近年来,随着我国地震灾害频发和城市化进程加快,产生了巨量建筑废物,如采用传统的掩埋方式处理,势必造成巨大的环境污染和土地资源的巨大浪费 ^[1,2]。因此,合理化利用建筑废物,开展再生混凝土的研究和应用,不仅可缓解混凝土工业对自然资源的过度需求,还可保护天然粗骨料的过度消耗和生态环境的破坏 ^[3,4],为城市建筑垃圾提供了新的解决方法,具有重要的社会、环境和经济意义。目前,对再生混凝土力学性能的研究表明再生混凝土的力学性能较差,这主要是受再生粗骨料生产工艺、来源混凝土强度和原始受载情况等影响 ^[5,6,7]。

　　 梁是混凝土结构中的重要承力构件,对再生混凝土梁的研究具有重要的应用价值。基于37根再生混凝土梁的试验结果,肖建庄等 ^[8]研究了再生混凝土梁的受力性能和承载力计算公式,杨桂欣等 ^[9]进一步建立了再生混凝土梁的挠度计算公式。本文针对四川芦山地震中倒塌的建筑废弃物,分析不同再生粗骨料取代率和配筋率对再生混凝土梁在加载过程中平截面假定、挠度变形、裂缝宽度、刚度、开裂荷载以及极限承载力等方面的影响,基于现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(简称混规)中混凝土正截面承载力计算公式,建立不同粗骨料取代率下再生混凝土梁的理论计算方法,为震后钢筋再生混凝土梁的研究和应用提供参考。

　　 试验用水泥采用32.5R某牌普通硅酸盐水泥,细骨料为普通黄沙,拌合水为城市自来水,天然粗骨料(NCA)为岷江河卵石破碎而成的连续级配碎石。再生粗骨料(RCA)选取2013年芦山地震灾区(雨城区)倒塌建筑的C30框架混凝土,经破碎和筛分而成。试验前对NCA和RCA采用同一筛网筛分,选用粒径范围为2.36～20.00mm的连续级配粗骨料,其基本性能参数如表1所示。

　　 考虑到粗骨料的级配对混凝土的工作性能以及硬化后的强度和耐久性等都有比较大的影响,对原生粗骨料和再生粗骨料的级配也进行了分析,结果如图1所示,其中上限和下限值根据《混凝土用再生粗骨料》(GBT 25177—2010)采用。由图1可知,试验用粗骨料满足规范要求,可用于浇筑混凝土。

　　 按照再生粗骨料的质量分数,浇筑取代率为0%,50%,100%的再生混凝土,坍落度分别为40,41,45mm,混凝土密度分别为2 390,2 384,2 344kg/m³。通过150×150×150的立方体试块测得28d时0%,50%,100%取代率的再生混凝土抗压强度f_cu和劈裂抗拉强度f_ts,并通过截面为150×150,长为550mm的棱柱体试块测得其弹性模量E_c、轴心抗压强度f_c和泊松比μ,结果见表2。参照混规建议的劈裂强度计算公式,引入再生骨料取代率r的影响有:

　　 $f{}_{\text{t}\text{s}}=(0.19-0.03r)f{}_{\text{c}\text{u}}^{0.75}(1)$

　　 考虑再生粗骨料取代率r下的影响,通过拟合得到再生混凝土弹性模量计算式:

　　 $E{}_{\text{c}}=\frac{(1-0.2r)\times 10{}^5}{3.45+11.7/f{}_{\text{c}\text{u}}}(2)$

　　 试验用钢筋为HPB235和HRB335级热轧钢筋,实测其力学性能见表3。

　　 试验共设计和制作了6根混凝土梁,包括2根普通混凝土对比梁(W0,S0)和4根再生混凝土梁(W50,S50,W100,S100)。其中,梁高250mm,宽150mm,长1 500mm,上部钢筋为直径8mm的螺纹钢,下部受拉钢筋为直径10,14mm的螺纹钢,箍筋分别设置为ϕ6@100和ϕ6@200,保护层厚度为20mm,试件的具体参数见表4。试验时底部受拉钢筋应变(测点S1～S5),梁侧混凝土应变(测点CM1～CM5),梁底混凝土应变(测点CB1～CB5)和竖向位移(测点LVDT)具体布置及试件尺寸如图2所示。

　　 除混凝土对比试件在YAW-2000混凝土力学试验机上加载外,其余混凝土梁试件的加载在YAW-5000液压试验机上进行。按照四点弯曲方式进行加载,纯弯段长度保持为500mm,加载方式为分级加载:预加载后待仪器数值稳定后实行分级加载;开裂阶段每次加载2kN(约为极限荷载的40%),然后每级加载5kN,接近极限荷载时,每级加载2kN;每级加载后持荷3min,便于观察试验现象和记录各项数据,试验梁加载装置如图3所示。

　　 试验梁的典型破坏模式如图4所示。由图4发现,再生混凝土梁的试验现象和破坏形态与普通混凝土梁相似 ^[11];破坏时,再生混凝土梁的裂缝数量较普通混凝土梁多,这主要由于再生混凝土的界面过渡区较多,加载时容易在这些薄弱部位导致破坏所致。同时,再生混凝土梁的配箍率越小,剪跨区内的斜裂缝越多,这主要是由于其纵向配筋率较大,破坏时没有出现钢筋拉断的现象,但其上部混凝土被压碎现象较严重。

　　 28d时对再生混凝土立方体试件的混凝土断裂面进行电镜扫描,结果如图5所示。由图5可知,试件压碎后,混凝土内部存在明显的破坏裂缝,且随着再生粗骨料取代率的增加,其内部空洞和缺陷增多,使得再生粗骨料的堆积密度和表观密度比天然粗骨料低(表1),再生混凝土的密度比普通混凝土密度低。同时,在水泥水化过程中,伴随着火山灰效应的影响(生成C-S-H),提高了再生混凝土的微观结构密实度,使其强度得到提高,其中50%取代率混凝土反应最充分,使其光谱分析(EDX)中Si含量最少(图5(e)),抗压强度最大(表2),然而,再生混凝土中存在薄弱的界面过渡区(ITZ)(图5(d)),使得试件破坏时形态更为凌乱(图4)。

　　 加载过程中试件的荷载-挠度曲线以及跨中截面处的荷载-钢筋应变曲线如图6所示,从图6可知再生混凝土梁的破坏过程与普通混凝土梁类似,均经历弹性阶段、塑性阶段、钢筋屈服和破坏阶段。再生混凝土梁的屈服荷载与极限荷载随着再生粗骨料取代率的提高基本没有变化,甚至100%取代率有略微的增大,这可能与再生混凝土的长期龄期强度较大有关 ^[12];而试件的屈服荷载和极限荷载所对应的挠度随着再生粗骨料取代率的增大而增加,表明试件刚度随取代率增加有明显下降,该结果与文献[10]和[11]研究再生混凝土梁的抗弯性能的刚度和挠度结果趋势一致。

　　 同时可知,当再生混凝土梁裂缝出现后,钢筋应变明显增大,且再生混凝土试件的钢筋应变较普通混凝土试件大,其中100%取代率的试件在同一荷载下钢筋应变最大,这主要与其抗拉性能较低、钢筋较早承担拉力有关。同时,配筋率越大,相同荷载下的钢筋应变越小,且试件的屈服荷载对应的钢筋应变值均在0.22%左右,这主要是由钢筋的本身性质决定的。

　　 试验时,在再生混凝土梁侧面混凝土上分别粘贴5个5×80规格的应变片记录在变形过程中的侧面混凝土应变,并在试件开裂后,利用裂缝观测仪实时记录不同荷载下裂缝宽度的开展情况,得到裂缝宽度和侧面混凝土应变随高度的变化结果见图7。

　　 由图7可知,随着荷载的增加,试件的裂缝宽度逐渐增大,且其斜率在接近屈服荷载时明显降低;当钢筋屈服后,在相同荷载下再生粗骨料取代率越大,裂缝宽度越大,然而S50和S100在相同荷载下的裂缝宽度较W50和W100略小,这主要是由于其纵向钢筋配筋率较大使得试件变形较小所致(图6);同时,再生混凝土梁在四点弯曲作用情况下,无论裂缝如何扩展,跨中截面混凝土在弯曲变形过程中仍满足平截面假定。

　　 再生混凝土梁在弯矩作用下表现出与普通混凝土梁相似的力学性能,受力机理也基本相同 ^[8,11],因此,按照普通混凝土梁的分析理论对再生混凝土梁进行抗弯性能分析是可行的 ^[13]。结合已有的文献结果 ^{[11,13,14,15]},建立再生混凝土梁极限承载力的通用计算公式。由于试验梁的上部钢筋为构造钢筋,利用极限状态分析其抗弯性能时往往忽略不计,常用单筋截面的应力分布进行计算,其计算简图见图8。

　　 首先,根据过镇海等 ^[14]对混凝土应力-应变关系的理论分析,计算再生混凝土应力-应变曲线的面积和形心;同时,为了便于计算,将应力区域计算时的不规则图形转换成矩形(图8(c)),α₁和β₁为其应力图形转换系数,r_c为受压区混凝土应变梯度,从而得到转换后的混凝土受压区合力C和y_c:

　　 $\begin{array}{l}C={\displaystyle {\int }_0^{\epsilon {}_{\text{c}\text{u}}}\sigma }{}_{\text{c}}(\epsilon {}_{\text{c}})\cdot b\cdot \frac{x{}_0}{\epsilon {}_{\text{c}\text{u}}}\text{d}\epsilon {}_{\text{c}}=k{}_{1}f{}_{\text{c}}bx{}_0=\alpha {}_{1}f{}_{\text{c}}bx(3)\\ y{}_{\text{c}}=x{}_0\cdot \frac{y{}_{\text{c}\text{u}}}{\epsilon {}_{\text{c}\text{u}}}=k{}_{2}x{}_0(4)\end{array}$

　　 式中:b为截面的宽度;x₀为梁的受压区理论高度。

　　 根据混凝土梁在受压过程中的合力及作用点不变等结果,得到钢筋再生混凝土梁的应力图形转换系数α₁和β₁的表达式,有:

　　 $\begin{array}{l}\beta {}_1=x/x{}_0=2(1-k{}_2)(5)\\ \alpha {}_1=k{}_1/\beta {}_1=\frac{k{}_1}{2(1-k{}_2)}(6)\end{array}$

　　 根据力的平衡和弯矩平衡两个条件,得出单筋截面再生混凝土梁的承载力计算公式:

　　 $\{\begin{array}{c}\alpha {}_{1}f{}_{\text{c}}bx=f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}\hfill \\ {\rm M}{}_{\text{u}}=\alpha {}_{1}f{}_{\text{c}}bx(h{}_0-x/2)=f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}(h{}_0-x/2)\hfill \end{array}(7)$

　　 式中:M_u为再生混凝土梁的极限弯矩值;x为简化应力图形的换算受压高度;h₀为梁高度去除下部钢筋保护层厚度。

　　 按照式(7)计算得所有试件的承载力结果如图9所示。由图9中结果可知,试验值比计算值大,且其误差范围在10%以内,其比值的平均值为1.08,与陈爱玖等 ^[10]研究再生混凝土梁的抗弯性能结果相比略低,这主要与其混凝土设计强度较大有关,按照修正值1.08对计算结果进行调整,其结果与试验结果符合较好,可用于工程计算。因此,实际工程应用中应根据再生混凝土材料的实际强度进行修正,建立基于实际工程中混凝土强度的再生混凝土梁计算公式,从而更好地服务于实际工程计算。

　　 (1)再生混凝土梁的抗弯性能(屈服荷载、极限荷载)较普通混凝土梁没有明显降低,但与普通混凝土梁相比,其的刚度和延性系数有所降低,且在相同荷载下对应的挠度和钢筋应变,以及裂缝宽度的扩展程度均有一定程度的增加。

　　 (2)与普通混凝土梁相似,随着纵向钢筋配筋率的增大,再生混凝土梁的屈服荷载和极限荷载有明显提高;虽然再生粗骨料取代率对再生混凝土梁的屈服荷载和极限荷载没有显著影响,但却极大地降低了试件破坏时的变形能力,这是再生混凝土工程应用中需要重点关注的问题。

　　 (3)虽然与普通混凝土梁在材料性能和力学行为上存在一定差异,但在变形过程中再生混凝土梁各截面的变形仍然符合平截面假定,可通过现行规范对单筋截面再生混凝土梁的弯曲理论和承载力进行验证分析,但由于再生混凝土材料性能方面的差异,进行修正后的结果与试验结果符合较好,可用于工程安全计算分析。