再生混凝土結構的受力性能研究

張 縝,周仁戰

(蚌埠學院 土木與水利工程學院,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

將廢棄建筑中的混凝土經過機械破碎、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濟的迅猛發展,各種新的需求不斷增加,20世紀建造的房屋、大橋等很多都面臨著重建,由此將產生大量的建筑垃圾,如果將這些建筑垃圾進行二次利用,不僅可以節省資源,還可以促進環保[2],是現階段科研工作者關注的重點研究方向。然而,再生混凝土的應用還存在許多技術難題,尤其是當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、構件長細比等參數對再生混凝土試件的力學性能的影響規律還不清楚[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、細度1.43%、初凝和終凝時間分別為115 min和322 min)、細骨料河砂、再生粗骨料(粒徑范圍6～28 mm、壓碎指標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計參數如表1。根據GB/T 50107-2010《混凝土強度檢驗評定標準》[8]對再生混凝土抗壓強度進行測試: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GB/T228-2010《金屬材料拉伸試驗-室溫試驗方法》[9]對鋼管進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計參數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,添加劑用量設定為水泥用量的10%。鋼管部分預先在鋼結構公司制作,然后運至實驗室進行再生混凝土澆灌[10]。將預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型壓力試驗機上進行再生混凝土試件的加載,預先進行10%極限荷載加載、持續10 min,再逐漸加載至極限荷載的70%,持續加載并保持荷載3 min,加載速率為0.5 kN/s,當試件荷載下降至80%及以下時停止加載[11];采用DH3827N多功能靜態應變測試系統采集實驗數據[12]。

2 結果與分析

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為構件長細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。當偏心率為0.25時,隨著構件長細比從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);當偏心率為0.50時,隨著構件長細比從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,在其他參數相同條件下,構件長細比對方鋼管再生混凝土試件的承載力有明顯影響,隨著構件長細比從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 構件長細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)Fig.5 (Continue)

3 結論

隨著取代率從0增加至100%,當偏心率為0.25時試件的峰值荷載先減小后增大,當偏心率為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。隨著構件長細比從34.6增加至52.0,當偏心率為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?？梢?再生骨料取代率、構件長細比、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用。