性能增强再生混凝土框架中节点抗震性能试验

杨 涛，王社良,刘 伟

(西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)



性能增强再生混凝土框架中节点抗震性能试验

杨 涛，王社良†,刘 伟

(西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

为提高再生混凝土框架结构中节点的抗震性能，利用微硅粉和混杂纤维对再生混凝土进行性能增强，对4根相同轴压比、配筋率和再生骨料取代率条件下，不同微硅粉和混杂纤维掺量的框架柱中节点进行低周反复荷载下的抗震性能试验，对比研究普通再生混凝土与性能增强再生混凝土的破坏形态、滞回特性、延性性能、耗能特性以及变形特点等问题.试验结果表明：性能增强再生混凝土节点破坏过程均经历了初裂、通裂、极限和破坏四个特征阶段；在破坏形态、滞回曲线、延性性能、节点变形及耗能特性方面，性能增强再生混凝土均优于普通再生混凝土，尤其在破坏形态和延性方面表现突出；微硅粉和混杂纤维含量的提高，性能增强效果有下降趋势；经微硅粉和混杂纤维性能增强再生混凝土节点抗震性能明显提高，可在有抗震设防要求地区的结构中使用.

性能增强再生混凝土；框架中节点；抗震性能；微硅粉；混杂纤维；低周反复荷载

伴随着建筑业的篷勃发展，建筑垃圾造成了严重的环境污染,大量宝贵的土地资源被占用，为了缓解这种资源与环境的矛盾，再生混凝土的开发利用成为了热点研究问题[1].再生骨料(recycled aggregate, RA)是由废弃混凝土经过清洗、破碎、筛分等工序加工而成，将其部分或全部替换天然骨料制成再生混凝土[2].目前，国内外学者对再生混凝土材料性能和构件力学性能做了大量研究，针对再生混凝土框架节点的报道较少[3-5].Corinaldesi V等[6]进行了低周反复荷载下再生混凝土梁柱节点的抗震性能试验；周点龙等[7]在RAC中掺入粉煤灰进行了两榀框架边节点试验，结果表明：粉煤灰对节点破坏形态、承载能力、延性指标和耗能能力影响较小，但可改善再生混凝土的抗碳化和抗冻融性等；柳炳康等[8]研究表明：箍筋数量的增多可显著提高再生混凝土节点核心区受剪承载力；白国良等[9]研究表明：再生混凝土节点抗震性能与骨料取代率无明显关系，但由于再生骨料初始损伤的存在，普通混凝土框架节点抗震性能优于再生混凝土框架节点；肖建庄[10]研究了再生混凝土边节点的抗震性能，结果表明：随着取代率的提高，再生混凝土节点抗震性能逐渐降低，但其力学性能、破坏形式等特点与普通混凝土节点类似，当再生骨料取代率为100%时，仍能满足抗震需求.

总结现有研究成果发现：再生混凝土节点抗震性能试验研究较少[11-12]，而性能增强再生混凝土节点抗震性能更是鲜有研究.本文利用微硅粉和混杂纤维改善再生混凝土的抗震性能，促进再生混凝土的推广应用.混杂纤维(Hybrid Fiber)的防裂、抗冲击和抗折性能显著；微硅粉(Microsilica)拥有良好的填充和火山灰效应，可与水泥水化产物发生二次水化反应，填充混凝土孔隙，改善其微观结构；目前二者在高性能混凝土的制备中应用较多[13-15].本文进行了相同轴压比条件下，不同微硅粉和混杂纤维掺量情况下的再生混凝框架结构中节点抗震性能试验研究，对比分析了性能增强再生混凝土与普通混凝土抗震能力，为实际工程应用提供试验依据.

1 试验概况

1.1 试验材料

试件采用P.O32.5R级水泥，中粗河砂；废弃混凝土取自于西安北郊建筑垃圾处理厂，其主要来源于城市拆迁，经鄂式破碎机粉碎、筛分、清洗等工序制成再生骨料，粒径范围为4.74～31.5 mm，连续级配，其粒径级配情况如表1所示；微硅粉和纤维分别由霖源微硅料有限公司和陕西万达纤维有限公司提供，材料性能如表2和表3所示，再生骨料的性能参数如表4所示.本文制作了32组96个硅粉含量为0%,3%,6%和8%取代率为100%的再生混凝土试件，对其抗压性能、劈拉强度、抗折强度、变形性能进行了试验研究，如图1所示，力学性能试验结果平均值见表5.由试验结果可知当微硅粉含量在6%左右时其对再生混凝土力学性能增强效果最为明显，故再生混凝土框架柱中节点试验微硅粉掺量设定为6%.

表1 再生混凝土颗粒级配表Tab．1 Aggregate gradation of RAC

表2 微硅粉性能参数Tab．2 Material properties of microsilica

表3 纤维性能参数Tab．3 Material properties of hybrid fiber

表4 骨料材性表Tab．4 Material properties of aggregate

图1 力学性能试验Fig.1 Mechanical property test表5 力学性能试验结果均值表Tab．5 The results of mechanical property test

硅粉含量/%立方体抗压强度/MPa劈裂抗拉强度/MPa轴心抗压强度/MPa抗折强度/MPa028.312.7827.123.01332.573.1230.443.32635.063.3332.364.08833.193.1531.283.82

1.2 试件设计

试验设计了4榀框架中节点，节点两端梁长为1 500 mm，截面尺寸为200 mm×350 mm；柱总高为2 350 mm，截面尺寸为300 mm×300 mm，分别编号为JD-0,JD-1,JD-2和JD-3，试件再生骨料取代率、轴压比及配筋率相同.试验工况见表6，试件尺寸及配筋如图2所示.性能增强再生混凝土配合比及力学性能分别见表7和表8，钢筋力学性能见表9.试件在西安建筑科技大学结构实验室浇筑完成，再生混凝土采用机械搅拌，插入式振捣棒振捣密实，再用抹刀清理表面浮浆后收平，浇筑完成静置24 h后拆模，并用土工布覆盖，洒水养护.

表6 框架中节点工况组合Tab．6 Load condition table of concrete joints

表7混凝土配合比Tab．7 Mass mixture ratio of RAC (kg/m3)

表8 性能增强再生混凝土力学性能Tab．8 The mechanical properties of EC-RAC

图2 节点尺寸与配筋图 (mm)Fig.2 Dimensions and reinforcement of specimens表9 钢筋力学性能指标Tab．9 Material properties of reinforcement

钢筋级别直径/mm屈服强度/MPa极限强度/MPa弹性模量/105MPaHPB23563365122.12HRB335184295672.00HRB335204636282.02

1.3 加载设备与制度

节点试验采用柱端拟静力加载，反力梁和液压千斤顶提供竖向荷载，MTS电液伺服作动器提供水平低周反复荷载，数据由ASH-500数据采集仪采集.试验设备如图3和图4所示.

图3 加载装置及试验现场Fig.3 Load device

图4 试验数据采集系统Fig.4 Test data acquisition system

试验采用荷载-位移混合控制的加载方式[16]，如图5所示.试验开始时，由液压千斤顶施加竖向荷载，达到轴压比后，保持竖向荷载不变；然后在柱顶施加水平反复荷载，试件屈服前采用荷载控制，屈服后(荷载-位移曲线出现明显转折为准)以位移控制加载，位移加载幅值以屈服位移的整数倍递增.当试件的承载力下降至最大承载力的85%时为破坏准则，试验结束.

图5 加载制度Fig.5 Loading regimes

1.4 测点布置

本试验共设置7个位移量测点，其中2个竖直方向位移测量点，位移计架设于梁两端的底部，编号分别为wy-1,wy-2，用来测量两端梁的竖向位移；3个水平方向位移量测点，位移计架设于柱顶端、节点相连柱端上部及下部，编号分别为wy-3,wy-4,wy-5，用来测量柱顶的水平位移及柱端的曲率；2个斜向的位移量测点，2只百分表交叉布置在节点核心区，编号分别为wy-6,wy-7，以测量节点核心区的剪切变形.梁柱主筋和箍筋应变片主要布置在节点核心区内及梁柱塑性铰区域.各测点布置详见图6所示.

图6 测点布置图Fig.6 Arrangement of measuring points

2 试验过程及破坏特征

2.1 试验过程

在低周反复荷载作用下，不同微硅粉和混杂纤维含量的性能增强再生混凝土节点都有相似的破坏过程，如图7所示，以试件JD-1为例描述试验加载和破坏过程.a) 初裂阶段：加载初期由于荷载很小，试件荷载-位移曲线为直线，此时若卸载，节点试件变形将完全恢复，此时节点处于弹性工作阶段；随着荷载的增大，微裂缝首先出现在梁端根部，而后微裂缝在节点核心区部位陆续出现，当荷载增加到40 kN时，节点核心区出现一条宽度约0.1 mm的斜裂缝，表明试件开裂；b) 通裂阶段：随着荷载的继续增大，原有裂缝延伸并加宽，裂缝相互交叉将核心区划分为多个区域，同时裂缝不断开展、延伸，逐渐形成两条宽度约为1～2 mm的贯通核心区对角线的主斜裂缝；c)极限阶段：核心区通裂后，水平荷载还可继续增大，此时核心区基本无新裂缝出现，原交叉斜裂缝持续发展宽度可达5 mm以上，试件的变形十分明显，核心区剪切变形成倍增大，核心区混凝土起皮现象严重、钢纤维蹦出，裂缝向柱上下延伸，节点核心区粗大裂缝密布，混凝土呈菱形块状掉落，节点核心区达极限状态.d)破坏阶段：随着加载位移继续增大，试件的变形急剧增大，承载力逐渐下降，核心区裂缝宽度可达1 cm，核心区混凝土酥碎严重，箍筋外露，最终破坏.

图7 试验现象Fig.7 Experimental phenomena

各试件的破坏过程虽然相同，但破坏程度存在差异，由图8可以看出JD-0的破坏最严重，核心区混凝土酥裂、脱落现象最为显著，且多呈碎小的颗粒状，开裂范围较大，裂缝出现密集．由于微硅粉的填充效应，使核心区再生混凝土的承载力提高，从而推迟开裂时间，使得JD-1的破坏程度好于JD-0．图8显示JD-2和JD-3的破坏程度则明显优于JD-0，试件JD-2和JD-3核心区的混凝土剥落面积较小，呈现碎而不落“藕断丝连”的现象．这是因为在试件JD-1的基础上加入混杂纤维后，起到拉结骨料的效果，加强了基体内部的连续性，消除和减缓了初期节点试件中微裂缝的产生和发展，弱化了微裂缝处的应力集中，提高了试件的承载能力及延性，大大改善了再生混凝土框架节点的性能．随着混杂纤维掺量的增加(0.5%～1.0%)，试件JD-3核心区混凝土“碎而不落”的现象更加明显．由此可见混杂纤维掺量的增加对再生混凝土节点性能的改善有所提升，但混杂纤维的最佳掺量有待进一步研究.

2.2 试验现象微观分析

由于再生骨料在制备过程中的剥离程度不一，其表面存在着旧水泥包裹的现象.因此，再生混凝土内部将形成新旧水泥的双层薄弱界面，界面结构非常复杂，易产生微裂缝．同时再生骨料的空隙率比天然骨料大，骨料本身存在缺陷.由上述试验可以看出，当再生混凝土中掺入适量的微硅粉时，节点核心区混凝土承载力明显提高，裂缝开裂较少，说明微硅粉可对再生混凝土起到“微孔细化”的超填充作用，弥补薄弱界面的缺陷，同时可促进再生骨料孔洞中水泥的水化反应，使其能与骨料外部水泥连接更密实.混杂纤维的掺入可看作是再生混凝土中增加了许多“微筋”，当局部混凝开裂后，这些“微筋”在再生混凝土骨料之间起到拉结的作用，承担部分应力，延缓混凝土的开裂，提高其延性.从微观角度分析，微硅粉和混杂纤维的联合使用可有效改善再生混凝土框架中节点的承载能力和使用延性，从而提高抗震性能.

图8 破坏形态Fig.8 Contrast diagram of failure mode

3 试验结果及分析

3.1 滞回曲线

试验记录了各框架节点试件的荷载-位移曲线如图9所示.由图9可以看出，4个试件的滞回曲线具有相似的特征：加载初期，由于节点试件处于弹性工作阶段，滞回曲线呈直线循环，卸载时残余变形几乎为零.随着荷载的增加，试件进入弹塑性工作阶段，卸载残余变形增大，滞回曲线也由直线过渡到“梭形”，同时，刚度衰减也愈发明显.当试件核心区纵向钢筋屈服后，由加载制度变为位移控制，此时若保持水平荷载不变，而试件位移将显著增大，滞回曲线形状趋于丰满，说明各试件具有较好的变形能力和耗能能力.当试件水平荷载达到峰值后，节点残余变形大，刚度衰减速率加快，加载后期，受钢筋和混凝土之间滑移的影响，滞回曲线呈现“捏拢”效应.

由图(9)可以看出与普通再生混凝土中节点滞回曲线相比，性能增强再生混凝土的节点滞回曲线更为饱满，JD-1,JD-2和JD-3滞回面积明显大于JD-0，说明耗能能力明显提高．硅粉的掺入延迟了峰值荷载出现，而混杂纤维的加入使再生混凝土试件中产生“微细筋”效果，减缓了核心区裂缝的产生与发展，使节点核心区的应力场更加均匀，减小了混凝土塑性变形的累积和损伤累积，改善了试件的工作性能．在滞回曲线下降段，硅粉和纤维增强再生混凝土节点较普通RAC节点下降平缓，能有效改善节点承载力及刚度衰减.

3.2 各阶段荷载特征值

试验过程中记录了各节点试件在不同受力阶段的荷载特征值，如表10所示.

通过对试验现象和特征值的分析，可以看出单独掺加微硅粉对再生混凝土进行性能增强后各特征值均有提高．其原因是：微硅粉颗粒直径极小，可填充在水泥颗粒孔隙之间，对再生骨料的初始损伤起到修复作用．同时，微硅粉的火山灰效应可促使水泥水化物发生二次水化反应，形成改善再生混凝土微观结构的胶凝物，从而提高再生混凝土承载能力，推迟试件的开裂和屈服.而经微硅粉和混杂纤维共同增强的再生混凝土试件的特征值较单独掺加微硅粉的试件又有较大改善，但提高程度随着掺量的不同存在着差异.与试件JD-0相比，JD-2和JD-3的开裂特征值分别提高了29.8%与54.7%，而JD-1只提高了13.3%．其原因是：纤维具有较高的韧性和一定的强度，当节点受力时纤维可使再生混凝土内部的应力分布更加均匀合理．同时，混杂纤维的拉接作用可将再生混凝土各成份连接在一起，提高整体性的同时可增强承载能力.

(a) JD-0

(b) JD-1

(c) JD-2

(d) JD-3图9 各试件滞回曲线Fig.9 Hysteretic curve of each specimen表10 破坏过程特征值Tab．10 Eigenvalues of four stages kN

3.3 骨架曲线

骨架曲线可以反映框架中节点受力与变形的各个不同阶段和特性，骨架曲线对比如图10所示.我们不难发现：再生混凝土中加入微硅粉和混杂纤维后其骨架曲线发生了明显的变化.单独加入微硅粉可提高峰值荷载，加入混杂纤维后不仅提高了节点试件的初始刚度和峰值荷载，同时使骨架曲线的下降段趋向平缓，结构的承载力和刚度衰减得到改善，变形能力得到增强，在宏观上表现出结构具有良好的延性和耗能能力.

3.4 延性系数

节点通常用延性系数μ来衡量试件的变形能力[17]，本文采用位移延性系数μΔ=Δu/Δy和转角延性系数μθ=θu/θy作为衡量节点延性的参数，其中Δu,θu取变形增加而荷载下降到峰值荷载的85%时所对应的位移和转角值；Δy,θy为试件屈服时对应的梁端位移和转角．试件的延性系数见表11.

图10 骨架曲线对比图Fig.10 Contrast diagram of skeleton curve

从表11中可看出：在设计形式完全相同的情况下，试件JD-2和JD-3的延性系数普遍大于普通再生混凝土节点，性能增强效果明显，梁端位移延性系数分别提高22.7%和17.4%，核心区转角延性系数分别提高41.9%和36.2%.在混杂纤维掺量较低时，延性提高程度稍大，在混杂纤维掺量大于0.5%时，延性略有下降，说明混杂纤维拉结作用能够提高试件延性及其耗能能力，但过多的纤维在混凝土中不易分散，容易在纤维周围形成薄弱区破坏混凝土各成分间协同工作的整体性，产生不良效果.

表11 延性系数Tab．11 Ductility coefficient of speciments

3.5 耗能能力

通常情况下，结构的耗能能力用等效粘滞阻尼系数he来衡量，等效粘滞阻尼系数越大表示结构的耗能能力越强，计算原理如图11所示，计算公式如下[18]：

(1)

图11 等效黏滞阻尼系数计算Fig.11 Calculation drawing for he

由表12中计算的等效黏滞阻尼系数可以看出，各个节点试件的等效黏滞阻尼系数计算值存在差异，性能增强再生混凝土框架节比普通再生混凝土框架节点的等效粘滞阻尼系数高.具体表现为：单掺硅粉再生混凝土节点JD-1比普通再生混凝土节点JD-0的计算值高出18.7%，说明经微硅粉性能增强的节点的抗震性能优于普通再生混凝土；JD-2和JD-3节点的等效黏滞阻尼系数则分别高出JD-0节点31.2%和56.3%，说明混杂纤维对提高再生混凝土节点的耗能性能起主导作用.

表12 最大荷载循环对应的等效黏滞阻尼系数Tab．12 The maximum load corresponding he

3.6 核心区的剪切变形

纵观框架节点试验的整个过程，试件在水平剪力的作用下主要发生剪切变形，而梁柱核心区的矩形区域将发生变形，改变呈平行四边形，试验中通过百分表量测并记录核心区对角线长度的变化，量测方法如图12所示，利用公式(2)计算核心区的剪切变形[19].

(2)

图12 核心区剪切变形计算图Fig.12 Calculation drawing for shear deformation at the core area

图13为各试件在不同受力阶段其核心区剪切变形结果.从图中可以看出，各个节点试件在开裂阶段核心区剪切变形都很小，各试件差别不大；当节点屈服后，逐渐产生差异，普通再生混凝土节点核心区剪切变形发展较快，曲线上升最陡；当节点达到极限

受力阶段图13 试验各阶段剪切变形Fig.13 Share deformation of each stage

荷载时破坏阶段核心区剪切变形急剧增大；在屈服和极限阶段，单掺硅粉的试件JD-1剪切变形略优于JD-0，而JD-2和JD-3的剪切变形都明显要小于JD-1和JD-0，且随混杂纤维含量的提高剪切变形减小；在破坏阶段，各试件的剪切变形增大较快.这说明经硅粉和混杂纤维性能增强后，再生混凝土能够减小节点的剪切变形．

4 结 论

通过性能增强再生混凝土框架中节点的低周反复加载抗震性能试验研究，可以得出以下结论：

1)性能增强再生混凝土框架中节点的破坏经历了初裂—通裂—极限—破坏4个阶段，它的破坏过程与普通再生混凝土框架中节点基本一致；各节点试件破坏时核心区发生剪切破坏，剪切变形显著，但经过微硅粉和混杂纤维共同增强的再生混凝土中节点破坏时核心区混凝土“碎而不落”，破坏程度明显小于普通再生混凝土中节点.

2)性能增强再生混凝土中节点抗震性能优于普通再生混凝土中节点，尤其是滞回曲线、延性性能、构件耗能、节点区变形优势非常明显，特别是当微硅粉和混杂纤维共同增强时，延性系数和等效粘滞阻尼系数能提高50%以上，效果显著，且满足抗震要求，可应用于实际工程结构中.

3)单掺硅粉对再生混凝土进行性能增强可提高节点各阶段的特征值，但对节点延性和耗能改善有限；混杂纤维可在再生混凝土内部产生“微细筋”效果，发挥其拉结作用减缓核心区裂缝的产生与发展，因此，当硅粉与混杂纤维共同作用时可明显提高再生混凝土中节点的延性和耗能能力.

4)由于过多的混杂纤维在混凝土中不易分散，纤维周围易形成薄弱区，破坏混凝土各成分间协同工作的整体性，从而导致混杂纤维掺量较低时，节点延性提高程度较大，当混杂纤维掺量大于0.5%时，延性提高程度略有下降的现象.

5)从细观角度分析，硅粉的超填充性可改善再生骨料初始损伤裂纹对再生混凝土构件初始损伤积累的影响，同时可使再生骨料新旧砂浆间界面过渡区更加稳定；而纤维的拉结作用可使再生混凝土裂缝处应力场更加均匀，减小混凝土塑性变形的累积和损伤累积；但硅粉和混杂纤维的最优配比，以及各混杂纤维的用量仍需进行更进一步的理论与试验研究.

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Experimental Study on Seismic Behavior of Interior Jointsin Enhancements Recycled Aggregate Concrete Frame

YANG Tao,WANG She-liang†, LIU Wei

(School of Civil Engineering, Xi’an Univ of Architecture and Technology, Xi’an, Shaanxi 710055, China)

In order to improve seismic performance of interior joints in the recycled concrete frame structures, silica powder and hybrid fiber were used to improve the seismic performance of recycled concrete. Under the same axial compression ratio, and with the same reinforcement ratio and recycled aggregate replacement ratio, four interior-joints of the frame columns were manufactured by different amount of silicon powder and hybrid fiber. Low cyclic lateral loading tests were performed to study and compare the failure mode, hysteretic behavior, ductility, energy dissipation, and deformation characteristics between the common recycled concrete and enhanced recycled concrete. The test results show that the recycled concrete interior-joints experienced four stages including initial crack, general crack, ultimate state, and damage. Meanwhile, the performance of enhanced recycled concrete is superior to that of common recycled concrete, such as the failure pattern, hysteresis curve, ductility performance, deformation, and energy dissipation, especially in terms of failure pattern and ductility. Additionally, with the increase of silicon powder and mixed fiber content, the improvement effect has a downward trend, while due to the application of silicon powder mixed with hybrid fiber, the seismic performance of the recycled concrete interior-joints is obviously improved. Therefore, this enhanced recycled concrete can be applied to the structures in the seismic fortification regions.

enhancements recycled aggregate concrete; interior-joints; seismic performance; microsilica; hybrid fiber; low cyclic loads

1674-2974(2016)11-0068-10

2015-12-20

国家自然科学基金资助项目(51178388，51678480)，National Natural Science Foundation of China(51178388，51678480)；陕西省工业攻关项目 (2014K06-34)，陕西省教育厅专项科研项目 (14JK1420)

杨 涛(1984-)，男，河北邯郸人，西安建筑科技大学博士研究生†通讯联系人，E-mail:sheliangw@163.com

TU375.3

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