不同再生粗骨料取代率对再生混凝土短柱承载能力的影响研究

杨维威 （中国建筑土木建设有限公司，北京 100071）

再生混凝土是指将混凝土工程改扩建产生的废弃混凝土块，经破碎、清洗和分级处理后混合天然骨料所制备的新混凝土[1-3]。该技术的应用能够有效提升混凝土材料的利用率，解决废弃混凝土对环境产生的不利影响，具有广泛应用价值。混凝土短柱是建筑工程中常用结构之一，其承载能力水平对建筑结构稳定性也会产生一定影响[4]。目前，国内学界已经针对再生混凝土开展一系列研究，但研究内容大多集中于再生混凝土材料的自身性能，试验中所使用的试件以混凝土梁为主，而再生混凝土短柱的研究内容相对较少[5-7]。由此出发，结合常规混凝土短柱承载能力研究方法，对再生混凝土短柱开展轴心受压试验并对比普通混凝土短柱承载能力，分析各再生骨料取代率条件下的混凝土短柱承载能力差异，以期为相关工程实践带来启发。

1 试验设计

1.1 试验材料

所用再生粗骨料原材料取自某建筑工程改扩建产生的废弃混凝土，经破碎、清洗、筛分后制备再生粗骨料，该建筑工程原有混凝土强度等级为C30。试验中所用水泥材料为P·O 32.5 普通硅酸盐水泥，所用再生粗骨料为5mm～20mm连续级配碎石，天然粗骨料为5mm～20mm连续级配碎石，两者具体性能水平测试结果如表1所示。所用细骨料为天然河砂，试验中所用水均为自来水。

表1 粗骨料性能水平

结合表1数据可知，天然粗骨料和再生骨料基本性能测试结果不尽相同，其中再生骨料吸水率更高，压碎指标也相对更高，堆积密度和表观密度则相对略低。究其原因在于再生骨料自身强度较低且结构中存在大量孔隙，这是再生粗骨料结构表面存在大量水泥砂浆所导致。

1.2 配合比

根据再生粗骨料取代率不同设置4组试验组，记为PC-0、PC-5、PC-10、PC-15，分别对应普通混凝土试件和再生粗骨料取代率为5%、10%、15%的再生混凝土试件，此处应注意再生粗骨料吸水量是天然粗骨料的数倍，因而随再生粗骨料取代率增加，掺水量也进行补偿性提升。具体配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比/kg/m3

1.3 力学性能

首先，根据前面所述配合比及粗骨料取代率分别制备标准立方体试块，尺寸为150mm×150mm×150mm，分别测定各组混凝土立方体试件抗压强度，而后取样各组混凝土纵向钢筋并测定其弹性模量、极限强度和屈服强度等参数，所得结果如表3所示。

表3 钢筋混凝土各项力学性能指标测试结果

根据前述各试验组配合比分别制备混凝土短柱试件12 个，其中包含再生粗骨料混凝土短柱9 个和普通混凝土短柱3个，各混凝土短柱试件均为截面200mm×200mm、高600mm的立方体混凝土短柱，试件长细比为3，属于混凝土短柱范围。在混凝土短柱侧面的中心位置及纵向钢筋中心位置分别设置电阻应变片，后续加载时即可直接读取轴心荷载条件下混凝土压应变和钢筋压应变。同时，在混凝土短柱顶部和底部分别设置一块钢板，以避免混凝土短柱出现局部受压破坏问题，钢板厚度取14mm。除前文差异外，各组混凝土短柱试件配筋等其他因素均无明显差异。

1.4 加载方式

在混凝土短柱垂直方向跨中1/4 节点位置设置位移计，读取轴心压力条件下混凝土短柱侧向变形情况，并在混凝土短柱轴心方向上平行布置一个200mm量程的位移计读取混凝土短柱试件受压条件下产生的轴向变形。轴心加压通过500t 液压式万能试验机开展，加载过程中首先预加载50kN，待压力稳定后逐渐逐级加压、分级加载，单次加压水平为极限荷载10%左右。当轴心压力接近极限荷载时进一步放缓加压速率，到荷载停止增加时停止加压并记录数据，各试件均加压1h左右。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

混凝土短柱试件加压直至破坏过程可大致分为三个阶段[8-10]。

（1）弹性阶段。这一阶段外加荷载水平较小，混凝土短柱试件在压力条件下依旧能够处于稳定状态，钢筋和混凝土构件虽然发生形变但均属于弹性形变，两者压应变变化幅度较小。

（2）带裂缝阶段。这一过程中荷载已经提升至较高水平，混凝土短柱底部或顶部已经逐渐产生微小纵向裂缝，且各组混凝土短柱出现裂缝的时间有早有晚，再生骨料取代率越高的混凝土短柱出现裂缝时间越早，而后随荷载水平进一步增加。压缩变形速率突然大幅提升，该速率此时增加速度远高于荷载提升速度，换言之荷载和应变之间并非线性关系，且这一过程中钢筋压应变变化速率显著高于混凝土。荷载水平进一步增加过程中混凝土短柱试件纵向裂缝的长度、宽度逐渐增加。

（3）荷载水平较高条件下混凝土结构已经达到极限压应变，这一状态下混凝土出现主裂缝且伴随产生大量宽度长度均较大的小裂缝，短柱试件发生破坏。

2.2 应变分析

各组混凝土短柱试件在轴心荷载下发生破坏过程中的纵向变形情况如图1所示，图1中各项数据均为各组3个试件所得结果平均值。

图1 荷载-位移曲线

结合图1 数据可知，在轴心荷载不断增加过程中，不同再生骨料取代率条件下混凝土短柱试件基本保持大致相同的破坏过程，其中再生骨料取代率为5%的混凝土短柱试件对应的荷载-位移曲线和普通混凝土短柱试件大致相同，而进一步增加再生骨料取代率至10%和15%时，位移随荷载增加而表现出更明显的变化趋势[11-12]。

记录数据并绘制钢筋跨中荷载-应变曲线如图2所示，混凝土荷载-应变曲线如图3所示。

图2 钢筋跨中荷载-应变

图3 混凝土荷载-应变

由图2、图3可知，在试验施加荷载范围内，不同试验组混凝土短柱在界面上承受的应力应变水平均处于相对均匀状态，有利于混凝土受压性能的发挥，且钢筋、混凝土压应变水平之间大致相同。其中，荷载处于较低水平时，随轴向压力提升混凝土短柱竖向位移的发展呈现出接近线性发展的趋势；但进一步增加荷载至较高水平时，混凝土材料结构非线性导致轴向位移和轴向压力之间脱离线性关系，这一条件下试件变形速率明显比荷载增加速率更快，且这一特征随再生骨料取代率增加并未出现变化[13]。

2.3 承载力分析

试验过程中各组混凝土短柱试件最大承载能力见表4。

表4 混凝土短柱试件承载能力汇总

结合表4可知，试件开裂荷载随再生骨料取代率提升而逐渐降低，其中再生骨料取代率为5%和15%时各存在一个试件出现承载能力计算值低于试验所得数值的问题，但仅有这两试件出现，经分析可能由于数据读数误差等人为因素导致。混凝土短柱试件承载力随再生骨料取代率提升而降低，但降低幅度处于较低水平，其中再生骨料取代率提升至15%时，承载力仅比普通混凝土短柱试件承载力低约10%～15%。提升荷载水平至极限荷载，此时随着再生骨料取代率增加，混凝土短柱裂缝宽度最大值也有所提升，其中再生骨料取代率为15%的混凝土短柱试件最大裂缝宽度可达15mm，而普通混凝土短柱试件最大裂缝宽度仅为5mm。观察压碎后混凝土短柱剥落残渣可知，脱落残渣部分源自水泥凝胶和粗骨料结合面粘结破坏。

3 结语

综上所述，随再生骨料取代率提升，混凝土短柱承载力水平出现一定程度的下降，其中再生骨料取代率为15%时，试件承载力水平相较普通混凝土试件降低10%～15%。普通混凝土短柱试件和再生混凝土短柱试件之间保持大致相同的破坏形式。再生混凝土短柱承载能力的判断方式尚需进一步研究，适宜掺量条件下再生混凝土短柱具备工程应用价值。