強化再生骨料混凝土柱抗震性能研究

張鋒劍，朱麗華，王浩楠，武海榮，師 政,4，曹夫利,4，張 遠,4

(1.河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036； 2.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055；3.長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061； 4.華北水利水電大學 土木與交通工程學院，河南 鄭州 450011)

近年來，我國基礎建設迅速發展，但也產生了很多建筑垃圾，與此同時天然粗骨料也越來越缺乏，利用建筑垃圾生產再生骨料混凝土便成為解決以上問題的途徑之一[1-3].由于建筑垃圾經破碎后獲得的再生粗骨料微裂縫多、壓碎指標高、吸水率大等缺陷，影響了配制混凝土的力學性能與耐久性[4].近年來，再生粗骨料強化方法研究較多[5-7]，主要方法有物理強化法[8]和化學強化法[9-11]，再生骨料通過強化可以提升配置混凝土的力學性能[12].

目前，國內外學者對強化骨料再生混凝土主要集中到混凝土材料性能方面的研究[13]，對強化后再生骨料所制作的構件抗震性能研究較少.為此，本文通過普通混凝土柱和強化再生骨料混凝土柱的擬靜力試驗，研究其滯回曲線、骨架曲線、延性、剛度退化、耗能能力和強度衰減等指標，并提出結構設計建議.

1 試驗概況

1.1 材料試驗

試驗所用粗骨料分為天然粗骨料(NCA)、再生粗骨料(RCA)和強化再生粗骨料(ERCA).天然粗骨料為普通碎石，連續級配，粒徑為(5～40 mm)；再生粗骨料是通過實驗室廢棄構件破碎制備，粒徑為(5～40 mm)；強化再生粗骨料是將再生粗骨料經過外摻10%硅粉的水泥漿液(水灰比為1.1∶1)浸泡4小時后得到，硅粉物理性能見表1，三種粗骨料性能見表2.

表1 硅粉物理性能指標

表2 粗骨料基本力學性能

配置標準混凝土立方體試塊[14]進行抗壓強度試驗，試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試塊與試驗試件同時澆筑，測得混凝土強度指標見表3.各試件箍筋采用HPB300鋼筋，縱筋采用HRB400鋼筋，每種鋼筋分別預留3個標準拉伸試件，測得力學性能指標見表3.

表3 混凝土及鋼筋材料性能

1.2 試件設計

為了對比普通混凝土柱與強化再生骨料混凝土柱的抗震性能，研究軸壓比和體積配箍率對粗骨料強化的再生混凝土柱抗震性能的影響，試驗設計制作了3個普通混凝土柱和5個強化再生骨料混凝土柱，混凝土強度等級為C30，尺寸等參數見圖1和表4.為控制各試件有效水灰比[1]一致，強化再生骨料混凝土采用添加附加水的方法確定最終配合比，其中附加水以粗骨料10 min吸水率計算確定，在拌制時與自由水一并加入攪拌，詳細配合比見表5.

圖1 試件截面及配筋

表4 試件尺寸、參數

表5 混凝土配合比

1.3 加載方式

擬靜力試驗的豎向荷載由軸壓比確定，并在試驗過程中保持恒定[14].水平加載采用力-位移混合加載制度，首先以10 kN為級差逐級加載，每級循環1次，當縱筋達到屈服強度后使用位移控制加載，位移控制加載級差取柱頂屈服位移，每一級循環3次.加載裝置如圖2，加載制度如圖3.

圖2 加載裝置示意圖

圖3 加載制度

2 破壞過程及破壞形態

2.1 彎剪破壞

柱ERCA-0.25-1.28與柱ERCA-0.40-1.99發生了彎剪破壞，具體破壞過程如下：

加載初期，柱頂荷載-位移基本呈斜直線，荷載隨側向位移增大而增大，表明試件基本處于彈性階段.隨位移增大，框架柱根部混凝土開裂后，裂縫水平延伸、變寬，當水平裂縫延伸至縱筋位置時，裂縫與水平面之間的夾角開始增大，水平位移繼續增大，縱向鋼筋屈服.

隨加載繼續進行，斜裂縫出現，水平裂縫產生的位置變高，并不斷向中性軸延伸，在反復荷載作用下，柱根部的水平裂縫相互延伸并貫通.當荷載加至極值Pmax后，斜裂縫傾角大于45°，斜裂縫的發展明顯快于水平裂縫，同時混凝土保護層出現豎向裂縫并開始剝落，縱筋屈曲向外凸起，部分箍筋及縱筋裸露；當荷載降至0.85Pmax后，試驗結束，此時縱筋屈服，塑性鉸區混凝土壓碎，破壞形態見圖4.

2.2 彎曲破壞

普通混凝土柱NCA-0.10-1.99、NCA-0.25-1.99、NCA-0.40-1.99與強化再生骨料混凝土柱ERCA-0.10-1.99、ERCA-0.25-1.66、ERCA-0.25-1.99都發生了典型的彎曲破壞.

加載初期，試件處于彈性階段，當水平荷載超過0.1Pmax時，柱出現水平裂縫；隨著水平荷載的增大，柱頂側向位移也隨之增大，NCA柱和ERCA柱的水平裂縫數量逐漸增加，水平裂縫的位置升高，原水平裂縫向中性軸延伸.

隨荷載繼續增大，塑性鉸區混凝土表面出現少量豎向裂縫，當水平裂縫向內延伸約75 mm以后，縱筋屈服，繼續加載，框架柱根部出現的水平裂縫多而密，隨后逐漸向內部延伸，裂縫寬度增大并貫通，混凝土保護層開始脫落，縱筋屈曲和外凸使箍筋及縱筋裸露，荷載下降至0.85Pmax試驗結束.

2.3 各試件破壞形態對比

各試件破壞形態見圖4，根據圖4(a)、(d)、(e)、(f)、(g)與(h)，ERCA框架柱在軸壓比適中時破壞不嚴重，與NCA框架柱相比無明顯劣勢，軸壓比較大時破壞嚴重.

圖4 試件破壞形態

觀察圖4(b)、(c)、(d)，ERCA柱破壞受體積配箍率影響明顯，適當增大體積配箍率可以減少混凝土脫落.

3 滯回特性

3.1 滯回曲線

各試件滯回曲線見圖5所示.

根據圖5各試件有如下特征：

(1)加載初期，試件處于線彈性狀態，試件在荷載下的變形可以完全恢復，滯回曲線近似為一條直線，此階段無地震能量的吸收，試件剛度不變.隨后試件進入彈塑性狀態，試件產生裂縫，滯回曲線由直變曲，試件剛度減小，消耗地震能量.屈服位移后，滯回環包圍的面積逐漸增大，更加飽滿，試件吸收能量更多.峰值荷載后，試件承載力下降，滯回環更加扁平，耗能能力下降.

(2)觀察圖5(a)和(f)、(d)和(g)、(e)和(h)可以發現，兩種混凝土試件滯回環均有不同程度捏縮現象，與NCA框架柱滯回環相比，ECRA框架柱滯回環雖然較為扁平，但并沒有明顯劣勢，抗震能力相差不大，主要由于硅粉的顆粒微小，混凝土很致密，使抗震性能有所提高.

圖5 試件滯回曲線

3.2 骨架曲線

根據試件滯回曲線(見圖5)，繪制出頂點荷載-位移(P—Δ)骨架曲線，如圖6所示，相關特征值見表6.

表6 試驗實測特征值與位移延性系數

(1)軸壓比為0.10、0.25、0.40時，ERCA柱承載力的平均值較NCA柱分別增大10.3%、1.3%和4.1%，該強化方式對承載力的提升效果明顯.軸壓比為0.40時圖6(c)，從骨架曲線可以看出，NCA柱的推、拉承載力之差較大，這表明NCA柱的損傷累積在高軸壓比時嚴重；軸壓比為0.25時圖6(b)，ERCA柱與NCA柱承載力基本一致，但前者極限變形較大；軸壓比為0.10時圖6(a)，NCA柱的極限位移大于ERCA柱的極限位移，這表明在低軸壓比時，ERCA柱的極限變形能力差于NCA柱，但承載能力達到峰值時，ERCA柱的承載能力迅速下降，破壞速度更快.原因分析：NCA柱開裂后，由于骨料相對完整，幾何形狀規則，破碎的混凝土較快掉落，而ERCA柱的破碎混凝土，棱角較多，不會立即下落，仍會在裂縫中分擔一部分承載力，減緩了試件的破壞速度，但是在高軸壓比作用下，ERCA柱的破壞速度加快.

圖6 試件骨架曲線對比圖

(2)由表6可見，NCA柱與ERCA柱隨軸壓比增大，水平承載力提高.由圖6-d和圖6-e，可以發現軸壓比是兩種框架柱骨架曲線的重要影響因素，試件的初始剛度及水平承載力隨著軸壓比的增加而增大.高軸壓比試件載荷達到峰值以后，承載力下降較快，且延性低，在低軸壓比的情況下，承載力下降平緩.NCA試件極限變形能力隨著軸壓比增大而降低，而對于ERCA試件，軸壓比增大過程中，極限變形先升后降，說明在一定范圍內通過增大軸力提高其抗震性是可行的.

(3)當軸壓比為0.25時，ERCA柱與體積配箍率為1.99%、1.66%和1.26%相應的水平承載力平均值分別為114.6 kN、109.9 kN和103.9 kN，表明ERCA柱的承載力隨體積配箍率降低而減小.由圖6-f，體積配箍率是ERCA試件骨架曲線的重要影響因素.對于高體積配箍率試件，由曲線前半段看出，試件的剛度下降緩慢，曲線達到峰值點之后，幾乎沿直線下降.對于低體積配箍率試件，由曲線前半段看出，試件的剛度下降較快，曲線峰值點低，達到峰值點后，曲線迅速下降，但加載結束之前，曲線下降速率變小.試件的極限變形能力、承載力和剛度都隨著體積配箍率的增加而增加，表明箍筋和縱向鋼筋對混凝土有很好的約束作用，ERCA試件的抗震性能可以通過提高體積配箍率來改善.

3.3 變形能力

對于框架柱而言，延性是衡量變形能力的重要參數，是衡量結構或試件在破壞前所能承受的彈塑性變形的能力[15].本文將延性定義為極限位移與屈服位移的比值，見下式.

(1)

(2)

(3)

式中：Δy的取值根據通用“屈服彎矩法確定”，如圖7，計算結果見表6.

圖7 屈服彎矩法

(1)普通混凝土柱與強化再生骨料混凝土柱比較

在體積配箍率和軸壓比相同的情況下，比較NCA試件和ERCA試件的延性系數.當軸壓比為0.10時，ERCA試件的延性系數較NCA試件降低1.3%；當軸壓比為0.25時，ERCA試件比NCA試件的延性系數高49.8%；軸壓比為0.40時，兩者延性系數相近，可以得出，ERCA試件擁有良好的延性性能.

(2)變量為軸壓比

觀察不同試件的延性系數，軸壓比越高，NCA試件的延性系數越低，NCA試件延性系數受軸壓比影響較大，可以通過降低軸壓比提高其抗震性能.試件ERCA-0.10-1.99和ERCA-0.25-1.99延性系數分別為7.90和7.61，表明軸壓比由0.10增大至0.25，試件變形能力并未明顯減低；試件ERCA-0.40-1.99的延性系數較試件ERCA-0.25-1.99降低明顯47.0%，表明軸壓比在該增長范圍內，ERCA柱的變形性能大幅度降低.

(3)變量為體積配箍率

ERCA柱與體積配箍率為1.99%、1.66%和1.26%相應的延性系數分別為7.61、7.15和6.51，表明提高體積配箍率會改善ERCA柱的延性性能.

(4)破壞形態與延性系數

圖8為框架柱位移延性系數與破壞形態的關系，發生彎曲破壞的試件延性更好.

圖8 位移延性系數與破壞形態關系

3.4 剛度退化

在低周往復加載試驗中，常常取折算割線剛度來替代切線剛度，其基本公式為

(4)

圖9 柱剛度退化對比

(1)NCA柱與ERCA柱剛度退化差異由圖9(a)、(b)、(c)可知，軸壓比為0.40時，NCA柱與ERCA柱剛度退化基本一致；軸壓比為0.25時，NCA柱與ERCA柱剛度退化有所差異，在相同位移下，ERCA柱相對剛度大于NCA柱；軸壓比為0.10時，與ERCA柱相比，NCA柱剛度退化先慢后快，兩種材料柱剛度退化相差不大.

(2)變量為軸壓比

根據圖9(d)、(e)，軸壓比為0.10時，NCA柱水平位移由4 mm至10 mm加載過程中，剛度退化速度較快，之后剛度退化速度減緩；ERCA柱的剛度退化曲線較為接近，表明剛度退化受軸壓比影響較小.

(3)變量為體積配箍率

由圖9(f)，三條曲線的前半段基本重合，剛度退化程度基本相同，曲線后半段，配箍率為1.99%的試件剛度退化最慢，增大配箍率有助于減緩剛度退化.

3.5 能量耗散

按等效粘滯阻尼系數he[16]計算方法，算出各試件等效粘滯阻尼系數，見表7，圖10為he與位移Δ關系.

表7 試件等效粘滯阻尼系數計算值

(1)NCA柱與ERCA柱耗能差異

由圖10(a)可以看到，軸壓比為0.10，在位移不大時，NCA試件與ERCA試件等效粘滯阻尼系數有較大差異，NCA試件等效粘滯阻尼系數大，耗能性能好，隨著位移增大，二者差距越來越大，在位移為20 mm時差距最大，隨后NCA試件等效粘滯阻尼系數逐漸降低，并在位移為32 mm左右時小于ERCA試件，加載末期NCA試件耗能能力低于ERCA試件.由圖10(b)，軸壓比為0.25時，NCA試件與ERCA試件等效粘滯阻尼系數穩步上升，NCA試件耗能能力一直比ERCA試件強.由圖10(c)，軸壓比為0.40，加載初期ERCA試件等效粘滯阻尼系數較小，在位移達到10 mm后，NCA試件耗能能力開始強于ERCA試件且二者差距逐漸拉大.NCA耗能性能優于ERCA耗能性能.

(2)變量為軸壓比

對于NCA試件如圖10(d)，曲線的前半段，隨著軸壓比增大，試件耗能能力下降，且隨著位移增加，三者有規律地依次降低，軸壓比為0.10的試件先下降，其次是軸壓比為0.25的試件，最后是軸壓比為0.40的試件，在位移到達25 mm左右時三條曲線交匯于一點，試件接近破壞時，軸壓比越大，三者耗能能力越小.對于ERCA試件，如圖10(e)，三者耗能能力在前半段很接近，在位移達到30 mm左右時，耗能能力有所差異，軸壓比為0.10的試件耗能能力穩步上升，軸壓比為0.40的試件耗能能力上升最快，軸壓比為0.25的試件耗能能力上升較慢.總體而言，NCA試件耗能能力受軸壓比影響較大，ERCA試件耗能能力受軸壓比影響較小.

(3)變量為體積配箍率

分析ERCA試件耗能性能受體積配箍率影響如圖10(f)，三個試件在加載前期等效粘滯阻尼系數基本相同，耗能能力相近，隨著位移增大，配箍率為1.99%的試件耗能能力增長緩慢，加載后期，配箍率為1.66%的試件耗能能力最強，說明要合理選擇配箍率，以提高試件耗能能力.

圖10 等效粘滯阻尼系數對比

3.6 強度衰減

強度衰減[15]是試件在同一位移下往復加載中，承載力有所降低的現象.承載力衰減率λi用公式表示如下.

(5)

(1)NCA試件與ERCA試件強度衰減對比

由圖11(a)、(b)和(c)，軸壓比為0.10時，兩種混凝土試件的強度衰減系數及變化規律相似，再生混凝土試件無明顯劣勢；軸壓比為0.25時，兩種試件的曲線稍有差異，但總體變化保持一致；軸壓比為0.40時，兩種試件的強度衰減曲線差異較大，可以看到高軸壓比時NCA試件強度衰減較嚴重.總體上看，ERCA試件在抵抗強度衰減方面稍有優勢.

(2)變量為軸壓比

由圖11(d)，對于ERCA試件，隨著軸壓比增大，試件強度衰減并沒有明顯的減小或增大，但強度衰減曲線的上下波動范圍變大，穩定性下降.由圖(e)可以看到，NCA試件受軸壓比影響較大，軸壓比從0.10到0.25時，加載前期二者差距不大，但加載后期軸壓比為0.25的試件強度衰減明顯，到軸壓比0.40時，強度衰減更加明顯.

(3)變量為體積配箍率

由圖11(f)，試件強度衰減受體積配箍率影響較大，配箍率從1.99%到1.66%變化中，加載后期，試件強度衰減更嚴重，對于配箍率為1.28%的試件，強度衰減曲線與前兩種試件相差較大，強度衰減嚴重，加載后期強度衰減更加嚴重.總體而言，ERCA試件隨著體積配箍率減小，強度衰減更嚴重.

圖11 各柱強度衰減對比

4 結論

(1)在低軸壓比(0.10和0.25)作用下，強化骨料再生混凝土柱與普通混凝土柱的抗震性能無明顯差異，強化再生骨料性能可以充分利用.

(2)軸壓比為0.10、0.25、0.40時，ERCA柱承載力較NCA柱稍大，表明強化再生粗骨料混凝土柱的承載性能有所提高，該強化方式對承載力的提升效果明顯.

(3)通過增大強化骨料再生混凝土柱體積配箍率，可以提高強化再生骨料混凝土柱變形能力和承載力，減小強度衰減，降低剛度退化速度，增強其抗震性能.

(4)針對強化再生骨料混凝土柱的實際工程應用，通過降低軸壓比，提高體積配箍率，可使該類再生混凝土的性能充分發揮，并能保證結構的承載能力及延性性能.