區(qū)域約束再生混凝土相關(guān)問題綜述

涂開勝 程阿青 尚 茂 丁新東 黃興佳

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州貴陽 550025)

0 引言

近年來，國家提倡綠色環(huán)保，低碳出行，但城市化建設(shè)的同時(shí)，帶來了大量的建筑垃圾，傳統(tǒng)的處理方式是就地掩埋或者找特定區(qū)域堆放，但這一類材料難以分解，不僅堵塞河道，而且分解后的很多物質(zhì)對(duì)土壤和地下水都有一定的污染作用，因此，為了解決這一難題，大量學(xué)者開始對(duì)再生骨料展開了大量研究。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，再生骨料的壓碎指標(biāo)高于天然骨料的壓碎指標(biāo)，含泥量和砂粉量高。孔隙率大，再生骨料在制備過程中有裂縫，使再生混凝土的強(qiáng)度偏低且脆，抗拉能力弱，延性差，而且單位體積用水量高于普通混凝土，若保證水灰比不變的條件下，水泥的消耗量也比較大［1］。研究還表明，粉碎和篩分后的再生粗骨料作為混合物添加到普通混凝土中，因此再生混凝土的抗壓強(qiáng)度是隨著再生骨料的數(shù)量增加而呈先降后增再降的趨勢(shì)［2］，強(qiáng)度增加可能有兩個(gè)原因，第一種是由于高強(qiáng)度的再生骨料配制低強(qiáng)度的混凝土;第二種是由于再生骨料大吸水率，最終導(dǎo)致再生混凝土的水灰比降低，從而引起再生混凝土強(qiáng)度變高，但目前出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象比較少，多數(shù)呈性質(zhì)比較差的狀態(tài)。因此，再生骨料混凝土的成本較高，而帶來的效益較低，因而不被廣大工程師青睞。

貴州大學(xué)曹新明教授從改善約束混凝土機(jī)制的角度研究了約束混凝土約束機(jī)制［3］。提出了“區(qū)域約束”這一概念，經(jīng)過研究表明，區(qū)域約束這一概念的提出，不僅大幅度提高了柱子的承載能力，同時(shí)約束混凝土構(gòu)件的截面變小和自重下降，并且柱子延性也有了大幅度的改善。

通過將“區(qū)域約束”概念與再生混凝土結(jié)合，利用區(qū)域約束的優(yōu)異性，取長(zhǎng)補(bǔ)短，加強(qiáng)對(duì)再生混凝土核心區(qū)約束限制，以此達(dá)到改善再生混凝土的力學(xué)性質(zhì)的目的，同時(shí)促進(jìn)再生骨料的利用，改善其力學(xué)性能，經(jīng)濟(jì)價(jià)值也得到很大的提高，為了滿足工程質(zhì)量的要求，它還為再生骨料的利用提供了新的途徑。

1 約束再生混凝土研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外針對(duì)約束混凝土的研究已有近百年歷史，通過查閱文獻(xiàn)可知，混凝土的約束類型大致可分為兩種，即管狀約束與箍筋約束。不管約束類型如何，其約束機(jī)制是限制混凝土構(gòu)件的核心區(qū)混凝土的橫向變形，使得約束混凝土構(gòu)件形成三向應(yīng)力狀態(tài)，從而提高構(gòu)件的承載能力和變形性能。

對(duì)于管狀約束機(jī)制，其實(shí)質(zhì)是利用管壁來限制核心區(qū)混凝土的橫向變形，使得核心區(qū)的混凝土形成三向壓縮應(yīng)力狀態(tài)，以此來改善再生混凝土的力學(xué)性能，有很多的學(xué)者通過改變?cè)偕橇咸娲省⒐艿牟牧弦约俺叽鐜讉€(gè)方面進(jìn)行了大量研究;董宏英［4］等對(duì)不同替代率的鋼管再生混凝土的抗震性能展開了研究分析，得出了鋼管能夠改善再生混凝土的抗震性能，并提出我國的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范趨于保守;張建新等在鋼管再生混凝土柱的低周反復(fù)試驗(yàn)荷載研究了軸壓比等幾個(gè)條件［5］;馬輝等［6］對(duì)玻璃纖維管約束再生混凝土柱軸心受壓性能展開研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維管約束再生混凝土柱的承載力提高約12%;通過上述可以看出，眾多學(xué)者都是通過改變管狀約束混凝土的外部約束材料或者管截面形狀，對(duì)再生骨料混凝土的某些力學(xué)性能展開一系列可行性研究，然而，由于混凝土在凝結(jié)的過程中體積收縮，成型后的管狀約束混凝土管不能與混凝土緊密接觸，影響構(gòu)件的工作性能。

對(duì)于箍筋約束的方式，主要就是改變構(gòu)件的配箍方式，限制構(gòu)件的橫向變形，以此來改善構(gòu)件的工作性能。箍筋約束的約束效果比管狀約束要弱一些，但箍筋約束混凝土的施工方便，造價(jià)低，因此，在很多地方備受歡迎。為了更大程度的提高箍筋約束的約束效應(yīng)，改善其工作性能，國內(nèi)外眾多學(xué)者通過改變配箍方式，區(qū)域約束也就是在這種條件下產(chǎn)生的，普通配筋和區(qū)域約束配筋形式如圖1所示。

圖1 常見的普通約束與區(qū)域約束

從普通約束與區(qū)域約束配筋截面可以看出，區(qū)域約束配筋利用箍筋與縱向受力鋼筋組合，在中間箍筋相交位置添加縱筋，使得構(gòu)件的整個(gè)截面形成四個(gè)區(qū)域的約束箍筋，類似一個(gè)完整的小柱(也稱“分體柱”)，當(dāng)區(qū)域約束混凝土柱在水平荷載作用下，構(gòu)件一側(cè)混凝土達(dá)到極限應(yīng)變，導(dǎo)致混凝土開裂，構(gòu)件的另一側(cè)還是一個(gè)完整的柱子，加大了橫向約束，提高柱子的承載能力和延性，降低柱的剛度;如果是普通配筋，若一側(cè)混凝土開裂，另一側(cè)不能形成一個(gè)完整的約束，因此，普通約束配筋的柱子一旦開裂，則承載力和延性急劇下降。

2 區(qū)域約束再生混凝土的特點(diǎn)

2.1 再生混凝土的破壞機(jī)制

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，再生骨料是將使用后的混凝土構(gòu)件經(jīng)拆分破碎篩分最后得到了不同粒徑的混凝土再生骨料，其中5 mm以下的再生細(xì)骨料多做再生混凝土中填充作用，粗骨料主要作承壓作用，然而，在破碎后得到的粗骨料，由于其內(nèi)部存在微小裂縫和骨料表面附著砂漿(如圖2所示)，使得再生骨料混凝土在承載過程中粗骨料粒與舊砂漿之間更容易脫落，微小裂縫的存在使得骨料的壓碎指標(biāo)高，使得再生粗骨料在承受壓力時(shí)容易被壓碎，從而導(dǎo)致再生骨料混凝土出現(xiàn)了低強(qiáng)度和低彈模的情況，而且，由于再生骨料內(nèi)部干燥，天然含水率接近零，所以單位體積再生混凝土耗水量偏高;因此，再生混凝土構(gòu)件都比較粗大，容易形成短柱脆性破壞，同時(shí)導(dǎo)致空間利用率偏低，這對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)抗震是不利的。通過相關(guān)研究，區(qū)域約束混凝土柱在高軸壓比條件下也有良好的變形能力，不僅可以大大提高混凝土柱的承載能力和能耗，同時(shí)柱的橫截面減小，這也提高了材料的利用率。

圖2 再生骨料混凝土骨料

2.2 區(qū)域—再生混凝土的破壞機(jī)制

區(qū)域約束再生混凝土。顧名思義，就是將“區(qū)域約束配筋”概念與再生骨料混凝土結(jié)合而成的一種新的理論體系，新理論旨在大幅度改善再生骨料混凝土的力學(xué)性能。核心區(qū)混凝土如圖3所示。

圖3 約束核心區(qū)對(duì)比

由圖3知，傳統(tǒng)約束混凝土柱的核心區(qū)在中央位置，通過改變約束機(jī)制，將核心區(qū)的中部區(qū)域移至四個(gè)角，形成了四個(gè)小區(qū)域的核心區(qū)，圖3a)，圖3b)可知，由于圖3a)中核心區(qū)混凝土兩個(gè)方向的箍筋互不影響，在構(gòu)件受軸向壓力時(shí)，會(huì)形成各個(gè)方向的箍筋往外凸，對(duì)核心區(qū)混凝土的限制效應(yīng)低于區(qū)域約束，而且，由于核心區(qū)變小了，但對(duì)于單個(gè)核心區(qū)的約束效應(yīng)未降低，使得區(qū)域約束混凝土整個(gè)截面的橫向約束優(yōu)于傳統(tǒng)約束，因此，力學(xué)性能和耗能能力提高，從而提高再生骨料的利用率，在后續(xù)將會(huì)對(duì)區(qū)域約束再生混凝土的相關(guān)力學(xué)性能做對(duì)比試驗(yàn)研究分析，從試驗(yàn)的角度來看，探究了區(qū)域約束再生混凝土的力學(xué)性能改善。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

目前對(duì)于再生骨料的研究停留在對(duì)再生骨料和某些傳統(tǒng)約束上的研究，區(qū)域約束是近幾年提出的一個(gè)新概念，通過對(duì)再生骨料的性質(zhì)和“區(qū)域約束”概念的相關(guān)介紹，區(qū)域約束再生混凝土的力學(xué)性質(zhì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值都有一定的改善，由于核心區(qū)混凝土在箍筋橫向約束作用下，使得混凝土的承載能力得到有效提高，同時(shí)區(qū)域約束再生混凝土構(gòu)件的延性也得到大幅度的提高。

3.2 展望

希望可以從試驗(yàn)的角度對(duì)區(qū)域約束再生混凝土的經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行量化，通過對(duì)其試驗(yàn)研究和有限元軟件模擬，找到相關(guān)的本構(gòu)關(guān)系理論模型，擴(kuò)大對(duì)再生骨料的利用率，使得對(duì)“建筑廢料”的利用進(jìn)一步提高，對(duì)后續(xù)的區(qū)域約束推廣作進(jìn)一步的詮釋。