改性再生混凝土框架边节点抗震性能试验研究

周点龙， 付佳丽， 姚 峰， 柳炳康

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

混凝土是我国用量最大的建筑材料，据统计2012年我国水泥产量达到21.84×108t，商品混凝土总产量达到8.9×108m3。而伴随着我国城市化建设进程的加快，一大批老、旧建筑物面临着拆除或者改扩建，产生大量的建筑垃圾，其中最主要的是废弃混凝土［1］。将废弃混凝土回收再利用是一个亟需解决的任务。废弃混凝土块体经过回收、裂解、破碎、筛分后，按一定的比例与级配混合形成再生骨料配制出新的混凝土，叫做再生混凝土。有关再生混凝土结构受力性能试验研究及理论分析［2－4］为再生混凝土用于实际工程中奠定了基础。

研究结果表明，再生骨料表面包裹有硬化水泥砂浆，骨料界面具有孔隙率高、吸水性大的特征，导致再生混凝土抗渗性、抗冻性、抗碳化等耐久性能降低。针对界面结构特征和微观形貌，可掺加界面剂强化界面过渡区的黏结作用，文献［5－7］对再生混凝土掺入粉煤灰进行改性试验，研究表明，掺入适量的粉煤灰后，再生混凝土的抗碳化、抗冻融、抗氯离子渗透性等耐久性能有所提高。但是对再生混凝土改性后结构的破坏形态、承载能力、滞回性能、延性指标和耗能能力有待进一步研究。

本文在先期试验研究的基础上，制作2榀再生混凝土框架边节点试件，2榀试件均采用100%再生骨料，试件BJ－1全部采用水泥作为胶凝材料，试件BJ－2采用粉煤灰取代水泥质量的15%进行改性，对2榀试件进行拟静力试验研究，探讨改性再生混凝土与普通再生混凝土框架边节点的抗震性能。

1 试验设计

1.1 试件设计

试验制作了2榀再生混凝土边节点试件，2个试件梁、柱尺寸及配筋均相同，如图1所示。

图1 试件尺寸及配筋图

混凝土配合比及立方体抗压强度见表1所列。梁、柱纵筋采用HRB400级热轧钢筋，实测屈服强度为550N／mm216），箍筋采用HPB300级热轧钢筋，实测屈服强度为382N／mm26）。

表1 混凝土配合比及立方体抗压强度

1.2 加载装置

本试验采用拟静力加载，试验加载装置示意图如图2所示。

柱的上下端固定好后，利用液压千斤顶在柱顶施加轴向力，柱的轴压比均取0.2，试验过程中保持不变，然后利用MTS动力伺服加载系统作动器在梁端施加竖向反复荷载作用。

图2 试验加载装置示意图

1.3 加载制度及测量内容

反复荷载加载制度采取荷载－位移混合控制方法［8］，在荷载控制阶段，第1级加载的控制荷载为预估试件屈服强度的20%，然后逐级增加屈服荷载的10%，直至纵筋屈服，每级加载循环2次。试件屈服后进入位移控制加载，位移加载循环在屈服位移基础上按5mm递增，每级循环3次，直至试件破坏。

测量内容如下：梁端施加的荷载及相应的位移；梁根部上下位移传感器位移值，用于计算塑性铰区域的转角；节点核心区十字交叉位移传感器位移值，用于计算核心区剪切应变角；预埋在梁、柱纵筋和箍筋应变片的应变值。其中，梁端施加的荷载及位移由MTS加载设备自动记录；其余由TDS－303数据采集仪记录。

2 试验结果及分析

2.1 试验过程

在低周反复荷载作用下，2个试件均是节点核心区剪切破坏。破坏过程可分为初裂阶段、通裂阶段、极限阶段和破坏阶段，同普通钢筋混凝土边节点试件的破坏过程类似［9］。

试件BJ－1在加载初期，处于弹性工作状态，P－Δ曲线呈直线变化状态。随着荷载的持续增大，正向荷载加载到极限荷载的45%左右时，梁上端开始出现微裂缝，裂缝宽度为0.1mm；反向加载到极限荷载的40%左右时，梁上端开始出现微裂缝，裂缝宽度为0.05mm。此时，节点核心区进入初裂阶段。

随着荷载的继续增加，达到极限荷载的85%时，梁纵筋开始屈服，梁端最大裂缝达到0.28mm，进入屈服阶段；随着荷载增加，节点核心区出现交叉斜裂缝，最大裂缝为0.32mm，进入通裂阶段。此时加载转为位移控制，随着位移的增加，承载能力达到最大值，此时梁端裂缝宽度为2.5mm左右，节点核心区裂缝宽度达3.1mm左右，节点核心区进入极限阶段。继续增加位移循环，荷载不断下降，节点核心区表面混凝土剥落，构件破坏。

2榀试件通裂阶段的裂缝形态及分布如图3所示。

试件BJ－2与BJ－1试验过程类似，主要的试验参数见表2所列。

图3 节点核心区通裂阶段裂缝分布

2.2 滞回曲线

试验过程中由MTS加载设备自动记录了梁在每级荷载下对应的位移值，可以得到2榀试件的梁端位移－荷载滞回曲线如图4所示。

加载初期，2个试件的P－Δ曲线呈直线循环，表明2个构件在荷载较小时均处于弹性状态。在荷载加载到极限荷载的85%之前，滞回环的面积都很小，能量耗散能力较弱。随着梁纵筋的屈服，荷载加载制度由力控制转换成位移控制后，滞回环逐步变成弓形，滞回环面积趋于丰满，具有良好的变形及耗能能力。

2.3 骨架曲线

2个试件的骨架曲线如图5所示。由图5可以看出，在荷载较小时，骨架曲线是一条直线，构件呈弹性状态；构件开裂后，进入弹塑性受力阶段，骨架曲线产生拐点。随着位移的增加，构件的承载能力增加缓慢，达到最大荷载后，荷载随着位移的增加而降低，直至降低到构件最大荷载的75%左右，构件破坏，试验结束。

图5 骨架曲线

2.4 刚度退化

构件的刚度随着位移的增加而逐渐降低，这主要是由于混凝土裂缝的产生及发展、钢材的屈服、钢筋滑移等原因所产生的。2个构件的刚度退化曲线如图6所示。

从图6可以看出，在初始弹性受力阶段，构件的刚度退化较慢，随着位移的增大，产生裂缝之后，构件的刚度退化很快，到屈服阶段时，曲线偏向于水平轴，这是因为裂缝快速发展，混凝土逐渐退出工作，梁的有效截面高度逐步降低造成的。

图6 刚度退化曲线

2.5 延性系数和耗能能力

延性系数作为延性度量标准，其计算公式为μΔ＝Δu／Δy。其中，Δu为构件承载力降低到最大荷载的85%时所对应的位移值；Δy为构件屈服时对应的位移值。由表2可看出，构件BJ－2的延性好于BJ－1。

构件的耗能能力可以通过每级加载的第1个滞回环的面积求出，面积越大说明耗能能力越好，抗震性能越好。将2个构件的每个加载周期的耗能E与位移Δ绘制成耗能曲线，如图7所示。从图7可以看出，2个构件的耗能能力在屈服之前都是缓慢增长的，只有最大耗能能力的3%～5%。屈服之后，节点核心区进入通裂阶段，2个构件的耗能能力均随位移增加而快速增加，试件BJ－1达到最大荷载后，耗能能力下降较快；BJ－2耗能能力达到最大荷载后下降较平缓。对比2条耗能曲线可知，添加粉煤灰的再生混凝土试件耗能能力有所下降。

图7 试件加载过程耗能能力

3 结束语

试验研究表明，掺加15%粉煤灰取代水泥的改性再生混凝土边节点的破坏形态、承载能力与普通的再生混凝土差别不大，其破坏过程可分为初裂阶段、通裂阶段、极限阶段和破损阶段4个阶段，试件具有良好的受力性能。改性再生混凝土边节点试件延性指标略有提高，耗能能力有所下降，试件抗震性能与普通再生混凝土试件相当。掺入适量的粉煤灰对于结构的破坏形态、承载能力、延性指标和耗能能力影响较小，可以通过掺加粉煤灰的手段改善再生混凝土的抗碳化、抗冻融、抗氯离子渗透性等耐久性能。如何取得既能提高受力要求，又能改善耐久性能的改性再生混凝土结构粉煤灰的最优取代率，有待进一步的研究。

［1］ 宋少明，廉慧珍.现代混凝土技术的哲学思考［J］.混凝土世界，2013（5）：32－38.

［2］ 孙跃东，肖建庄，周德源，等.再生混凝土框架抗震性能的试验研究［J］.土木工程学报，2006，39（5）：9－15.

［3］ 柳炳康，陈丽华，周 安，等.再生混凝土框架柱中节点抗震性能 试 验 研 究 ［J］. 建 筑 结 构 学 报，2011，32（11）：109－115.

［4］ 肖建庄，朱晓辉.再生混凝土框架节点抗震性能研究［J］.同济大学学报：自然科学版，2005，33（4）：437－440.

［5］ 吴 环，柳炳康.粉煤灰掺量对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响［J］.工程与建设，2013，27（3）：359－361.

［6］ 王成刚，黄秀亮，柳炳康.再生混凝土抗冻融性能试验研究［J］.工程与建设，2013，27（4）：493－495.

［7］ 黄秀亮，王成刚，柳炳康.再生混凝土抗碳化性能研究［J］.合肥 工 业 大 学 学 报：自 然 科 学 版，2013，36 （11）：1343－1346.

［8］ JGJ 101－1996，建筑抗震试验方法规程［S］.

［9］ 唐九如.钢筋混凝土框架节点抗震［M］.南京：东南大学出版社，1989：80－98.