低周反復(fù)荷載下再生混凝土受扭構(gòu)件受力性能研究

李亞洲， 王曉菡， 柳炳康

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

我國是一個(gè)混凝土材料消費(fèi)大國，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，對(duì)骨料需求量不斷增加；同時(shí)，建筑業(yè)中拆除建筑物或是公路重建等情況下產(chǎn)生的大量廢棄混凝土，若按照常規(guī)的建筑垃圾處理方式，則會(huì)造成環(huán)境污染和生態(tài)損害。利用再生骨料替代天然骨料，不僅可以節(jié)約資源，還可以減少建筑垃圾帶來的污染。

研究表明再生骨料表面包裹有硬化水泥砂漿，骨料界面具有孔隙率高、吸水性大的特征，導(dǎo)致再生混凝土抗?jié)B性、抗凍性、抗碳化等耐久性能降低。針對(duì)界面結(jié)構(gòu)特征和微觀形貌，可摻加礦物摻合料改善界面過渡區(qū)粘結(jié)作用，礦物摻合料固體粒徑很小，能直接填充再生骨料界面的孔隙，黏合微細(xì)裂紋，增強(qiáng)界面密實(shí)性和粘結(jié)作用。研究表明，摻入適量的粉煤灰后，再生混凝土的抗碳化、抗凍融、抗氯離子滲透性等耐久性能有所提高［1－3］。但是對(duì)再生混凝土改性后結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、承載能力、滯回性能、延性指標(biāo)和耗能能力有待進(jìn)一步研究。

制作兩根再生混凝土試件，一根全部采用水泥作為膠凝材料，另一根采用粉煤灰取代水泥率為15%進(jìn)行改性。在低周反復(fù)扭矩作用下，探討兩個(gè)試件的破壞機(jī)理、滯回性能、裂縫分布、耗能、剛度退化和延性，進(jìn)一步完善再生混凝土的相關(guān)性能研究。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共制作2根再生混凝土試件，再生骨料取代率均為100%，試件RCN－1全部采用水泥作為膠凝材料，試件RCN－4采用粉煤灰取代水泥率為15%進(jìn)行改性。試件尺寸及配筋詳見圖1，為了方便固定試件，固定端做成擴(kuò)大頭。

1.2 材料特性

試件澆注時(shí)制作6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊（150mm×150mm×150mm），試件RCN－1和試件RCN－4各3個(gè)，實(shí)測(cè)普通再生混凝土試塊立方體抗壓強(qiáng)度為32.15MPa，彈性模量為30.65GPa；改性再生混凝土試塊立方體抗壓強(qiáng)度為30.17MPa，彈性模量為30.0GPa。

鋼筋梁縱筋采用HRB400鋼筋，直徑為16mm；箍筋采用 HRB300鋼筋，直徑為8mm?？v筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為550MPa，極限強(qiáng)度為664.3MPa；箍筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度為420MPa，極限強(qiáng)度為587.2MPa。

圖1 試件尺寸及配筋詳圖

1.3 試驗(yàn)裝置

在試件的擴(kuò)大端用4個(gè)500kN的液壓千斤頂與反力架將其頂緊，構(gòu)成固定端；另一端懸臂，為加載端。沿梁端橫向設(shè)置一根鋼梁用作傳力臂，鋼梁一端和試件懸臂端用夾具固定在一起，另一端用夾具與MTS作動(dòng)器相連，MTS加載端中心到梁中心的距離為1200mm，加載裝置見圖2所示。

圖2 加載裝置示意圖

1.4 加載方案

試驗(yàn)利用MTS作動(dòng)器在梁端施加低周反復(fù)荷載，反復(fù)荷載采取荷載－扭轉(zhuǎn)角混合控制方法，在荷載控制階段，首次加載為預(yù)計(jì)屈服荷載的20%，之后每級(jí)增加10%，直至縱筋屈服。鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變后采用扭轉(zhuǎn)角控制，每一循環(huán)屈服扭轉(zhuǎn)角按0.0056rad遞增（通過與鋼梁一端相連MTS作動(dòng)器按5mm位移遞增），每級(jí)循環(huán)3次，直至試件破壞。

1.5 記錄內(nèi)容與量測(cè)設(shè)備

在上中下3排縱筋上各貼1個(gè)電阻應(yīng)變片，在梁1/4處和1/2處的箍筋上下左右四個(gè)方位各貼1個(gè)電阻應(yīng)變片，用來測(cè)量鋼筋應(yīng)變。在梁端布置3個(gè)位移記，兩端的兩個(gè)用來測(cè)量梁的扭轉(zhuǎn)角，中間一個(gè)用來觀察梁的豎向位移。應(yīng)變片與位移計(jì)布置情況見圖3。

圖3 鋼筋應(yīng)變片和位移計(jì)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 裂縫發(fā)展規(guī)律與破壞形態(tài)

試件在施加反復(fù)荷載后，加載至極限荷載的40%出現(xiàn)第一批裂縫，卸載后裂縫完全閉合。加載至極限荷載的70%左右出現(xiàn)多條梁側(cè)裂縫，分布在梁的固定端2/3范圍內(nèi)，裂縫寬度在0.2～0.4mm之間。繼續(xù)加載梁側(cè)出現(xiàn)一條貫穿主裂縫，裂縫寬度在1.0～1.5mm之間，此時(shí)試件屈服。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，裂縫數(shù)量不再增加，但寬度發(fā)展迅速，最大裂縫寬度可達(dá)3mm，試件破壞。兩根梁在反復(fù)受扭破壞后的裂縫圖見圖4。

圖4 試件破壞后裂縫圖

2.2 扭矩－扭轉(zhuǎn)角滯回曲線

本試驗(yàn)的滯回曲線是由試件在低周反復(fù)扭矩作用下試件所承受的扭矩與扭轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線，RCN－1和RCN－4的滯回曲線分別如圖5（a）、圖5（b）所示。

圖5中兩個(gè)試件的滯回曲線有一些共同特征：試件開裂之前，無論是正向加載還是反向加載，扭矩－扭轉(zhuǎn)角關(guān)系基本呈直線關(guān)系，曲線的斜率變化非常小，滯回環(huán)的面積也非常小，卸載后變形基本上可以恢復(fù)，殘余變形很小，此時(shí)兩個(gè)試件均處于彈性階段。當(dāng)荷載增加到極限荷載的40%試件開裂，此時(shí)滯回曲線逐漸偏離原來的直線狀態(tài)，滯回環(huán)的面積也逐漸增大，把同向加載的曲線相互比較可以發(fā)現(xiàn)曲線斜率越來越小，說明試件剛度在逐漸退化。

滯回曲線的形狀均呈現(xiàn)“開裂之前的梭形→屈服時(shí)的弓形→破壞時(shí)的反S形”的變化趨勢(shì)。改性再生混凝土梁與普通再生混凝土梁相比，滯回環(huán)形狀和豐滿程度與普通再生混凝上梁相近，說明兩者延性及耗能能力無明顯差異。從圖5還可以看出，摻加粉煤灰后試件的極限受扭承載力較普通再生混凝土試件稍有下降，說明摻加粉煤灰會(huì)對(duì)試件承載力影響不大。

圖5 試件的扭矩－扭轉(zhuǎn)角滯回曲線

2.3 骨架曲線對(duì)比分析

兩個(gè)試件滯回曲線的骨架曲線如圖6（a）所示，比較可知，兩條骨架曲線在試件開裂之前都呈直線狀態(tài)，扭矩－扭轉(zhuǎn)角之間呈線性變化；試件開裂之后，骨架曲線開始彎曲，試件的剛度有所降低；試件屈服之后，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，達(dá)到最大荷載之后，隨著扭轉(zhuǎn)變形的增加，荷載逐漸下降。改性再生混凝土梁的最大承載力略低于普通再生混凝土梁。

2.4 剛度退化曲線

圖6（b）是兩個(gè)試件的剛度退化曲線對(duì)比圖，從圖中可以看出，兩個(gè)試件的剛度都有明顯的退化，剛度退化的規(guī)律基本相同，剛度退化速度基本一致，添加粉煤灰后試件的剛度變化略微增加，說明摻加粉煤灰對(duì)試件的剛度影響不大。試件的剛度隨著扭轉(zhuǎn)角的增加而降低，加載初期試件剛度退化較快，隨著扭轉(zhuǎn)角的增大以及裂縫的發(fā)展，剛度退化速度不斷減慢，剛度衰減速度均勻，沒有明顯的剛度突變。

圖6 扭矩－扭轉(zhuǎn)角骨架曲線和剛度退化曲線

2.5 延性

延性是結(jié)構(gòu)抗震的本質(zhì)屬性，一般用延性系數(shù)μ來度量。本試驗(yàn)用極限扭轉(zhuǎn)角與屈服扭轉(zhuǎn)角的比值來衡量試件的延性，即μ＝θu/θv。表1為計(jì)算所得到的兩個(gè)試件的延性系數(shù)，其中極限扭矩為最大扭矩的85%。由表1中數(shù)據(jù)可知，試件RCN－1的延性系數(shù)在3.78～4.00之間，試件RCN－4的延性系數(shù)在3.61～3.68之間，改性再生混凝土梁的延性與普通再生混凝土梁的延性基本相同，兩個(gè)試件均具有較好的延性，說明摻加粉煤灰對(duì)試件的延性性能沒有明顯影響。

表1 試件試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)研究表明，摻加15%粉煤灰取代水泥的改性再生混凝土受扭構(gòu)件的破壞形態(tài)與普通的再生混凝土差別不大，其破壞過程可分為彈性階段、開裂階段、屈服階段和破損階段，試件具有良好的受力性能。

（2）改性再生混凝土彎剪扭試件的滯回曲線飽滿，延性系數(shù)與普通再生混凝土梁基本相同，說明摻加粉煤灰對(duì)試件的延性性能沒有明顯影響，改性再生混凝土試件具有良好的延性性能和耗能能力。

（3）摻入適量的粉煤灰可以改善再生混凝土的抗碳化、抗凍融、抗氯離子滲透性等耐久性能，對(duì)于結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、承載能力、延性指標(biāo)和耗能能力影響較小，可以通過摻加粉煤灰的手段增強(qiáng)再生混凝土的耐久性能。

1 黃秀亮，王成剛，柳炳康.再生混凝土抗碳化性能研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36（11）：1343－1346.

2 王成剛，黃秀亮，柳炳康.再生混凝土抗凍融性能研究［J］.工程與建設(shè)，2013，27（4）：493－495.

3 李俊，尹健，周士瓊，等.粉煤灰與礦渣對(duì)再生骨料混凝土力學(xué)性能影響的研究［J］.混凝土，2005，188（6）：81－86.

4 劉繼明，張連德，孫黃勝.鋼筋混凝土雙向偏壓剪扭復(fù)合受力試件抗震性能試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2002，32（12）：40－43.

5 李志軍，史慶軒，劉金濤.低周反復(fù)扭矩下鋼筋混凝土復(fù)合受扭試件的受扭性能研究［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（6）：582－586.

6 孫躍東，肖建莊，周德源.再生混凝土框架抗震性能的試驗(yàn)研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，39（5）：9－15.

7 黃文詠.粉煤灰取代水泥率和超量系數(shù)［J］.商品混凝土，2011，（8）：64－65.

8 王曉菡，柳炳康，陸國.再生混凝土復(fù)合受扭試件的抗震性能試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2012，42（4）：21－24.