黏土砖再生骨料混凝土柱轴心受压承载力试验研究

路晓明，张浩

（1.郑州科技学院，河南 郑州 450064；2.河南省信息咨询设计研究有限公司，河南 郑州 450008）

0 引言

长期以来，我国建筑物中大量使用黏土砖作为承重或围护结构材料。随着城市建设和城市改造的加快，以及自然灾害等原因造成的建筑物提前毁弃，拆除旧建筑物将产生大量的废弃黏土砖，成为建筑垃圾。鉴于粗骨料的大量需求和废弃黏土砖污染环境这一现状，若能有效地将废弃黏土砖加以回收处理、加工成可用于拌制混凝土的粗细骨料，生产出大量的黏土砖再生骨料混凝土，既可以解决废弃黏土砖的处理问题，又能缓解拌制混凝土所需粗细骨料对自然资源的消耗问题，对建筑行业的可持续发展将起到积极推进作用。

很多学者通过配制不同再生骨料掺量的混凝土并研究其抗压强度，得出了有意义的成果[1-3]；肖斌等[4]用不同粒径、不同含量的废砖再生骨料拌制混凝土，对其进行力学性能试验；王纯合[5]对砖骨料替代率分别为30%、50%、70%、100%的4根混凝土梁与1根天然骨料的普通混凝土梁进行对比试验；赵文兰等[6]研究了由废弃黏土砖作粗骨料拌制浇筑的混凝土组合墙体。近年来，国内外科研人员完成了一些废砖再生骨料混凝土的相关研究和探索，但大多集中于基本物理力学性能的研究，很少针对构件或结构、特别是针对再生骨料混凝土柱轴心受压的研究，因此研究黏土砖再生骨料混凝土柱轴心受压承载力具有重要的意义。

1 试验

1.1 原材料

水泥：河南星达水泥厂，P·O32.5。

砂：普通河砂，细度摸数为2.8。

天然骨料：河南省内破碎花岗岩石子，粒径为5～20 mm，颗粒级配良好。

再生骨料：郑州市城中村拆房废砖，粉碎筛分后骨料粒径为5～20 mm，级配良好。

水：自来水。

天然骨料与再生骨料的主要物理指标见表1。

表1 天然骨料及再生骨料的主要物理指标

1.2 试验配合比

以往研究结果表明[3]，黏土砖再生骨料的替代率太大时强度不能保证，太小则经济和环保效果不显著，其中最佳替代率为20%～40%。本试验制作试件时水灰比为0.5，黏土砖再生骨料替代率分别为0、20%、25%、30%、35%，黏土砖再生骨料混凝土柱配合比见表2。

表2 黏土砖再生骨料混凝土柱配合比 kg

1.3 试件制作

根据预定试验方案，每组3个共制作15个试件（天然骨料混凝土柱作为对比组），试件尺寸为150 mm×150 mm×1200 mm。

（1）钢筋笼绑扎及支模：混凝土柱受力纵筋采用4根直径12 mm的钢筋，箍筋采用直径6 mm的钢筋，底部采用加宽加长固定端底座。

（2）钢筋应变片粘贴及应变导线的焊接：应变片分别在柱底部50、300、600 mm处及离顶部50 mm处粘贴，并在4根主筋同等位置处粘贴，粘贴好应变片后，用导线连接并将导线通过柱上端引出柱外面。

（3）浇筑成型拆模并打磨：将浇筑好的柱用覆膜保水养护，达到养护标准后，用打磨机将表面打磨平整。

（4）混凝土柱表面粘贴应变片：将打磨好的混凝土柱表面清理干净，在柱的4个面的上部、中部和下部分别贴上2个、3个、2个应变片。

1.4 试验仪器及方法

试验采用单次加载，试验装置为2000 kN伺服液压式万能试验机，最大轴向压力为2000 kN，最大行程300 mm，测量精度±1%。柱顶部安装位移传感器，用于测量柱的轴向变形，柱表面的应变片用于测定混凝土的应变。应变采集仪为CM1A型静态应变仪。

依据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》及GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

2 黏土砖再生骨料混凝土柱轴心受压破坏形态分析

混凝土柱最常见的受力模式是轴心受压，柱内部配置纵向钢筋的作用是承担部分荷载，这样可减少构件的截面尺寸，同时改善混凝土的徐变特性，减少混凝土的离散性，增强构件的延展性，防止偶然的偏心作用引起构件破坏。箍筋主要与纵筋形成骨架，防止纵筋的压弯屈服，保证纵筋与混凝土共同受力。对于配有纵向钢筋的混凝土柱，在轴心受压的情况下，理论上在破坏之前柱任意截面上压应变是均匀分布的，钢筋的应变和混凝土的应变应当相等。不同黏土砖再生骨料掺量下混凝土柱轴心受压破坏形态见图1。

由图1可见，不同再生骨料掺量的混凝土柱破坏形态与普通混凝土柱没有本质区别，都是经历了3个阶段，即弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。然而再生骨料混凝土柱在裂缝发生、发展及贯通过程中，仍表现出一定的特异性。

（1）弹性阶段：当荷载较小时，钢筋和混凝土都处于弹性阶段，纵向钢筋和混凝土的应变随着轴向力的增加而增加，二者的应力也随着轴力的增加而呈线性增加模式，由于钢筋的弹性模量比混凝土大，所以钢筋的应力要大于混凝土中的应力。

（2）塑性阶段：随着荷载的增大，混凝土首先进入塑性阶段，在柱顶端出现细微的纵向裂缝；随着黏土砖再生骨料掺量的增加，细微裂缝出现的时间越快，裂缝发展速度也越快。荷载进一步增加，柱身也开始出现裂缝，并逐渐与端部裂缝贯通。

图1 不同再生骨料掺量下混凝土柱轴心受压破坏形态

（3）破坏阶段：随着荷载的继续增大，混凝土达到极限压应变，混凝土柱裂缝从端部开始向四周蔓延，最终出现贯通的纵向裂缝，承载力不再增加，试件即告破坏。再生骨料掺量越大，柱子裂缝贯通发生的时间越快，整个柱子破坏的时间越短，其承载力也越低。从破坏后的残渣看，再生骨料混凝土柱的破坏，一部分是骨料自身强度不足而破坏，另一部分是骨料和水泥浆体的开裂而破坏。

3 黏土砖再生骨料混凝土柱轴心受压承载力与位移分析

3.1 承载力分析

不同再生骨料掺量下混凝土柱开裂荷载、极限荷载见表3，其中开裂荷载指混凝土柱首次出现裂缝时的荷载，极限荷载指仪器测得的混凝土柱最大承载力。

表3 不同再生骨料掺量下混凝土柱开裂限荷、极限荷载

由表3可见：黏土砖再生骨料混凝土柱的开裂荷载和极限荷载均随着黏土砖再生骨料掺量的增加而降低，黏土砖再生骨料掺量为20%、25%、30%、35%时，混凝土柱的开裂荷载分别降低8.45%、13.18%、19.91%、27.44%，极限荷载分别降低6.03%、9.90%、14.10%、18.31%。这可能与以下原因有关：

（1）黏土砖再生骨料自身性质的影响：由于黏土砖再生骨料自身强度不高，稳定性和坚固性没有普通骨料大，随着黏土砖再生骨料掺量的增加，再生混凝土抵抗破坏的能力变弱，混凝土更易发生拉裂破坏。

（2）黏土砖再生骨料吸水性的影响：随着黏土砖再生骨料掺量的增大，其自身的吸水量也在增大，对试件内部水泥的水化有一定的影响。由于本次试验所用的配合比中水灰比为0.5，在黏土砖再生骨料掺量较低的情况下，再生骨料对水化影响有限，但在掺量较大时，对水化作用的影响越来越明显。

（3）普通骨料的骨架作用：在掺量较低时，普通骨料有一定的骨架作用，而在掺量较大时，这种骨架作用就会破坏。

（4）施工性能的影响：再生骨料自身具有吸水性强，颗粒表面多棱角等特点，这在拌和及浇筑过程中，影响混凝土的和易性、流动性及保水性，使试块不易振捣密实，中间多空隙，因此随着黏土砖再生粗骨料掺量的增加，试块的强度有所降低。

当黏土砖再生骨料掺量为30%时，开裂荷载的降低幅度为19.91%，极限荷载的降低幅度为14.10%；当掺量达到35%时，开裂荷载的降低幅度达到27.44%，极限荷载的降低幅度也达到了18.31%，与上一级掺量均有较大的变化。因此，综合考量经济和强度的因素，建议黏土砖再生骨料掺量不宜大于30%。

从混凝土柱开裂荷载与极限荷载的比值来看，黏土砖再生骨料的掺量越大，其比值越小，混凝土柱从开始出现裂缝到破坏经历的过程也越长，混凝土柱表现出越大的塑性。从抗震设计的“强柱弱梁”的角度分析，要保证梁先于柱子破坏，柱子的刚度要比梁的刚度大，所以再生骨料混凝土柱的塑性是不利于抗震的，从这一点来说，再生骨料的掺量也不宜过大。但是当再生骨料掺量为30%时，混凝土柱的开裂荷载与极限荷载比值为0.720，比不掺再生骨料的普通混凝土柱的比值仅降低6.7%。

3.2 承载力与位移分析

不同再生骨料掺量下混凝土柱的荷载-位移曲线见图2。

图2 不同再生骨料掺量下混凝土柱的荷载-位移曲线

由图2可见：

（1）无论混凝土柱是否掺加再生骨料，随着荷载的增大，混凝土柱的轴向位移均随之增大，但二者并非线性关系。初始阶段位移突然增大，是试验机轴压板与混凝土柱相互贴合过程中的位移突变，不具有代表性。随着荷载的增大，轴向位移与荷载基本成线性关系，此时混凝土柱处于弹性阶段。荷载继续增大，轴向位移增加速度逐渐变大，轴向位移与荷载成非线性关系，此时混凝土柱处于塑性阶段。当荷载大于塑性极限时，混凝土柱开始出现裂缝，轴向位移增加很快，混凝土柱进入破坏阶段，同时在荷载增大很小的情况下，柱子发生破坏。

（2）从位移增量来看，黏土砖再生骨料掺量越大，相同荷载条件下，轴向位移也越大。例如，当荷载值为300 kN时，黏土砖再生骨料掺量为0、20%、25%、30%的混凝土柱的轴向位移分别为 1.61、2.11、2.22、2.40 mm。

（3）黏土砖再生骨料掺量越大，混凝土柱破坏时的荷载越小，轴向位移却越大，这进一步说明黏土砖再生骨料的掺加，增大了混凝土柱的塑性。在抗震设计时宜注意此不利影响。

4 轴心受压黏土砖再生骨料混凝土柱的设计计算

黏土砖再生骨料掺量为30%的轴心受压混凝土柱正截面受压承载力设计值可依据GB 50010—2010中有关条文进行计算：

式中：N——轴向压力设计值，N；

φ——钢筋混凝土构件的稳定系数，见GB 50010—2010表格6.2.15，本例中由于柱的长细比等于8，故取值为1；

λ——再生骨料混凝土柱的安全系数，当掺量为30%时，建议取值为0.9；

fc——混凝土轴心抗压强度设计值，MPa，当掺量为30%时，建议折减系数取0.8；

fy＇——钢筋的抗压强度设计值，MPa；

A、As′——构件截面面积和全部纵向钢筋的截面面积，mm2，当纵向钢筋配筋率＞3%时，A 应当减去 As′。

对于λ的取值，已考虑了混凝土柱的极限荷载、开裂荷载和塑性指标等因素，但主要是以极限荷载的折减为准。

对于fc的取值，建议折减系数取值为0.8，主要是考虑到黏土砖再生骨料混凝土的抗压强度的折减。

在实际使用时，建议对黏土砖再生骨料混凝土试件先进行抗压强度试验；如无实际资料时，黏土砖再生骨料混凝土抗压强度值可按折减系数为0.8的普通混凝土抗压强度取值。

5 结语

5 结语

（1）不同再生骨料掺量的混凝土柱破坏形态与普通混凝土柱没有本质区别，都经历了弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。但是黏土砖再生骨料掺量越大，混凝土柱进入塑性阶段的时间越早，柱子顶端及柱身出现裂缝的时间越早，裂缝贯通速度越快，柱子破坏的越快，承载力越低。

（2）黏土砖再生骨料混凝土柱的开裂荷载和极限荷载均随着黏土砖再生骨料掺量的增加而降低。综合考量经济和强度的因素，建议黏土砖再生骨料掺量不宜大于30%。

（3）黏土砖再生骨料混凝土柱正截面受压承载力设计值可依据GB 50010—2010的有关公式计算，但应乘以相应的折减系数，混凝土的抗压强度折减系数为0.8，再生混凝土柱的安全系数取0.9。

[1] 华军舰，宋少民.再生混凝土的配合比及其耐久性的研究[J].商品混凝土，2007（2）：46-51，80.

[2] 王社良，景龙平，张博，等.砖含量对再生骨料性能影响的试验研究[J].混凝土，2011（2）：83-85，88.

[3] Poon C S，Chen H J，Yen T.Feasible use of recycled concrete aggregate and crushed clay brick as unbound road sub-base[J].Construction and Building Materials，2005，19（10）：578-585.

[4] 肖斌，刘子振，李晓龙，等.建筑废砖骨料再生产试验研究[J].台州学院学报，2010（6）：51-55.

[5] 王纯合.砖骨料再生混凝土梁斜截面抗剪性能试验研究[D].泰安：山东农业大学，2013.

[6] 赵文兰，李双，刘立新，等.废砖再生混凝土组合墙体力学性能试验研究[J].新型建筑材料，2012（6）：30-32，44.