钢管再生混凝土柱力学性能的影响因素

王 刚

（1.攀枝花学院土建学院，攀枝花 617000；2.工业固态废弃物土木工程综合开发利用四川省高校重点实验室，攀枝花 617000）

0 引言

再生混凝土是指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替砂石等天然集料（主要是粗集料），再加入水泥、水等配而成的新混凝土［1］。在城镇化不断推进的今天，城市建筑固体废弃物排放量日益增加，其中，废混凝土占比可达45%左右，废混凝土排放总量已经突破1亿吨，这些城市建筑固体废弃物不仅会占据大量的土地资源，而且还会造成一系列环境问题和社会问题，如何将这些城市建筑固体废弃物进行循环再利用并形成再生混凝土是大家共同关注且亟待解决的课题［2］。虽然相较天然混凝土再生混凝土的力学性能和耐久性能等较差而在很大程度上限制了其应用，但是其耐久性能和对混凝土的约束能力会由于钢管的密封性而得以改善［3］，钢管与再生混凝土的协同作用将为再生混凝土在实际建筑工程中的应用提供机遇，然而，目前国内外对于钢管与再生混凝土的协同作用及其作用机理的报道较少［4］。在此基础上，本文探讨将再生混凝土应用于钢管混凝土柱中，并对钢管再生混凝土在承受偏压过程中的破坏特征与受力性能进行分析，以期为钢管再生混凝土柱在城镇化建设实际工程中的应用提供参考和技术支撑。

1 试验材料与方法

试验材料包括细度1.42%的P42硅酸盐水泥（3 d抗压强度和抗折强度分别为33.5 MPa和6.2 MPa）、废弃混凝土加工而成的再生骨料（平均粒径15 mm、含水率1.7%、吸水率4.6%、微粉含量3.2%）、河沙和自来水。再生混凝土配合比设计如表1所示，按照GB/T 50107—2010《混凝土强度检验评定标准》制作150 mm×150 mm×150 mm立方试块并自然养护28 d后［5］，测试取代率为0、40%和100%时再生混凝土立方体的抗压强度分别为27.8 MPa、30.8 MPa和30.3 MPa；钢管选用名义壁厚为3 mm和5 mm的Q275方钢管，依据国标GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验方法》测得壁厚3 mm和5 mm钢管的抗拉强度分别为360 MPa和395 MPa，屈服强度分别为290 MPa和330 MPa，断后伸长率分别为34.5%和30.9%，弹性模量都为2.05×105MPa。

表1 再生混凝土配合比设计Table 1 Mix design of recycled concrete

共设计7组再生骨料取代率、长细比和钢管壁厚的再生混凝土柱，试件具体尺寸如图1所示，钢管再生混凝土柱的设计参数如表2所示，分别列出了7组试件的再生骨料取代率、柱高、长细比、偏心距、偏心率、壁厚和宽厚比指标。

表2 钢管再生混凝土柱的设计参数Table 2 Design parameters of recycled concrete filled steel tubular columns

图1 钢管再生混凝土柱的具体尺寸Fig.1 Specific dimensions of recycled concrete filled steel tube column

再生混凝土柱的制作在哈尔滨工业大学结构实验室进行，加载试验在YES-500型压力试验机上进行，所有试件安装完毕后进行位移计、连接应变片等的连接［6］。荷载控制采用逐级加载方式进行，每级加载值为预估载荷的10%、持续1.5 min，直至加载至极限载荷70%后调整为预估载荷的5%进行加载，加载速率控制在0.5 kN/s，试件承载下降过程中的载荷达到80%极限载荷时停止加载［7］。再生混凝土柱的位移计和应变片布局如图2所示。试验过程中，通过INV2366型总线多功能静态应变测试分析系统采集数据，破坏过程中的宏观形貌采用Nikon数码相机进行拍摄。

图2 钢管再生混凝土柱的具体测点布局Fig.2 Layout of specific measuring points of recycled concrete column

2 试验结果及讨论

2.1 破坏过程

图3为不同取代率下试件的破坏发展过程宏观形貌。对于FPXB3-1（100%）试件，随着试验加载的进行，试件宏观形貌中会依次出现轻微鼓胀、鼓曲变形、严重变形和整体破坏的过程，而FPXB3-7（0）和FPXB3-9（40%）试件在加载过程也会出现同样的破坏形态；对比分析可知，再生骨料取代率为100%、0和40%时试件在出现轻微鼓胀时的载荷分别为对应峰值载荷的75%、71%和67%，且轻微鼓胀对应的部位都位于试件上端（距顶部120～220 mm），此时试件逐渐从弹性变形阶段转变为弹塑性阶段；随着荷载的继续增大，再生骨料取代率为100%、0和40%的试件会出现明显鼓胀变形，且出现的位置与轻微鼓胀位置相同，此时试件的承受的载荷都已经达到峰值载荷的85%左右，试验过程中还可以听到3组试件上发出混凝土压裂的声音；继续增加载荷至峰值载荷后，再生骨料取代率为100%、0和40%的试件都出现了严重变形，局部位置还会发出炸裂声音，随后承载力出现降低；当3组试件的载荷降低至峰值载荷75%时，终止试验并观察到试件发生不同程度的整体破坏。从再生骨料取代率为100%、0和40%的试件破坏形态来看，加载过程中都会出现轻微鼓胀、鼓曲变形、严重变形和整体破坏的过程，再生骨料取代率并不会改变试件的破坏过程。

图3 不同再生骨料取代率下试件的破坏形态Fig.3 Failure modes of specimens with different replacement rates of recycled aggregate

图4为不同长细比下试件的破坏发展过程宏观形貌。对于长细比分别为33.5（FPXB3-3）和51.8（FPXC3-3）试件，加载过程中试件同样会依次出现轻微鼓胀、鼓曲变形、严重变形和整体破坏的过程，以及弹性、弹塑性和承载力降低阶段；此外，不同长细比的两组试件的鼓胀位置与不同再生骨料取代率的试件（图1）相同，鼓曲变形阶段对应的载荷相似且同样伴随着混凝土破碎声音，而严重变形阶段出现的3个试面的褶皱形态以及钢管角度炸裂均与图1的3组试件相似，直至试件承载力降低至峰值载荷75%时终止试验。由此可见，长细比的变化不会改变钢管再生混凝土柱的破坏过程。

图4 不同长细比下试件的破坏形态Fig.4 Failure modes of specimens with different slenderness ratios

选取壁厚不同的FPXB3-3（3.23 mm）和FPXB5-1（5.03 mm）试件进行对比分析，后者在加载过程中的破坏形态如图5所示。与壁厚为3.23 mm的试件相同的是，加载过程中壁厚5.03 mm的试件也出现了轻微鼓胀、鼓曲变形、严重变形和整体破坏的过程，以及弹性、弹塑性和承载力降低阶段［8］；两组不同壁厚试件的差异在于，在两组试件的荷载到达峰值载荷75%左右时，壁厚3.23 mm试件上部已出现轻微鼓胀，而壁厚5.03 mm试件表面未见鼓胀现象。当荷载增加至峰值载荷85%左右时，壁厚3.23 mm试件上端板发生严重倾斜及鼓曲变形，而壁厚5.03 mm试件仅在中部出现轻微鼓胀；当荷载增加至峰值载荷时，壁厚3.23 mm试件上端发生严重变形，表面呈现褶皱状，直至卸载过程中发生整体破坏，而壁厚5.03 mm试件则出现鼓胀变形、严重变形直至整体弯曲破坏。对比分析可知，在其他设计参数相同条件下，壁厚会对钢管再生混凝土柱的破坏过程产生明显影响，即较薄的壁厚下试件会由于端部屈曲而造成整体破坏，而较厚的壁厚下试件主要为中部弯曲失稳造成整体破坏，且端部具有较好的抵抗承载力的作用［9］。

图5 FPXB5-1试件的破坏形态Fig.5 Failure mode of FPXB5-1 test piece

2.2 承载力

对不同设计参数下钢管再生混凝土柱的承载力进行分析，结果如图6所示。从图6（a）的取代率对承载力的影响曲线中可知，再生骨料取代率为100%、0和40%时试件的峰值载荷分别为967.3 kN、924.4 kN和853.4 kN，再生骨料取代率为100%和40%时试件的承载力平均值相较再生骨料取代率为0试件分别降低2.0%和3.9%，即钢管再生混凝土柱的承载力会随着再生骨料取代率减小而增大。从图6（b）的长细比对承载力的影响曲线中可知，长细比为33.5和51.8时试件的峰值载荷分别为967.3 kN和804.4 kN，后者的承载力平均值较前者降低约13.3%，即钢管再生混凝土柱的承载力会随着长细比增大而减小。从图6（c）的壁厚对承载力的影响曲线中可知，壁厚为3.23 mm和5.03 mm时试件的峰值载荷分别为702.3 kN和1148.0 kN，后者的承载力平均值较前者提升了51.7%，即钢管再生混凝土柱的承载力平均值会随着壁厚增大而提高，且壁厚影响较为显著。

图6 钢管再生混凝土柱的承载力曲线Fig.6 Bearing capacity curves of recycled concrete filled steel tube columns

2.3 轴向荷载-轴向位移曲线

对不同设计参数下钢管再生混凝土柱的轴向荷载-轴向位移曲线进行测试，结果如图7所示。从图7（a）的取代率对轴向荷载-轴向位移的影响曲线可知，随着再生骨料取代率从0增加至100%，试件在弹性阶段的直线斜率逐渐减小，这主要是因为再生骨料取代率较高试件的初始轴向刚度较小，在试件到达峰值载荷时轴向压缩位移较大的缘故［10］；从图7（b）的长细比对轴向荷载-轴向位移的影响曲线可知，随着长细比从33.5增加至51.8，试件在弹性阶段的直线斜率减小，这与长细比较大试件的初始轴向刚度较小，在试件到达峰值载荷时轴向压缩位移较小有关［11］，此外，长细比为33.5的试件的轴向刚度相对较大；从图7（c）的壁厚对轴向荷载-轴向位移的影响曲线可知，壁厚3.23 mm试件在弹性阶段的直线斜率与壁厚5.03 mm试件基本重合，而加载过程中壁厚3.23 mm试件的轴向载荷较小，这也就说明壁厚对初始轴向刚度影响较小，而加载过程中壁厚较小试件的轴向刚度相对较小［12］。

图7 钢管再生混凝土柱的轴向荷载-轴向位移曲线Fig.7 Axial load axial displacement curves of recycled concrete filled steel tube columns

2.4 轴向荷载-柱中侧向挠度曲线

对不同设计参数下钢管再生混凝土柱的轴向荷载-柱中侧向挠度曲线进行测试，结果如图8所示。从图8（a）的取代率对轴向荷载-柱中侧向挠度的影响曲线可知，再生骨料取代率为0、40%和100%时试件的破坏位移分别为9.45 mm、12.87 mm和9.87 mm，峰值位移分别为5.27 mm、7.66 mm和8.11 mm，随着再生骨料取代率从0增加至100%，钢管再生混凝土柱的侧向刚度会不断减小，而侧向变形则呈现逐渐增大趋势；从图8（b）的长细比对轴向荷载-柱中侧向挠度的影响曲线可知，长细比为33.5和51.8时，试件的破坏位移分别为21.55 mm和26.85 mm，峰值位移分别为13.53 mm和19.45 mm，随着长细比从33.5增加至51.8，钢管再生混凝土柱的侧向刚度明显减小、侧向扰度明显增大，造成试件的整体变形更加严重；从图8（c）的壁厚对轴向荷载-柱中侧向挠度的影响曲线可知，壁厚3.23 mm和5.03 mm试件的破坏位移分别为21.55 mm和35.47 mm，峰值位移分别为13.53 mm和15.83 mm，壁厚增加会造成侧向刚度略有增大，而侧向扰度则明显增大，整体表现出延性显著改善的特征［13］。

图8 钢管再生混凝土柱的轴向荷载-柱中侧向挠度曲线Fig.8 Axial load lateral deflection curves of recycled concrete filled steel tube columns

2.5 分析与讨论

不同取代率、长细比和壁厚条件下的钢管再生混凝土柱在加载过程中都会依次出现轻微鼓胀、鼓曲变形、严重变形和整体破坏的过程，但是不同设计参数下钢管再生混凝土柱的破坏过程与特征存在一定差异，且具体可分为两类：①加载过程中试件上端距顶部120～220 mm位置处受压屈曲并发生弯曲，直至整体破坏；②加载过程中钢管再生混凝土柱中部弯曲失稳直至整体弯曲破坏。

从钢管再生混凝土柱的承载力曲线可知［14］，取代率、长细比和壁厚都会对单偏压试件承载力产生影响，但是取代率对试件承载力的影响要小于长细比和壁厚，后两种因素对承载力的影响都较为显著。在其他设计参数不变条件下，钢管再生混凝土柱的承载力会随着再生骨料取代率减小而增大、长细比增大而减小、壁厚增大而提高。

从钢管再生混凝土柱的轴向荷载-轴向位移曲线可知，取代率、长细比和壁厚都会不同程度影响轴向荷载-轴向位移曲线［15］。其中，在其他设计参数不变前提下，再生骨料取代率小的试件的轴向刚度较大，长细比虽然对初始轴向刚度不会产生明显影响，但是增加长细比会减小加载后期试件的轴向刚度；此外，壁厚对钢管再生混凝土柱的轴向刚度有明显影响，壁厚小的试件的轴向刚度会相对较低。

从钢管再生混凝土柱的轴向荷载-柱中侧向挠度曲线可知，取代率、长细比和壁厚不同的试件在加载过程中都经历了弹性、弹塑性和塑性变形阶段，其中，加载初期的弹性阶段的轴向荷载-柱中侧向挠度基本呈线性关系，载荷增加过程中的弹塑性阶段的轴向荷载-柱中侧向挠度曲线斜率逐渐减小，直至峰值载荷后的塑性变形阶段的侧向挠度急剧上升并造成试件整体破坏。随着再生骨料取代率的增加，钢管再生混凝土柱的侧向刚度不断减小、侧向变形逐渐增大；随着长细比从33.5增加至51.8，钢管再生混凝土柱的侧向刚度明显减小、侧向扰度明显增大，造成试件的整体变形更加严重；壁厚增加则会造成钢管再生混凝土柱侧向刚度略有增大、侧向扰度则明显增大，整体表现出延性显著改善的特征［16］。

3 结论

（1）不同取代率、长细比和壁厚条件下的钢管再生混凝土柱在加载过程中都会依次出现轻微鼓胀、鼓曲变形、严重变形和整体破坏的过程，且破坏特征可分为加载过程中试件上端距顶部120～220 mm位置处受压屈曲并发生弯曲直至整体破坏，以及中部弯曲失稳直至整体弯曲破坏两类。

（2）取代率对单偏压试件承载力的影响要明显小于长细比和壁厚，且在其他设计参数不变条件下，钢管再生混凝土柱的承载力会随着再生骨料取代率减小而增大、长细比增大而减小、壁厚增大而提高。

（3）在其他设计参数不变条件下，再生骨料取代率小的试件的轴向刚度较大，增加长细比会减小加载后期试件的轴向刚度，壁厚小的试件的轴向刚度会相对较低。在其他设计参数不变条件下，再生骨料取代率的增加会造成钢管再生混凝土柱侧向刚度减小、侧向变形增大；长细比的增加会造成钢管再生混凝土柱的侧向刚度减小、侧向扰度明显增大；壁厚的增加会造成钢管再生混凝土柱侧向刚度略有增大、侧向扰度则明显增大。