黏土磚再生粗骨料混凝土構件受力及形變分析

楊曉飛

(山西省東山供水工程建設管理局，山西 太原 030001)

隨著我國建筑行業逐漸發展，國內上個世紀的建筑拆遷工作不斷涌現。在拆遷過程中存在大量的黏土廢棄磚，如何有效利用該資源是建筑行業工作者的一項難題[1]。為了響應國家的綠色環保循環利用的施工建設理念，可將其處理成再生粗骨料，摻配于混凝土中。黏土磚再生粗骨料混凝土構件能否應用于建筑結構中成為問題的關鍵。

本文為了研究黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻在受到低周反復載荷時的力學性能，設計對比試驗，探究其受力與形變性能。

1 試驗設計

1.1 樣本制作

本次試驗制作3個矩形截面短肢抗震墻樣本構件，樣本構件與實際構件大小一致，樣本構件依次是普通混凝土短肢墻(DZQ)、再生磚粗骨料百分比30%的混凝土短肢墻(ZSZDZQ)。為了保證摻入黏土磚再生粗骨料的混凝土構件的強度，僅摻入質量30%的再生磚粗骨料代替石子骨料。利用江西省南昌市某縣拆遷現場的廢棄磚制作黏土磚再生粗骨料。先將廢棄黏土磚粉碎，再進行篩分后形成再生粗骨料，其粒徑均在4～21mm，堆積密度是1580kg/m3，48h的吸水百分比是20.5%。結合黏土磚骨料的孔隙比、吸水特點，綜合考慮混凝土強度與干縮性，借鑒已有研究成果，標定再生磚骨料混凝土混合比例[2- 4]。設定普通混凝土與再生磚粗骨料混凝土水灰比例0.45，含砂比例32%。普通混凝土水泥、水砂、石混合比例是：14.05∶5.64∶

12.15∶28.29，黏土磚再生粗骨料混凝土的水泥、水、砂、石、粗轉骨料混合比例是14.05∶7.38∶12.15∶18.35∶9.94。

1.2 試驗原料性能

試驗所用的混凝土樣本構件力學性能檢測參數見表1中數據，所用鋼筋的力學性能檢測參數如表2中數據。

表1 混凝土各力學性能檢測數據概況

表2 試驗三級鋼筋各力學性能檢測數據概況

1.3 加載方法介紹

本試驗選擇低周反復加載的方法。其主要借助MTS三維擬動力液壓伺服設備與反力架實現垂直與水平方向上反復加載。具體實景圖如圖1所示。

圖1 加載設備實景圖

試驗加載分為2個階段。第1個階段主要控制載荷與位移，第2階段主要控制位移。垂直方向施加載荷時軸壓比例是0.35。在未試驗時，應一次性施加載荷257kN，進行試驗時不得發生變化，并且保證在墻頂端表面中心位置處加載。

水平方向加載：必須在墻頂梁端表面中心位置處加載。

控制加載：在試驗構件鋼筋未發生屈服時，后一次都要比前一次增加22.5kN的荷載，每級都進行循環[5]。

控制位移：一旦試驗構件出現屈服，采取水位位移控制方式，每一位移級循環2次，當受壓縱筋屈服、水平載荷僅為極限載荷數值的0.80時才停止水平位移控制[6]。

1.4 檢測指標與檢測方法

試驗檢測指標涉及到抗震墻頂端的水平力與位移、頂部施加的垂直方向的載荷、垂直方向與水平方向鋼筋的應變值。在進行試驗時，隨時檢測抗震墻裂縫情況，并以圖畫形式及時記錄裂縫出現位置。

將8個位移傳感器安設在剪力墻試驗構件上，可以檢測出剪力墻頂點位移、墻半高處的水平位移級墻腳處位移及轉角等系列參數變化。鋼筋應變檢測點應位于暗柱縱筋、剪力墻水平分布鋼筋與垂直分布鋼筋。具體位移傳感器與鋼筋應變檢測點位置如圖2所示。裂縫檢測需要借助放大鏡與裂縫寬度儀配合完成。

圖2 位移傳感器與鋼筋應變檢測點位置示意圖

2 數據探析

2.1 承載力

抗震墻試驗構件各載荷參數檢測數據匯總見表3。分析表3中數據不難得到：再生磚骨料混凝土抗震墻試驗構件ZSZDZQ發生開裂現象遠遠提前于普通混凝土抗震墻試驗構件DZQ，主要受到磚骨料抗拉強度降低了混合料抗拉強度的影響。ZSZDZQ的開裂載荷、屈服載荷、破壞載荷分別低于DZQ的相應載荷的13.25%、4.65%、9.25%。檢測數據可以看出再生磚骨料混凝土抗震墻承載力一般為普通混凝土抗震墻承載力90%以上。黏土磚再生粗骨料混凝土與普通混凝土相比屈強比例升高，其脆性也隨之升高。

表3 試驗構件各載荷參數檢測數據對比表單位：kN

2.2 延性能力

將各個抗震墻墻頂位移與延性系數檢測數據分別匯總整理見表4、5。分析兩個表中數據，不難看出再生磚骨料混凝土抗震墻試驗構件ZSZDZQ開裂位移、屈服位移、極限位移、彈塑性位移角度、延性系數分別占普通混凝土抗震墻試驗構件DZQ相應參數的140.42%、95.9%、90.85%、90.72%、87.76%。通過上述數據分析，得到再生磚骨料混凝土抗震墻延性雖有下降，但仍為普通混凝土延性系數的85%以上，能夠達到結構抗震規定的標準。

表4 試驗構件各位移相關參數檢測數據對比表

表5 試驗構件延性系數檢測數據對比表

2.3 滯回曲線變化

圖3、4分別是普通混凝土抗震墻試驗構件DZQ與再生磚骨料混凝土抗震墻試驗構件ZSZDZQ在低周反復載荷條件時的水平載荷P-頂點水平方向位移U滯回曲線變化。對比分析圖3、4，不難得到：抗震墻在未出現開裂時完全屬于彈性工作階段，此階段樣本構件加載曲線和卸載曲線近乎疊合成一條直線狀態。當樣本構件處于開裂到屈服階段時，滯回曲線形成狹窄細長型環狀，包絡面積與耗能都很小。當樣本構件處于屈服后的階段時，滯回曲線發生逐步靠近坐標橫軸的趨勢，隨之包絡面積變大。綜上所述，可得再生磚骨料混凝土抗震墻與普通混凝土抗震墻能耗并無太大差異，只是再生磚骨料混凝土抗震墻滯回環包絡面積與能耗略有下降，但幅度不大。

圖3 DZQ的P～U滯回曲線變化

圖4 ZSZDZQ的P～U滯回曲線變化

2.4 裂縫發育

通過實時記錄繪畫出各試驗墻(DZQ與ZSZDZQ)裂縫位置分別見圖5、6。

圖5 DZQ的裂縫位置

圖6 ZSZDZQ的裂縫位置

分析圖5、6裂縫位置及形狀變化，顯然能得到如下結論：

在混凝土未開裂時，各個抗震墻完全屬于彈性工作階段。隨著水平力逐漸增加，墻體受拉位置的中間位置發生細小的水平開裂，相反方向載荷增加墻體對側受拉位置邊緣處同樣發生細小的水平開裂。隨著水平力再次增加，墻體開裂現象逐漸增多，先前開裂位置的裂縫寬度與長度均有明顯增加，墻體根部截面形成水平裂縫，受拉區中間部位形成大量明顯的斜裂縫；在相反方向施加載荷時，墻體對側受拉區域形成大量水平裂縫，先前開裂的裂縫逐漸延長至墻體中間位置。

隨著水平力與屈服載荷接近時，墻體受拉區域形成大量水平裂縫與斜裂縫，裂縫進一步延長到下部，縱向受力鋼筋逐漸屈服。接著，載荷-位移變化曲線開始遠離直線，試驗構件已經發生屈服。隨著載荷進一步增加，墻體受拉區域先前的裂縫發育，裂縫深度、長度、寬度及數量均有所增長。一旦墻體受壓區域縱筋屈服，試驗構件已經破壞。

3 結語

本文為了研究黏土磚再生粗骨料混凝土的力學性能，設計對比試驗。制作普通混凝土短肢抗震墻與30%的黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻，施加低周反復載荷，分析抗震墻的承載力、延性能力、滯回曲線變化、裂縫位置及發育等評價參數，探究黏土再生粗骨料混凝土短肢抗震墻的受力性能。概括分析總結如下3點：

(1)在其它一致情形時，黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻承載能力小于普通混凝土短肢抗震墻的承載能力，但相差不大。

(2)黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻同樣存在彈性、開裂、屈服、破壞4個受力性能階段，與普通混凝土短肢抗震墻一致。

(3)黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻出現彎曲破壞時具有較高的延性，滯回環包絡面積小，能耗小，承載能力與剛度平穩減小。只要軸壓比限值設計適當，黏土磚再生粗骨料混凝土短肢抗震墻完全符合相關技術標準，適于作為建筑構件。

黏土磚再生粗骨料混凝土構件完全可以用于建筑施工中，充分利用廢棄黏土磚，避免了資源浪費與環境污染，不僅具有經濟效益，而且有很大的社會效益，值得推廣。