区域约束再生混凝土相关问题综述

涂开胜 程阿青 尚 茂 丁新东 黄兴佳

(贵州大学土木工程学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

近年来，国家提倡绿色环保，低碳出行，但城市化建设的同时，带来了大量的建筑垃圾，传统的处理方式是就地掩埋或者找特定区域堆放，但这一类材料难以分解，不仅堵塞河道，而且分解后的很多物质对土壤和地下水都有一定的污染作用，因此，为了解决这一难题，大量学者开始对再生骨料展开了大量研究。据文献报道，再生骨料的压碎指标高于天然骨料的压碎指标，含泥量和砂粉量高。孔隙率大，再生骨料在制备过程中有裂缝，使再生混凝土的强度偏低且脆，抗拉能力弱，延性差，而且单位体积用水量高于普通混凝土，若保证水灰比不变的条件下，水泥的消耗量也比较大［1］。研究还表明，粉碎和筛分后的再生粗骨料作为混合物添加到普通混凝土中，因此再生混凝土的抗压强度是随着再生骨料的数量增加而呈先降后增再降的趋势［2］，强度增加可能有两个原因，第一种是由于高强度的再生骨料配制低强度的混凝土;第二种是由于再生骨料大吸水率，最终导致再生混凝土的水灰比降低，从而引起再生混凝土强度变高，但目前出现这样的现象比较少，多数呈性质比较差的状态。因此，再生骨料混凝土的成本较高，而带来的效益较低，因而不被广大工程师青睐。

贵州大学曹新明教授从改善约束混凝土机制的角度研究了约束混凝土约束机制［3］。提出了“区域约束”这一概念，经过研究表明，区域约束这一概念的提出，不仅大幅度提高了柱子的承载能力，同时约束混凝土构件的截面变小和自重下降，并且柱子延性也有了大幅度的改善。

通过将“区域约束”概念与再生混凝土结合，利用区域约束的优异性，取长补短，加强对再生混凝土核心区约束限制，以此达到改善再生混凝土的力学性质的目的，同时促进再生骨料的利用，改善其力学性能，经济价值也得到很大的提高，为了满足工程质量的要求，它还为再生骨料的利用提供了新的途径。

1 约束再生混凝土研究现状

国内外针对约束混凝土的研究已有近百年历史，通过查阅文献可知，混凝土的约束类型大致可分为两种，即管状约束与箍筋约束。不管约束类型如何，其约束机制是限制混凝土构件的核心区混凝土的横向变形，使得约束混凝土构件形成三向应力状态，从而提高构件的承载能力和变形性能。

对于管状约束机制，其实质是利用管壁来限制核心区混凝土的横向变形，使得核心区的混凝土形成三向压缩应力状态，以此来改善再生混凝土的力学性能，有很多的学者通过改变再生骨料替代率、管的材料以及尺寸几个方面进行了大量研究;董宏英［4］等对不同替代率的钢管再生混凝土的抗震性能展开了研究分析，得出了钢管能够改善再生混凝土的抗震性能，并提出我国的抗震设计规范趋于保守;张建新等在钢管再生混凝土柱的低周反复试验荷载研究了轴压比等几个条件［5］;马辉等［6］对玻璃纤维管约束再生混凝土柱轴心受压性能展开研究，通过研究发现，玻璃纤维管约束再生混凝土柱的承载力提高约12%;通过上述可以看出，众多学者都是通过改变管状约束混凝土的外部约束材料或者管截面形状，对再生骨料混凝土的某些力学性能展开一系列可行性研究，然而，由于混凝土在凝结的过程中体积收缩，成型后的管状约束混凝土管不能与混凝土紧密接触，影响构件的工作性能。

对于箍筋约束的方式，主要就是改变构件的配箍方式，限制构件的横向变形，以此来改善构件的工作性能。箍筋约束的约束效果比管状约束要弱一些，但箍筋约束混凝土的施工方便，造价低，因此，在很多地方备受欢迎。为了更大程度的提高箍筋约束的约束效应，改善其工作性能，国内外众多学者通过改变配箍方式，区域约束也就是在这种条件下产生的，普通配筋和区域约束配筋形式如图1所示。

图1 常见的普通约束与区域约束

从普通约束与区域约束配筋截面可以看出，区域约束配筋利用箍筋与纵向受力钢筋组合，在中间箍筋相交位置添加纵筋，使得构件的整个截面形成四个区域的约束箍筋，类似一个完整的小柱(也称“分体柱”)，当区域约束混凝土柱在水平荷载作用下，构件一侧混凝土达到极限应变，导致混凝土开裂，构件的另一侧还是一个完整的柱子，加大了横向约束，提高柱子的承载能力和延性，降低柱的刚度;如果是普通配筋，若一侧混凝土开裂，另一侧不能形成一个完整的约束，因此，普通约束配筋的柱子一旦开裂，则承载力和延性急剧下降。

2 区域约束再生混凝土的特点

2.1 再生混凝土的破坏机制

通过查阅相关文献可知，再生骨料是将使用后的混凝土构件经拆分破碎筛分最后得到了不同粒径的混凝土再生骨料，其中5 mm以下的再生细骨料多做再生混凝土中填充作用，粗骨料主要作承压作用，然而，在破碎后得到的粗骨料，由于其内部存在微小裂缝和骨料表面附着砂浆(如图2所示)，使得再生骨料混凝土在承载过程中粗骨料粒与旧砂浆之间更容易脱落，微小裂缝的存在使得骨料的压碎指标高，使得再生粗骨料在承受压力时容易被压碎，从而导致再生骨料混凝土出现了低强度和低弹模的情况，而且，由于再生骨料内部干燥，天然含水率接近零，所以单位体积再生混凝土耗水量偏高;因此，再生混凝土构件都比较粗大，容易形成短柱脆性破坏，同时导致空间利用率偏低，这对于混凝土结构抗震是不利的。通过相关研究，区域约束混凝土柱在高轴压比条件下也有良好的变形能力，不仅可以大大提高混凝土柱的承载能力和能耗，同时柱的横截面减小，这也提高了材料的利用率。

图2 再生骨料混凝土骨料

2.2 区域—再生混凝土的破坏机制

区域约束再生混凝土。顾名思义，就是将“区域约束配筋”概念与再生骨料混凝土结合而成的一种新的理论体系，新理论旨在大幅度改善再生骨料混凝土的力学性能。核心区混凝土如图3所示。

图3 约束核心区对比

由图3知，传统约束混凝土柱的核心区在中央位置，通过改变约束机制，将核心区的中部区域移至四个角，形成了四个小区域的核心区，图3a)，图3b)可知，由于图3a)中核心区混凝土两个方向的箍筋互不影响，在构件受轴向压力时，会形成各个方向的箍筋往外凸，对核心区混凝土的限制效应低于区域约束，而且，由于核心区变小了，但对于单个核心区的约束效应未降低，使得区域约束混凝土整个截面的横向约束优于传统约束，因此，力学性能和耗能能力提高，从而提高再生骨料的利用率，在后续将会对区域约束再生混凝土的相关力学性能做对比试验研究分析，从试验的角度来看，探究了区域约束再生混凝土的力学性能改善。

3 总结与展望

3.1 总结

目前对于再生骨料的研究停留在对再生骨料和某些传统约束上的研究，区域约束是近几年提出的一个新概念，通过对再生骨料的性质和“区域约束”概念的相关介绍，区域约束再生混凝土的力学性质和经济价值都有一定的改善，由于核心区混凝土在箍筋横向约束作用下，使得混凝土的承载能力得到有效提高，同时区域约束再生混凝土构件的延性也得到大幅度的提高。

3.2 展望

希望可以从试验的角度对区域约束再生混凝土的经济价值进行量化，通过对其试验研究和有限元软件模拟，找到相关的本构关系理论模型，扩大对再生骨料的利用率，使得对“建筑废料”的利用进一步提高，对后续的区域约束推广作进一步的诠释。