再生混凝土柱受压性能试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 7 期 (总 第 2 6 1 期 ) N u mb e r 7i n2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0I TI CAL I 【 S EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 0 0 6 再生混凝土柱受压性能试验研究 王乐天 ，刘煦 2 刘超 ( 1 内蒙古伊泰置业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 0 1 7 0 0 0 ；2 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 完成了6 根不同再生骨料取代率下的轴心、 偏心柱受压试验， 研究了再生混凝土柱的破坏形态和承载力等受压性能， 并与普通 混凝土柱进行对比分析， 基于试验结果的分析， 探讨了现行规范受压承载力的计算方法对于再生混凝土柱的适用性。 关键词 ： 再生混凝土 ；柱 ；轴心受压 ；偏心受压 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 0 1 7 0 3 St u dy on c ompr e s s i on p er f or m a nc e of r e c yc l e d c on c r e t e c ol umns WANGLe - t i a n ， LI UXu ， L 1 U Ch a o ( 1 I n n e r Mo n g o l i a Yi t a i R e a l E s tat eC o ， L t d ， E e r d o s 0 1 7 0 0 0 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g ， Xi a nUn i v e r s i t yo f A r c h i t e c t u r e andT e c h n o l o g y， Xi an 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e a xi a l and e c c e n t ric c o mp r e s s i o n pe r f o r ma nc e s o f r e c y c l e d c o n c r e t e c o l u mn s wi t h d i ffe r e n t r e p l a c e me n t p e r c e n t a g e o f r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e we re e x p e r i me n tal l y i n v e s t i g a t e d T h e l o a d i n g c a p a c i ty an d t h e f a i l u r e mo d e s o f t h e r e c y c l e d c o n c r e t e c o l u mn s w e r e ma i n l y d i s c us s e d Ba s e d o n the res u l t s o fthe e x p e rime n t ， i t i s p r o v e d t h at i t i s f e a s i b l e t o a p p l y the d e s i g n s t a n d a r d f o r t h e n o rm a l a g g r e g a t e c o n c r e t e c o l u mns t o the l o a din g c a p a c i ty c a l c u l a t i o n o f rec y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e c o l u mn s Ke y wor ds ： rec y c l e d c o n c r e t e； c o l u mn s ； ax i a l c o mp res s i o n； e c c e n t r i c c o mp r e s s i o n 0 引 言 在框架结构中， 柱是结构中的重要承重构件， 主要承受由梁、 板传来的竖向荷载。 系统的试验研究再生混凝土柱的受力性能不 仅为再生混凝土结构分析和再生混凝土结构设计提供数据， 而且 为再生混凝土结构构件的设计提供试验和理论分析依据。 从查阅的资料来看 ， 对再生混凝土柱， 同济大学的肖建庄 教授【 1 ， 西南交通大学张军2 1 ， 沈阳建筑大学的周静海D 等人进行 了研究。 本研究采用试验方法 ， 通过轴压和偏压， 对再生混凝土 柱的受压性能进行研究。 1 试验设 计 1 1 试验原材料 本组试件用混凝土采用人工搅拌混凝土。 试件设计混凝土 强度等级按 C 3 0强度进行配合比， 在柱浇筑的同时， 每个构件各 留 3 个边长为 1 5 0 r n m的立方体试块以测定 ， 并与构件在同等 条件下养护 2 8 d ， 并在试验同时， 测定试块的力学性能。 由于再 生骨料的吸水率比天然骨料要大， 因此再生混凝土的配合比与普 通混凝土配合比不同。 本研究采用的混凝土配合比： 天然骨混 凝土为水泥： 砂： 石子： 水 = 4 7 5 ： 5 4 0 ： 1 1 8 0 ： 1 6 3 ； 再生骨料混凝土为 水泥： 砂： 石子： 水 = 4 7 5 ： 5 4 0 ： 1 1 8 0 ： 2 0 3 。 通过对预留的 1 5 0 m mx l 5 0 mn 1 5 0 m m立方体试块的加载， 分别测出取代率为 0 、 1 0 0 的立方体抗压强度丘 为5 O 、 4 7 1 MP a 。 试件用钢筋采用 H R B 2 3 5 、 H R B 3 3 5 级钢筋， 根据材性试验 要求， 按直径分组， 每组 3根留样测试其屈服强度和极限抗拉 强度， 如表 1 所示。 表 1 钢筋力学性能 1 2试件 设计 试验主要以再生粗骨料取代率和偏心距为研究参数， 再生 混凝土柱受力性能试验参数详见表 2 。 配筋图见图 1 。 表 2 再生混凝土受压柱参数 1 3 测点布置及加载方式 本次试验的量测内容有跨中部混凝土的应变、 纵筋应变 ， 竖向荷载作用下柱的侧向位移及柱沿轴向的位移。 试验在西安建筑科技大学结构与抗震实验室的 5 0 0 t 长柱 压力机上进行 ， 先预加 2 k N荷载， 再加装位移计 ， 然后逐级加 载 ， 接近极限荷载时， 连续缓慢加载 ， 直至试件破坏。 加载装置 图及测点布置见图 2 。 收稿日期：2 0 1 1 - J 0 l _ 2 1 基金项目：国家科技部科技支撑计划项目( 2 0 0 8 B A K 4 8 B 0 5 ) ； 陕西省自 然科学基础研究计划重点项目( 2 0 0 9 J Z 0 1 2 ) 1 7 由图 7可见， 在荷载较小时， 二者的钢筋应变随荷载增加 均呈线性变化， 随着荷载的增大， 构件中的混凝土开始出现裂 缝并迅速发展， 表现出明显的非线性 ， 在加载后期， 混凝土局部 压碎， 表现出明显的非线性。 3 5 00 3 000 Z 2 500 2 000 1 5 0 0 柱 1 0 0 0 5 O O 0 Z 挺 0 00 5 00 0 0 0 5 0 0 0 00 5 00 000 5 O 0 应 变 8 应 变 Ix e ( a ) z一 0 0 ( b ) z一 0 1 0 0 图 7 荷载一 钢筋应 变曲线 荷载一 混凝土应变曲线如图 8 ， 数据均来 自位于构件中部的 混凝土应变测点。 由于普通混凝土柱加载面的不平整造成的局 部受压破坏， 其混凝土应变很小， 从再生混凝土柱和普通混凝 土柱的对 比来看， 在同级荷载作用下 ， 再生混凝土柱的钢筋应 变值要比普通混凝土大， 对于混凝土的应变， 再生混凝土柱 比 普通混凝土柱也要大 ， 而且随着荷载的不断加大， 这种趋势更 明显。 3 5 O O 3 0 0 0 Z2 5 0 0 2 0 0 0 耱 1 5 0 0 耀 1 0 0 0 5 O O O 应变 Ix e ( a ) Z - 0 - 0 至 辐 疆 0 0 0 5OO 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 5 0 O 0 1 000 200 0 3 0 00 4 000 应变 8 ( b ) Z- 0 1 0 0 图 8荷载一 混凝土应变 曲线 3 2 偏心距为 6 0 IT I 1T I 的构件分析 从总体上看 ， 再生混凝土柱和普通混凝土柱的荷载一 纵筋 应变曲线相似， 如图 9 ， 在荷载较小时， 二者均处于弹性阶段 ， 此 时的荷载一 纵筋应变曲线基本呈直线型， 随着荷载的加大， 钢筋 应变值的增量大于荷载值的增量。 当临近极限荷载时， 荷载增加 较小， 而受压钢筋的应变则急剧增加。 2 5 0 0 20 0 0 Z 1 500 羹 1 0 0 0 500 O -6 应 变 x e 应 变 ( a ) Z 一 6 0 0 ( b ) Z 一 6 0 1 0 0 图 9荷载一 纵筋应变 曲线 小偏心受压构件跨中截面在不同级荷载下的混凝土应变 沿截面高的分布见图 1 O 。 由图可见， 小偏心受压柱的加载过程中， 再生混凝土柱与普通混凝土柱相似， 跨中截面的中性轴逐渐向 受压一侧移动， 即受压区高度随着荷载的增加而逐渐减小， 由此 可得 ，再生混凝土柱的跨中截面应变分布与普通混凝土柱相 似， 均近似符合平截面假定。 3 3 偏心距为 1 5 0 1 T I 1 T I 的构件分析 从图 1 1中可看出，再生混凝土和普通混凝土的曲线趋势 相似 ， 受拉钢筋应变曲线均经历了3个阶段 ， 即弹性增长阶段， 非线性增长阶段和曲线近似水平的阶段。 _ 4 9 8 k N c 卜 _1 8 0 0 k N 卜 -8 9 0 k N _ 2l 5 7 k N 击一 l 4 2 3 k N _ _4 2 4 k N- O k - l 7 0 9 k N -_ 卜 8 5 0 k N 一20 2 0 k N 1 2 7 0 k N 混凝土 应变 Ix e ( a ) Z一 6 0 0 混凝土应 变 x e (b ) Z - 6 0 - 1 0 0 图 1 0 跨 中截面应变分布图 曩 1 50 1 0 0 嘉 。0 值一 5 O 镒 一1 0 0 一l 5O - _1 5 0 k N 卜 322 kN 矗_4 7 4 k N 卜 6 3 8 k N _ -7 5 9 k N 昌 吕 、 挺 旧 辐 _ _l 5 6 k N 卜31 2 k N 一 4 8 5 k N 凸一6 2 5 k N 卜 _7 4 2 k N 混凝土应 变 tx e 混凝土应 变 , e ( a ) z 一 1 5 O 一 0 ( b ) z 一 1 5 0 1 0 0 图 1 2 跨 中截面应变分布图 3 4 承载力分析 从表 3中可以看出， 除偏心距较大时计算值与试验值相 差较大外 ， 其他均比较接近。 为了保证工程的安全性 ， 混凝土 结构设计规范中所给出的公式是偏于安全的， 但是在本研究 所做的试验中， 普通混凝土柱的承载力试验值均小于计算值， 其原因主要有两种 ： 一是在本研究计算承载力时混凝土抗压 强度值和钢筋强度值均采用标准值而非设计值 ； 二是在试验 过程中， 不能严格对中， 从而使实际的偏心距与理论值有所差 距 。 总体而言 ， 按照现行规范对再生混凝土承载力进行计算是 合适的， 当然再生混凝土柱受压承载力的计算方法还需进一步 进 行研究 。 表 3 承载力试验值与理论值 比较 构件 承载力试验值 k N 承载力理论值 k N 试验值 理论值 下转第2 2页 l 9 啪啪0渤啪 u v 枢恒柩 。 ， A 。 率比的关系式如式( 2 ) 。 乜 = = 1 0 + 0 0 3 8 2 l 居 R Z = 0 9 1 7 2 ( 2 ) 式中： E混凝土动态弹性模量； 混凝土准静态弹性模量； s 混凝土动态应变速率； 8 混凝土准静态应变速率。 2 4混 凝 土的 泊松 比 一 般认为混凝土在受压时， 随着应变率的增加， 混凝土在 同一应力水平时内部的微裂缝减少了， 因而导致了泊松比的减 小 1 1 。 通过对试验数据的分析计算， 得出了不同应变速率下 C 4 0 混凝土抗压时的泊松比均介于0 1 8 , - 0 2 6 之间， 数据离散l生较大。 平均值介于 0 2 0 0 2 4之间， 混凝土的泊松比与应变速率之间没 有明显的规律性关系， 即混凝土泊松比不会随应变速率的增加 而明显变化。 3结论 ( 1 ) 随着应变速率的增大， C 4 0混凝土的单轴抗压强度明 显提高。 以应变速率 1 0 一 s s 时的抗压强度为准静态抗压强度， 应变率为 1 0 、 l 0 、 1 0 S 一时， 混凝土的抗压强度分别提高了 3 5 、 4 8 和 8 8 。 ( 2 ) 随着应变速率的增大， 混凝土的弹性模量明显提高。当 应变速率为 1 0 、 1 0 。 、 1 0 S 时， 混凝土的弹性模量分别提高了 4 9 、 8 1 和 1 0 8 。 ( 3 ) 混凝土的峰值应变和泊松比不会随应变速率的增大而 明显变化。 ( 4 ) 混凝土的抗压强度增量系数及弹性模量比与应变率比 的对数呈线性关系。 可分别用式( 1 ) 、 ( 2 ) 表示。 上接第 1 9页 3 5 相关曲线 根据试验结果， 得出了天然混凝土和再生混凝土在不同偏 心距下的实测 值和 M值， 绘制如图 1 3 ， 从图中可以看出， 此 中AB段曲线为混凝土受压破坏控制 ， 当轴压力增大时， 极限 弯矩必减小； 当弯矩增大时， 极限轴压力也相应减小。 B C段 曲 线为受拉钢筋屈服控制段 ， 该段中当轴压力最小时， 极限弯矩 也最小， 增大轴压力可提高弯矩极 限值 ， 此时的轴压力是有利 的。 再生混凝土的 曲线与天然混凝土形状大致相似，可以 说明再生混凝土柱 试验相关性与普通混凝土柱类似。 M ( k N m1 图 1 3 f 试 验相关 曲线 4结 论 通过对 3根再生混凝土柱和 3根普通混凝土柱进行轴心 受压和偏心受压的试验 ， 研究了再生混凝土柱的受力性能， 并与 普通混凝土进行对比得出以下结论 ： ( 1 ) 再生混凝土柱的破坏形态及破坏机理与普通混凝土柱 22 参考文献 ： 1 陈婷婷j 昆 凝土单轴动态抗压试验及动态本构关系研究【 D 】 天津： 河 北工业大学， 2 0 0 9 2 D L 5 0 7 3 -2 0 0 0 ， 水工建筑物抗震设计规范【 s E 京 ： 中国电力出版 社 ， 2 0 0 1 【 3 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 北京： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 2 4 WA T S T E I N D E f f e c t o f s t r a i n i n g r a t e o n t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d e l a s t i c p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e J A C I J o u r n a l ， 1 9 5 3 ， 4 9 ( 8 ) ： 7 2 9 - 7 4 4 f 5 1 J O N E S P G， R I C G A R T F E T h e e ff e c t o f t e s t i n g s p e e d o n s t r e n g t h a n d e l a s t i c p r o p e i e s of c o n c r e t e M P r o c AS T M A me r i c a n S o c i e t y f o r T e s t i n g Ma t e r i a l s ， 1 9 3 6， 3 6： 3 8 0 3 9 1 6 肖诗云， 林皋 ， 逯静洲， 等 应变率对混凝土抗压特性的影响 J 哈尔 滨建筑大学学报， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 5 ) ： 3 5 3 9 7 肖诗云， 张剑不同应变率下混凝土受压损伤试验研究 J 】 土木工程 学报， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 3 ) ： 4 0 4 5 8 闫东明 混凝土动态力学性能试验与理论研究 D 】 大连 ： 大连理工大 学， 2 0 0 6 【 9 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准【 s - E 京： 中 国建筑工业出版社， 2 0 0 3 1 0 D L T 5 1 5 0 - - - 2 0 0 1 ， 水工混凝土试验规程【 s 】 E 京： 中国电力出版社 ， 2 0 0 2 【 1 1 尚仁杰 混凝土动态本构行为研究【 D 大连： 大连理工大学， 1 9 9 4 作者简介 联 系地址 联 系电话 孙吉书( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 副教授， 博士生， 主要从事建筑材料、 结构工程方面的教学与科研工作。 天津市北辰区双口镇西平道 5 3 4 0 号 河北工业大学土木 工程学院( 3 0 0 4 0 1 ) 1 3 8 2 01 6 7 5 5 9 基本相似 。 ( 2 ) 再生混凝土柱在受力过程中， 与普通混凝土相似 ， 正截 面应变沿截面高度基本符合平截面假定。 ( 3 ) 再生混凝土柱的 相关曲线与普通混凝土柱类似， 大 偏心受压时， 轴力相同情况下， 再生混凝土承担的弯矩较小。 ( 4 ) 由试验结果可以看出， 普通混凝土柱承载力略大于再 生混凝土柱， 从安全方面考虑， 计算再生混凝土柱受压承载力 设计值时， 可以大致按普通混凝土柱受压承载力计算公式计算 ， 为了保证安全， 取其对应的普通 昆 凝土柱受压承载力设计值乘 以0 9 。 由于本次试验的试件数量有限， 对再生混凝土柱的承载 力公式推导还有待于进一步的研究。 参考文献 ： 【 1 】肖建庄 ， 沈宏波 ， 黄运标 再生混凝土柱受压性能试验 J 结构工程 师， 2 0 0 6 ( 2 2 ) ： 6 2 张军， 叶跃忠， 高策再生混凝土柱轴心受压性能试验 J 】 四川建材 ， 2 0 0 7 ( 4 ) 3 周静海 ， 杨永生， 焦霞 再生混凝土柱轴心受压承载力研究【 J 】 沈阳建 筑大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 8 ( 2 4 ) ： 4 作者简介 ： 联系地址： 联系电话： 王乐天( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 工学硕士。 内蒙古鄂尔多斯市东胜区天骄 1 8 6 4 7 73 5 3 5 4 E 路万博厂场6 层( 0 1 7 0 0 0 )