成勇龍,付 國,張愛軍,張 博
(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)
再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete,簡稱“再生混凝土”)作為一種綠色環(huán)保建材,能夠有效減少廢棄混凝土排放,減輕環(huán)境負(fù)荷,促進(jìn)資源循環(huán)利用,受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-5],再生混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能已逐漸成為了學(xué)術(shù)界和工程界的熱點(diǎn)研究方向[6]。白國良等[2]、尹海鵬等[7]、王社良等[8,10-11]和李曉芳等[9]完成了再生混凝土柱的擬靜力試驗(yàn),結(jié)果表明:隨著再生骨料取代率增加,試件初始剛度、承載力和滯回耗能均呈下降趨勢,但未能闡明再生骨料取代率與再生混凝土柱抗震性能之間的量化關(guān)系;SARIBAS等[3]、FAN等[12]和MA等[13]研究了再生骨料摻量對抗震性能退化的影響規(guī)律,結(jié)果表明:再生混凝土柱和普通混凝土柱的破壞過程及性能退化規(guī)律基本類似?,F(xiàn)有研究多根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果和滯回曲線、骨架曲線對再生混凝土柱抗震性能進(jìn)行定性分析,而抗震性能量化和破壞準(zhǔn)則研究等方面開展還很不充分,開展再生混凝土柱破壞準(zhǔn)則研究對再生混凝土結(jié)構(gòu)震后損傷破壞評估及工程抗震加固具有十分重要的意義。
破壞準(zhǔn)則能夠準(zhǔn)確定義和量化結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞程度[14],單參數(shù)破壞準(zhǔn)則僅選取單一破壞指標(biāo)不足以全面反映結(jié)構(gòu)地震破壞規(guī)律和性能退化機(jī)理;Park-Ang雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則考慮了最大變形與累積滯回耗能對破壞的影響[15],在抗震性能量化研究中獲得廣泛應(yīng)用;延性破壞準(zhǔn)則充分考慮了變形能力強(qiáng)弱對破壞的影響[16],能較好地評估鋼筋混凝土柱在地震作用下的破壞程度。開展再生混凝土柱的破壞準(zhǔn)則研究和分析再生骨料摻量變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)抗震性能退化差異現(xiàn)象,能夠更好地反映再生混凝土柱的破壞機(jī)理,從而建立合理的可應(yīng)用于工程實(shí)踐的再生混凝土柱性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
鑒于此,本文基于已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了Park-Ang雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則和延性破壞準(zhǔn)則評估再生混凝土柱破壞的合理性;對再生混凝土柱的性能退化規(guī)律進(jìn)行研究,重點(diǎn)分析再生骨料取代率、再生混凝土強(qiáng)度與破壞指數(shù)的關(guān)系,給出了考慮骨料取代率影響的再生混凝土柱破壞準(zhǔn)則計(jì)算式。通過統(tǒng)計(jì)不同破壞程度下再生混凝土柱的破壞指數(shù)分布,建立再生混凝土柱的破壞量化標(biāo)準(zhǔn),研究成果可為再生混凝土柱的抗震性能研究提供參考。
對國內(nèi)外學(xué)者完成的63根再生混凝土柱擬靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算分析,試件編號、再生骨料替代率和混凝土強(qiáng)度見表1,模型詳細(xì)信息及加載制度見對應(yīng)文獻(xiàn),再生骨料來源包括廢棄建筑和廢棄路基等,基體混凝土(指加工成再生粗骨料的原始混凝土)強(qiáng)度略大于對應(yīng)再生混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度。
表1 試件基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of specimen
Park-Ang破壞準(zhǔn)則定義結(jié)構(gòu)的破壞由變形和累積耗能的共同作用引起[15],較好地考慮了首超破壞和累積損傷的影響,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
(1)
β=(-0.447+0.073λ+0.24n+0.314ρt)0.7ρω
(2)
式中:D為鋼筋混凝土柱的破壞指數(shù),δm為加載過程中的最大變形,δu為單調(diào)加載下的極限變形,由文獻(xiàn)[17]建議公式計(jì)算得出,?dE為累積塑性耗能,Qy為屈服強(qiáng)度,β為組合系數(shù),n為軸壓比,ρt為縱筋配筋率,ρω為體積配箍率。
延性破壞準(zhǔn)則考慮了不同變形能力鋼筋混凝土柱抗震性能的差異[16],較好地解釋了軸壓比、配箍率和加載制度對混凝土柱破壞的影響規(guī)律,其計(jì)算式如下:
(3)
式中:μi為第i個(gè)加載幅值對應(yīng)的延性系數(shù),βi為μi對應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù),μmax為單調(diào)加載下的延性系數(shù),μmax=δu/δy,δy為鋼筋混凝土柱屈服位移。
由于再生骨料內(nèi)部原始損傷以及新、老砂漿過渡區(qū)的影響,再生混凝土柱的延性、耗能能力和抗震性能較普通混凝土柱均有所降低[7, 26],但再生混凝土柱的破壞過程和性能退化規(guī)律與普通混凝土柱基本類似[27]。對表1中試件分別進(jìn)行了Park準(zhǔn)則和延性準(zhǔn)則計(jì)算研究,破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖1所示。
圖1 延性破壞準(zhǔn)則與Park-Ang準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果對比Fig. 1 Comparison between ductility failure criterionand Park-Ang criterion
由Park-Ang雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則計(jì)算得出的破壞指數(shù)DPark平均值2.219,標(biāo)準(zhǔn)差為0.663,高估了再生混凝土柱的破壞程度,計(jì)算結(jié)果表明由式(2)得出的組合參數(shù)β偏大,高估了再生混凝土柱滯回耗能對構(gòu)件破壞的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[28-29]研究成果,定義組合參數(shù)定值為0.05,調(diào)整后的Park-Ang破壞準(zhǔn)則(β=0.05)計(jì)算結(jié)果如圖2所示,破壞指數(shù)DPark,0.05平均值1.065,標(biāo)準(zhǔn)差0.230,能夠較好地定義再生混凝土柱的破壞。
圖2 調(diào)整組合參數(shù)β后Park-Ang準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果Fig. 2 Calculation results of Park-Ang criterion after adjusting the combination parameter β
由延性破壞準(zhǔn)則計(jì)算得出的破壞指數(shù)D延平均值為0.916,標(biāo)準(zhǔn)差為0.342,延性破壞準(zhǔn)則可以更好地實(shí)現(xiàn)再生混凝土柱的破壞量化研究。進(jìn)一步研究表明柱承載力退化程度越大,破壞指數(shù)也越大,根據(jù)承載力退化幅值對最終破壞指數(shù)重新進(jìn)行了計(jì)算。
當(dāng)加載至破壞極限狀態(tài)時(shí),41根再生混凝土柱承載力退化至峰值荷載的85%,15根柱承載力退化幅值未超過10%,7根柱承載力退化幅值超過20%。圖3是63根再生混凝土柱的承載力退化幅值統(tǒng)計(jì)圖,參考文獻(xiàn)[16]計(jì)算結(jié)果,定義承載力退化程度與承載力下降至峰值荷載85%時(shí)的破壞指數(shù)滿足式(4)。
圖3 承載力退化幅值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig. 3 Statistical results of carrying capacity degradation amplitude
(4)
式中:d為承載力退化值,d=Pu/Pmax,Pu為極限荷載,Pmax為峰值荷載,D0.85為承載力退化至峰值荷載85%時(shí)結(jié)構(gòu)的破壞指數(shù)。
按式(4)對承載力退化幅值小于10%和承載力退化幅值超過20%的部分再生混凝土柱破壞指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果見表2。
表2 承載力退化幅值對破壞指數(shù)影響Table 2 Influence of carrying capacity degradation amplitude on the failure index
未考慮承載力退化的延性準(zhǔn)則破壞指數(shù)平均值0.884,標(biāo)準(zhǔn)差0.399;統(tǒng)一承載力退化幅值后延性準(zhǔn)則破壞指數(shù)平均值0.882,標(biāo)準(zhǔn)差0.365,承載力退化對延性破壞準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果整體影響較小。但由表2可以看出:對部分試件,承載力退化對延性破壞準(zhǔn)則評估再生混凝土柱破壞的影響不能忽略,統(tǒng)一承載力標(biāo)準(zhǔn)后的延性破壞準(zhǔn)則更為合理,可避免因?yàn)椴煌M試驗(yàn)承載力退化大小不統(tǒng)一導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果離散性偏大。
同天然骨料相比,再生骨料性能離散性和變異性、摻量多少對混凝土性能影響更為顯著[27],圖4是僅骨料取代率不同時(shí)再生混凝土柱的破壞曲線,其中黑、紅和藍(lán)分別對應(yīng)再生骨料取代率為0、50%和100%時(shí)的破壞曲線。由圖4可知:隨著再生骨料摻量增加,再生混凝土柱破壞指數(shù)先變小后增大,表明再生骨料摻量的多少會(huì)對再生混凝土柱抗震性能產(chǎn)生不同影響。
注:(RCZ-3)-100-31.97表示:(試件編號)-再生骨料替代率/%-混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值/MPa。
為了進(jìn)一步研究再生骨料取代率對混凝土柱破壞的影響規(guī)律,將再生骨料取代率與混凝土強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度與破壞指數(shù)的關(guān)系曲線分布繪于圖5。
圖5 再生骨料取代率對混凝土柱破壞的影響規(guī)律Fig. 5 Influence of replacement rate of recycled aggregate on failure of concrete columns
考慮不同試驗(yàn)組再生骨料來源不同,試驗(yàn)方法和試件參數(shù)等均存在差異,分別計(jì)算再生骨料強(qiáng)度對應(yīng)不同再生骨料取代率時(shí)的強(qiáng)度退化百分比,并對相同再生骨料取代率的不同試驗(yàn)組混凝土強(qiáng)度退化值與破壞指數(shù)取平均值,減少初始混凝土強(qiáng)度和骨料取代率等離散性較高對計(jì)算結(jié)果的影響,使結(jié)論更合理。由圖5及不同試驗(yàn)組混凝土強(qiáng)度退化百分比計(jì)算結(jié)果可知:隨著再生骨料取代率的增加,再生混凝土強(qiáng)度總體呈下降趨勢,兩者之間近似為線性關(guān)系;當(dāng)再生骨料摻量低于30%時(shí),對混凝土強(qiáng)度影響較小;當(dāng)再生粗骨料取代率為100%時(shí),混凝土強(qiáng)度約下降15%~25%,與文獻(xiàn)[30-32]研究結(jié)果基本吻合。再生混凝土柱破壞程度隨再生骨料摻量增加呈先減弱后增強(qiáng)的趨勢,對應(yīng)破壞指數(shù)先下降后上升。再生混凝土柱抗震性能隨骨料取代率的增加存在一個(gè)逐漸增強(qiáng)到劣化的過程,主要原因如下:
1) 普通混凝土骨料與砂漿彈性模量相差較大,在漿-骨界面容易產(chǎn)生微裂縫形成薄弱面[33],而再生骨料表面包裹著水泥砂漿,新舊砂漿彈性模量相差不大,界面結(jié)合得到增強(qiáng)[34];再生骨料表面存在較多微裂縫,吸入新的水泥顆粒后接觸面增大、水化程度更充分,從而形成致密的界面結(jié)構(gòu),促使界面結(jié)合進(jìn)一步加強(qiáng)[35],對改善再生混凝土性能具有一定幫助。
2) 同天然骨料相比,再生骨料的表面粗糙,棱角較多,與新水泥漿體的界面嚙合力更強(qiáng)[36],與鋼筋的摩阻力和機(jī)械咬合力更大,再生混凝土的粘聚性得到增強(qiáng);而且再生骨料吸水率較大,能夠更好地吸收新拌漿體的多余水分,降低粗集料表面水灰比和再生混凝土有效水灰比,使得界面粘結(jié)性能增強(qiáng)[33]。
3) 當(dāng)再生骨料取代率較大時(shí),再生混凝土與鋼筋粘結(jié)性能有所削弱[37-39],骨料強(qiáng)度降低對再生混凝土性能劣化的影響不能忽視;再生混凝土內(nèi)部界面過渡區(qū)、再生骨料初始損傷裂紋和骨料內(nèi)部原始缺陷數(shù)量顯著增加,嚴(yán)重影響再生混凝土的力學(xué)性能。
當(dāng)取代率較低時(shí),摻入再生骨料后對混凝土性能的劣化影響程度較小,界面結(jié)合增強(qiáng)和粘結(jié)強(qiáng)度提高等性能優(yōu)化因素占主導(dǎo),總體表現(xiàn)為再生混凝土柱抗震性能提升,對應(yīng)破壞指數(shù)減小;再生骨料取代率增加,骨料摻入對再生混凝土強(qiáng)度和力學(xué)性能劣化的影響居于主導(dǎo)地位,表現(xiàn)為再生混凝土柱抗震性能降低,對應(yīng)破壞指數(shù)增大。
理論分析和破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果均表明:當(dāng)再生骨料摻量在30%~50%范圍時(shí),再生混凝土柱抗震性能最好。選取再生混凝土強(qiáng)度退化率為變量,回歸分析并得出破壞指數(shù)與再生混凝土強(qiáng)度退化值的量化關(guān)系,如式(5)和式(6):
(5)
(6)
式中:dfc為摻入再生骨料后混凝土強(qiáng)度退化百分比,fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度,fcu,i為再生骨料取代率為i時(shí)對應(yīng)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度,kfc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)。
將式(5)帶入式(3),得到考慮混凝土強(qiáng)度影響后的改進(jìn)延性破壞準(zhǔn)則計(jì)算如式(7)。
(7)
對因再生骨料取代率增加導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度變化的30根柱試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了計(jì)算研究,由Park-Ang破壞準(zhǔn)則、延性破壞準(zhǔn)則和改進(jìn)延性破壞準(zhǔn)則(統(tǒng)一按承載力退化至峰值荷載85%為極限狀態(tài)計(jì)算)計(jì)算得到的破壞指數(shù)見表3。
表3 破壞指數(shù)計(jì)算對比Table 3 Damage index calculation comparison
未考慮混凝土強(qiáng)度影響延性破壞準(zhǔn)則破壞指數(shù)平均值0.879,標(biāo)準(zhǔn)差0.300,考慮混凝土強(qiáng)度影響的改進(jìn)延性破壞準(zhǔn)則破壞指數(shù)平均值0.983,標(biāo)準(zhǔn)差0.310,改進(jìn)后的延性破壞準(zhǔn)則可以更好的定義再生混凝土柱的破壞。表3中有幾組構(gòu)件摻入再生骨料后混凝土強(qiáng)度退化百分比為負(fù)值,這是因?yàn)椴煌偕炷翗?gòu)件再生骨料來源不同,基體混凝土的強(qiáng)度等級、服役年限和使用部位等都會(huì)對再生混凝土的性能產(chǎn)生影響[5,40],品質(zhì)越好的再生混凝土,其表面附著舊砂漿與內(nèi)部初始缺陷越少,抗壓強(qiáng)度高于相同試驗(yàn)條件下的普通混凝土;此外,由于再生骨料吸水性較強(qiáng),在混凝土拌合物初期再生骨料能大量吸收新拌水泥漿體中的多余水分,既降低了粗骨料表面水灰比,同時(shí)由降低了混凝土拌合物中的有效水灰比,這對增強(qiáng)界面粘結(jié)和提高水泥石強(qiáng)度均十分有利[36]。
選取已完成的8根縮尺比為1∶2的再生混凝土柱低周反復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果[41],進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)延性破壞準(zhǔn)則評估再生混凝土柱破壞的合理性。所有構(gòu)件的截面尺寸均為250 mm×250 mm,柱身高度1650 mm,其它詳細(xì)參數(shù)見表4。
表4 試件基本信息及破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果對比Table 4 Comparison of calculation results of basic information and failure index of specimens
試驗(yàn)所用再生粗骨料來源于某服役15 a的五層框架結(jié)構(gòu)拆除的廢舊混凝土,基體混凝土強(qiáng)度為C30~C35。天然骨料采用人工碎石,細(xì)骨料采用級配良好的中粗河沙,試驗(yàn)采用陜西“秦嶺”牌32.5R級普通硅酸鹽水泥,各試驗(yàn)材料性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。
對上述8根再生混凝土柱分別進(jìn)行了延性破壞準(zhǔn)則、Park-Ang破壞準(zhǔn)則(β=0.05)和改進(jìn)延性破壞準(zhǔn)則的計(jì)算研究,破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4,各試件滯回曲線及破壞曲線如圖6所示。
圖6 各試件滯回曲線與破壞曲線Fig. 6 Hysteresis curve and damage curve of each specimen
試驗(yàn)結(jié)果表明:再生骨料混凝土柱具有良好的耗能能力和抗震性能,經(jīng)合理設(shè)計(jì)后可用于具體工程實(shí)際。當(dāng)再生骨料取代率較低時(shí),骨料摻入對混凝土柱破壞指數(shù)影響不大,隨著再生骨料取代率的增加,混凝土強(qiáng)度逐漸降低,破壞指數(shù)有先降低后升高趨勢,試驗(yàn)結(jié)果與本文規(guī)律吻合較好。
隨著加載幅值的增加,混凝土柱的破壞程度和破壞速率逐漸加大,Park-Ang準(zhǔn)則破壞曲線中段破壞速率較緩,前段與后段曲線增長速率較快;延性準(zhǔn)則破壞曲線增長速率隨加載循環(huán)數(shù)增加而加快,與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合更好,較Park-Ang破壞準(zhǔn)則可以更合理量化再生混凝土柱的破壞過程。破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明:改進(jìn)延性準(zhǔn)則破壞指數(shù)平均值為1.048,標(biāo)準(zhǔn)差為0.108,對各再生混凝土柱,改進(jìn)延性準(zhǔn)則破壞指數(shù)的計(jì)算結(jié)果更接近于1.0,與未改進(jìn)延性破壞準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)果相比離散性更小。
綜合再生混凝土柱試驗(yàn)結(jié)果,參考《建(構(gòu))筑物地震破壞等級劃分》(GB/T 24335-2009)[42],將再生混凝土柱破壞過程劃分為4個(gè)階段,分別為:
1)輕微破壞:柱身裂縫數(shù)量不斷增加,混凝土有輕微剝落。
2)中等破壞:裂縫不斷發(fā)育并形成幾道貫通裂縫,柱腳出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫,混凝土保護(hù)層開始脫落。
3)嚴(yán)重破壞:主裂縫貫通柱身,柱腳混凝土壓碎脫落,混凝土保護(hù)層脫落嚴(yán)重。
4)失效/倒塌:混凝土嚴(yán)重脫落,鋼筋外露變形,承載力急劇下降。
考慮再生混凝土柱震損分級,綜合延性破壞準(zhǔn)則破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果,給出包含詳細(xì)試驗(yàn)描述的22根再生混凝土柱在不同階段臨界點(diǎn)破壞指數(shù),列于表6中。
表6 再生混凝土柱破壞特征點(diǎn)Table 6 Failure characteristic points of recycled concrete columns
參考國內(nèi)外學(xué)者給出的普通混凝土柱破壞標(biāo)準(zhǔn)和延性破壞準(zhǔn)則破壞指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果[43],給出適用于再生混凝土柱的延性準(zhǔn)則破壞評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表7。
表7 延性準(zhǔn)則破壞評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Damage evaluation standard of ductility criterion
與普通混凝土柱破壞標(biāo)準(zhǔn)相比,由于再生混凝土內(nèi)部損傷以及界面過渡區(qū)的影響,裂縫的發(fā)育程度更充分,輕微破壞和中等破壞對應(yīng)破壞指數(shù)較普通混凝土柱偏小;在破壞階段再生混凝土柱延性、滯回耗能和承載力等抗震性能指標(biāo)均弱于普通混凝土柱,對應(yīng)失效/倒塌破壞指數(shù)臨界值低于普通混凝土柱的1.0。
本文對再生骨料混凝土柱的抗震性能進(jìn)行了量化研究,重點(diǎn)分析了再生骨料取代率、混凝土強(qiáng)度與混凝土柱破壞指數(shù)之間的量化關(guān)系,得到以下結(jié)論:
1) Park-Ang雙參數(shù)破壞準(zhǔn)則破壞指數(shù)平均值為2.219,標(biāo)準(zhǔn)差為0.663,其組合參數(shù)β高估了加載過程中耗能對再生混凝土柱損傷的貢獻(xiàn)程度,且對應(yīng)破壞曲線前期與后期增長較快,中期增長較為緩慢,不符合混凝土柱隨加載幅值增大破壞程度和破壞速率逐漸加大的規(guī)律;當(dāng)β取定值0.05時(shí),對應(yīng)破壞指數(shù)平均值為1.065,標(biāo)準(zhǔn)差為0.230,計(jì)算結(jié)果得到顯著改善。
2) 延性破壞準(zhǔn)則考慮了不同變形能力構(gòu)件抗震性能的差異,較好地解釋了軸壓比、配箍率和加載制度對混凝土柱破壞的影響規(guī)律,對應(yīng)破壞指數(shù)平均值為0.916,標(biāo)準(zhǔn)差為0.342,且對應(yīng)破壞曲線前期增長較慢,中后期增長較快,與混凝土柱破壞過程吻合較好,可更好實(shí)現(xiàn)對再生混凝土柱倒塌破壞量化研究。
3) 隨著再生骨料取代率的增加,混凝土強(qiáng)度逐漸降低,破壞指數(shù)呈先下降后上升的變化規(guī)律,改進(jìn)后的延性破壞準(zhǔn)則反映了混凝土強(qiáng)度與破壞指數(shù)的函數(shù)關(guān)系,解釋了軸壓比、配箍率和加載制度對混凝土柱破壞的影響規(guī)律,破壞指數(shù)計(jì)算結(jié)果更接近1.0,離散性更低。
4) 綜合再生混凝土柱的試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞指數(shù)分布規(guī)律,建議取破壞指數(shù)0.1、0.5和0.9分別為中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌失效的臨界值,該破壞標(biāo)準(zhǔn)較好地考慮了再生混凝土柱的破壞特點(diǎn),可用于再生混凝土柱抗震性能量化與評估。