張鋒劍,朱麗華,王浩楠,武海榮,師 政,4,曹夫利,4,張 遠(yuǎn),4
(1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院,河南 平頂山 467036; 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055;3.長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710061; 4.華北水利水電大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院,河南 鄭州 450011)
近年來(lái),我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)迅速發(fā)展,但也產(chǎn)生了很多建筑垃圾,與此同時(shí)天然粗骨料也越來(lái)越缺乏,利用建筑垃圾生產(chǎn)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(jīng)破碎后獲得的再生粗骨料微裂縫多、壓碎指標(biāo)高、吸水率大等缺陷,影響了配制混凝土的力學(xué)性能與耐久性[4].近年來(lái),再生粗骨料強(qiáng)化方法研究較多[5-7],主要方法有物理強(qiáng)化法[8]和化學(xué)強(qiáng)化法[9-11],再生骨料通過強(qiáng)化可以提升配置混凝土的力學(xué)性能[12].
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)強(qiáng)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(duì)強(qiáng)化后再生骨料所制作的構(gòu)件抗震性能研究較少.為此,本文通過普通混凝土柱和強(qiáng)化再生骨料混凝土柱的擬靜力試驗(yàn),研究其滯回曲線、骨架曲線、延性、剛度退化、耗能能力和強(qiáng)度衰減等指標(biāo),并提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議.
試驗(yàn)所用粗骨料分為天然粗骨料(NCA)、再生粗骨料(RCA)和強(qiáng)化再生粗骨料(ERCA).天然粗骨料為普通碎石,連續(xù)級(jí)配,粒徑為(5~40 mm);再生粗骨料是通過實(shí)驗(yàn)室廢棄構(gòu)件破碎制備,粒徑為(5~40 mm);強(qiáng)化再生粗骨料是將再生粗骨料經(jīng)過外摻10%硅粉的水泥漿液(水灰比為1.1∶1)浸泡4小時(shí)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(biāo)
表2 粗骨料基本力學(xué)性能
配置標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊[14]進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,試塊與試驗(yàn)試件同時(shí)澆筑,測(cè)得混凝土強(qiáng)度指標(biāo)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(yù)留3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件,測(cè)得力學(xué)性能指標(biāo)見表3.
表3 混凝土及鋼筋材料性能
為了對(duì)比普通混凝土柱與強(qiáng)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(duì)粗骨料強(qiáng)化的再生混凝土柱抗震性能的影響,試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了3個(gè)普通混凝土柱和5個(gè)強(qiáng)化再生骨料混凝土柱,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,尺寸等參數(shù)見圖1和表4.為控制各試件有效水灰比[1]一致,強(qiáng)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(jì)算確定,在拌制時(shí)與自由水一并加入攪拌,詳細(xì)配合比見表5.
圖1 試件截面及配筋
表4 試件尺寸、參數(shù)
表5 混凝土配合比
擬靜力試驗(yàn)的豎向荷載由軸壓比確定,并在試驗(yàn)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(jí)差逐級(jí)加載,每級(jí)循環(huán)1次,當(dāng)縱筋達(dá)到屈服強(qiáng)度后使用位移控制加載,位移控制加載級(jí)差取柱頂屈服位移,每一級(jí)循環(huán)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
柱ERCA-0.25-1.28與柱ERCA-0.40-1.99發(fā)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(cè)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(dāng)水平裂縫延伸至縱筋位置時(shí),裂縫與水平面之間的夾角開始增大,水平位移繼續(xù)增大,縱向鋼筋屈服.
隨加載繼續(xù)進(jìn)行,斜裂縫出現(xiàn),水平裂縫產(chǎn)生的位置變高,并不斷向中性軸延伸,在反復(fù)荷載作用下,柱根部的水平裂縫相互延伸并貫通.當(dāng)荷載加至極值Pmax后,斜裂縫傾角大于45°,斜裂縫的發(fā)展明顯快于水平裂縫,同時(shí)混凝土保護(hù)層出現(xiàn)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(dāng)荷載降至0.85Pmax后,試驗(yàn)結(jié)束,此時(shí)縱筋屈服,塑性鉸區(qū)混凝土壓碎,破壞形態(tài)見圖4.
普通混凝土柱NCA-0.10-1.99、NCA-0.25-1.99、NCA-0.40-1.99與強(qiáng)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(fā)生了典型的彎曲破壞.
加載初期,試件處于彈性階段,當(dāng)水平荷載超過0.1Pmax時(shí),柱出現(xiàn)水平裂縫;隨著水平荷載的增大,柱頂側(cè)向位移也隨之增大,NCA柱和ERCA柱的水平裂縫數(shù)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(xù)增大,塑性鉸區(qū)混凝土表面出現(xiàn)少量豎向裂縫,當(dāng)水平裂縫向內(nèi)延伸約75 mm以后,縱筋屈服,繼續(xù)加載,框架柱根部出現(xiàn)的水平裂縫多而密,隨后逐漸向內(nèi)部延伸,裂縫寬度增大并貫通,混凝土保護(hù)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(yàn)結(jié)束.
各試件破壞形態(tài)見圖4,根據(jù)圖4(a)、(d)、(e)、(f)、(g)與(h),ERCA框架柱在軸壓比適中時(shí)破壞不嚴(yán)重,與NCA框架柱相比無(wú)明顯劣勢(shì),軸壓比較大時(shí)破壞嚴(yán)重.
圖4 試件破壞形態(tài)
觀察圖4(b)、(c)、(d),ERCA柱破壞受體積配箍率影響明顯,適當(dāng)增大體積配箍率可以減少混凝土脫落.
各試件滯回曲線見圖5所示.
根據(jù)圖5各試件有如下特征:
(1)加載初期,試件處于線彈性狀態(tài),試件在荷載下的變形可以完全恢復(fù),滯回曲線近似為一條直線,此階段無(wú)地震能量的吸收,試件剛度不變.隨后試件進(jìn)入彈塑性狀態(tài),試件產(chǎn)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(huán)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(huán)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(fā)現(xiàn),兩種混凝土試件滯回環(huán)均有不同程度捏縮現(xiàn)象,與NCA框架柱滯回環(huán)相比,ECRA框架柱滯回環(huán)雖然較為扁平,但并沒有明顯劣勢(shì),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
根據(jù)試件滯回曲線(見圖5),繪制出頂點(diǎn)荷載-位移(P—Δ)骨架曲線,如圖6所示,相關(guān)特征值見表6.
表6 試驗(yàn)實(shí)測(cè)特征值與位移延性系數(shù)
(1)軸壓比為0.10、0.25、0.40時(shí),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(qiáng)化方式對(duì)承載力的提升效果明顯.軸壓比為0.40時(shí)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(shí)嚴(yán)重;軸壓比為0.25時(shí)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(shí)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(shí),ERCA柱的極限變形能力差于NCA柱,但承載能力達(dá)到峰值時(shí),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(duì)完整,幾何形狀規(guī)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(huì)立即下落,仍會(huì)在裂縫中分擔(dān)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(duì)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(fā)現(xiàn)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(dá)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(duì)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(nèi)通過增大軸力提高其抗震性是可行的.
(3)當(dāng)軸壓比為0.25時(shí),ERCA柱與體積配箍率為1.99%、1.66%和1.26%相應(yīng)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(duì)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(dá)到峰值點(diǎn)之后,幾乎沿直線下降.對(duì)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(diǎn)低,達(dá)到峰值點(diǎn)后,曲線迅速下降,但加載結(jié)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(duì)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(lái)改善.
對(duì)于框架柱而言,延性是衡量變形能力的重要參數(shù),是衡量結(jié)構(gòu)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(jù)通用“屈服彎矩法確定”,如圖7,計(jì)算結(jié)果見表6.
圖7 屈服彎矩法
(1)普通混凝土柱與強(qiáng)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(shù).當(dāng)軸壓比為0.10時(shí),ERCA試件的延性系數(shù)較NCA試件降低1.3%;當(dāng)軸壓比為0.25時(shí),ERCA試件比NCA試件的延性系數(shù)高49.8%;軸壓比為0.40時(shí),兩者延性系數(shù)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(shù),軸壓比越高,NCA試件的延性系數(shù)越低,NCA試件延性系數(shù)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(shù)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(shù)較試件ERCA-0.25-1.99降低明顯47.0%,表明軸壓比在該增長(zhǎng)范圍內(nèi),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(yīng)的延性系數(shù)分別為7.61、7.15和6.51,表明提高體積配箍率會(huì)改善ERCA柱的延性性能.
(4)破壞形態(tài)與延性系數(shù)
圖8為框架柱位移延性系數(shù)與破壞形態(tài)的關(guān)系,發(fā)生彎曲破壞的試件延性更好.
圖8 位移延性系數(shù)與破壞形態(tài)關(guān)系
在低周往復(fù)加載試驗(yàn)中,常常取折算割線剛度來(lái)替代切線剛度,其基本公式為
(4)
圖9 柱剛度退化對(duì)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(shí),NCA柱與ERCA柱剛度退化基本一致;軸壓比為0.25時(shí),NCA柱與ERCA柱剛度退化有所差異,在相同位移下,ERCA柱相對(duì)剛度大于NCA柱;軸壓比為0.10時(shí),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(jù)圖9(d)、(e),軸壓比為0.10時(shí),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.
按等效粘滯阻尼系數(shù)he[16]計(jì)算方法,算出各試件等效粘滯阻尼系數(shù),見表7,圖10為he與位移Δ關(guān)系.
表7 試件等效粘滯阻尼系數(shù)計(jì)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(shí),NCA試件與ERCA試件等效粘滯阻尼系數(shù)有較大差異,NCA試件等效粘滯阻尼系數(shù)大,耗能性能好,隨著位移增大,二者差距越來(lái)越大,在位移為20 mm時(shí)差距最大,隨后NCA試件等效粘滯阻尼系數(shù)逐漸降低,并在位移為32 mm左右時(shí)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(shí),NCA試件與ERCA試件等效粘滯阻尼系數(shù)穩(wěn)步上升,NCA試件耗能能力一直比ERCA試件強(qiáng).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(shù)較小,在位移達(dá)到10 mm后,NCA試件耗能能力開始強(qiáng)于ERCA試件且二者差距逐漸拉大.NCA耗能性能優(yōu)于ERCA耗能性能.
(2)變量為軸壓比
對(duì)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(guī)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(dá)25 mm左右時(shí)三條曲線交匯于一點(diǎn),試件接近破壞時(shí),軸壓比越大,三者耗能能力越小.對(duì)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(dá)到30 mm左右時(shí),耗能能力有所差異,軸壓比為0.10的試件耗能能力穩(wěn)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(gè)試件在加載前期等效粘滯阻尼系數(shù)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(zhǎng)緩慢,加載后期,配箍率為1.66%的試件耗能能力最強(qiáng),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(shù)對(duì)比
強(qiáng)度衰減[15]是試件在同一位移下往復(fù)加載中,承載力有所降低的現(xiàn)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(qiáng)度衰減對(duì)比
由圖11(a)、(b)和(c),軸壓比為0.10時(shí),兩種混凝土試件的強(qiáng)度衰減系數(shù)及變化規(guī)律相似,再生混凝土試件無(wú)明顯劣勢(shì);軸壓比為0.25時(shí),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(shí),兩種試件的強(qiáng)度衰減曲線差異較大,可以看到高軸壓比時(shí)NCA試件強(qiáng)度衰減較嚴(yán)重.總體上看,ERCA試件在抵抗強(qiáng)度衰減方面稍有優(yōu)勢(shì).
(2)變量為軸壓比
由圖11(d),對(duì)于ERCA試件,隨著軸壓比增大,試件強(qiáng)度衰減并沒有明顯的減小或增大,但強(qiáng)度衰減曲線的上下波動(dòng)范圍變大,穩(wěn)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(shí),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(qiáng)度衰減明顯,到軸壓比0.40時(shí),強(qiáng)度衰減更加明顯.
(3)變量為體積配箍率
由圖11(f),試件強(qiáng)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(qiáng)度衰減更嚴(yán)重,對(duì)于配箍率為1.28%的試件,強(qiáng)度衰減曲線與前兩種試件相差較大,強(qiáng)度衰減嚴(yán)重,加載后期強(qiáng)度衰減更加嚴(yán)重.總體而言,ERCA試件隨著體積配箍率減小,強(qiáng)度衰減更嚴(yán)重.
圖11 各柱強(qiáng)度衰減對(duì)比
(1)在低軸壓比(0.10和0.25)作用下,強(qiáng)化骨料再生混凝土柱與普通混凝土柱的抗震性能無(wú)明顯差異,強(qiáng)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(shí),ERCA柱承載力較NCA柱稍大,表明強(qiáng)化再生粗骨料混凝土柱的承載性能有所提高,該強(qiáng)化方式對(duì)承載力的提升效果明顯.
(3)通過增大強(qiáng)化骨料再生混凝土柱體積配箍率,可以提高強(qiáng)化再生骨料混凝土柱變形能力和承載力,減小強(qiáng)度衰減,降低剛度退化速度,增強(qiáng)其抗震性能.
(4)針對(duì)強(qiáng)化再生骨料混凝土柱的實(shí)際工程應(yīng)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(fā)揮,并能保證結(jié)構(gòu)的承載能力及延性性能.