黏土砖再生粗骨料混凝土短肢抗震墙的试验研究

程远兵, 郭子龙

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450045; 2.中天建设集团有限公司,浙江 杭州 310020)

黏土砖再生粗骨料混凝土短肢抗震墙的试验研究

程远兵1, 郭子龙2

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院,河南 郑州 450045; 2.中天建设集团有限公司,浙江 杭州 310020)

为了研究黏土砖再生粗骨料混凝土短肢抗震墙的受力和变形性能,设计了2个黏土砖再生粗骨料混凝土短肢墙试件和1个普通钢筋混凝土短肢墙对比试件,试件的尺寸、配筋和轴压比等参数均相同。采用低周反复的加载方式,测试了各试件的受力与变形性能,并对试件的承载力、刚度、延性、耗能能力和破坏形态进行了对比分析。研究结果表明:在相同的配筋和轴压比下,黏土砖再生粗骨料混凝土短肢抗震墙试件比普通混凝土短肢抗震墙试件的承载力有所降低,延性和耗能能力也有所降低,但降低幅度较小；黏土砖再生粗骨料混凝土短肢抗震墙的承载力和变形性能均能满足结构的抗震要求。

黏土砖再生粗骨料;混凝土;短肢抗震墙;承载力;变形;抗震

城乡建设的不断发展使得大量的旧有建筑物被拆除,产生了大量的建筑垃圾。其中，废弃的黏土砖在建筑垃圾总量中占很大的比重,其资源化利用的途径之一是再生为粗骨料,用于配制黏土砖再生粗骨料混凝土。因此,探索黏土砖再生粗骨料混凝土构件的受力和变形性能,为黏土砖再生粗骨料混凝土的结构应用奠定基础,具有重要的现实意义。

到目前为止,国内外已开展了许多对黏土砖再生粗骨料钢筋混凝土梁的研究，但对黏土砖再生粗骨料钢筋混凝土抗震墙的研究还很少。已有的黏土砖再生粗骨料钢筋混凝土组合墙、柱的试验研究[1-4]表明:废砖再生混凝土组合墙体在受力过程中截面变化基本符合平截面假定,在轴向压力作用下,墙体破坏表现为明显的脆性破坏。相对于普通混凝土柱,再生混凝土柱的抗震能力呈下降趋势。

本文主要研究黏土砖再生粗骨料混凝土短肢抗震墙的受力和变形性能。

1 试件及试验设计

1.1 试件

试验共设计了3个矩形截面的短肢抗震墙试件,试件的尺寸取为实际构件尺寸的1/2,试件分别为普通混凝土短肢墙(SW)、再生砖粗骨料替代率为35%的混凝土短肢墙(RCSW)。考虑到采用黏土砖再生粗骨料替代普通骨料后混凝土强度的降低情况[5-9],同时考虑到要有一定的黏土砖骨料掺加量,经过试验,确定黏土砖再生粗骨料混凝土试件中再生骨料的质量替代率为35%,即将普通混凝土中的石子骨料质量的35%用砖骨料替代。制作黏土砖再生粗骨料的废弃黏土砖取自郑州市金水区沙门村房屋拆迁现场。废弃黏土砖经颚式破碎机破碎、人工筛分制成再生粗骨料。黏土砖再生粗骨料的粒径范围为5～20 mm，堆积密度为1 560 kg/m3,24 h 的吸水率为18.4%。由于黏土砖骨料的孔隙率高、吸水率大,若按普通混凝土的配合比进行设计,则流动性差;若增加用水量,又会导致混凝土强度降低和干缩性增大。因此,根据文献[10]确定了再生砖骨料混凝土的配合比。普通混凝土和再生混凝土的水灰比均为0.4,砂率为30%。普通混凝土的设计强度为C40,配合比(水泥∶水∶砂∶石)为14.08∶5.63∶12.10∶28.25,掺加黏土砖再生粗骨料混凝土的配合比(水泥∶水∶砂∶石∶粗砖骨料)为14.08∶7.40∶12.10∶18.36∶9.89。试件的尺寸和配筋情况如图1所示。

图1 短肢抗震墙试件的尺寸和配筋图

1.2 材料性能

实测的混凝土材料的力学性能指标见表1。钢筋均采用三级钢,钢筋的实测力学性能指标见表2。

表1 实测的混凝土材料的力学性能指标

表2 实测的钢筋材料的力学性能指标

1.3 加载方案

试验采用低周反复的加载方式。采用MTS工业系统(中国)有限公司的MTS三维拟动力液压伺服作动器配合反力架进行竖向和水平反复加载。加载装置如图2所示。

图2 加载装置图

试验采用2阶段控制加载的方式,第一阶段由荷载和位移联合控制,第二阶段由位移控制。竖向加载时的轴压比为0.3,试验前,一次性施加到257.4 kN,试验过程中保持不变,加载点位于墙顶端表面的中心。

水平加载:加载点位于墙顶梁端表面的中心。

加载控制:试件钢筋屈服前,以20 kN为增量,每级循环一次。

位移控制:试件屈服后,按屈服时的水平位移控制,每一位移级循环两次,直至受压纵筋屈服、水平荷载骤然下降到极限荷载的85%以下为止。

1.4 测试参数及测试方法

试验测试的主要参数有:抗震墙顶端的水平力及位移值、顶部施加的竖向荷载值、竖向和水平向钢筋的应变。在整个试验过程中,实时观测抗震墙裂缝的出现和发展情况,并用铅笔描画出裂缝的分布。

在剪力墙试件外共布置6个位移传感器,用于测量剪力墙顶点位移、墙半高处的水平位移和墙脚处可能产生的微小位移和转角等。钢筋应变测点布置在暗柱纵筋、剪力墙水平分布钢筋和竖向分布钢筋上。图3是试验墙位移计和钢筋应变测点的布置图。裂缝观测采用放大镜和裂缝宽度仪。

图3 测点布置图

2 试验结果分析

2.1 承载力

抗震墙试件的开裂荷载、屈服荷载和破坏荷载的实测值见表3。从表3可以看出:再生砖骨料混凝土抗震墙RCSW与普通混凝土抗震墙SW相比,由于砖骨料的抗拉强度较低,再生砖骨料混凝土抗震墙开裂要早于普通混凝土,开裂荷载下降了13.27%,屈服荷载和破坏荷载分别下降了4.67%和9.22%。这说明再生砖骨料混凝土抗震墙的承载力比普通混凝土抗震墙有所降低,但降幅均在10%以内。黏土砖再生粗骨料混凝土墙的屈强比有所增大,说明其脆性比普通混凝土墙要大。

表3 试件的开裂荷载、屈服荷载和破坏荷载 kN

2.2 延性性能

各抗震墙墙顶位移和延性系数的实测值及其比值见表4和表5。由表4和表5可知，再生砖骨料混凝土抗震墙RCSW与普通混凝土抗震墙SW相比,开裂位移增大了40.42%,屈服位移增大了4.10%,极限位移减小了9.15%,弹塑性位移角降低了9.28%,延性系数减小了12.24%。说明再生砖骨料混凝土抗震墙的延性有所降低,但延性系数下降在15%内,能够满足结构抗震的要求。

表4 试件位移实测值 mm

表5 试件延性系数实测值

2.3 滞回曲线

图4为试件在低周反复荷载作用下的水平荷载(P)-顶点水平位移(U)滞回曲线。从图4可以看出,抗震墙在开裂前基本处于弹性工作阶段,试件的加载曲线与卸载曲线在试件开裂之前基本重合为一条直线。在试件开裂之后到屈服之前,滞回环呈狭窄细长型,包络面积小,耗能也小。在试件屈服后,滞回曲线开始逐渐向坐标横轴倾斜,包络面积逐渐增大。说明再生砖骨料混凝土抗震墙和普通混凝土抗震墙耗能能力基本一致,普通混凝土中抗震墙滞回环包含面积稍大,耗能能力略强。

图4 抗震墙试件的P-U滞回曲线

2.4 裂缝和破坏形态

试验墙的裂缝分布如图5所示。

图5 试验墙的裂缝分布

由图5可知：

1)在混凝土开裂前,抗震墙基本处于弹性工作阶段。当水平力增大时,墙体受拉区中部出现一条细微的水平裂缝,反向加载时墙体另一侧受拉区边缘也出现一条细微的水平裂缝。当水平力进一步增大时,墙体裂缝增加很多,同时原有的裂缝变宽变长,墙体根部截面开始出现水平裂缝,墙体受拉区中部出现多条较长的斜裂缝;反向加载时,另一侧墙体受拉区也出现多条水平裂缝,部分原有裂缝向墙体中部延伸。

2)当水平力接近屈服荷载时,墙体受拉区出现多条水平裂缝和斜裂缝,裂缝逐渐向下延伸,纵向受力钢筋开始屈服。随后，荷载-位移曲线逐渐偏离直线,表明构件开始屈服。进一步增加荷载,墙体受拉区原有裂缝缓慢变长、增多,裂缝宽度变大。当墙体受压区纵筋屈服后,试件发生破坏。

3 结语

通过黏土砖再生粗骨料混凝土短肢抗震墙和普通混凝土短肢抗震墙在低周反复荷载作用下的受力性能试验,研究了黏土砖再生粗骨料混凝土短肢抗震墙的破坏过程、承载能力、滞回曲线、耗能能力及延性指标等,对比分析了黏土砖再生粗骨料混凝土短肢抗震墙与普通混凝土短肢抗震墙试件受力性能的不同。研究得到以下主要结论:

1)在尺寸、配筋等相同的条件下,与普通混凝土短肢抗震墙相比,黏土砖再生粗骨料混凝土短肢抗震墙的承载力略低。

2)黏土砖再生粗骨料混凝土抗震墙的受力性能与普通混凝土抗震墙相似,经历了弹性、开裂、屈服和破坏4个阶段。墙发生弯曲破坏时,受拉区边缘暗柱内钢筋受拉屈服,近暗柱的受拉区的竖向分布筋亦能达到屈服,抗震墙底部受压区混凝土被压碎,受压区暗柱纵筋局部被压屈、外凸。

3)黏土砖再生粗骨料混凝土抗震墙发生弯曲破坏时的延性较好,滞回环稳定,承载能力和刚度下降缓慢,耗能能力较好。这表明在实际工程中,通过设定合理的轴压比限值,黏土砖再生粗骨料混凝土抗震墙可以用于建筑结构。

本文的研究为废弃黏土砖的资源化利用提供了一种新的途径。

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(责任编辑：陈海涛)

Experimental Study of Short-leg Shear Wall of Concrete with Recycled Brick Aggregate

CHENG Yuanbing1, GUO Zilong2

(1. School of Civil and Transportation Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 2. Zhongtian Group, Hangzhou 310020, China)

In order to investigate the structural performance of the recycled brick coarse aggregate concrete shear wall, two short-leg shear wall specimen of concrete with recycled clay brick aggregate and a common reinforced concrete short-leg shear wall contrast specimen were designed, and the parameters (size, reinforcement and axial compression ratio) of the specimen are the same. The stress and deformation behavior of the specimen were tested under low cyclic reversed loading. Furthermore, the bearing capacity, stiffness, ductility, energy dissipation capacity and failure pattern of the specimen were also compared and analyzed. Results show that the bearing capacity of recycled brick aggregate concrete short-leg shear wall specimen was lower than that of the common reinforced concrete short-leg shear wall specimen under the same reinforcement ratio and axial compression ratio. In addition, the ductility and energy dissipation capacity were also reduced. Therefore, short-leg shear wall of recycled concrete with brick aggregate can be used in seismic structures.

recycled brick aggregate; concrete; short-leg shear wall; bearing capacity; deformation; seismic

2016-06-12

河南省基础与前沿技术研究计划项目(152300410111)。

程远兵(1965—),男,河南南阳人,教授,博士,从事混凝土结构及抗震方面的研究。E-mail:cyb-ny@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.01.012

TV32+1;TU372

A

1002-5634(2017)01-0060-04