烧结砖粗骨料取代率对再生混凝土柱轴压性能的影响

黄 靓, 张玉山, 邓 鹏, 李福安

(1. 湖南大学土木工程学院， 湖南 长沙 410082; 2. 湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室， 湖南 长沙 410082; 3. 许昌金科资源再生股份有限公司， 河南 许昌 461001)

0 引言

在国家“旧城改造”“城镇化” “乡村振兴”等战略的大力推动下， 城镇中老旧建筑不断拆除， 新建工程持续增加. 老旧建筑的拆除产生了大量的建筑垃圾， 其中含烧结砖的建筑垃圾达到了总量的30%～50%， 大部分未经任何处理被露天堆放或掩埋， 不仅侵占了大量的土地， 还造成了严重的环境污染. 同时， 与日俱增的新建工程对天然骨料的消耗巨大， 使自然资源日渐匮乏. 若能将含烧结砖的建筑垃圾回收、 粉碎、加工成可用于拌制混凝土的粗细骨料， 并应用在实际工程中， 便可很好地解决以上两个问题， 具有社会、 经济、 环保等诸多效益.

近年来， 许多学者对再生混凝土及其构件进行了广泛而深入的研究[1-6]. 结果表明： 再生混凝土基本符合普通混凝土技术要求； 再生混凝土柱受压的破坏机理与普通混凝土柱类似， 变形比普通混凝土大， 可基于现行规范受压承载力计算方法进行计算. 然而, 当前针对烧结砖骨料再生混凝土的研究尚处于起步阶段， 且大多数研究主要集中在材料性能层面[7-10]， 对构件性能, 尤其是烧结砖再生粗骨料钢筋混凝土柱的研究较少[11-13]. 因此， 本研究以烧结砖粗骨料取代率为变化参数， 设计并完成了15个再生混凝土标准立方体试块和15个再生混凝土棱柱体试块的抗压试验， 10根再生骨料取代率为0%、 25%、 50%、 75和100%的再生混凝土柱的轴心抗压试验， 从构件的层次研究再生粗骨料取代率对再生混凝土基本力学性能和再生混凝土柱轴压性能的影响.

1 试验概况

1.1 材料特性

由废弃烧结砖和其它建筑垃圾加工得到的粗骨料被称为烧结砖再生粗骨料(以下简称再生骨料). 本试验所用的烧结砖再生粗骨料由许昌金科资源再生股份有限公司加工和提供， 原料中烧结砖骨料约占41%， 其他建筑垃圾骨料占59%， 其主要技术指标如表1所示. 试验前对钢筋屈服强度、 极限强度和伸长率进行了测试， 结果如表2所示.

表1 骨料的主要性能指标

表2 钢筋材料性能

试验混凝土强度设计等级为C30， 试验中以烧结砖再生粗骨料部分或全部取代天然粗骨料， 具体配合比如表3所示. 为改善再生混凝土的脆性和内部孔隙率[14]， 在混凝土中掺入1 kg·m-3的聚丙烯纤维， 纤维的直径为6 μm， 长度为6 mm， 抗拉强度为486 MPa， 断裂伸长率为36.4%， 弹性模量为4 286 MPa.

表3 再生混凝土配合比

1.2 试验工况

以烧结砖再生粗骨料取代率(以下简称取代率)为研究参数， 以烧结砖再生粗骨料部分或全部取代天然粗骨料， 设计了取代率为0%、 25%、 50%、 75%、 100%的5组再生混凝土柱构件. 由于混凝土离散性较大， 为减小偶然误差， 提高试验结果的准确性， 每组制作2个完全相同试件， 其配筋图如图1所示. 试件浇筑过程中， 5组构件各预留3个150 mm ×150 mm ×150 mm立方体试块和3个100 mm ×100 mm ×300 mm的棱柱体试块， 并进行同条件养护.

试验在全国经济循环中心实验室的500 t刚性压力机(MTS制造)上进行. 试验时首先进行几何对中， 其次预加10%预估极限荷载， 检查仪表及加载设备是否正常， 并进行物理对中， 使试件四周对应位置的应变片读数变化基本保持一致. 正式加载方式采用位移控制， 加载速度为0.1 mm·min-1竖向位移达到10 mm时停止加载. 试验过程中测量的主要数据有混凝土应变、 纵筋应变及柱端轴向相对位移， 其中: 柱端轴向相对位移由压力机自带的位移计测量， 混凝土应变和钢筋应变由应变仪采集， 试验装置和应变测点布置图如图2所示.

图1 构件配筋图(单位： mm)Fig.1 Sreinforcement layout of specimens (unit: mm)

图2 试验装置与应变片测点布置Fig.2 Loading setup and arrangement diagram of measured points

1.3 试验现象

试验中， 烧结砖粗骨料再生混凝土柱与普通柱表现出相似的现象， 共经历了弹性阶段、 屈服阶段、 破坏阶段和下降阶段4个阶段.

1) 弹性阶段. 当荷载较小时， 钢筋和混凝土处于弹性阶段， 钢筋应变和混凝土应变基本成线性增长. 荷载-中部钢筋应变曲线如图3所示， 荷载-中部混凝土竖向应变曲线如图4所示， 其中混凝土应变和钢筋应变试验结果取2个相同试件的平均值.

图3 荷载-中部钢筋应变曲线 Fig.3 Load-central steel strain curve

图4 荷载-中部混凝土竖向应变曲线Fig.4 Load-central concrete strain curve

2) 屈服阶段. 当荷载较大时， 试件顶端或中上部开始出现竖向细裂缝， 轴向变形、 混凝土应变和钢筋应变增加速率比荷载增加速率大. 取代率越高的柱构件出现裂缝的时间越早， 开裂声越大越清脆， 裂缝发展越快， 裂缝宽度越大.

3) 破坏阶段. 随着荷载的继续增大， 钢筋屈服， 混凝土达到极限压应变， 且形成了贯穿通长裂缝， 承载力达到极限值， 试件破坏. 取代率越高的柱构件的通缝越宽， 如图5所示.

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4) 下降阶段. 荷载急速下降， 通缝变多变长变宽， 核心混凝土逐渐开裂并压碎， 钢筋屈服变形越来越大， 整个构件向外膨胀， 荷载慢慢稳定在200～300 kN范围内. 取代率越高的柱构件核心混凝土被压碎得越早， 最终破坏得越严重， 如图6所示.

图5 柱极限承载时的破坏形态Fig.5 Extreme load-bearing failure mode of specimens

图6 柱最终破坏形态Fig.6 Final failure mode of specimens

2 试验结果与分析

2.1 取代率对烧结砖粗骨料再生混凝土力学性能的影响

试验测得各组立方体强度和棱柱体强度如表4所示， 表中各数值为3个试件的平均值. 取代率对烧结砖粗骨料混凝土抗压强度的影响如图7所示. 由图7可知， 随着取代率的增加， 混凝土立方体抗压强度与棱柱体抗压强度不断减小， 当取代率为100%时， 再生混凝土立方体和棱柱体抗压强度降到最低， 分别降低8.0%和6.4%. 这是由于烧结砖再生粗骨料强度和稳定性低于天然骨料， 烧结砖粗骨料的高吸水性影响了内部水泥水化， 烧结砖粗骨料混凝土的和易性和流动性差导致试块内部空隙较多. 从骨料的破坏机理上看， 天然粗骨料一部分是骨料本身被剪切破坏， 一部分是骨料与水泥凝胶体黏结面的破坏， 而烧结砖粗骨料大都是骨料本身被剪切破坏， 如图8所示. 因此， 取代率越高的试块损坏越严重.

表4 混凝土的立方体抗压强度与棱柱体抗压强度

图7 再生混凝土试块抗压强度Fig.7 Strength of recycled concrete

图8 再生混凝土的界面破坏形态Fig.8 Failure mode of CBRCA

由图7还可知， 再生混凝土立方体和棱柱体的抗压强度和取代率呈明显的线性相关， 两者关系的建议计算公式如下.

立方体抗压强度:

fcu, r=fcu, 0(1-0.081r)

棱柱体抗压强度:

fc, r=fc, 0(1-0.064r)

式中：r为烧结砖再生粗骨料取代率；fcu, r、fc, r分别为取代率为r的再生混凝土立方体和棱柱体的抗压强度；fcu, 0、fc, 0分别为普通混凝土立方体和棱柱体的抗压强度.

fc =0.76fcu

2.2 取代率对柱端轴向相对位移的影响

荷载和柱端轴向相对位移的关系如图9所示， 取代率对极限荷载时柱端轴向相对位移的影响如图10所示. 由图9可知， 试验开始时， 荷载和轴向相对位移基本呈线性关系， 这是由于混凝土柱处于弹性阶段. 接着， 轴向相对位移增加速度大于荷载增加速度， 轴向相对位移与荷载呈非线性关系， 这是由于此时混凝土柱处于塑性阶段. 之后， 轴向相对位移增加但荷载不增加， 这是由于混凝土柱处于屈服破坏阶段. 最后， 荷载下降但位移一直增加， 当位移接近4.5 mm后， 曲线相交荷载相近， 这是由于此时保护层混凝土脱落， 核心筒混凝土压碎， 钢筋骨架和混凝土基本无法共同工作， 荷载主要由钢筋骨架承担.

图9 荷载-柱端轴向相对位移曲线 Fig.9 Load- relative axial displacement of column ends curve

图10 极限荷载时的柱端轴向相对位移Fig.10 Relative axial displacement of extreme bearing capacity

由图9和图10可知， 随着取代率的增加， 试件刚度不断减小， 试件屈服位移和柱极限荷载时的柱端轴向相对位移不断增大(极限荷载指压力机测得的混凝土柱最大承载力). 这是由于再生烧结砖粗骨料的弹性模量较小， 相同的荷载下， 再生混凝土柱的变形较大.

由图10可知， 取代率和极限荷载时的柱端轴向相对位移平均值呈线性相关， 两者关系的建议计算公式如下:

Δr=Δ0(1+0.23r)

式中：Δr为取代率为r的柱极限荷载时的柱端轴向相对位移；Δ0为取代率为0%的柱极限荷载时的柱端轴向相对位移.

2.3 取代率对极限荷载时裂缝最大宽度的影响

极限荷载时裂缝最大宽度指的是柱达到极限荷载时所有裂缝的最大宽度， 取代率对极限荷载时裂缝最大宽度的影响如图11所示. 由图11可知， 随着取代率的增加， 极限荷载时裂缝最大宽度也增加. 这是由于烧结砖再生粗骨料的自身强度低、 变形大、 裂缝发展速度快. 从骨料的破坏机理上看， 天然粗骨料一部分是骨料本身被剪切破坏， 一部分是骨料与水泥凝胶体面的黏结破坏， 而烧结砖粗骨料大都是骨料本身被剪切破坏. 因此， 烧结砖粗骨料掺量越多， 混凝土破坏越彻底， 极限荷载时最大裂缝宽度越大.

2.4 取代率对开裂荷载的影响

开裂荷载指混凝土柱首次出现裂缝时压力机显示的荷载， 取代率对开裂荷载的影响如图12所示. 由图12可知， 取代率越大， 柱的开裂荷载越大. 与天然混凝土柱相比， 取代率为25%、 50%、 75%和100%的再生混凝土柱开裂荷载分别降低了1.4%、 8.9%、 11.9%和14.1%. 这是由于烧结砖再生粗骨料的强度较低、 弹性模量较小、 变形大， 内部裂缝发展更早更迅速.

图11 取代率对极限荷载时裂缝最大宽度的影响Fig.11 Influence of substitution rates on maximum crack width under ultimate load

图12 取代率对开裂荷载的影响Fig.12 Influence of substitution rates on cracking load

2.5 取代率对极限承载力的影响

取代率对极限承载力的影响如图13所示. 由图13可知， 随着取代率的增加， 再生混凝土柱的极限承载力不断减小， 其主要原因与混凝土抗压强度降低的原因相似； 当取代率为25%、 50%、 75%和100%时， 极限承载力分别降低2.8%、 5.8%、 7.5%和9.1%.

极限承载力试验值和计算值的对比如表5所示. 由表5可知， 按照规范[15]相关公式进行承载力计算时， 试验值略低于计算值， 偏不安全. 因此， 由于再生混凝土强度离散性较大， 出于安全储备的考虑， 笔者建议对再生混凝土承载能力进行一定的系数折减， 折减系数与取代率有关， 建议公式为：

N=0.9φ(f′yA′s+fcA(1-0.12r))

式中：φ为稳定系数， 取1；f′y为纵向钢筋抗压屈服强度， 取实测值；fc为混凝土轴心受压强度， 取实测值；A′s为纵向受力钢筋截面面积；A为柱受压截面面积.

由表5可知， 按建议公式进行计算时， 试验值略高于计算值， 有一定的安全储备. 因此， 按建议公式计算烧结砖粗骨料再生混凝土柱的轴心受压承载力比较合适.

图13 取代率对极限承载力的影响Fig.13 Influence of substitution rates on ultimate bearing capacity

表5 极限承载力试验值与计算值比较

Tab.5Comparison of test value and calculated valueof compressive bearing capacity

r/%0255075100N规范 / kN13521327130612921278p试件1 / N规范1.011.000.990.990.98p试件2/ N规范1.000.990.970.960.95N建议 / kN13101307125812381219p试件1/ N建议1.011.021.021.041.05p试件2/ N建议0.991.001.001.001.02

注：p为试验值，N为计算值.

图14 力学性能指标的降低幅度对比Fig.14 Reduction of mechanical performance indicators

2.6 取代率对力学性能指标的影响程度对比

取代率对各项力学性能的影响程度对比如图14所示. 由图14可知， 在相同的取代率下， 烧结砖再生粗骨料使构件性能降低幅度比材料试验强度的降低幅度更大. 如取代率为75%时， 柱的开裂荷载和 极限荷载降低幅度分别为11.9%和7.5%， 而立方体和棱柱体的抗压强度降低幅度分别为6.0%和5.2%. 这是由于烧结砖骨料的稳定性较差， 再生混凝土的尺寸效应显著. 因此， 在构件层次上研究烧结砖粗骨料再生混凝土具有更加重要的意义.

3 结语

1) 随着取代率的增加， 烧结砖粗骨料再生混凝土立方体强度和棱柱体强度不断降低.

2) 烧结砖再生粗骨料混凝土柱轴向抗压时的受力过程和破坏形态与普通混凝土柱相似.

3) 随着取代率的增加， 柱开裂荷载不断减小， 极限荷载时的柱端轴向相对位移和裂缝最大宽度不断增大.

4) 随着取代率的增加， 烧结砖再生粗骨料混凝土柱的轴压承载力不断减小. 按照现行规范计算烧结砖再生粗骨料混凝土柱的轴压承载力略不安全， 建议对烧结砖再生粗骨料混凝土强度进行系数折减， 折减系数与取代率有关.

5) 烧结砖再生粗骨料使构件性能降低幅度比材料试验强度的降低幅度要大.

6) 在取代率合适的情况下， 将烧结砖再生粗骨料混凝土柱应用于实际工程是可行的.