賈文潔, 張士萍, 方 釗

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 安徽 合肥 230061 2.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇 南京 211167)

0 引言

建筑垃圾可分為石膏、廢棄混凝土、廢棄磚塊、鋼鐵、瀝青、廢塑料、木材等。其中廢棄混凝土和廢棄磚是占比較大的建筑垃圾。廢棄混凝土是在第二次世界大戰(zhàn)以后才開始研究,日本的廢棄混凝土利用率已達(dá)98%,美國有超20個州在使用再生混凝土[1]。國內(nèi)對再生混凝土的研究起步于20世紀(jì)末,目前用再生混凝土建成的實體工程有北京建筑工程學(xué)院第六試驗樓、中國建筑設(shè)計研究院科研辦公樓、五角場鎮(zhèn)340街坊商業(yè)辦公用房等。廢棄磚的研究是從20世紀(jì)90年代開始[2]。印度每年產(chǎn)生的磚廢料占建筑垃圾總量的31%,美國在2012—2014年間產(chǎn)生了4400萬噸磚廢料,中國每年約產(chǎn)生4億噸磚廢料[3]。廢棄混凝土塊和廢棄磚碎塊經(jīng)一系列的工藝處理,如初級篩選、分離表面的石膏、擠壓破碎、清洗、按粒徑篩分等。再按照設(shè)計要求將再生骨料、砂石、水泥等組合制成新混凝土或砌塊,或是研磨成粉末。一般認(rèn)為,普通混凝土抗壓強(qiáng)度最大,再生混凝土次之,再生磚骨料混凝土最小。再生混凝土耐磨性好,其制備程序與工藝上已相對成熟。再生磚骨料混凝土耐火性能好,質(zhì)量輕對抗震友好,磨成的粉末具有很好的火山灰活性。再生混凝土骨料和再生磚骨料的成分都極為復(fù)雜,所制成的新混凝土強(qiáng)度受諸多因素影響,徐變大,含水量大,不利于凍融循環(huán)。國內(nèi)外對再生混凝土的研究起步較早,且相對完善,而對于再生磚骨料混凝土在有些方面還存在研究空白,通過對比,一是推動兩種再生骨料相關(guān)規(guī)范的制定;二是對比分析可以更快地發(fā)現(xiàn)研究方向上的不足,以求最大限度地使用兩種再生骨料;三是響應(yīng)國內(nèi)政策,緩解巨大的市場需求和對自然資源的依賴。由于材料的性能決定了構(gòu)件的性能,而構(gòu)件的性能又極大影響了框架的結(jié)構(gòu)性能。因此文章從材料基本特性、材料力學(xué)性能、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)性能3個角度簡要評述國內(nèi)外有關(guān)再生混凝土和再生磚骨料混凝土的文獻(xiàn),并對再生骨料的研究方向提出一些展望。

1 性能對比

1.1 材料基本性能

1.1.1 再生混凝土的材料性能

再生混凝土粗骨料的表觀密度和堆積密度低,吸水率高,粉碎指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果在15%左右[4-5]。當(dāng)把再生骨料作為細(xì)骨料時,也有較大的吸水率[6],其制成的再生混凝土耐磨性隨著取代率的增加而增加[7]。再生粗細(xì)骨料摻量為100%時,用水量比普通混凝土增加了22%,再生細(xì)骨料對材料性能的影響大于再生粗骨料[8]。

1.1.2 再生磚骨料混凝土的材料性能

1.2 材料力學(xué)性能

1.2.1 再生混凝土的力學(xué)性能

廢棄混凝土在破碎的過程中,較大的壓力會使得廢棄混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量裂縫。隨著再生粗骨料含量的增加,試塊的抗壓強(qiáng)度、彈性模量降低[13]。艾洪祥等[6]發(fā)現(xiàn),當(dāng)細(xì)骨料取代率為20%時,再生混凝土有較好的抗壓強(qiáng)度。陳鵬博等[14]通過試驗,將原強(qiáng)度等級較高的粗細(xì)再生混凝土骨料按等比例加入到新混凝土當(dāng)中,結(jié)果表明取代率為50%、75%的再生混凝土抗壓強(qiáng)度可達(dá)C45、C40,取代率為100%的再生混凝土抗壓強(qiáng)度也可達(dá)C35。左奇麗等[15]將粉煤灰加入不同取代率的再生粗骨料混凝土中,實驗結(jié)果表明:再生粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在粉煤灰摻量為24%時最大,取代率每增加1%,抗拉強(qiáng)度減小約8 kPa,塌落度減小約1.2 mm。許金校等[16]綜述了不同纖維的摻入對再生粗骨料混凝土的影響。2%的鋼纖維可以提高再生混凝土的抗壓、劈裂及抗折強(qiáng)度,1.2%的聚丙烯纖維可以提高再生混凝土的斷裂能。

1.2.2 再生磚骨料混凝土的力學(xué)性能

如前所述,再生磚骨料有著高的吸水率,這影響了水灰比和水泥的水化作用,其次再生磚骨料本身就有較大的孔隙率。因此隨著取代率的增加,試塊的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗彎強(qiáng)度均降低[10,17]。而摻入級配較好的再生磚細(xì)骨料的混凝土試塊抗壓強(qiáng)度保持相當(dāng)或略有提高,張裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量降低[11]。Debieb等[9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)粗細(xì)再生磚骨料取代率分別為25%和50%時,粗細(xì)混合碎磚再生混凝土有著與天然骨料混凝土相似的特性。Wong等[3]將廢磚粉作為水泥的替代品,得到了在保證有足夠的SiO2含量和一定的細(xì)度等因素下,適當(dāng)摻入可使混凝土有相當(dāng)或更高的抗壓強(qiáng)度,但過高的摻量會產(chǎn)生負(fù)面影響,廢磚粉對水泥的取代率應(yīng)小于20%。Zhang等[18]將不同摻量的聚丙烯纖維和聚酯纖維加入含30%黏土磚再生粗骨料混凝土試件中,纖維的摻入改善了再生磚骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度,劈裂抗拉強(qiáng)度。聚丙烯纖維在抗壓強(qiáng)度、透水性、透氣性方面優(yōu)于聚酯纖維,當(dāng)聚丙烯纖維用量為0.9 kg/m3時,試件的劈裂抗拉強(qiáng)度最高,其余性能也較好。張玉山[19]也通過試驗發(fā)現(xiàn),聚丙烯纖維摻入再生磚骨料混凝土柱后,裂縫最大寬度減小,開裂荷載得到提高。

1.3 構(gòu)件及結(jié)構(gòu)性能

材料的力學(xué)性能影響了由該材料組成的構(gòu)件的力學(xué)性能,并最終影響由構(gòu)件組成的框架的結(jié)構(gòu)性能。而結(jié)構(gòu)性能當(dāng)中,最受關(guān)注的就是在地震作用下該結(jié)構(gòu)的抗震性能,因為地震是土木工程結(jié)構(gòu)最常見且最危險的一類工程災(zāi)害,以再生混凝土以及再生磚骨料混凝土構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的抗震性能為主,闡述這兩類結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能。

1.3.1 再生混凝土構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的抗震性能

(1)再生混凝土構(gòu)件的抗震性能

目前為止,對于再生粗骨料混凝土構(gòu)件的抗震研究較為全面。白國良等[20]通過低周反復(fù)荷載試驗,發(fā)現(xiàn)軸壓比為0.15,再生混凝土框架柱取代率為100%時延性系數(shù)最大,再生骨料摻量從100%降到50%,耗能能力有所降低,抗震性能減小。胡瓊等[21]提出小軸壓比的再生混凝土柱發(fā)生延性破壞,大軸壓比的再生混凝土柱發(fā)生脆性破壞,再生混凝土柱的滯回特性、能量耗散與普通混凝土柱相近。Chen等[22]測試了再生混凝土墻體低周反復(fù)荷載試驗,結(jié)果表明:高軸壓比下的墻體延性降低,彈塑性變形能力較好。劉強(qiáng)等[23]發(fā)現(xiàn)配筋率提高后,剪跨比為1的再生混凝土低矮剪力墻的承載力、延性提高。Murad等[24]發(fā)現(xiàn)15%的粉煤灰再生混凝土節(jié)點有最好的強(qiáng)度,經(jīng)碳纖維布進(jìn)行加固修復(fù)后的節(jié)點承載能力為未修復(fù)的兩倍,破壞模式由剪切破壞轉(zhuǎn)為延性破壞。劉子赫[25]通過模擬發(fā)現(xiàn)廢棄纖維再生混凝土梁柱節(jié)點與普通混凝土梁柱節(jié)點均為底部集中破壞,當(dāng)再生混凝土取代率為50%,廢棄纖維長度為19 mm,軸壓比為0.4,廢棄纖維體積摻量為0.12%的節(jié)點抗震性能優(yōu)于普通混凝土梁柱節(jié)點抗震性能。

除此之外,部分學(xué)者提出將鋼嵌入到再生粗骨料混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中或鋼管內(nèi)部填充再生粗骨料混凝土,形成鋼增強(qiáng)再生混凝土,并進(jìn)行了一系列研究,如Ma等[26]制作了型鋼再生混凝土柱,型鋼再生混凝土柱的承載力與軸壓比和箍筋比成正比,延性與軸壓比成反比,與箍筋比成正比,其抗震性能與普通混凝土柱相當(dāng)。Dong等[27]固定了全尺寸型鋼高強(qiáng)再生混凝土柱的軸壓比為0.54,剪跨比λ為1.92,發(fā)現(xiàn)再生混凝土摻量對型鋼高強(qiáng)再生混凝土柱的影響不大,其抗震性能優(yōu)于高強(qiáng)再生混凝土柱。Chen等、Xu等和張向?qū)鵞28-30]研究方鋼管、圓鋼管再生混凝土柱在地震作用下的破壞,主要為柱底鋼管屈曲和再生混凝土的破碎壓壞,圓形試件與方形試件延性系數(shù)均在3左右,且均可用于承重結(jié)構(gòu)。

(2)再生混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能

Xiao等[31]通過低周反復(fù)荷載試驗,發(fā)現(xiàn)單層單跨的再生粗骨料混凝土框架有著與普通混凝土框架相當(dāng)?shù)目拐鹦阅?隨著再生混凝土骨料取代率的提高,抗震性能下降,但取代率較高的混凝土也可以滿足抗震標(biāo)準(zhǔn)。王成剛等[32]通過逐步增大EI Centro地震波的加速度峰值對二層全再生粗骨料混凝土框架進(jìn)行擬動力分析和時程分析。發(fā)現(xiàn)在彈性階段框架有足夠的剛度和承載力抵御多遇地震的作用,在塑性階段,框架卸載后殘余變形較小,框架各層的計算峰值位移隨速度峰值的增大而增大,再生粗骨料混凝土框架抗震性能良好,軟件模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。王長青等[33]對6層再生粗骨料混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動臺試驗,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在8度多遇地震和罕遇地震下層間位移角大于規(guī)范要求,但結(jié)構(gòu)仍然沒有倒塌,說明結(jié)構(gòu)有著良好的抗震能力。張華[34]模擬了5、8、11層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)跨度的增加會使得結(jié)構(gòu)變形,承載力減弱。梁柱配筋率、梁柱截面面積的增大使得結(jié)構(gòu)承載力增大,在8度設(shè)防烈度下再生混凝土框架的抗震性能比普通混凝土框架弱,再生粗骨料混凝土框架在彈塑性階段滿足抗震要求,但在彈性階段不滿足。這可能是由于框架的樓層數(shù)量高而再生混凝土彈性模量低,導(dǎo)致再生混凝土的變形較大,因此再生混凝土在彈性階段應(yīng)滿足什么樣的抗震規(guī)范還需要進(jìn)一步研究。

預(yù)制構(gòu)件在建筑施工時可以快速安裝,減少了再生混凝土澆筑帶來的噪音,有利于環(huán)保。Xiao等[35]對6層預(yù)制再生混凝土框架進(jìn)行振動臺試驗,研究結(jié)果表明在整個結(jié)構(gòu)中,一二層的總和耗能最多,剛度退化最明顯,后澆節(jié)點破壞比較嚴(yán)重的樓層,預(yù)制再生粗骨料混凝土框架有著與預(yù)制普通混凝土框架結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)淖冃文芰涂拐鹉芰Α埲A等[36]通過SAP2000對4、8、12層三榀四跨裝配式框架結(jié)構(gòu)的Pushover分析。結(jié)果表明:再生粗骨料混凝土取代率增加,結(jié)構(gòu)基底剪力減小,頂點位移、層間位移角增大。結(jié)構(gòu)高度越高,再生粗骨料混凝土取代率的不利影響越明顯,高取代率的結(jié)構(gòu)彈塑性變形能力在罕遇地震下滿足抗震規(guī)范,8度(0.2g)多遇地震下不滿足抗震規(guī)范。

劉杰[37]發(fā)現(xiàn)預(yù)制型鋼再生粗骨料混凝土框架結(jié)構(gòu)耗能性能良好,結(jié)構(gòu)開裂晚,變形小,裂縫主要分布在后澆段、柱底部和新舊混凝土界面上。且軸壓比越大,剛度及退化速率、殘余變形、P-Delta效應(yīng)響應(yīng)越大,塑性轉(zhuǎn)動能力、結(jié)構(gòu)抗震性能越差。胡樂樂[38]通過有限元模擬發(fā)現(xiàn),在多遇地震和罕遇地震作用下圓鋼管再生粗骨料混凝土框架基底剪力減小,有較好的抗震性能。

盧家森等[39]對上海12層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的材料分項系數(shù)、保護(hù)層和構(gòu)件設(shè)計方法、鋼筋的錨固與鏈接等設(shè)計參數(shù)取值進(jìn)行了說明,提出了一系列的驗收要求,為建立更多的再生粗骨料混凝土實際結(jié)構(gòu)提供了分析方法。肖建莊教授等[40]基于上海12層框架剪力墻結(jié)構(gòu),對再生粗骨料混凝土的力學(xué)參數(shù)、本構(gòu)模型、阻尼比、軸壓比限值,層間位移角限制等控制指標(biāo)給出了關(guān)鍵意見。

1.3.2 再生磚骨料混凝土構(gòu)件的抗震性能

國內(nèi)外學(xué)者對再生磚骨料混凝土的力學(xué)、物理方面的研究較多。這些研究成果,為再生磚骨料混凝土建筑的設(shè)計應(yīng)用奠定了一定的理論基礎(chǔ)。國內(nèi)學(xué)者主要對于再生磚骨料混凝土構(gòu)件的抗震性能進(jìn)行了一系列的研究。

楊濤[41]分析了再生磚骨料混凝土柱的抗震性能,發(fā)現(xiàn)柱的延性、承載力、耗能能力均低,而摻硅灰和混合纖維的再生磚骨料混凝土柱的抗震性能優(yōu)于普通混凝土。程遠(yuǎn)兵等[42]對取代率為35%的再生磚骨料混凝土短肢墻進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗,試驗結(jié)果表明:抗震墻的承載力、延性、耗能能力低于普通混凝土抗震墻,但依舊滿足抗震要求。劉漢清[43]使用組合砌體——再生磚骨料混凝土做框架,磚砌塊填充墻體,進(jìn)行綜合分析,發(fā)現(xiàn)再生磚骨料混凝土與圈梁構(gòu)造柱對磚砌墻體形成有效約束,墻體的抗震性能得到了增加。隨著組合砌體中再生磚骨料混凝土墻體比例增加,墻整體的抗震性能也隨之改善,且優(yōu)于普通砌體墻。

2 對未來的展望及結(jié)論

基于以上抗震性能研究,可以看出再生骨料制成的構(gòu)件及結(jié)構(gòu)有足夠的抗倒塌能力,再生骨料的使用具有很大的潛力,但是能夠保障生命安全是使用再生骨料的前提。以下是基于上述的總結(jié)提出的再生骨料值得進(jìn)一步研究的幾個未來發(fā)展方向。

(1)對再生磚骨料混凝土框架節(jié)點領(lǐng)域暫無研究,有待進(jìn)一步深化?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由于節(jié)點的加固不足,故而容易呈現(xiàn)脆性破壞。尤其是預(yù)制框架中后澆節(jié)點的破壞較為嚴(yán)重,現(xiàn)澆節(jié)點較后澆節(jié)點與預(yù)制構(gòu)件間的連接更為穩(wěn)固,抗剪承載力更高,因此對再生磚骨料混凝土節(jié)點的研究必不可少。

(2)對鋼增強(qiáng)再生磚骨料混凝土構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的抗震性能領(lǐng)域暫無研究,有待進(jìn)一步深化。鋼的剛度大,受力性能和抗震性能好,鋼與再生骨料的組合,可有效彌補(bǔ)再生骨料強(qiáng)度的缺陷,有些甚至不需要考慮取代率高所帶來的問題,且組合整體的延性也較再生骨料混凝土有所增加。因此鋼與再生骨料的組合有著很好的應(yīng)用前景,無論是在力學(xué)、抗震性能還是組合形式上都值得進(jìn)一步研究。

(3)對再生磚骨料混凝土足尺模型抗震性能的研究,有待進(jìn)一步深化。再生混凝土抗震研究體系較再生磚骨料混凝土來說更成熟,再生磚骨料混凝土現(xiàn)階段的研究為實驗室縮尺模型,從縮尺模型轉(zhuǎn)變?yōu)樽愠吣Ｐ?所受力的大小、各種變形等異常復(fù)雜,不可能嚴(yán)格按照等比例變化;縮尺模型使用的骨料粒徑較小,界面特征與天然石子相近,導(dǎo)致縮尺模型的各性能相對較好;再生磚骨料在攪拌時容易出現(xiàn)分布不均勻,實驗室配制與現(xiàn)場配制存在一定的差異。因此,對再生磚骨料混凝土足尺模型的研究以及建筑實例的研究任重而道遠(yuǎn)。

由以上分析可知,再生混凝土和再生磚骨料混凝土密度低、吸水率高;抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量隨著再生骨料取代率的增加而降低,在再生骨料中加入纖維可以提高再生混凝土和再生磚骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度,也可以提高構(gòu)件的延性、耗能能力。再生混凝土和再生磚骨料混凝土制成的構(gòu)件經(jīng)合理設(shè)計后可滿足普通混凝土的抗震規(guī)范。在未來的研究中,再生磚骨料混凝土必定將越來越受到重視,其抗震性能研究也必定越來越豐富,其中利用試驗或數(shù)值模擬的手段聚焦于再生磚骨料混凝土框架節(jié)點、再生磚骨料混凝土鋼增強(qiáng)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)以及再生磚骨料混凝土足尺結(jié)構(gòu)等的抗震性能研究都是未來該領(lǐng)域的發(fā)展方向。