衰減，降低剛度退化速度，增強(qiáng)其抗震性能.

(4)針對強(qiáng)化再生骨料混凝土柱的實際工程應(yīng)用，通過降低軸壓比，提高體積配箍率，可使該類再生混凝土的性能充分發(fā)揮，并能保證結(jié)構(gòu)的承載能力及延性性能.