圆钢管约束再生混凝土轴压力学性能试验研究

李雪鹏胡忠君金丽娜曾会淋

（吉林大学建设工程学院，长春 130026）

0 引言

随着我国基建规模不断扩大，砂石消耗量巨大，原材料短缺导致砂石价格逐年上升。与此同时，每年因改造、拆建产生的废弃混凝土产量亦达到几十亿吨的规模，如何消纳这些固废材料并将其资源化再利用成为行业关注和研究热点［1-3］。再生骨料由于表面附有既存砂浆且有较多裂纹，强度和吸水率等与天然骨料略有不同，同时考虑骨料来源、骨料处理方式等影响，配制出的再生混凝土在力学性能上亦具有一定离散性，限制了其工程应用范围。将再生混凝土灌入钢管形成钢管混凝土可有效缓解再生混凝土强度离散性，按照钢管是否承受竖向荷载，约束构件可分为钢管再生混凝土和钢管约束再生混凝土两种不同受力模式。肖建庄、陈宗平等学者针对钢管约束再生混凝土开展的试验研究表明：钢管约束使内部核心再生混凝土强度明显提升，变形性能得到改善，圆钢管约束效果好于方钢管，并在此基础上建立了约束强度计算［4-7］模型。考虑到目前针对圆钢管约束再生混凝土（Recycled Aggregate Concrete Confined by Circular Steel Tube，RACCST）开展的研究工作仍较少，本文拟针对9根RACCST试件及9根再生素混凝土试件进行轴压试验，研究粗骨料取代率对约束混凝土强度和应力-应变关系的影响规律。

1 试验设计

1.1 试验材料及参数

本次试验选用水泥为硅酸盐水泥，粗骨料取自建筑物拆除后的废旧混凝土。再生粗骨料（Recyded Coarse Aggregate，RCA）经过人工和机器两次破碎后粒径为5～35 mm，其表观密度为2 365 kg/m3，吸水率为5.5%，压碎指标为13.7%。钢管外径为166 mm、壁厚3 mm、高450 mm，钢管的屈服强度实测值为285 MPa，弹性模量为206 GPa。

1.2 试件设计及制作

设计9根RACCST试件及9根再生混凝土试件，依据RCA取代率不同分成三组，分别为0%、50%和100%，试件的命名法为：YG-0-1中YG表示RACCST试件，粗骨料取代率R为0%，试件编号为1号；Y-0.5-4中Y表示再生混凝土试件，粗骨料取代率R为50%，试件编号为4号。

将搅拌均匀的混凝土分别灌入圆钢管和直径155 mm、高450 mm的PVC模具中，浇筑后放置在振动台上振动1 min，最后抹平静置，在自然条件下养护28 d，同时为保证钢管不直接承担竖向荷载，在距离钢管两端30 mm处开出两条10 mm宽的切缝，形成钢管约束混凝土试件。RACCST试件切缝处理及截面尺寸如图1和图2所示。

图1 试件端部切缝处理Fig.1 Specimen end slit treatment

图2 试件尺寸示意图Fig.2 Schematic diagram of specimen size

1.3 测点布置及加载制度

粘贴应变片，首先打磨钢管表面使其光滑，并且利用丙酮擦拭钢管表面，在丙酮风干后利用502胶水将应变片固定在钢管表面，试验应变片采用河北邢台金力传感元件厂制造的电阻应变计。

本次试验在力学实验室2 000 kN压力机上进行，在试件的两端放置尺寸为200 mm×200 mm×10 mm的方形钢板来保证受荷均匀，试件中部高度370 mm范围内侧面对称布置四个竖向位移传感器（LVDT），试件半高处沿环向布置纵向和环向应变片，试验加载装置及测点布置如图3所示。

图3 加载装置及测点布置Fig.3 Loading device and measuring point arrangement

试验采用分级加载，在试件到达预估极限峰值荷载60%以前，每级采用预估极限峰值荷载的1/10进行加载；在预估极限峰值荷载60%～80%范围内，采用预估极限峰值荷载的1/15进行加载，每级持续5 min；超过预估极限峰值荷载的80%以后，按照加载速率0.1 kN/s缓慢持续加载直至试件破坏。

2 试验结果分析

试件主要参数和试验结果如表1所示。随RCA取代率的不断增加，RACCST试件峰值荷载和峰值应力均出现下降趋势，不同RCA取代率组均以取代率为0%的三个试件最小值进行对比分析，以YG-0-1为参照，当RCA取代率从0%增加到100%，YG-0.5-5和YG-1.0-9峰值荷载和峰值应力分别下降7.46%和15.87%。同条件下的再生混凝土试件，以Y-0-2为参照，当RCA取代率从0%增加到100%，Y-0.5-5和Y-1.0-9峰值荷载和峰值应力分别下降10.91%和23.77%，可见钢管约束作用在提高试件承载力的同时也可在一定程度上缓解再生混凝土强度的离散性。

表1 试件主要参数和试验结果Table 1 Specimen main parameters and test results

2.1 试件破坏过程

试验加载初期，RACCST试件和再生混凝土试件基本处于弹性受力阶段，外观无明显变化，当加载达到RACCST试件峰值荷载的80%时，钢管表面有部分锈斑脱落，试件中部区域的钢管外壁开始出现环向膨胀变形；随荷载增加，试件中部出现明显的剪切滑移线，试件主要呈现出腰鼓型剪切破坏。再生混凝土试件破坏与普通混凝土试件破坏形态一致，无明显差别。部分试件的破坏形态如图4所示。

图4 试件的主要破坏形态Fig.4 The main failure modes of specimens

2.2 钢管受力分析

图5为荷载-横向变形系数曲线，εh和εv分别为钢管中部环向应变和纵向应变，以YG-1.0-8为例，在加载初期，试件中部的εh和εv逐步增长，环向应变小于纵向应变，随荷载增加，εh/εv比值逐渐增大，表明钢管对核心混凝土的约束增强，后期曲线由于钢管屈服出现斜率增大的现象。由图6可以看出，试件中部应变片测得的钢管屈服点与峰值荷载位置基本对应，可见钢管不直接承受竖向荷载的加载模式，钢管的环向约束作用更容易得到充分发挥。

图5 荷载-横向变形系数曲线Fig.5 Load-lateral deformation coefficient curve

图6 荷载-竖向应变曲线Fig.6 Load-vertical strain curve

2.3 约束混凝土强度计算

国内外诸多学者均提出过适用于钢管约束混凝土的强度计算模型，肖建庄等提出了考虑RCA取代率修正的混凝土强度计算模型；周绪红、刘界鹏等［8-9］基于Mander模型［10］提出钢管约束混凝土强度计算模型；滕跃［11］采用Mander模型建立了圆钢管约束高强混凝土强度计算模型，为了验证相关模型对预测RACCST试件约束混凝土强度计算的适用性，本文选取Mander模型、肖建庄模型、Peter［12］模型以及O'Shea［13］模型进行对比验证，约束混凝土强度计算模型如表2所示。

表2 约束混凝土强度计算模型Table 2 Calculation models of confined concrete strength

表3为依据上述四种模型获得的约束混凝土峰值应力计算值。本文计算过程中YG系列试件的核心混凝土强度为对比试件Y系列试件每组数据的平均值，例如YG-0系列试件的核心混凝土强度由对比试件Y-0系列确定，故未引入折减系数。

表3 四种模型计算值与试验值对比Table 3 The calculated values of the four models compared with the experimental values

由表3可以看出，随着RCA取代率的逐渐增高，RACCST试件的峰值应力计算值均呈下降趋势；Mander模型峰值应力计算值与试验值的比值区间为0.95～0.98，肖建庄模型峰值应力计算值与试验值的比值区间为0.99～1.05，二者均吻合良好。O'Shea模型和Peter模型峰值应力计算结果均低于试验值，且Peter模型计算结果偏差较大，其最大误差为18.08%。Mander模型、O'Shea模型、Peter模型和肖建庄模型计算值与试验值的比值的平均值分别为0.97、0.86、0.82和1.02，基于所有试件计算值与试验值的比值进行整体误差分析，通过图形和数据分析认为Mander模型和肖建庄模型针对本次试验均适用，由于本次试验设有对比试件，因而未采用肖建庄模型中的折减系数φ，为保证后续模型计算的统一性，故本文选用Mander模型对RACCST试件的峰值应力进行计算，图7为模型峰值应力的计算值与试验值比对图。

图7 峰值应力计算值与试验值比对Fig.7 Peak stress calculation values and experimental values

2.4 应力-应变关系表达式

由于Mander模型的峰值应力计算值与试验值吻合较好，本文基于Mander模型，为考虑RCA取代率的影响，引入修正系数η，建立RACCST的应力-应变关系方程如下：

式中：σc为混凝土当前应力；x为系数，x=εc/εcc；εc为混凝土当前应变；εcc为约束混凝土应变，εcc=为系数，r=Ec/(Ec-Esec)；Ec为混凝土的弹性模量为混凝土峰值荷载处的割线量，Esec=f′cc/εcc；fcr为非约束再生混凝土强度，fcr=-5.45R+fco（由试验数据拟合）；R为再生粗骨料取代率；fco为RCA取代率为0%的非约束混凝土强度试验值的平均值；f′cc为修正后约束再生混凝土的强度，表达式为

式中：η为修正系数为钢管提供的侧向有效约束应力为钢管外径，D=166 mm，t为钢管厚度，t=3 mm，fy为钢管的屈服强度，fy=285 MPa。

采用上述修正的Mander模型计算获得的试件应力-应变曲线和试验曲线对比如图8所示，图中模型计算曲线选取同条件三个对比试件fco均值进行计算。由图8可以看出，模型计算曲线与试验曲线基本吻合，说明修正后的Mander模型用以描述RACCST应力-应变关系是适用的。

图8 约束混凝土应力-应变关系计算与试验曲线对比Fig.8 Stress-strain relationship of confined concrete calculation with the test curves

3 结论

（1）随着RCA的取代率增加，RACCST试件峰值荷载略有降低，当RCA取代率从0%增加到100%，YG-0.5-5和YG-1.0-9相比于YG-0-1，试件峰值荷载分别下降7.46%和15.87%。

（2）验证了Mander模型、肖建庄模型、O'Shea模型和Peter模型计算RACCST试件约束混凝土强度的适用性，计算结果表明：Mander模型与肖建庄模型在峰值应力预测上均具有良好的适用性。

（3）基于Mander模型本构方程，引入RCA取代率修正系数，给出适用于RACCST试件的应力-应变关系表达式，计算曲线与试验曲线吻合良好。