再生混凝土结构的受力性能研究

张 缜,周仁战

(蚌埠学院 土木与水利工程学院,安徽 蚌埠 233000)

0 引言

将废弃建筑中的混凝土经过机械破碎、表面清洗(去除水泥砂浆、石子等)和按照粒度分级处理后,加入水泥、自来水等原料制作而成的混凝土称为再生混凝土[1]。随着近年来我国国民经济的迅猛发展,各种新的需求不断增加,20世纪建造的房屋、大桥等很多都面临着重建,由此将产生大量的建筑垃圾,如果将这些建筑垃圾进行二次利用,不仅可以节省资源,还可以促进环保[2],是现阶段科研工作者关注的重点研究方向。然而,再生混凝土的应用还存在许多技术难题,尤其是当再生混凝土浇筑于钢管中形成的钢管再生混凝土的粗骨料替代率、构件长细比等参数对再生混凝土试件的力学性能的影响规律还不清楚[3-7],这方面的研究将有助于废弃混凝土在实际工程中的应用。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本研究制作方钢管再生混凝土柱的原料包括方钢管、P42.5普通硅酸盐水泥(比表面积360 m2/kg、细度1.43%、初凝和终凝时间分别为115 min和322 min)、细骨料河砂、再生粗骨料(粒径范围6～28 mm、压碎指标15%、含水率1.8%、表观密度2 638 kg/m3)、添加剂Ⅰ级粉煤灰(w(SiO2)=67.82% 、w(Al2O3)=20.54% 、w(Fe2O3)=4.60%,其余为CaO等氧化物)、自来水。

1.2 试件制备与材料性能

方钢管再生混凝土试件的设计参数如表1。根据GB/T 50107-2010《混凝土强度检验评定标准》[8]对再生混凝土抗压强度进行测试:再生骨料取代率为0、40%和100%时无添加剂试块的抗压强度分别为27.7 MPa、30.7 MPa和33.6 MPa,再生骨料取代率为100%时粉煤灰添加剂试块的抗压强度为30.2 MPa。根据GB/T228-2010《金属材料拉伸试验-室温试验方法》[9]对钢管进行室温拉伸性能测试,壁厚为3.25 mm和5.05 mm时,屈服强度分别为290 MPa和329 MPa、抗拉强度分别为365 MPa和395 MPa、断后伸长率分别为34.5%和30.9%、弹性模量都为2.06×105MPa。

表1 钢管再生混凝土试件的设计参数Tab.1 Design parameters of recycled concrete filled steel tube specimens

图1 钢管再生混凝土试件的尺寸示意图Fig.1 Dimension diagram of recycled concrete filled steel tube specimen

图1为钢管再生混凝土试件的尺寸示意图。共设计了15组试件,方钢管边长为160 mm,壁厚为3.25 mm和5.05 mm时试件的含钢率分别为0.08和0.14,添加剂用量设定为水泥用量的10%。钢管部分预先在钢结构公司制作,然后运至实验室进行再生混凝土浇灌[10]。将预先搅拌好的再生混凝土浇灌至钢管中,振捣后在柱顶抹平,部分试件需要在柱顶补平以弥补凹陷。

1.3 测试方法

在YES-800型压力试验机上进行再生混凝土试件的加载,预先进行10%极限荷载加载、持续10 min,再逐渐加载至极限荷载的70%,持续加载并保持荷载3 min,加载速率为0.5 kN/s,当试件荷载下降至80%及以下时停止加载[11];采用DH3827N多功能静态应变测试系统采集实验数据[12]。

2 结果与分析

图2为再生粗骨料取代率对钢管再生混凝土柱荷载-轴向位移曲线的影响,分别列出了偏心率e分别为0.25和0.50时的荷载-轴向位移曲线。当偏心率为0.25时,随着取代率从0增加至100%,试件的峰值荷载先减小后增大,取代率为100%时峰值荷载最大(约967.5 kN),见图2(a);当偏心率为0.50时,随着取代率从0增加至100%,试件的峰值荷载先增加后减小,取代率为40%时峰值荷载最大(约835.6 kN),见图2(b)。整体而言,在其他参数相同条件下,再生粗骨料取代率对方钢管再生混凝土试件的承载力有明显影响,随着取代率从0增加至100%,偏心率为0.25时试件的峰值荷载先减小后增大、偏心率为0.50时试件的峰值荷载先增加后减小。

图3为构件长细比对钢管再生混凝土柱荷载-轴向位移曲线的影响,分别列出了偏心率分别为0.25和0.50时的荷载-轴向位移曲线。当偏心率为0.25时,随着构件长细比从34.6增加至52.0,试件的峰值荷载从967.5 kN减小至804.4 kN,见图3(a);当偏心率为0.50时,随着构件长细比从34.6增加至52.0,试件的的峰值荷载从702.3 kN减小至632.8 kN,见图3(b)。整体而言,在其他参数相同条件下,构件长细比对方钢管再生混凝土试件的承载力有明显影响,随着构件长细比从34.6增加至52.0,偏心率为0.25和0.50时试件的峰值荷载分别降低163.1 kN、69.5 kN。

图2 再生粗骨料取代率对钢管再生混凝土柱荷载-轴向位移曲线的影响Fig.2 Effect of replacement rate of recycled coarse aggregate on load axial displacement curve of recycled concrete filled steel tube column

图3 构件长细比对钢管再生混凝土柱荷载-轴向位移曲线的影响Fig.3 Effect of slenderness ratio on load axial displacement curve of recycled concrete filled steel tubular column

图4为壁厚对钢管再生混凝土柱荷载-轴向位移曲线的影响,分别列出了偏心率分别为0.25和0.50时的荷载-轴向位移曲线。当偏心率为0.25时,随着壁厚从3.25 mm增加至5.05 mm,无添加剂试件的峰值荷载从967.5 kN增加至1 492.3 kN,见图4(a);当偏心率为0.50时,随着壁厚从3.25 mm增加至5.05 mm,无添加剂试件的峰值荷载从702.3 kN增加至1 148.0 kN,见图4(c);当偏心率为0.25时,随着壁厚从3.25 mm增加至5.05 mm,粉煤灰添加剂试件的峰值荷载从923.2 kN增加至1 398.5 kN,见图4(b);当偏心率为0.50时,随着壁厚从3.25 mm增加至5.05 mm,粉煤灰添加剂试件的峰值荷载从860.0 kN增加至1 184.9 kN,见图4(d)。对比分析可知,当偏心率为0.25时相同壁厚下粉煤灰添加剂试件的峰值荷载相对无添加剂试件要小;而偏心率为0.50时相同壁厚下粉煤灰添加剂试件的峰值荷载相对无添加剂试件要大。整体而言,在其他参数相同条件下,方钢管壁厚对方钢管再生混凝土试件的承载力有明显影响,随着壁厚从3.25 mm增加至5.05 mm,偏心率为0.25和0.50时试件的峰值荷载分别增加了475.3 kN、324.9 kN。

图5为偏心率对钢管再生混凝土柱荷载-轴向位移曲线的影响。对于第1组试样(FPXB3-1、FPXB3-3)和第2组试样(FPXB3-4、FPXB3-7),在取代率都为100%时,随着偏心率从0.25增加至0.50,无添加剂试件的峰值荷载从967.5 kN减小至702.3 kN,粉煤灰添加剂试件的峰值荷载从923.2 kN减小至860.0 kN;对于第3组试样(FPXB3-9、FPXB3-8),在取代率都为40%时,随着偏心率从0.25增加至0.50,无添加剂试件的峰值荷载从853.4 kN减小至835.0 kN;对于第4组试样(FPXB3-7、FPXB3-4),在取代率都为0时,随着偏心率从0.25增加至0.50,无添加剂试件的峰值荷载从924.4 kN减小至803.7 kN;对于第5组试样(FPXC3-1、FPXC3-3),在取代率都为100%、壁厚为3.25 mm时,随着偏心率从0.25增加至0.50,无添加剂试件的峰值荷载从804.4 kN减小至632.8 kN;对于第6组试样(FPXB5-4、FPXB5-1),在取代率都为100%、壁厚为5.05 mm时,随着偏心率从0.25增加至0.50,无添加剂试件的峰值荷载从1 492.3 kN减小至1 148.0 kN;对于第7组试样(FPXB5-2、FPXB5-3),在取代率都为100%时,随着偏心率从0.25增加至0.50、壁厚从5.05 mm减小至3.25 mm,粉煤灰试件的峰值荷载从1 398.5 kN减小至1 184.9 kN。整体而言,在其他参数相同条件下,偏心率对方钢管再生混凝土试件的承载力有明显影响,随着偏心率从0.25增加至0.50。无添加剂试件和粉煤灰试件的承载力都有所减小。

图4 壁厚对钢管再生混凝土柱荷载-轴向位移曲线的影响Fig.4 Effect of wall thickness on load axial displacement curve of recycled concrete filled steel tube column

图5 偏心率对钢管再生混凝土柱荷载-轴向位移曲线的影响Fig.5 Effect of eccentricity on load axial displacement curve of recycled concrete filled steel tube column

图5 (续)Fig.5 (Continue)

3 结论

随着取代率从0增加至100%,当偏心率为0.25时试件的峰值荷载先减小后增大,当偏心率为0.50时试件的峰值荷载先增加后减小,峰值荷载分别在取代率100%和40%时取得最大值。随着构件长细比从34.6增加至52.0,当偏心率为0.25时试件的峰值荷载从967.5 kN减小至804.4 kN;当偏心率为0.50时试件的的峰值荷载从702.3 kN减小至632.8 kN。当偏心率为0.25时相同壁厚下粉煤灰添加剂试件的峰值荷载相对无添加剂试件要小,而偏心率为0.50时相同壁厚下粉煤灰添加剂试件的峰值荷载相对无添加剂试件要大。在取代率都为100%时,随着偏心率从0.25增加至0.50,无添加剂试件的峰值荷载从967.5 kN减小至702.3 kN,粉煤灰添加剂试件的峰值荷载从923.2 kN减小至860.0 kN。可见,再生骨料取代率、构件长细比、钢管壁厚和偏心率都会对方钢管再生混凝土长柱的承载力产生显著影响,本研究将有助于废弃混凝土在实际工程中的应用。