再生混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能研究

張 縝,周仁戰(zhàn)

(蚌埠學(xué)院 土木與水利工程學(xué)院,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

將廢棄建筑中的混凝土經(jīng)過機械破碎、表面清洗(去除水泥砂漿、石子等)和按照粒度分級處理后,加入水泥、自來水等原料制作而成的混凝土稱為再生混凝土[1]。隨著近年來我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,各種新的需求不斷增加,20世紀(jì)建造的房屋、大橋等很多都面臨著重建,由此將產(chǎn)生大量的建筑垃圾,如果將這些建筑垃圾進(jìn)行二次利用,不僅可以節(jié)省資源,還可以促進(jìn)環(huán)保[2],是現(xiàn)階段科研工作者關(guān)注的重點研究方向。然而,再生混凝土的應(yīng)用還存在許多技術(shù)難題,尤其是當(dāng)再生混凝土澆筑于鋼管中形成的鋼管再生混凝土的粗骨料替代率、構(gòu)件長細(xì)比等參數(shù)對再生混凝土試件的力學(xué)性能的影響規(guī)律還不清楚[3-7],這方面的研究將有助于廢棄混凝土在實際工程中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本研究制作方鋼管再生混凝土柱的原料包括方鋼管、P42.5普通硅酸鹽水泥(比表面積360 m2/kg、細(xì)度1.43%、初凝和終凝時間分別為115 min和322 min)、細(xì)骨料河砂、再生粗骨料(粒徑范圍6～28 mm、壓碎指標(biāo)15%、含水率1.8%、表觀密度2 638 kg/m3)、添加劑Ⅰ級粉煤灰(w(SiO2)=67.82% 、w(Al2O3)=20.54% 、w(Fe2O3)=4.60%,其余為CaO等氧化物)、自來水。

1.2 試件制備與材料性能

方鋼管再生混凝土試件的設(shè)計參數(shù)如表1。根據(jù)GB/T 50107-2010《混凝土強度檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》[8]對再生混凝土抗壓強度進(jìn)行測試:再生骨料取代率為0、40%和100%時無添加劑試塊的抗壓強度分別為27.7 MPa、30.7 MPa和33.6 MPa,再生骨料取代率為100%時粉煤灰添加劑試塊的抗壓強度為30.2 MPa。根據(jù)GB/T228-2010《金屬材料拉伸試驗-室溫試驗方法》[9]對鋼管進(jìn)行室溫拉伸性能測試,壁厚為3.25 mm和5.05 mm時,屈服強度分別為290 MPa和329 MPa、抗拉強度分別為365 MPa和395 MPa、斷后伸長率分別為34.5%和30.9%、彈性模量都為2.06×105MPa。

表1 鋼管再生混凝土試件的設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of recycled concrete filled steel tube specimens

圖1 鋼管再生混凝土試件的尺寸示意圖Fig.1 Dimension diagram of recycled concrete filled steel tube specimen

圖1為鋼管再生混凝土試件的尺寸示意圖。共設(shè)計了15組試件,方鋼管邊長為160 mm,壁厚為3.25 mm和5.05 mm時試件的含鋼率分別為0.08和0.14,添加劑用量設(shè)定為水泥用量的10%。鋼管部分預(yù)先在鋼結(jié)構(gòu)公司制作,然后運至實驗室進(jìn)行再生混凝土澆灌[10]。將預(yù)先攪拌好的再生混凝土澆灌至鋼管中,振搗后在柱頂抹平,部分試件需要在柱頂補平以彌補凹陷。

1.3 測試方法

在YES-800型壓力試驗機上進(jìn)行再生混凝土試件的加載,預(yù)先進(jìn)行10%極限荷載加載、持續(xù)10 min,再逐漸加載至極限荷載的70%,持續(xù)加載并保持荷載3 min,加載速率為0.5 kN/s,當(dāng)試件荷載下降至80%及以下時停止加載[11];采用DH3827N多功能靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集實驗數(shù)據(jù)[12]。

2 結(jié)果與分析

圖2為再生粗骨料取代率對鋼管再生混凝土柱荷載-軸向位移曲線的影響,分別列出了偏心率e分別為0.25和0.50時的荷載-軸向位移曲線。當(dāng)偏心率為0.25時,隨著取代率從0增加至100%,試件的峰值荷載先減小后增大,取代率為100%時峰值荷載最大(約967.5 kN),見圖2(a);當(dāng)偏心率為0.50時,隨著取代率從0增加至100%,試件的峰值荷載先增加后減小,取代率為40%時峰值荷載最大(約835.6 kN),見圖2(b)。整體而言,在其他參數(shù)相同條件下,再生粗骨料取代率對方鋼管再生混凝土試件的承載力有明顯影響,隨著取代率從0增加至100%,偏心率為0.25時試件的峰值荷載先減小后增大、偏心率為0.50時試件的峰值荷載先增加后減小。

圖3為構(gòu)件長細(xì)比對鋼管再生混凝土柱荷載-軸向位移曲線的影響,分別列出了偏心率分別為0.25和0.50時的荷載-軸向位移曲線。當(dāng)偏心率為0.25時,隨著構(gòu)件長細(xì)比從34.6增加至52.0,試件的峰值荷載從967.5 kN減小至804.4 kN,見圖3(a);當(dāng)偏心率為0.50時,隨著構(gòu)件長細(xì)比從34.6增加至52.0,試件的的峰值荷載從702.3 kN減小至632.8 kN,見圖3(b)。整體而言,在其他參數(shù)相同條件下,構(gòu)件長細(xì)比對方鋼管再生混凝土試件的承載力有明顯影響,隨著構(gòu)件長細(xì)比從34.6增加至52.0,偏心率為0.25和0.50時試件的峰值荷載分別降低163.1 kN、69.5 kN。

圖2 再生粗骨料取代率對鋼管再生混凝土柱荷載-軸向位移曲線的影響Fig.2 Effect of replacement rate of recycled coarse aggregate on load axial displacement curve of recycled concrete filled steel tube column

圖3 構(gòu)件長細(xì)比對鋼管再生混凝土柱荷載-軸向位移曲線的影響Fig.3 Effect of slenderness ratio on load axial displacement curve of recycled concrete filled steel tubular column

圖4為壁厚對鋼管再生混凝土柱荷載-軸向位移曲線的影響,分別列出了偏心率分別為0.25和0.50時的荷載-軸向位移曲線。當(dāng)偏心率為0.25時,隨著壁厚從3.25 mm增加至5.05 mm,無添加劑試件的峰值荷載從967.5 kN增加至1 492.3 kN,見圖4(a);當(dāng)偏心率為0.50時,隨著壁厚從3.25 mm增加至5.05 mm,無添加劑試件的峰值荷載從702.3 kN增加至1 148.0 kN,見圖4(c);當(dāng)偏心率為0.25時,隨著壁厚從3.25 mm增加至5.05 mm,粉煤灰添加劑試件的峰值荷載從923.2 kN增加至1 398.5 kN,見圖4(b);當(dāng)偏心率為0.50時,隨著壁厚從3.25 mm增加至5.05 mm,粉煤灰添加劑試件的峰值荷載從860.0 kN增加至1 184.9 kN,見圖4(d)。對比分析可知,當(dāng)偏心率為0.25時相同壁厚下粉煤灰添加劑試件的峰值荷載相對無添加劑試件要小;而偏心率為0.50時相同壁厚下粉煤灰添加劑試件的峰值荷載相對無添加劑試件要大。整體而言,在其他參數(shù)相同條件下,方鋼管壁厚對方鋼管再生混凝土試件的承載力有明顯影響,隨著壁厚從3.25 mm增加至5.05 mm,偏心率為0.25和0.50時試件的峰值荷載分別增加了475.3 kN、324.9 kN。

圖5為偏心率對鋼管再生混凝土柱荷載-軸向位移曲線的影響。對于第1組試樣(FPXB3-1、FPXB3-3)和第2組試樣(FPXB3-4、FPXB3-7),在取代率都為100%時,隨著偏心率從0.25增加至0.50,無添加劑試件的峰值荷載從967.5 kN減小至702.3 kN,粉煤灰添加劑試件的峰值荷載從923.2 kN減小至860.0 kN;對于第3組試樣(FPXB3-9、FPXB3-8),在取代率都為40%時,隨著偏心率從0.25增加至0.50,無添加劑試件的峰值荷載從853.4 kN減小至835.0 kN;對于第4組試樣(FPXB3-7、FPXB3-4),在取代率都為0時,隨著偏心率從0.25增加至0.50,無添加劑試件的峰值荷載從924.4 kN減小至803.7 kN;對于第5組試樣(FPXC3-1、FPXC3-3),在取代率都為100%、壁厚為3.25 mm時,隨著偏心率從0.25增加至0.50,無添加劑試件的峰值荷載從804.4 kN減小至632.8 kN;對于第6組試樣(FPXB5-4、FPXB5-1),在取代率都為100%、壁厚為5.05 mm時,隨著偏心率從0.25增加至0.50,無添加劑試件的峰值荷載從1 492.3 kN減小至1 148.0 kN;對于第7組試樣(FPXB5-2、FPXB5-3),在取代率都為100%時,隨著偏心率從0.25增加至0.50、壁厚從5.05 mm減小至3.25 mm,粉煤灰試件的峰值荷載從1 398.5 kN減小至1 184.9 kN。整體而言,在其他參數(shù)相同條件下,偏心率對方鋼管再生混凝土試件的承載力有明顯影響,隨著偏心率從0.25增加至0.50。無添加劑試件和粉煤灰試件的承載力都有所減小。

圖4 壁厚對鋼管再生混凝土柱荷載-軸向位移曲線的影響Fig.4 Effect of wall thickness on load axial displacement curve of recycled concrete filled steel tube column

圖5 偏心率對鋼管再生混凝土柱荷載-軸向位移曲線的影響Fig.5 Effect of eccentricity on load axial displacement curve of recycled concrete filled steel tube column

圖5 (續(xù))Fig.5 (Continue)

3 結(jié)論

隨著取代率從0增加至100%,當(dāng)偏心率為0.25時試件的峰值荷載先減小后增大,當(dāng)偏心率為0.50時試件的峰值荷載先增加后減小,峰值荷載分別在取代率100%和40%時取得最大值。隨著構(gòu)件長細(xì)比從34.6增加至52.0,當(dāng)偏心率為0.25時試件的峰值荷載從967.5 kN減小至804.4 kN;當(dāng)偏心率為0.50時試件的的峰值荷載從702.3 kN減小至632.8 kN。當(dāng)偏心率為0.25時相同壁厚下粉煤灰添加劑試件的峰值荷載相對無添加劑試件要小,而偏心率為0.50時相同壁厚下粉煤灰添加劑試件的峰值荷載相對無添加劑試件要大。在取代率都為100%時,隨著偏心率從0.25增加至0.50,無添加劑試件的峰值荷載從967.5 kN減小至702.3 kN,粉煤灰添加劑試件的峰值荷載從923.2 kN減小至860.0 kN。可見,再生骨料取代率、構(gòu)件長細(xì)比、鋼管壁厚和偏心率都會對方鋼管再生混凝土長柱的承載力產(chǎn)生顯著影響,本研究將有助于廢棄混凝土在實際工程中的應(yīng)用。