废弃玻璃细骨料钢筋混凝土柱的受压性能

王凤池，官爽，孙畅，贾世龙

(沈阳建筑大学 土木工程学院，沈阳 110168)

玻璃在建筑、化工、仪器设备以及日常生活等诸多领域用量的逐年增加，废弃玻璃所造成的“闪色污染”对环境造成了严重破坏。将废弃玻璃回收并破碎，取代混凝土中的砂石骨料，是解决废弃玻璃利用的新途径[1-2]，不仅缓解了砂石的工程需求与资源匮乏之间日益突出的矛盾，也在某种程度上改善了混凝土的物理力学性能[3]。

Craig等[4]对废弃玻璃取代天然骨料的最优取代率、粒径和碱硅反应(ASR)进行了研究。认为通过优化配合比并掺入适量粉煤灰能够取得理想的混凝土强度，并减轻潜在ASR。Ahmad等[5]研究了废弃玻璃作为粗骨料、细骨料和粉末骨料等3种废弃玻璃骨料用于混凝土的性能，研究表明，细骨料能阻止ASR的影响，能改善混凝土的耐久性。王凤池等[6]通过利用废弃玻璃等质量取代混凝土中的粗细骨料，研究了废弃玻璃取代率和取代形式对混凝土抗压强度和坍落度的影响。梁炯丰等[7]研究了玻璃骨料取代率对废弃玻璃细骨料混凝土的单轴受压应力-应变曲线形状和抗压强度、峰值应变、弹性模量的影响。刘光焰等[8]对废弃玻璃混凝土的氯离子渗透性进行了研究，研究表明，与天然骨料混凝土相比，玻璃细骨料混凝土的抗氯离子扩散能力提高，玻璃粗骨料混凝土的抗氯离子扩散能力有所减弱。罗辉等[9]通过冻融循环试验，研究了使用废弃玻璃等质量取代混凝土中的天然骨料对混凝土抗冻性能的影响，表明冻融循环对玻璃混凝土抗压强度的影响小于普通混凝土。

学者们虽然对废弃玻璃骨料混凝土的基本力学性能和耐久性能做了大量研究[10-13]，但对废弃玻璃骨料混凝土柱力学性能的研究尚少。本文设计了18个玻璃骨料混凝土钢筋混凝土柱，研究其在不同废弃玻璃细骨料掺量、不同长细比和不同偏心距下的偏压承载性能和变形性能。

1 试验设计

1.1 材料及力学性能

试验玻璃来源于沈阳市某玻璃加工厂的边角余料。将回收的废弃玻璃经人工淘洗、碾碎后，按一定级配(最大粒径为4 mm的筛网)筛选。试验玻璃细骨料细度模数为2.97，属于中砂，级配为Ⅱ级。玻璃细骨料基本特性如表1所示。

试验混凝土设计强度等级均为C40，正常养护28 d。水灰比为0.43，废弃玻璃细骨料取代天然河砂的取代率分别为0%、50%和100%。测定的不同玻璃骨料取代率混凝土抗压强度如表2所示。

试件纵筋选用HRB400级热轧带肋钢筋，箍筋选用HPB235级光圆钢筋，力学参数见表3。

表1 玻璃细骨料基本特性

表2 混凝土实测抗压强度和弹性模量Table 2 Measured compressive strength and elastic modulus

表3 钢筋的力学性能Table 3 The mechanical properties of steel bars

1.2 试件设计及制作

废弃玻璃骨料钢筋混凝土柱试件截面尺寸为b×h=200 mm×200 mm,保护层厚度c=25 mm。采用对称配筋，配筋率为1.13%。试件高度l分别取800、1 200 mm，对应的l1分别为400、800 mm。试件尺寸、骨料取代率、长细比、偏心距等见图1和表4。

图1 试件的截面尺寸及配筋图Fig.1 Section Dimension and Reinforcement of Specimens

考虑到偏心受压情况，将柱两端设计成牛腿形状。分别在受压试件的柱头两端预埋厚度为18 mm、截面尺寸为b×h=200 mm×300 mm的钢板。为防止试件在受压时钢板翘曲变形，在其中部4个角焊接上4根直径为18 mm的HRB335级螺纹钢筋。试件具体尺寸及配筋情况见图1。

表4 钢筋混凝土柱基本参数Table 4 Basic parameters of reinforced concrete columns

1.3 测点布置

轴心受压试件的相邻两个侧面以试件的中心线为基准，在试件中部360 mm范围内依次粘贴3个混凝土应变片。偏心受压试件受拉侧，以试件的中心线为基准，在中部360 mm范围内依次粘贴3个应变片。受压侧受到牛腿的影响，须确保跨中至少有1个应变片。在试件侧面宽度六等分处，平行地粘贴5个混凝土应变片，如图2(a)。

钢筋应变片的布置如图2(b)，在试件4根纵筋的跨中位置以及距跨中向上、向下各100 mm(柱高600 mm，在距跨中向上、向下各50 mm)处各粘贴1个应变片，跨中3个箍筋均各粘贴1个应变片。试件采用轴心、小偏心、大偏心3种加载情况，加载装置见图3。

图2 应变片测点分布Fig.2 Measuring point distribution of strain gauge

图3 加载装置Fig.3 Test setup

2 试验结果与分析

2.1 破坏现象

无论是轴心受压、小偏心受压还是大偏心受压，玻璃混凝土柱与普通混凝土柱的破坏形态类似，都经过了弹性变形阶段、微裂缝阶段、裂缝稳定发展阶段和最后的裂缝迅速发展阶段(图4)。不同条件下的混凝土开裂荷载如表5。

表5 开裂荷载Table 5 cracking load

图4 大偏心受压柱的初始裂缝、极限裂缝及破坏形态Fig.4 The initial crack, limit crack and experimental phenomenon of large eccentric compression columns

以玻璃混凝土大偏心受压长柱为例。玻璃掺量不同，开裂荷载不同(表4)。随着玻璃掺量增加，开裂荷载增加。随着偏心距的增加，开裂荷载降低明显，这与普通混凝土是相同的。当达到开裂荷载时，在柱的跨中受拉区均出现了第1道横向水平裂缝，但裂缝宽度不同，普通混凝土柱为0.03 mm，而100%玻璃混凝土柱为0.07 mm。出现裂缝后受拉钢筋应变和混凝土压应变增长速率加快，裂缝条数随着荷载的增大而增多，裂缝基本等间距出现，普通混凝土柱裂缝间距约为100 mm，而100%玻璃混凝土柱间距略大，为110 mm；继续加载，两者均出现了典型的大偏心受压破坏特征。玻璃混凝土柱极限裂缝宽度略大于普通混凝土柱。

2.2 荷载-轴向位移曲线

图5是长细比为4的玻璃骨料钢筋混凝土柱在不同加载方式下的荷载与轴向位移曲线。轴心和小偏心受压时时，随着玻璃骨料掺量增加，极限荷载对应的位移逐渐减小。而大偏心受压时，100%玻璃骨料混凝土柱极限荷载对应的轴向位移最小，50%玻璃骨料混凝土柱的轴向位移最大。

图5 荷载-轴向位移曲线Fig.5 Load-axial displacement curves

2.3 荷载-跨中挠度曲线

如图6(a)所示，轴心受压构件的跨中挠度变形较小，构件的极限荷载对应的挠度值均不大于1 mm，呈现了轴心受压的特征。而小偏心受压时(图6(b))，普通混凝土柱荷载-挠度曲线出现了较明显的下降段，具有脆性破坏特征；玻璃骨料钢筋混凝土柱则未出现较明显的下降段。但无论玻璃掺量多少，极限荷载对应的挠度值均很小，因此,小偏心受压下玻璃骨料钢筋混凝土柱依旧为脆性破坏。而大偏心受压状态下(图6(c))，普通钢筋混凝土柱、50%玻璃骨料钢筋混凝土柱、100%玻璃骨料钢筋混凝土柱挠度变化曲线基本相同，破坏荷载对应的挠度值明显大于小偏心下的挠度值，具有明显延性特征。

图6 荷载-跨中挠度曲线Fig.6 Load-Middle Span Deflection Curves

2.4 混凝土应力-应变曲线

当长细比l0/h= 4时，混凝土的应力-应变曲线如图7。无论是轴压、小偏心受压还是大偏心受压，玻璃掺量对混凝土应力-应变曲线均无明显影响。偏心受压时，加载初期曲线有明显的弹性段。小偏心受压时，偏心一侧的混凝土极限应变明显大于另一侧。相同应力下，受压侧普通钢筋混凝土柱的应变较50%玻璃骨料钢筋混凝土柱和100%玻璃骨料钢筋混凝土柱小。受拉侧100%、50%玻璃骨料钢筋混凝土柱的应变明显大于钢筋混凝土柱。而对于大偏心受压(图7(c))，受压侧玻璃细骨料掺量对应力和应变影响不大，但受拉侧100%玻璃骨料钢筋混凝土、50%玻璃骨料钢筋混凝土的极限应变明显大于普通混凝土。

图7 混凝土应力-应变曲线Fig.7 Concrete stress-strain curve

2.5 纵向钢筋荷载-应变曲线

当轴心受压柱(图8(a))荷载从0增大到800 kN时，受压构件的荷载与钢筋应变成线性关系增大，此后钢筋的应变迅速增大，直到钢筋屈服。普通钢筋混凝土柱的应变大于玻璃骨料细骨料钢筋混凝土柱。对于小偏心受压柱(图8(b))，在受压侧的钢筋极限应变最小，且钢筋荷载-应变曲线均出现屈服下降段。而对于大偏心受压(图8(c))，普通钢筋混凝土柱和50%玻璃骨料钢筋混凝土柱的钢筋屈服应变较接近，而100%玻璃骨料钢筋混凝土柱钢筋屈服应变较小；在受拉侧，钢筋荷载-应变曲线基本重合。当加载至极限荷载时，玻璃骨料大偏心受压柱的纵向钢筋均已屈服。说明受压侧钢筋受到混凝土的影响，而受拉侧因混凝土开裂，钢筋应变基本相同。

图8 钢筋荷载-应变曲线Fig.8 Reinforced load-strain curve

3 受压正截面承载力分析

图9为骨料取代率为50%时，不同长细比和偏心距下跨中不同点应变值。玻璃骨料钢筋混凝土柱正截面应变基本保持同一平面，可以采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[14](以下简称《规范》)中的相关公式计算柱正截面承载力。

图9 跨中不同点应变值Fig.9 Strain values at mid span

对于轴心受压柱，不考虑与偏心受压构件正截面承载力计算具有相近可靠度的调整系数0.9，采用式(1)计算。

(1)

式中参数含义见《规范》。

偏心受压时，根据加载方式，图1中的l即为柱的计算长度l0。当l0/b≥5时，考虑P-δ二阶效应，偏心距增大系数ηns按照式(2)计算。

(2)

表6 试验和计算结果对比Table 6 Test results and calculate data

可见，除个别外，试验值与理论计算值比较接近。因此，对于玻璃骨料钢筋混凝土受压柱而言，运用中国现行《混凝土结构设计规范》的有关公式计算其承载力是合适的。

5 结论

1)玻璃骨料混凝土柱的受压破坏机理和形态与普通混凝土柱相似，玻璃骨料掺量100%的玻璃骨料混凝土柱的承载力较高。

2)轴心和小偏心受压时，随着玻璃骨料掺量增加，极限荷载对应的位移逐渐减小。而大偏心受压时，100%玻璃骨料混凝土柱极限荷载对应的轴向位移最小。

3)玻璃骨料混凝土柱受压构件正截面应变始终保持同一平面，符合平截面假定。按现行的国家《规范》对玻璃骨料混凝土柱进行正截面承载力计算，试验实测值与计算值较为接近。

4)用废弃玻璃骨料替代天然骨料是可行的。由于取代细骨料可以避免碱骨料反应，因此，可以100%地替代普通砂，且性能满足要求。

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