钢管海砂再生混凝土轴压性能试验与分析

黄一杰, 吴纪达, 肖建庄, 王 清, 孙黄胜(.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室， 山东 青岛 66590;.同济大学 建筑工程系， 上海 0009)

将海砂再生混凝土浇筑到钢管中制成钢管海砂再生混凝土(SSRCFS)是解决上述问题的有效方法.钢管的约束作用可改善海砂再生混凝土力学性能，同时由钢管所形成的密闭约束环境能有效阻止Cl-对钢筋的腐蚀[6].不过，目前为止，国内外对此研究较少.现有研究也仅考虑海砂或再生粗骨料单因素对混凝土的性能影响[6-7]，针对钢管海砂再生混凝土的研究和应用尚无相关报道.基于此，本文开展了再生粗骨料和海砂对钢管混凝土性能影响的研究.

1 钢管海砂再生混凝土轴压试验

1.1 试验材料

水泥采用42.5R普通硅酸盐水泥.拌和水为自来水.砂为河砂与海砂，海砂取自青岛附近海域.再生粗骨料取自某拆除道路的废弃混凝土.粗、细骨料分别按照GB/T 14685—2011《建筑用碎石或卵石》、GB/T 14684—2011《建筑用砂》测试其性能，海砂根据JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》采用硝酸银滴定法测试其Cl-含量(φ，质量分数)，结果如表1，2所示.所有试件的混凝土配合比相同，即m(水泥)∶m(砂)∶m(粗骨料)∶m(水)=15.80∶10.96∶26.83∶4.74.

1.2 试件设计

按再生粗骨料取代率(γ，质量分数)和φ将试验分为9组,每组2个试件，试件高为550mm，直径为219mm.

表1 粗骨料的主要性能指标Table 1 Properties of coarse aggregates

表2 细骨料的主要性能指标Table 2 Properties of fine aggregates

钢管为无缝碳素钢管，外径219mm，壁厚6mm，高550mm，其屈服强度为340.72MPa，抗拉强度为485.68MPa，弹性模量为144GPa.

试件编号见表3，其中SSRCFS后第1个数字0，1，2分别表示γ为0%，50%，100%，第2个数字0，1，2分别表示φ为0%，0.1488%，0.2251%，第3个数字表示试件的编号.如SSRCFS21-1，SSRCFS21-2表示钢管海砂再生混凝土中γ为100%，φ为0.1488%， 试件编号分别为1，2.

1.3 试件的制作与养护

首先将空钢管一端焊上底板，再将海砂再生混凝土从钢管顶端分3层浇入其中，每层用振捣棒振捣密实，最后将钢管顶面的海砂再生混凝土抹平，待其在钢管中的干缩变形稳定后，再用高强水泥砂浆将钢管顶端填满、抹平，焊好顶板.试件自然养护60d 后进行试验.

1.4 加载与量测装置

试验在5000kN的电液伺服压力试验机上进行.试件上下端各有2个应变片，中部8个应变片，用以量测试件端部、中部的变形.应变片规格为BX120-5AA(5×3).在试件两侧对称设置YWD-100型位移计，量程为100mm，加载示意图与测点布置如图1所示.采用力与位移混合方式加载.

图1 试件加载示意图与测点布置Fig.1 Arrangement of loading and measuring devices(size:mm)

2 试验结果及分析

2.1 试验过程及主要现象

各试件的受力变形过程基本相同.加载初期，试件处于弹性阶段，当接近30%峰值荷载时，盖板焊缝熔渣开始脱落，外表面轻微掉锈.随着加载进行，试件变形不断增大.当到达70%～80%峰值荷载时，试件处于弹塑性阶段，其中部出现较明显横向变形.当到达90%峰值荷载时，试件端部局部凸起，中部出现剪切滑移线，铁锈和焊缝熔渣不断脱落.达到峰值荷载时，试件中部剪切滑移线越来越明显，可听到部分混凝土破坏的声音.峰值荷载后，试件变形显著增大，荷载不断降低，斜剪变形明显，直至最终破坏.大部分试件破坏模式为斜剪破坏，部分试件的破坏形态如图2所示.

图2 部分试件的破坏形态Fig.2 Typical failure modes of specimens

2.2 试验结果

主要试验结果如表3所示，其中fc为试件中混凝土棱柱体的抗压强度(MPa)，ξ为试件的套箍系数，ξ=Asfy/(Acfc)，fy为钢管的屈服强度(MPa)，As，Ac分别为钢管、混凝土横截面积(mm2)，Pu为试件峰值荷载(kN)，εc，σc分别为试件峰值应变、峰值应力(MPa)，β为相应文献推荐公式计算值与峰值荷载试验值之比的均值.

由表3可以看出，各组混凝土棱柱体的抗压强度差别不大；在相同γ下，海砂再生混凝土的抗压强度随着φ的变化而略有差异，当φ不大时，混凝土棱柱体的抗压强度随着φ的增加而提高，当φ较大时，混凝土棱柱体的抗压强度下降；在相同φ下，γ为50%的混凝土棱柱体的抗压强度最高，而γ为100%的混凝土棱柱体的抗压强度较低.

试件的峰值荷载随着γ的增加而降低.在相同γ下，试件峰值荷载随着φ的增加而降低，但当φ较大时，试件峰值荷载略有提高，如SSRCFS01的峰值荷载较SSRCFS00下降了3.54%，而SSRCFS02的峰值荷载较SSRCFS01提高了0.16%，SSRCFS11的峰值荷载较SSRCFS10下降了3.61%，而SSRCFS12的峰值荷载较SSRCFS11提高了0.19%.从表3还可以看出，随着γ的增加，φ对试件峰值承载力降低的影响逐渐减弱，如SSRCFS00的峰值荷载较SSRCFS02的峰值荷载高2.73%，而SSRCFS20的峰值荷载较SSRCFS22的峰值荷载低0.47%.另外，观测试验后的钢管内壁发现，锈蚀较小，这是由于钢管的封闭约束抑制了锈蚀的发展.

表3 主要试验结果Table 3 Main test results

2.3 轴压应力-应变曲线

不同φ，γ下试件的轴压应力-应变(σ-ε)全曲线分别如图3，4所示.由图3，4可见，钢管海砂再生混凝土的轴压应力-应变全曲线与普通钢管混凝土的轴压应力-应变全曲线基本相同，可分为弹性上升、弹塑性增长和下降3个阶段.在弹性上升阶段，试件的弹性模量随着γ和φ的变化而变化，γ越大，弹性模量越小，随着φ的提高，弹性模量略有增加.在弹塑性增长阶段，试件的峰值应力和应变受γ，φ的影响，随着γ的增加，峰值应力降低，在相同γ下，试件的峰值应力随着φ的提高而降低，但当φ较大时，试件的峰值应力略有提高.峰值荷载后，试件的轴压应力-应变全曲线开始下降，ξ越小，其轴压应力-应变全曲线下降段越陡，当荷载下降到峰值荷载的80%时，轴压应力-应变全曲线趋于稳定.

图3 不同φ下试件的轴压应力-应变全曲线Fig.3 Specimens’ curves under different CIC conditions

图4 不同γ下试件的轴压应力-应变全曲线Fig.4 Specimens’ curves under different RCA replacement percentages

2.4 φ和γ对轴压应力-应变全曲线的影响

由图3，4还可以看出：在相同φ下，试件的峰值应力随着γ的增加而降低，峰值应变随着γ的增加而增大；在相同γ下，试件的峰值应力比普通钢管再生混凝土小，随着φ的增加，峰值应变先增大后减小，如SSRCFS11的峰值应变较SSRCFS10提高10.47%，而SSRCFS12的峰值应变较SSRCFS11下降30.32%.另外，随着γ的增加，φ对峰值应力降低的影响逐渐减弱.这是由于随着γ的增加，混凝土中的孔隙增多，部分海砂进入其中，未有效参与水泥的水化硬化过程，使其对峰值应力的影响逐步减弱.

3 轴压理论探讨

3.1 峰值荷载计算值与试验值对比

目前，国内外已有许多关于钢管混凝土峰值荷载的计算方法，但这些方法是否适用于钢管海砂再生混凝土仍有待验证.本文采用文献[8-12]中的计算式来计算试件的峰值荷载，其结果与试验值的比值如表3所示.

由表3可以看出，各试件的峰值荷载计算值均低于试验值，偏于安全.基于文献[9]中计算公式的计算值与试验值最为接近，其次为文献[7]中计算式的计算结果.因此，在保证安全的情况下，可以采用这2种计算方法进行分析.而文献[10]等的计算结果比试验值偏低约20%～35%.

3.2 轴向受力变形关系式拟合

根据试验结果，本文建立了钢管海砂再生混凝土轴压应力-应变全曲线计算模型.该模型考虑了φ和γ的影响，并将轴压应力-应变全曲线分为弹性、弹塑性、下降及稳定4个阶段.结合本文与文献[8，10，12]中的相关数据对文献[8]中的式(3.133)，(3.139)与(3.140)进行拟合，得到了钢管海砂再生混凝土轴向受力变形关系的表达式，如式(1)所示.

部分试件的计算模型曲线与试验曲线对比如图5所示.

(1)

式中：σ为钢管海砂再生混凝的轴压应力；ε为钢管海砂再生混凝的轴压应变；Esc=fscp/εscp，fscp为钢管海砂再生混凝土轴心受压比例极限，εscp=(2.96fc2-194.9fc+4138)ξ0.99(0≤γ≤1，0≤φ≤0.0041)；a，b，c，d为计算参数，参考文献[8]取值；fscy为钢管海砂再生混凝土峰值强度，fscy=(1.14-32.38φ-0.0361γ)(1.14+1.02ξ)fc，且fscp=0.69fscy；εc=

1.51(0.39γ+1)(-10.55φ2+1.86φ+1)×

[1300+12.5fc+(600+33.3fc)ξ0.2]；εscp为fscp对应的应变.

图5 部分试件的计算模型曲线与试验曲线对比Fig.5 Comparison between calculated stress-stain curves and experimental ones

4 结论与展望

(1)钢管海砂再生混凝土与普通钢管混凝土的轴压应力-应变全曲线基本相同，可分为弹性、弹塑性和破坏3个阶段.试件破坏模式相似，主要为斜剪破坏.试件峰值荷载随着γ和φ的增加而略有降低.但是，随着γ的增加，φ对峰值应力的影响有逐渐减弱.峰值应变随着φ的增加先增大后减小，随着γ的增加而增大.

(2)在保证安全的情况下，可将文献[9]用于钢管海砂再生混凝土受力分析.

(3)基于试验数据，建立了钢管海砂再生混凝土轴压应力-应变全曲线计算模型，该模型的理论曲线与试验曲线总体吻合.

本文主要研究了钢管海砂再生混凝土的短期力学性能.但海砂和再生粗骨料对试件的长期力学性能和耐久性能也有影响.后期将结合本次试验所预留的试件继续展开研究.

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