再生粗骨料混凝土柱受压力学性能试验研究

张明鑫 （中电建建筑集团有限公司，北京 100120）

随着国内科技的不断进步以及经济的不断发展，建筑工程的发展规模越来越大。国家对建筑工程的需求已经从新建阶段开始进入养护维修的阶段，由此产生了大量的建筑垃圾，对社会环境造成了不利影响[1-3]。为了建设资源节约型和谐社会，国家开始对建筑垃圾的回收利用出台了大量的方针政策[4]。如何将建筑垃圾进行高效再生利用成为土木工作者研究的重点，将其结合新材料制备成再生混凝土备受研究者的关注。

再生混凝土作为一种建筑材料，其在建筑构件中的应用效果是研究者最关心的。柱构件作为房屋建筑结构的承重构件，对房屋建筑的安全性起到十分重要的作用，因此,研究其力学性能具有十分重要的意义[5-7]。目前，国内外研究者已经开展了大量关于再生混凝土基本性能方面的研究，但针对再生混凝土构件的研究相对较少，有关再生混凝土柱的研究少之又少[8]。在此背景下，本文开展了再生粗骨料混凝土柱受压力学性能随偏心距（0、30mm、60mm）及旧骨料取代率（0、50%、100%）的演变规律研究。以期设计出最优的再生粗骨料混凝土柱的方案，提升再生混凝土柱的力学性能，对于建设长寿命房屋建筑及环境友好型可持续发展社会具有十分重要的意义。

1 再生粗骨料混凝土柱受压力学性能试验

1.1 试件制备

采用的试验材料主要包括天然粗骨料、再生粗骨料、细骨料、水泥和水。其中，天然粗骨料为石灰岩碎石，最大粒径为31.5mm，最小粒径为5mm，表观密度为2.7g/cm3；再生粗骨料来自广西某一高速公路废弃路面经破碎后的骨料，最大粒径为29mm，最小粒径为5mm，表观密度为2.6g/cm3；细骨料为天然河砂，细度模数为2.8；水泥为复合硅酸盐水泥，水为自来水。

严格按照规范JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》[9]中的流程设计再生混凝土柱中的建筑材料组成比例，如表1所示。为了分析再生骨料替代率及偏心距对再生混凝土柱受压性能的影响，制备了5个再生混凝土柱（偏心距0+再生骨料替代率50%、偏心距30mm+再生骨料替代率50%、偏心距60mm+再生骨料替代率50%）及旧骨料取代率（偏心距30mm+再生骨料替代率0%、偏心距30mm+再生骨料替代率50%、偏心距30mm+再生骨料替代率100%）。其长、宽、高分别为300mm、200mm、150mm，纵向受力钢筋和箍筋为HRB335及HPB235，纵向受力钢筋半径为7mm，箍筋半径为4mm，纵筋保护层厚度为20mm。然后采用柱构件支模、骨架制作、混凝土浇筑及养护等工作制备再生粗骨料混凝土柱。

表1 单位体积再生混凝土柱材料组成比例/kg

1.2 加载方案

本试验釆用电子万能试验机控制系统控制的电液伺服压剪试验机实施加载，采用应变采集仪获取不同位置应变片的应变值。

试验采用荷载控制分级加载模式。首先对试件进行预加载，然后进行正式加载。正式加载过程中，初始加载至开裂荷载计算值前每级加载值统一取Fs/10；在构件接近开裂荷载计算值到承载能力极限状态每级加载值都统一取Fs/20，严格按照规范GB/T 50152-2012《混凝土结构试验方法标准》[10]中规定的进行。

1.3 应变点布置

将混凝土电阻应变计布置在偏压柱构件的沿截面四周，其中两个侧面沿横截面高度以50mm的等距离布置，两个侧面、受拉侧和受压侧的应变计沿截面高度等距离布置。此外，在每根纵向受力钢筋1/2 处及离1/2处各贴一个钢筋应变计。

2 再生粗骨料混凝土柱受压力学性能与偏心距的相关关系

2.1 再生粗骨料混凝土柱极限承载力随偏心距的演变规律

根据上述测试方法及计算方法获取再生粗骨料混凝土柱极限承载力与偏心距的关系如图1 所示。从图1中可以看出，再生粗骨料混凝土柱极限承载力与偏心距呈现负相关关系。当偏心距由0mm增加至30mm，极限承载力从2850kN 降低到1950kN，降幅达到31.5%；偏心距由30mm增加至60mm，极限承载力从1950kN降低到1325kN，降幅达到32.1%；再生粗骨料混凝土柱的极限承载力随偏心距的降低率约为30kN/mm。

图1 再生粗骨料混凝土柱极限承载力与偏心距的关系

2.2 再生粗骨料混凝土柱混凝土最大压应变-荷载曲线随偏心距的演变规律

根据上述测试方法及监测方法获取再生粗骨料混凝土柱混凝土最大压应变-荷载曲线与偏心距的关系如图2 所示。从图2 中可以看出，对于所有的柱构件，加载初期混凝土最大压应变与荷载的关系呈现近似线性增长，这是由于构件处于弹性行为阶段；当达到开裂荷载后，混凝土最大压应变随荷载的增长率提升开始呈现非线性关系，这是由于受压区混凝土的截面不断减小；当钢筋屈服后，混凝土最大压应变迅速增加，直至峰值应变，此时受压区混凝土被压碎[11]。从图2中同样可以看出，相同荷载条件下，随着偏心距的增加，混凝土最大压应变不断增加，且随荷载的增加速率也不断增加。

图2 再生粗骨料混凝土柱混凝土最大压应变-荷载曲线与偏心距的关系

2.3 再生粗骨料混凝土柱侧向变形-荷载曲线随偏心距的演变规律

根据上述测试方法及监测方法获取再生粗骨料混凝土柱侧向变形-荷载曲线与偏心距的关系如图3 所示。从图3 中可以看出，对于所有的柱构件，再生粗骨料混凝土柱侧向变形-荷载曲线同样呈现线性阶段、快速增加阶段、骤速增加阶段。加载初期，该曲线基本呈现为线性关系；随后侧向变形随荷载的增加速率开始增加，这是由于裂缝的产生和发展导致构件侧向刚度减小；当构件进入屈服阶段后，即使荷载增加很小，侧向变形变化也很显著，导致曲线斜率进一步增加直至构件破坏。从图3 中同样可以看出，相同荷载条件下，随着偏心距的增加，柱侧向变形不断增加；且随荷载的增加速率也不断增加。

图3 再生粗骨料混凝土柱侧向变形-荷载曲线与偏心距的关系

3 再生粗骨料混凝土柱受压力学性能与取代率的相关关系

3.1 再生粗骨料混凝土柱极限承载力随取代率的演变规律

根据上述测试方法及计算方法获取再生粗骨料混凝土柱极限承载力与再生骨料替代率的关系如图4 所示。从图4中可以看出，再生粗骨料混凝土柱极限承载力与再生骨料替代率呈现负相关关系。当再生骨料替代率由0 增加至50%，极限承载力从1850kN 降低到1800kN，降幅达到2.7%；再生骨料替代率由50%增加至100%，极限承载力从1800kN降低到1750kN，降幅达到2.7%；再生粗骨料替代率每降低1%，再生粗骨料混凝土柱的极限承载力降低1kN。对比偏心距对再生混凝土柱极限承载力的影响程度，偏心距对再生混凝土柱极限承载力的影响程度高于再生粗骨料替代率。

图4 再生粗骨料混凝土柱极限承载力与取代率的关系

3.2 再生粗骨料混凝土柱混凝土最大压应变-荷载曲线随取代率的演变规律

根据上述测试方法及监测方法获取再生粗骨料混凝土柱混凝土最大压应变-荷载曲线与再生粗骨料替代率的关系如图5所示。从图5中可以看出，对于所有的柱构件，加载初期混凝土最大压应变与荷载的关系呈现近似线性增长，这是由于构件处于弹性行为阶段；当达到开裂荷载后，混凝土最大压应变随荷载的增长率提升开始呈现非线性关系，这是由于受压区混凝土的截面不断减小；当钢筋屈服后，混凝土最大压应变迅速增加，直至峰值应变，此时受压区混凝土被压碎。从图5 中同样可以看出，相同荷载条件下，随着再生骨料替代率的增加，混凝土最大压应变不断增加；但随荷载的增加速率变化不显著。

图5 再生粗骨料混凝土柱混凝土最大压应变-荷载曲线与取代率的关系

3.3 再生粗骨料混凝土柱侧向变形-荷载曲线随取代率的演变规律

根据上述测试方法及监测方法获取再生粗骨料混凝土柱侧向变形-荷载曲线与再生骨料替代率的关系如图6 所示。从图6 中可以看出，对于所有的柱构件，再生粗骨料混凝土柱侧向变形-荷载曲线同样呈现线性阶段、快速增加阶段、骤速增加阶段。加载初期，该曲线基本呈现为线性关系；随后侧向变形随荷载的增加速率开始增加，这是由于裂缝的产生和发展导致构件侧向刚度减小；当构件进入屈服阶段后，即使荷载增加很小，侧向变形变化也很显著，导致曲线斜率进一步增加直至构件破坏。从图6中同样可以看出，相同荷载条件下，随着再生骨料替代率的增加，柱侧向变形不断增加，且随荷载的增加速率也不断增加。

图6 再生粗骨料混凝土柱侧向变形-荷载曲线与取代率的关系

4 结语

综上所述，再生粗骨料混凝土柱极限承载力与偏心距呈现负相关关系,再生粗骨料混凝土柱极限承载力与再生骨料替代率呈现负相关关系,偏心距对再生混凝土柱极限承载力的影响程度高于再生粗骨料替代率。对于所有的柱构件，再生粗骨料混凝土最大压应变与荷载及柱侧向变形-荷载曲线均呈现线性阶段、快速增加阶段、骤速增加阶段；相同荷载条件下，随着偏心距的增加，混凝土最大压应变及柱侧向变形不断增加，且随荷载的增加速率也不断增加；相同荷载条件下，随着再生骨料替代率的增加，混凝土最大压应变及柱侧向变形不断增加，且随荷载的增加速率也不断增加。