钢管含砖骨料再生混凝土柱轴压力学试验研究

黄靓，林明明，高畅，邓鹏

钢管含砖骨料再生混凝土柱轴压力学试验研究

黄靓1, 2，林明明1，高畅1，邓鹏1

(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)

通过20根钢管含砖骨料再生混凝土圆柱试件的轴压试验，分析再生粗骨料取代率、套箍系数等对试件轴压性能影响，观察试件受力全过程以及破坏形态，得到钢管含砖骨料再生混凝土试件的应力-应变全过程曲线，分别分析2个参数对试件承载、应力应变行为等影响，试验表明：钢管含砖骨料再生混凝土与普通钢管混凝土具有相似的破坏过程，再生粗骨料取代率与套箍指标均对承载能力和变形性能有影响。同时，分别用套箍混凝土理论、统一强度理论和叠加计算理论中的12个公式进行承载力计算分析，与试验值进行比较，结果表明：套箍混凝土理论计算值较接近试验值，统一强度理论较为安全，叠加计算理论值安全储备最大。最后，对计算结果较为安全且精确度较高的规范GB(50936—2014)中的公式进行修正，考虑再生粗骨料取代率的影响，提出修正系数，并验证修正系数的正确性。

再生粗骨料；钢管混凝土；轴压；承载力计算；修正系数

随着我国城镇化与新农村建设的不断推进，此过程中拆迁建筑物产生大量建筑垃圾，据中华研普行业调研报告2018年产量近30亿t，其中废弃碎砖砌块占50%以上，而我们国家对建筑垃圾的再生利用不到5%[1]。近年来，有关再生混凝土及相关构件研究越来越多，但因其强度低、徐变大、再生骨料成分复杂和离散性明显等劣势，致其止步于非主要受力构件或实验室研究，在实际建筑结构中的推广应用受到阻碍。有效横向约束可改善再生混凝土力学性能，规避配制强度离散性大等缺陷[2−4]，钢管混凝土具有良好的受力性能和抗震性能，把再生混凝土和钢管约束形成组合材料，具有重要工程意义与理论意义[5−6]。研究[7−14]表明钢管再生混凝土构件承载力和变形性能具有较大提升。众多研究中，再生混凝土采用的再生骨料成分较为单一，实际工程经济性及试用性较低，本文采用未经过度筛选处理的含砖骨料再生粗骨料，通过钢管含砖骨料再生混凝土短柱的轴压试验，观察其破坏过程和破坏形态，分析再生粗骨料取代率、套箍系数对其力学性能的影响，其试验成果对再生混凝土在工程使用中成本控制及技术实现上具有重大价值。

1 试验概述

1.1 试验材料

试验参数为粗骨料取代率和套箍指标，采用A与B 2种壁厚的钢管，管径均为165 mm，其中A管壁厚为2.5 mm，B管壁厚为3.75 mm，根据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228—2002)指导与要求，分别测得2种钢管的材料强度指标如表1。含砖再生骨料由许昌金科资源再生股份有限公司将建筑垃圾堆场分拣、破碎、筛选分级制备而来，如图1所示，其主要由质量分数为45%再生烧结砖及55%再生混凝土骨料。本试验再生烧结砖粗骨料筛分粒径在5~10 mm，选用P.O.42.5R普通硅酸盐水泥、天然细骨料、天然连续级配花岗岩碎石粗骨料，有关指标见表2。

表1 钢管力学性能指标

表2 骨料主要性能指标

本文共制作了5组不同再生砖骨料含量的含砖骨料钢管再生混凝土试件，其取代率分别为0%，30%，50%，70%和100%，取代率为再生粗骨料质量与总粗骨料质量之比。再生粗骨料取代率为0%的普通混凝土强度C30设计，水灰比为0.55，水:水泥:细骨料:粗骨料=297.5:540.9:520.2:1 041.4，各不同取代率下严格保证该比值不变，且采用相同材料，在粗骨料总质量不变的情况下，只改变再生粗骨料与总粗骨料质量比。不同取代率下通过试验得到标准混凝土立方体块抗压强度如表3。

1.2 试件设计与制作

试验参数为粗骨料取代率和套箍指标，共计设计了20个试件，分别为10个壁厚为2.5 mm的A系列试件，10个壁厚为3.75 mm的B系列试件，长=500 mm，外径=165 mm，取代率分别为0%，30%，50%，70%和100%。所有试件设计与各实测参数值见表3。钢管采用直缝钢管，按指定长度在工厂截好并两端刨平，为便于更好的浇筑振捣，前期在钢管材料底部对中焊接厚度3 mm，长宽是200 mm×200 mm的钢板对中封底，混凝土由顶部注入，并分3次进行振动棒振捣，端部稍微高出钢管。因钢管易锈蚀，试件放置室内自然条件下，标准养护28 d后用磨平试件端部突出位置。

1.3 加载装置及加载制度

加载装置为YAM6506微机控制电液伺服压力机(加载量程0~2 000 kN)，该装置可在加载过程中自行采集数据，见图1。本试验采用位移控制，加载速度为0.02 mm/s。

图1 试验加载装置

表3 试件参数

2 试验现象及结果分析

2.1 试验破坏过程及形态

试验开始，试件最开始进入弹性阶段，此时期荷载−变形呈线性关系，构件外观无太大变化。施加荷载约极限荷载的70%，试件端部产生短且少的剪切滑移线(图2)，并伴随着铁锈逐渐脱落；继续加载，交叉剪切滑移线逐渐变长、变密，临近极限荷载95%时，交叉剪切滑移线布满整个试件，钢管局部外凸；试件达到极限荷载后，承载力开始下降，但下降趋势不大，试件变形继续增大，开始整体向外膨胀，交叉剪切滑移线痕迹逐渐变淡，局部凸出位置不断发展、增大，变形到某一位置后，承载力会再次增大。因试件荷载下降段较缓，在变形达到35 mm时荷载下降并不大。构件最后呈现为中部鼓曲、斜剪切破坏，试件荷载变形曲线如图2所示，图3为部分试件的破坏形态。

图2 试件荷载−变形曲线

图3 试件的破坏形态

试验过程中，由于此次试件钢管厚度分别是2.5 mm和3.75 mm，且试件的长度均为500 mm，试验均在试件变形达到35 mm后停止，因此，试验中试件均未出现钢管鼓曲开裂现象，试件均为中部鼓曲、斜剪切破坏。且在加载进行中，观察得到B系列构件破坏时长相对A系列构件破坏时长更缓慢。

2.2 试验实测的应力−应变曲线

本次研究利用式(1)可得试件名义应力−应变全过程曲线。

式中：为试件轴心受压压力值；为试件全截面面积，即钢管与核心混凝土截面之和；∆为试件加载过程中轴向压缩变形位移；为试件总长度。计算结果如图4所示。

各组试件峰值应力以及与之相对应的应变如表4、表5所示，钢管约束后得到含砖骨料再生混凝土试件峰值时的应力接近为未约束时的2倍，对应的峰值应变均在0.008以上，也是普通混凝土峰值应变的4倍以上，由此看来钢管对含砖骨料再生混凝土的约束效应较为明显。对比表4中各组构件峰值应力，以取代率为0%的钢管混凝土构件峰值应力为基准，将各组构件测试得到的峰值应力与之相比，可发现，随着取代率的增加，A系列各组构件得到的峰值应力先增大后降低，B系列试件的峰值应力逐渐递减(B-50%中一个试件在试验中因误差峰值应变达25，此处忽略不考虑)，当取代率为100%时，A系列减少了13.3%，B系列减少了14.6%。对含砖骨料再生混凝土强度相对于相同配合比的普通混凝土是提高还是降低，取决于再生粗骨料的吸水率、自身所带水泥基和微裂缝，在此次试验条件下，因再生骨料吸水率较大，拌和过程中将吸取部分水灰比中的水分，从而降低了真实拌和的水灰比，致使混凝土强度提高，同理，水泥基以及微裂缝的存在，将会使混凝土强度减小，对于以上2种因素，最终决定含砖骨料再生混凝土强度的提高与否[15]。从总体来看，伴随取代率的提高，含砖骨料钢管再生混凝土的轴压强度呈减小趋势。

从图4中观察各组构件试验得到的应力−应变全曲线，可见A和B系列普通钢管混凝土与含砖骨料钢管再生混凝土的轴压应力−应变曲线有着大致相同的变化形态，含砖骨料再生混凝土破坏过程与普通钢管混凝土相似，两者都有弹性段→弹塑性段→峰值点→下降段→谷值点→二次上升段→二次下降段。弹性阶段初始所有试件应力−应变曲线重合较好，可见取代率对试件应力−应变曲线上升阶段作用效果不明显。而对比A系列与B系列的下降段，钢管套箍指标表现出一定的作用，套箍系数大的B系列下降段更平缓且较均匀集中，套箍指标小的A系列下降段更陡峭且较离散，而B系列更平缓，离散性较小。

图4 试件应力-应变曲线

2.3 再生骨料取代率对应力−应变曲线的影响

比较套箍指标相同的A系列与B系列试件，如图6~7。可见伴随取代率的提高，A系列试件的峰值应力在取代率为30%有略微提高，然后逐渐递减；B系列试件逐渐递减，总体来说，试件峰值应力呈现出伴随取代率的提高，呈现逐渐减小趋势。而对其所对应的峰值应变伴随取代率的提高呈现出增加的趋势。尽管试件强度呈减小趋势，但峰值应变却逐渐增大，这可能与再生粗骨料所带水泥基有关，水泥基的存在会导致混凝土胶凝体含量提高，构件的峰值应变会随之提高而提高[15]。

表4 试件的峰值应力

表5 试件的峰值应变

2.4 套箍指标对应力−应变曲线的影响

其他参数均相同，而套箍指标作为变量，各组构件应力−应变曲曲线形状类似，如图4所示，套箍指标高的B系列峰值应力与峰值应变均比套箍指标低的A系列大，不同套箍指标对所有构件峰值应力、峰值应变影响如表6。可知，试件峰值应力及所对应的峰值应变伴随套箍指标的提高而提高，且对峰值应变的提高略大于峰值应力，当套箍指标平均提高1.38倍时，峰值应力平均值与峰值应变平均值分别提高1.136倍和1.215倍，可见套箍指标的上升对承载力和延性有提升效果，在前者和后两者所表现的关系中，并未呈现明显的线性关系，且对于套箍指标提升较多时，峰值应力与峰值应变没有得到相应提升，甚至相对更高的提升。故工程中想要通过提高套箍指标来改善含砖骨料钢管再生混凝土试件的强度与延性，需要在一定合理范围内与经济情况综合考虑。

表6 取代率相同情况下试件(B/A)的套箍指标、峰值应力及峰值应变的比值

图5 峰值应力与再生粗骨料取代率的关系

图6 峰值应变与再生粗骨料取代率的关系

3 承载力计算对比与公式修正

3.1 各规范承载力计算结果对比分析

钢管混凝土构件在国内外已有大量研究与工程应用，当前主要有3类理论公式用于求出钢管混凝土柱轴压承载力：套箍混凝土理论、统一强度理论和叠加计算理论。套箍混凝土理论包括《钢管混凝土结构设计与施工规范》(CECS28—2012)[16]、《钢管混凝土结构技术规范》(GB50936—2014)[17]、蔡绍怀[18]公式、JCJ01—89《钢管混凝土结构设计与验收规程》[19]；统一强度理论包括钟善桐[20]公式、韩林海[21]公式、DJB4142—2000[22]；叠加计算理论有日本AIJ(1997)[23]、欧洲EC4(1994)[24]。

通过利用上述公式计算各试件承载力，并分别于试验值进行比较，如表7可知：

1) 通过统一强度理论和叠加计算理论结果比试验结果偏小，其中统一强度理论均略小于试验结果，最小减少12%，叠加计算理论均较大小于试验值，最小减少28%，2种均偏安全，叠加计算理论安全储备更多。

2) 采用套箍混凝土理论，CECS28—2012与GB50936—2014为同一个公式，且计算值略小于试验值，而蔡绍怀公式与JCJ01—89均大于试验值，最大高出8%；

3) 综合表7可以看出，叠加计算理论安全储备最大，其次是统一强度理论，最后是套箍混凝土理论，而经济效益反之。

3.2 规范公式修正

由图5可知，再生粗骨料取代率作为一个重要参数对试件轴压承载力具有作用效果，总体伴随取代率的提高，承载力逐渐减小。从表7各个钢管混凝土承载力计算公式对比发现，从安全性、经济性和计算准确性等角度出发，现行规范《钢管混凝土结构设计规范》中的公式对于含砖骨料钢管再生混凝土轴压短柱具有更好的适用性。但此公式未考虑取代率所带来的影响效果，而此次试验发现伴随取代率的提高，承载力逐渐降低。所以，需考虑取代率影响，开展对规范公式的适当修正。

图7 θ-r拟合曲线

设立参数，=N/N，具体所得值见表7，式中，u为含砖骨料钢管再生混凝土承载力计算值，N为含砖骨料钢管再生混凝土承载力试验值。利用回归的方法，可得与取代率之间的关系，如图7所示。拟合后，可得参数与取代率相互间的表达式如下：

因此，对规范公式修正后的表达形式如下：

由表7可知，由式(3)所得结果和试验值进行对比，平均值是1.00，标准差是0.014 1，变异系数为0.014，相比原公式平均值0.95，标准差0.033 6，变异系数0.035，修正后的公式考虑了再生粗骨料取代率的影响，计算结果更加精确，且具有一定安全储备，经济效益会更好。因此，式(3)可用于含砖骨料钢管再生混凝土轴压短柱的计算。

表7 各理论计算结果与试验结果比值之比

4 结论

1) 含砖骨料钢管再生混凝土短柱与普通钢管混凝土短柱具有相似的受力过程，具有弹性阶段→弹塑性阶段→峰值点→下降阶段→谷值点→2次上升阶段→2次下降阶段，最终呈现中部鼓曲剪压 破坏。

2) 含砖骨料钢管再生混凝土柱峰值应力总体呈现随取代率的提高而变小的趋势，范围在15%以内波动，而峰值应变呈现随取代率的增加逐渐提高的趋势，增大范围在30%以内波动；含砖骨料钢管再生混凝土短柱承载力和峰值应变随着套箍指标的提高而提升。

3) 运用套箍混凝土理论、统一强度理论及叠加计算理论承载力计算值与试验值比较，叠加计算理论安全储备最大，其次是统一强度理论，最后是套箍混凝土理论，经济效益反之。

4) 通过综合分析，《钢管混凝土结构设计规范》(GB50936—2014)和《钢管混凝土结构设计与施工规范》(CECS28—2012)中的公式对于含砖骨料钢管再生混凝土更适应，但该公式未考虑取代率的影响。因此，开展对公式的适当修正，提出修正系数。修正后的公式计算结果相对之前所得结果更加精确，离散性更小，且有安全储备，经济效益会更好。适用于含砖骨料钢管再生混凝土轴压短柱的计算。

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Experimental study on axial compressive behavior of recycled aggregate concrete-filled in steel tube with partially clay brick aggregate

HUANG Liang1, 2, LIN Mingming1, GAO Chang1, DENG Peng1

(1. School of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 2. Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficient of the Ministry of Education, Hunan University, Changsha 410082, China)

Through the axial compression tests of 20 cylindrical specimens of recycled aggregate concrete-filled in steel tube with partially clay brick aggregate, the influence of the substitution rate of coarse aggregate and the hoop coefficient on the axial compression performance of the specimen was analyzed at first. Meanwhile, the whole process of the specimen and the failure mode were observed, and the whole process curves of stress-strain of recycled concrete specimen with brick-bearing aggregate were obtained. Then, the effects of two parameters on the bearing capacity, stress-strain behavior of the specimens were analyzed. The results show that the failure mode of the specimens is similar to that of ordinary concrete filled steel tube, and the substitution rate of recycled coarse aggregate and the index of hoop have influence on the bearing capacity and deformation performance. Further, this paper employed the 12 formulas originated from the ferrule concrete theory, the unified strength theory and the superposition calculation theory, respectively, to carry out the calculation and analysis of bearing capacity.Comparisons among the tests, the results indicated that the ferrule concrete theoretical calculationvalues were close to the experimental values. Unified strength theory was relatively safe. And superposition calculation theoretical maximum safety reserves. Finally, the formulas in code GB (50936—2014), which was safer and more accurate, was modified. Considering the influence of the substitution rate of recycled coarse aggregate, the correction coefficientwas put forward, and the correctness of the correction coefficient was verified.

recycled coarse aggregate; concrete-filled steel tube; the axial compress; bearing capacity formula; correction factor

TU398

A

1672 − 7029(2020)03 − 0699 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190366

2019−04−30

“十三五”国家重点研发计划资助项目(2017YFC0703305)

黄靓(1974−)，男，湖南株洲人，教授，博士，从事混凝土和砌体结构、建筑垃圾资源化利用研究；E−mail：huangliangstudy@126.com

(编辑 阳丽霞)