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I建筑工程I Architectural Engineering钢管再生混凝土构件受力性能研究现状分析黄诚周海峰周敏秦玉兰周兴瑜(吉安职业技术学院，江西吉安343000)摘要：钢管混凝土构件由于钢管和混凝土相互作用，共同受力，在承载力，变形，抗震性等方页具有优越性。
将再生混凝土灌入钢管内，形成钢管再生混凝土构件，由于再生混凝土受到钢管的约束作用，其强度和变形性能相比普通再生混凝土得到了显著改善。
本文从实心钢管再生混凝土柱和中空夹层钢管再生混凝土柱两种截面形式，分析了当前钢管再生混凝土构件受力性能的研究，提出了钢管再生混凝土构件今后的研究方向。
关键词：钢管再生混凝土；构件；研究现状钢管混凝土结构具有自重轻、承载力高、塑性和韧性好、抗弯刚度大、抗震性能好、施工速度快和经济性好等特点，因而在现代高层建筑、大跨度桥梁、输电塔和地铁车站等工程建设领域中得到了广泛应用叭随着我国城镇化进程的加快，每年废弃的混凝土也大量增加，废弃混凝土的处理和利用研究具有现实意义。
研究表明，再生混凝土与普通混凝土相比，其强度、弹性模量、收缩、徐变、流动性等方面都较差叭充分利用钢管混凝土构件的优点，使用钢管再生混凝土构件，可使得再生混凝土的力学性能得到显著提高叫一、钢管再生Mt蚌受力性能研题状相关研究团队近来主要开展了钢管混杂骨料再生混凝土柱的拟静力试验，截面形式为圆形和方形，试验得到了试件的破坏情况、滞回曲线、骨架曲线，进一步分析了试件抗震性能的变化规律叫以轴压比为主要参数，设计了3"薄壁钢管再生混凝土构件，经过试验后，得到了试件的滞回曲线，并分析得到了骨架曲线和冈U度退化曲线，利用ABAQUS有限元软件数值模拟分析了含钢率对试件滞回曲线的影响规律间；以长细比及偏心距为主要变化因素，对8个方钢管再生混凝土长柱试件进行偏心受压单调加载试验，并利用ANSYS^■限元软件对其承载性能进行了数值模拟，研究了该类构件的受压工作机理間；对不同截面形式和不同混凝土类型的钢管混凝土试件进行了研究，并对轴力-纵向应变全过程进行模拟，其中截面形式有圆实心、圆套圆中空夹层、圆套方中空夹层3种，混壮类型包括普通混壮和再生混凝土(再生粗骨料取瞬为5%两类吧实心钢管再生混凝土结构从构件单调加载下的轴压、偏压到往复荷载作用下的抗震性能开展了系列研究，已取得了工作机理分析、不同#的影响、承财简化计算公式等服二、中空夹层钢管再生混凝土构件受力性能研究现状中空夹层钢管混贮由钢管混发展而来，是一种在两个同心放置的钢管之间灌注混凝土而形成的构件，除具有钢管混凝土的基本优点外，还有截面开展、抗弯刚度大、自重轻等特点。
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JGJ55-2011《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%）。
钢筋混凝土柱偏心受压试验指南
1．在试验柱中部截面粘贴应变片。
2．由教师预先安装或在教师指导下由学生安装试验柱，按似定的偏心距调整试验柱上加载点的位置，布置百分表，连接应变片到应变仪。
3．记录试验梁编号、尺寸、配筋数量和有关数据及指标。
4．检查仪表，调整仪表初读数。
5．利用压力机控制进行分级加载（试验柱出现裂缝前，每级荷载可定为其估算破坏荷载的十分之一左右，试验梁出现裂缝后，每级荷载可定为估算破坏荷载的五分之一左右）。
相邻两级加载的时间间隔，在试验柱出现裂缝前为2～3分钟，在试验柱出现裂缝后为5～10分钟。
6．参照估算的试验柱开裂荷载值，分级缓慢加载，加载间隙注意观察裂缝是否出现。
发现第一条裂缝后记录前一级荷载下压力机荷载读数。
在第一条裂缝出现后继续注意观察裂缝的出现和开展情况。
7．每级加载后，在间歇时间内测读并记录应变仪、百分表以及压力机荷载读数。
8．在所加荷载约为试验柱估算的破坏荷载的60～70%时，用读数放大镜测读试验柱上最大裂缝宽度、用直尺量测裂缝间距。
9．加载至试验柱破坏，记录压力机荷载读数。
10．卸载，记录试验柱破坏时的裂缝分布情况。
11．试验完成，清理试验现场。
再生混凝土耐高温性能及构件抗火分析再生混凝土是将废弃混凝土破碎后取代天然骨料而制成的一种绿色建筑材料,将其推广应用到建筑结构,可有效解决天然资源匮乏与建筑垃圾日益增多等问题。
目前,再生混凝土已成为建筑材料研究热点,但绝大多数研究集中在常温性能方面,对再生混凝土高温热工性能及高温下基本力学性能的研究基本处于空白状态,对再生混凝土高温后基本力学性能、火灾下钢筋再生混凝土构件温度场、耐火极限以及火灾后剩余力学性能的研究还不完善。
基于上述问题,本文将对再生粗骨料混凝土材料的高温性能和由再生混凝土构成的板、梁、柱三类构件在火灾下与火灾后力学性能进行系统研究,具体开展了以下几方面工作:(1)以温度和再生粗骨料取代率为主要参数,对20~800oC温度范围内三种不同粗骨料取代率的再生混凝土的导热系数、比热与热膨胀进行了试验研究。
基于试验结果,提出了不同取代率的再生混凝土高温导热系数、比热与热膨胀的简化计算公式。
(2)进行了90个再生混凝土棱柱体高温下单轴受压力学性能试验,研究了温度、取代率与水灰比对高温下再生混凝土轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变以及应力-应变全曲线的影响。
基于试验结果,建议了高温下再生混凝土轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变的计算公式,建立了高温下再生混凝土的受压应力-应变关系模型。
(3)以温度、取代率、水灰比和冷却方式为主要参数,进行了360个再生混凝土立方体试块高温后强度试验研究,获得了不同冷却方式下再生混凝土立方体抗压强度、自然冷却方式下再生混凝土立方体劈裂抗拉强度。
基于试验结果,建议了高温后再生混凝土立方体抗压强度(自冷、水冷)和劈裂抗拉强度折减公式。
(4)进行了150个再生混凝土棱柱体高温后单轴受压力学性能试验研究,考察了温度、取代率与水灰比对高温后再生混凝土棱柱体轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变以及应力-应变全曲线的影响。
基于试验结果,建议了高温后再生混凝土棱柱体轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变计算公式,提出了高温后再生混凝土受压应力-应变关系模型。
再生混凝土单轴受压应力—应变全曲线试验研究一、本文概述随着环境保护和可持续发展的日益成为全球性的关注焦点，建筑行业作为资源消耗和环境污染的主要源头之一，正面临着转型与创新的迫切需求。
再生混凝土作为一种利用建筑废弃物制成的环保型建筑材料，其应用与研究已成为土木工程领域的重要课题。
本文旨在通过单轴受压应力—应变全曲线试验，对再生混凝土的基本力学性能进行深入探究，以期为其在工程实践中的推广应用提供理论支撑。
本文将首先介绍再生混凝土的基本概念和制备方法，阐述其在减少资源消耗和缓解环境压力方面的积极意义。
随后，通过文献综述，分析当前国内外在再生混凝土力学性能研究方面的进展与不足，为本研究提供理论背景和研究动机。
接着，本文将详细介绍单轴受压应力—应变全曲线试验的设计方案、试验过程及数据处理方法。
通过对试验数据的系统分析，揭示再生混凝土在单轴受压状态下的应力—应变关系，探究其破坏机理和力学特性。
本文将总结试验结果，并与普通混凝土的力学性能进行对比分析，评估再生混凝土在实际工程中的适用性。
针对当前研究中存在的问题和不足，提出未来研究的方向和建议，以期推动再生混凝土技术的进一步发展。
二、试验材料与方法本次试验所选用的再生混凝土，其骨料主要来源于建筑废弃物中的废弃混凝土块。
这些废弃混凝土块经过破碎、筛分、清洗等预处理后，按照不同的比例与新鲜混凝土混合，制成再生混凝土试块。
为了研究不同再生骨料掺量对混凝土力学性能的影响，试验设置了多组不同掺量的再生混凝土试块，并与普通混凝土试块进行对比。
试验采用单轴受压试验，对再生混凝土试块进行应力-应变全曲线的测定。
试块尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体，加载速率为002mm/min，以保证试验过程中试块处于准静态受力状态。
试验前，所有试块在标准养护条件下养护28天，以保证混凝土达到设计强度。
试验过程中，通过布置在试块表面的应变片，实时监测试块的应变变化。
再生混凝土三向受压试验及强度准则陈宗平;陈宇良;应武挡【摘要】为了研究再生混凝土的三向受压力学性能,以强度等级、围压值和再生骨科取代率为变化参数,设计24个试件进行常规三向受压试验.试验观察了试件的破坏形态,获取了其峰值应力、峰值应变、应力-应变全过程曲线等重要数据,并提出了三向受压状态下再生混凝土的强度、弹性模量和峰值应变计算式.结果表明:三向受压状态下,再生混凝土表现为剪切型破坏;随着围压值的增大,再生混凝土的弹性模量、峰值应力及峰值应变均显著增大,并且峰点后的应力-应变曲线下降段较平缓,再生混凝土的延性提高.最后利用莫尔-库仑理论探讨了再生混凝土的破坏准则.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2016(019)001【总页数】7页(P149-155)【关键词】再生混凝土;三轴受压;力学性能;应力-应变全曲线;强度准则【作者】陈宗平;陈宇良;应武挡【作者单位】广西大学土木建筑工程学院,广西南宁530004;广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室,广西南宁530004;广西大学土木建筑工程学院,广西南宁530004;同济大学建筑工程系,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU318再生混凝土是指将废弃混凝土经过破碎、筛分和清洗后,作为部分或全部骨料所配制的混凝土.它能有效解决建筑垃圾的处理问题,实现建筑材料的循环利用,有利于绿色环保,具有很好的应用前景.国内外学者如Achtemichuk、肖建庄和朋改非等[1-3]对再生混凝土的力学性能作了较为深入的研究,为其推广应用奠定了坚实基础.由于再生骨料经过一系列破碎加工后存在大量内部裂纹以及表面粘附较多水泥基体等缺陷,采用侧向约束(如钢管、螺旋箍筋约束等措施)是改善再生混凝土性能缺陷的有效途径之一.目前,国内外对再生混凝土的研究大多局限于单轴应力状态[4-7].与普通混凝土类似,实际工程中的结构再生混凝土往往处于复杂应力状态下,此时再生混凝土的力学性能比单轴受力时更为复杂,因此仅仅掌握简单受力状态下再生混凝土的力学性能尚不能满足工程应用的实际需求.相关学者如Folino，Aqil和杨海峰等[8-10]对再生混凝土进行了三轴受压性能的研究,但试验数量较少,并未实现对侧向约束更替下再生混凝土相关力学性能演化机理及强度破坏准则的揭示.为此,本文通过24个再生混凝土试件的三轴受压试验,揭示了其受力破坏机理,深入分析了在复杂受力状态下再生混凝土的力学性能,提出了三向受压状态下其强度、弹性模量和峰值应变计算式,并探讨了再生混凝土在三向受压状态下的强度准则,以期为再生混凝土的深入研究和工程应用提供参考和依据.1.1 原材料天然粗骨料为广西南宁生产的天然碎石；再生粗骨料(RCA)为某工程检测中心废弃的抗压强度为C35的碎石类混凝土试块,采用鄂式破碎机破碎,经过筛分、清洗后得到粒径5～20mm连续级配骨料；细骨料为中粗河砂；水泥采用42.5 R普通硅酸盐水泥；拌和水为城市自来水.以取代率(质量分数)为0%(即天然混凝土)为基准,对于不同取代率,仅改变再生粗骨料与天然粗骨料(NCA)的比例,保持总粗骨料质量不变,其他成分不变.试验设计了C35和C50两种强度等级的再生混凝土,其中强度等级为C35的再生混凝土配合比为m水∶m水泥∶m砂∶m粗骨料=1.00∶2.50∶2.71∶5.77;强度等级为C50的再生混凝土配合比为m水∶m水泥∶m砂∶m粗骨料=1.00∶3.12∶2.88∶4.70.1.2 粗骨料物理性能指标参照GBT 14685—2011《建设用卵石、碎石》与GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》的试验方法,分别测得粗骨料的物理性能,结果见表1.由表1可见,与天然粗骨料相比,再生粗骨料的含水率、吸水率及压碎指标均显著增大,表观密度和堆积密度则有所降低.这主要是由于再生粗骨料表面粘附着大量水泥基体,以及骨料在破碎过程中存在于内部的微裂缝所致.1.3 试件设计以再生混凝土强度等级C、围压值σw和再生粗骨料取代率γ为变化参数,设计了24个直径D=100mm，高度h=200mm的圆柱体试件.C35和C50 两种强度等级的再生混凝土分别设计12个试件用于不同围压值下的三轴受压试验,围压值σw 在0～12MPa之间变化,中间级差为6MPa；再生粗骨料取代率考虑了0%,30%,70%和100%这4种情况,每种再生粗骨料取代率设计3个试件.各试件编号、设计参数、峰值应力σv、峰值应变εv及弹性模量E等特征参数见表3.1.4 加载装置及加载制度采用中科院和SIMENS公司联合研发的RMT试验机进行三轴受压加载.该设备设有精密传感器、2个液压油泵及三轴压力装置,其中一个液压油泵提供竖向荷载,另一个液压油泵通过1根特制的油管与三轴压力装置相连接,以提供稳定的围压.轴向变形与荷载由内置测试系统同步记录并显示在测试仪上,变形精度≥±0.0005mm.试验采用荷载和位移混合控制的加载制度.荷载按设计先施加三向围压,使试件处于静水压力(σ1=σ2=σ3,其中σ1为轴向压力,σ2=σ3=σw为侧向压力)状态.当达到所需的侧向围压值时,保持侧向围压值不变,采用位移控制的加载制度施加竖向荷载,加载速率为0.01mm/s,直至试件破坏为止.测试仪记录的轴向荷载和变形曲线上出现的荷载峰值点定义为峰值应力,所对应的应变值定义为峰值应变.试件的加载装置、受力模型及加载制度示意图如图1所示.2.1 破坏形态试验发现试件的破坏形态主要与围压值有关,与粗骨料取代率和混凝土强度等级无关.部分试件的破坏形态如图2所示.由图2可见,单轴受压(σw=0)作用下,在试件中部出现平行于加载方向的竖向裂缝,随着荷载增大,形成1条或几条贯穿试件的主裂缝而破坏；当围压值σw=6MPa时,初始裂缝不再是垂直裂缝,而是与竖向加载方向成20°～30°的斜裂缝,破坏面主要为水泥砂浆的剪切破坏；当围压值σw=12MPa时,试件中部微微鼓起,斜裂缝贯通整个试件,裂缝两侧混凝土相对剪切错开,斜裂缝角度约为45°,剪切面上粗骨料被剪断,并且破坏面伴随有压碎的水泥砂浆粉末.综上所述,试件破坏形态随着围压值的增大发生显著变化:围压值为0时,主要为粗骨料与胶凝体结合面的劈裂破坏；随着围压值的增大,竖向裂缝逐渐转变为斜向裂缝,当围压值达到12MPa时,粗骨料出现剪断破坏.对比不同强度等级再生混凝土的破坏形态可见,普通天然骨料混凝土破坏面处骨料几乎被剪切成粉末状；强度等级较低(C35)的再生混凝土破坏面处,包裹粗骨料的水泥砂浆被压碎，呈细粉末状,有少量粗骨料被剪断；强度等级较高(C50)的再生混凝土破坏面处的粗骨料与水泥砂浆一起被压成碎块,水泥浆黏附在骨料表面,且伴随着粉末.2.2 轴向应力-应变曲线图3给出了再生混凝土试件的应力-应变全过程曲线.由图3可见,三轴受压作用下,再生混凝土的应力-应变曲线随着围压值的增大发生了显著变化:当围压值σw=0时,应力-应变曲线的峰值应力、峰值应变和初始刚度均比三轴受压的试件小,且达到峰值应力后曲线下降陡峭；当围压值σw≠0时,试件的峰值应力、峰值应变和初始刚度随着围压的增大而增大,且达到峰值应力后曲线下降较为平缓,表现出良好的延性性能.对比相同围压值下不同强度等级混凝土的应力-应变曲线,发现两曲线存在较大差异:加载初期,C50再生混凝土的曲线斜率显著大于C35再生混凝土的曲线斜率；达到峰值应力后,随着围压的增大,C35再生混凝土的应力-应变曲线越来越平缓,且下降段不明显,而C50再生混凝土的应力-应变曲线仍有明显的下降段,由此说明C50再生混凝土的延性比C35再生混凝土的略差.3.1 峰值应力图4为C35,C50两种强度等级再生混凝土峰值应力与侧向围压的关系.由图4(a)可以看出,随着围压值的增大,C35和C50再生混凝土峰值应力均显著提高.假定再生混凝土强度和围压的关系为线性关系,采用无量纲分析(见图4(b))可得C35和C50再生混凝土的强度统一计算公式:式中:σc为试件的单轴受压峰值应力；R为相关系数.对于普通混凝土，参数A一般取4.1,而再生混凝土取5.67,说明再生混凝土在三轴受压状态下的强度提高程度比普通混凝土大.3.2 峰值应变图5为C35,C50再生混凝土试件峰值应变与侧向围压的关系.由图5可见,在不同围压下,不同再生粗骨料取代率试件的峰值应变离散程度较峰值应力大；总体而言,随着围压值的增大,再生混凝土的峰值应变基本呈线性上升的趋势.根据试验实测数据,拟合了C35,C50再生混凝土在不同围压值下的峰值应变计算公式，分别见式(2)，(3):式中:εc为试件单轴受压时的峰值应变.3.3 弹性模量为便于分析,采用不同围压值下再生混凝土的平均弹性模量进行无量纲化处理.不同围压值下,C35,C50再生混凝土的平均弹性模量变化如图6所示.由图6可见,随着围压值的增大,再生混凝土的弹性模量呈非线性上升趋势.根据试验实测数据,拟合了C35,C50再生混凝土在不同围压值下的弹性模量计算公式，分别见式(4)，(5):式中:Ec为试件单轴受压时的初始弹性模量.现有文献对再生混凝土破坏准则的研究尚未见报道,本文采用莫尔-库伦理论从宏观角度对再生混凝土材料的破坏准则进行探讨.根据莫尔-库仑破坏理论,材料破坏状态主要取决于切应力τ.莫尔-库伦破坏理论是以反映破坏应力状态的应力圆包络线来表示破坏准则的.即,当代表某一点应力状态的最大应力圆恰好与包络线相接触时,则再生混凝土刚好达到极限状态.如果再生混凝土的最大应力圆在包络线以内,则表示其没有达到应力极限状态.再生粗骨料取代率为0%,30%,70%和100%时的再生混凝土莫尔-库仑应力圆族包络线如图7所示. 由莫尔应力圆可得不同围压作用下再生混凝土的应力包络线,通过拟合分析得到切应力τ的函数表达式:式中:τ0为抗剪切强度；σ为正应力；μ,b为拟合系数.为便于分析归纳,采用无量纲形式对试验实测数据进行分析,将切应力τ和正应力σ除以单轴受压峰值应力σc,绘制无量纲关系图如图8所示,此时不同取代率再生混凝土可用1个通用的函数式表示:其中.采用最小二乘法可得β=1.01，b=0.9，则再生混凝土的包络线经验式为:由于不同粗骨料取代率再生混凝土的抗剪强度不同,通过回归分析可得不同粗骨料取代率与α的函数关系：α=0.1887-0.0007γ+9×10-6γ2,R2=0.998.由图8可见，计算所得曲线与实测数据拟合良好.(1)常规三轴受压状态下再生混凝土的破坏形态表现为剪切型破坏,破坏主要发生在骨料与水泥胶凝体的界面处,当侧向围压值达到12MPa时,剪切破坏面上出现压碎粉末.(2)再生混凝土的峰值应变、弹性模量受再生粗骨料取代率的影响不大,但再生混凝土强度等级越高,在达到峰值应力后,其应力-应变曲线下降更为迅速.(3)侧向围压能有效提高再生混凝土的峰值应力、峰值应变以及弹性模量,通过拟合给出了不同围压值下再生混凝土的峰值应力、峰值应变及弹性模量等计算公式,其计算值与试验实测值吻合较好.(4)采用莫尔-库仑破坏准则探讨再生混凝土的强度破坏准则,所得拟合结果与实测值拟合良好.【相关文献】[1] ACHTEMICHUK S,HUBBARD J.The utilization of recycled concrete aggregate to produce controlled low-strength mater-ials without using Portland cement[J].Cement and Concrete Composites,2009,31(8):564-569.[2] 肖建庄,杜江涛.不同再生粗集料混凝土单轴受压应力-应变全曲线[J].建筑材料学报,2008,11(1):111-115.XIAO Jianzhuang,DU plete stress-strain curve of concrete with different recycled coarse aggregates under uniaxial compression[J].Journal of 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【文章编号】:1672-4011(2007)04-0248-03再生混凝土柱轴心受压性能试验张 军1,叶跃忠1,高策1(西南交通大学土木工程学院,四川成都 6100311)) 【摘 要】:本文通过对再生混凝土柱和普通混凝土柱的轴心受压对比试验,研究了再生混凝土柱的受力性能,主要包括破坏形态和承载能力,基于试验结果的分析,探讨了现行规范(G B50010)中针对混凝土柱的计算方法对再生混凝土柱的适用性。
【关键词】:再生混凝土;柱;轴心受压 【中图分类号】:T U47 【文献标识码】:B1 前言 近几年来,随着再生混凝土的不断使用,越来越多的人对再生混凝土进行了试验研究[1,2,3],对再生混凝土构件的研究也开始见诸报端,对于梁的研究较多[4,5],而柱的研究相对较少[6]。
本文通过在混凝土柱内内置应变计和外贴应变计来测量混凝土在各种荷载下的内外应变,通过试验值来分析讨论再生混凝土柱和普通混凝土柱轴心受压的区别和联系。
2 试验设计与试验方法211 试验原材料本次试验水泥为峨眉山牌3215普通硅酸盐水泥,砂为机制砂,拌合水为自来水,再生粗骨料采用成都地区城市道路改造废弃混凝土资源加工而成,天然粗骨料为连续级配碎石,基本性能见表1:表1 粗骨料的基本性能粗骨料类型粒径(mm)表观密度(kg/m3)松散堆积密度(kg/m3)紧密堆积密度(kg/m3)松散空隙率(%)紧密空隙率(%)吸水率(%)压碎指标(%)天然5～3715273014301630471640130161011再生5～3715266013401450491645152171517212再生混凝土配合比选用的配合比见下表2,配制C25的混凝土柱子8根,每组配制2根。
表2 再生混凝土柱配合比试验号砼等级因数水平A%B%C%水泥kg/m3砂kg/m3天然骨料kg/m3再生骨料kg/m3粉煤灰kg/m3减水剂kg/m3水kg/m3Z1C251000.915314.3647.201201.955.5 3.33181.2 Z2C251000.50369.8647.201201.90 1.85181.2 T1C2500.915314.3647.21201.9055.5 3.33181.2 T2C2500.50369.8647.21201.900 1.85181.2 注:本表中因素水平A———再生骨料的掺量;B———外加剂的掺量; 通过预留的150mm×150mm×150mm立方体试件和150mm×150mm×300mm棱柱体试件分别测得普通混凝土和再生混凝土的抗压强度和弹性模量,具体数值见表3。
表3 混凝土力学性能试验表编号抗拉强度(MPa)立方体抗压强度(MPa)轴心抗压强度(MPa)弹性模量(GPa)Z1310737149371093113Z22182341903414329187 T1218937177311093210T2216335122817930147 213 试验准备本试验拟定柱子尺寸选用150mm×150mm×550mm,再生混凝土柱中预埋6钢筋,钢筋上用来粘贴应变计,不考虑钢筋的受力,图1左边为钢筋布置图和应变计粘贴位置,右侧为混凝土外侧应变计位置,图中数值为钢筋编号和应变计编号,应变计的参数值见表4,应变计的粘贴方法可参考有关技术要求。
表4 应变计参数值型号电阻值灵敏系数栅长×栅宽使用位置BX12023AA11919±011Ω2108±1%3×2mm贴钢筋上SZ1202150AA157±014Ω2106±1%150×5mm贴混凝土表面214 试验加载方法本次试验加载仪器使用济南试金集团有限公司的微机控制电液伺服万能试验机。
先通过表3测得的各组混凝土的力学性能计算出对应混凝土柱的极限荷载。
然后对柱子进行预加载10K N,持荷10m in,然后卸荷,调节应变仪读数,使其读数为0,并记下初始读数,然后开始按计算的极限荷载的1/10～1/15逐级加载,在每级荷载时持荷15842《四川建材》2007年第4期 结构设计与研究应用●m in,然后开始读数并记录,临近极限荷载时,放慢加载速度,加载荷载为原先等级的1/2～1/5,最后到试件破坏时停止试验。
总共持续试验时间为4小时～5小时。
图1 柱中钢筋布置及应变计和混凝土表面应变计编号3 试验现象及分析311 承载能力将本试验中各组试件最大承载能力汇总,见表5。
对轴心受压柱按现行混凝土结构设计规范中公式(71311)[7]计算混凝土柱的极限承载力也列表5。
表5 承载力试验值与理论值比较试验编号再生骨料取代率(%)承载力试验值(K N )承载力计算值(K N )计算值/试验值Z1-1100650147511111155Z1-2100680177511111103Z2-1100603136971211156Z2-2100591166971211178T1-10598176291611052T1-20520126291611210T2-105361658311086T2-25001458311165 从表中看来,按现行规范设计计算再生混凝土柱的承载力是可行的。
312 荷载—位移曲线本次试验荷载加载用计算机控制,并由计算机测得混凝土柱在竖向位移,各柱的荷载—位移曲线见图3。
从上面两图中可以看到,构件的平均应变在加载过程中基本上都是呈线形的,属于弹性工作阶段,而在接近破坏时,由于试验是通过计算机用荷载控制,计算机对荷载的变化比较敏感,最后荷载扰动过大,所以测不出最后阶段混凝土的弹塑性工作阶段的曲线。
图3 四组试件荷载—位移曲线313 应力—应变曲线混凝土在轴向受压下的应力一应变曲线,反映了混凝土受压的最基本的力学特性。
通过混凝土弹塑性变形的全过程,特别是对混凝土受压后横向应变的分析研究,可对混凝土在轴压下的破损提供理论上的解释。
因此,为研究混凝土的强度理论,国内外许多学者曾采用混凝土表面应变的测量手段与方法进行过大量的试验并绘制了其应力一应变曲线。
图4为混凝土表面的应力—应变曲线,图中,Z 表示再生混凝土,T 表示普通混凝土,后面数字为应变计编号,与前面图1和图2编号相对应。
可以看出无论是再生骨料混凝土或天然骨料混凝土均与以往国内外所发表的资料是一致的,其典型特征是曲线呈非完全直线。
在荷载作用下,无论再生混凝土还是普通混凝土在各个截面上应变均匀分布,全曲线可划分为三段,随着荷载的增大,应力—应变曲线呈线形关系,即混凝土的弹性变形阶段;超越此直线段,荷载继续增大,其应力—应变关系逐渐远离直线而转为曲线,此时应变增量的提高大于应力的增量,混凝土的变形进入塑性阶段;再继续增加荷载,随着应变值的不断增大,混凝土的应力增量减小,当应变值达到极限时,混凝土即破坏,在此段曲线时,由于荷载波动较大,读数不942●结构设计与研究应用 《四川建材》2007年第4期稳定,因此难以测量出来。
图4 Z1-1和T1-1柱表面应力—应变曲线图5 Z2-2和T2-1柱各截面应力—应变曲线 图5为混凝土柱内各截面的应力—应变曲线,图中第二个字母b 表示边缘即1、2、3、4号钢筋位置(z 表示中心位置),715c m 表示离柱端部715c m 的位置。
由于混凝土内部埋置的应变计和外部粘贴的应变计对应位置基本一致,因此对混凝土外部测量的应力—应变曲线和内部测量的应力—应变曲线进行比较分析,可以明显的看出两者的差别。
(1)内部应变测量所得的曲线弹性变形阶段有显著的提高,全曲线基本上均呈线形关系。
(2)内部应变所测得的关系曲线的坡度明显增大,意味着在同一应力阶段,混凝土的内部纵向压缩应变值小于混凝土的表面。
混凝土内部应变测量所得各级荷载下的纵向压缩应变值均小于表面应变所测结果。
经初步分析,由内部应变所测得的应变值能更符合混凝土的实际纵向变形。
因混凝土试件表面为水泥浆体的高集区,不能反映粗骨料的骨架作用对混凝土压缩变形的影响。
此外,混凝土表面与内部应变测量的边界条件也有较大的差异。
在文献[9]中作者也提出了这个观点,并还测出混凝土内部横向拉伸应变值大于混凝土表面横向拉伸应变值。
由于混凝土试件内应变与表面应变测量结果的不同。
按照应力-应变关系计算混凝土受压弹性模量值也将不同。
混凝土内部的受压弹性模量实际上高于表面应变测量的结果。
因此,国外有些学者已建议对传统的标准试验方法(表面应变测量)所得的混凝土受压弹性模量,应乘以一系数以得出混凝土实际的受压弹性模量[8]。
314 破坏形态图6为再生混凝土柱和天然混凝土柱典型的破坏形态。
从受力形态、裂缝发展到最后混凝土完全破坏整个试验过程看来,两者破坏过程是相似的:都经历了微裂缝[9]相对稳定期;稳定裂缝发展期;不稳定裂缝发展期。
从图中可以看出再生混凝土柱和普通混凝土柱最后破坏都是裂缝贯穿整个柱体发生破坏,破坏过程一样。
只是可能内部裂缝发生位置不一样,对于低等级普通混凝土,由于骨料强度较高一般未达到其极限强度而骨料和水泥浆体连接界面就已发生破坏,所以,普通混凝土破坏一般是在骨料和水泥浆连接界面发生破坏;而再生混凝土由于其压碎指标较高,被旧水泥浆包裹的骨料强度可能较低,因此,有时破坏可能由于骨料被剪断发生破坏。
图6 Z2-2柱的破坏形态4 结论(1)再生混凝土柱与普通混凝土柱的破坏过程基本相似,再生混凝土和普通混凝土的应力—应变曲线基本相似。
(2)再生混凝土柱在受力过程中正截面应变变化基本符合平截面假定。
(3)可以参考现行规范中针对普通混凝土柱的计算方法,估算再生混凝土柱的承载能力,但精确计算仍需进一步研究。
(4)混凝土的内部应变所测结果小于外部应变所测结果,因此可能导致计算出弹性模量存在差异。
(5)从受力过程,裂缝发展和破坏形态看来,再生混凝土和普通混凝土破坏是一致的。
(6)再生混凝土柱应用于工程实际是可行的。
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