黄 炜,权文立,葛 培,郭余婷,杨树森

(西安建筑科技大学土木工程学院,陕西 西安 710055)

我国每年产生的建筑垃圾高达18亿t,但对建筑垃圾的综合利用率不足5%,而欧美地区发达国家对再生混凝土的利用率可达到98%[1-3]。将废弃混凝土生产的再生骨料用于装配式建筑结构中,既可解决废旧建筑拆除过程中带来的环境问题,也顺应我国装配式结构发展的潮流。

用废弃混凝土制备再生粗骨料(RCA)时,几乎会产生同体积的再生细骨料(RFA)[4]。相对RCA,RFA孔隙率更大、吸水率更高,导致RFA混凝土力学性能差[5-7]。聚丙烯纤维可有效改善再生混凝土的力学性能[8-10]。谭艺帅[11]对不同取代率的RFA混凝土试块及100%取代率的PFRFA混凝土试块进行单轴受压试验,结果表明RFA取代率与试块抗压强度、刚度及弹性模量等呈负相关;聚丙烯纤维可提高RFA混凝土的抗压强度及变形能力。装配式复合墙结构体系[12]是由预制复合墙板、现浇边缘构件及楼板装配整浇而成的一种新型装配式结构体系,具有耗能减震、建造迅速等特点。近年来装配式复合墙也在进行材料多元化选择。李斌等[13]研究了5种不同砌块材料复合墙体的抗震性能,结果表明复合墙的特征荷载及特征位移受砌块材料性能影响。

目前,将RFA用于结构层面的研究较少,对复合墙新材料的研究也限于寻求新型砌块。为探究PFRFA用于复合墙肋格部位时墙体的抗震性能及PFRFA取代率对墙体抗震性能的影响规律,笔者通过拟静力试验研究3榀不同肋格材料复合墙试件的抗震性能,建立数值模型分析不同PFRFA取代率下复合墙承载力、刚度及变形性能的变化规律。研究表明,相对于NA混凝土试件,纤维再生混凝土试件承载力略有降低,但滞回性能及变形能力较好;复合墙的刚度、承载力及变形能力与PFRFA取代率呈负相关。

1 试 验

1.1 试件设计

依据《装配式复合墙结构技术规程》(DBJ61/T 94—2015)设计3榀1/2缩尺装配式复合墙试件[14],肋格材料分别为NA混凝土、PFRCA混凝土及PFRFA混凝土,对应编号为HECW-1、HECW-4、HECW-5。试件由底梁、预制复合墙板及现浇边缘构件组成,水平连接方式为马牙槎连接,竖向连接方式为焊板焊接。各组成部分尺寸及配筋如图1所示。除肋格材料外,3榀墙体的尺寸、配筋形式及填充砌块均相同。

1.2 材料性能

各类型混凝土设计强度等级均为C30,配合比见表1。标养28 d后测得立方体抗压强度分别为35.8 MPa、30.6 MPa、33.2 MPa;加气混凝土砌块实测抗压强度为1.75 MPa;天然粗骨料为5～25 mm连续级配碎石,RFA细度模数为3.0，级配属2区中砂堆积密度1 544 kg/m3;RCA堆积密度1 336 kg/m3;天然细骨料为河砂,RFA细度模数为3.0，级配属2区中砂;箍筋采用HPB300、HPB400,纵筋采用HRB400,对应实测极限抗拉强度分别为407 MPa、569 MPa、555 MPa。天然细骨料及RFA性能见表2。聚丙烯纤维直径18～45 μm,抗拉强度400 MPa。

图1 设计尺寸及配筋图Fig.1 Dimensions and reinforcement of specimens

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion design of concrete using in rib-frame kg·m-3

表2 细骨料性能Table 2 Mechanical proprieties of fine aggregate

1.3 加载制度

按轴压比0.3计算的竖向荷载为350 kN;竖向荷载由1 000 kN液压千斤顶施加,并通过一根钢梁分配后均匀分布于加载梁。待竖向荷载稳定后,通过MST作动器并借助反力墙对墙体顶部施加水平荷载。试件屈服前采用力控制加载,荷载每级递增20 kN、同时循环一次,加载过程中骨架曲线上位移发生突增时,判定试件屈服。试件屈服后采用位移控制加载,位移每级递增3 mm、同时循环三次,至承载力下降至极限荷载的85%时视为试件破坏,试验结束。加载制度见图2。

图2 加载制度Fig.2 Loading regime

1.4 试验现象

HECW-1:在整个竖向加载阶段及水平荷载达到50 kN之前,试件表面未出现可见裂缝。随着荷载增大,试件受拉一侧下部、上部及中部砌块相继出现多道微裂缝并逐渐发展、延伸;水平荷载为100.51 kN时(水平位移2.18 mm),试件上部砌块出现一道斜向长裂缝;此后受拉侧约束边缘构件、马牙槎处出现新的细微裂缝并逐渐发展、延伸、贯通;原砌块先出现多道斜向裂缝,继而延伸至肋梁,最终在各肋格内形成较明显的交叉裂缝。169.64 kN时(顶点位移5.69 mm)砌块剥落明显,骨架曲线上位移发生突增,试件屈服,改用水平位移控制加载;顶点位移为10.24 mm时水平力达到最大值,随位移加大,砌块剥落严重、受拉侧约束边缘构件出现多条水平裂缝并快速发展,肋梁、肋柱裂缝逐渐贯通;位移达到19.91 mm时,马牙槎裂缝贯通,柱脚混凝土破坏,肋格中形成交叉斜裂缝。HECW-1破坏形态见图3(a)。HECW-4、HECW-5破坏过程与HECW-1相似，破坏形态见图3(b)、图3(c)。

图3 试件破坏形态Fig.3 Damage phenomenon of specimens

2 试验结果分析

2.1 滞回曲线

各试件滞回曲线如图4所示。由图4可知,各试件滞回特性相近。3榀试件滞回曲线特性及差异原因如下。

图4 滞回曲线Fig.4 Hysteresis curves of the specimens

(1)3榀试件在试件屈服前,随荷载增大,滞回曲线先近似呈线性,随后逐渐向梭形、弓形发展,包络面积逐渐增大,试件卸载后残余变形逐渐积累;荷载继续增大,试件进入弹塑性发展阶段,滞回环拱起;试件屈服后,滞回曲线由弓形逐渐向反S形过渡并伴有较明显的捏拢现象;随着位移控制继续加载,试件达到其极限承载力。此后,试件刚度迅速衰减且滑移现象突出,滞回曲线出现明显的捏缩现象。

(2)再生混骨料内部缺陷及表面附着砂浆等不利因素导致再生骨料混凝土强度低。而聚丙烯纤维与混凝土骨料之间的摩擦及咬合作用有利于提高混凝土中各相材料介质的连续性,抑制混凝土裂缝的发展,从而提高混凝土的延性。由于聚丙烯纤维作用明显,因此相比HECW-1,HECW-4和HECW-5破坏现象较轻,峰值荷载后的承载力下降较慢,滞回曲线荷载下降更为平缓,滞回曲线更饱满,均表现出良好的滞回性能。而RFA比RCA的缺陷更大,不利因素更明显。相同聚丙烯纤维作用条件下,RFA混凝土的延性不如RCA混凝土。因此,相比HECW-5,HECW-4在极限荷载后下降更慢,滞回性能更优。

2.2 骨架曲线及特征点

特征点处位移及荷载见表3,各试件骨架曲线见图5。各特征点定义同参考文献[15]。延性系数定义为85%的峰值荷载对应的位移值与屈服位移之比。

表3 试件特征点的荷载及位移Table 3 Load and placement of specimens at characteristic points

图5 骨架曲线Fig.5 Load-displacement curves of specimen

由图5及表3可知:

(1)峰值荷载前，各试件骨架曲线相似，刚度由大到小依次为HCEW-4、HECW-1、HECW-5;峰值荷载后，各试件曲线略有差异，HECW-4在拉方向骨架曲线突然下降,可能是由于试件HECW-4受拉一侧混凝土不密实导致;而HECW-1、HECW-5下降段则较平缓;相比HECW-1,HECW-4的开裂荷载、屈服荷载、峰值荷载分别下降0.64%、5.78%、2.10%;破坏荷载、位移延性系数分别提高7.13%、28.03%;相比HECW-1,HECW-5的开裂荷载、屈服荷载、峰值荷载及破坏荷载分别下降20.29%、8.19%、2.62%、6.31%,位移延性系数提高27.39%。

(2)RCA、RFA强度低、缺陷大,相应混凝土强度较低,进而导致HECW-4和HECW-5在各阶段的荷载较NA混凝土有所降低。而RFA中的大量次生微裂纹、混杂杂质及RFA表面旧水泥浆等不利因素,导致RFA混凝土内部孔隙及微裂缝较多,在荷载作用下易出现应力集中,混凝土内部裂缝迅速扩展,HECW-5开裂荷载明显下降。峰值荷载之后,由于聚丙烯纤维的抗拉作用,再生骨料混凝土韧性和变形能力较好,裂缝开展相对较晚,强度下降缓慢,HECW-4及HECW-5表现出较好的延性。

2.3 刚 度

分别以往复荷载作用下每级循环加载的平均刚度Ki和平均位移Δi为纵、横坐标,绘制各试件的刚度退化曲线(见图6)。其中,Ki=(|Fi|+|-Fi|)/(|Δi|+|-Δi|),Fi、Δi分别为每级循环最大荷载及对应位移。

图6 刚度曲线退化图Fig.6 Stiffness degradation curves of specimen

从图6可以得出:①加载初期各试件刚度退化曲线陡峭,刚度退化迅速,随后逐渐趋于平缓。②各试件初始刚度大小依次为HECW-4、HECW-1、HECW-5。分析认为,相比RCA,RFA强度更低、内部微裂纹更多、RFA混凝土的缺陷更大。在相同的聚丙烯纤维掺量下,聚丙烯纤维对RFA混凝土的增强作用不如RCA混凝土明显。因此PFRCA混凝土弹性模量较大,HECW-4刚度较大;PFRFA混凝土弹性模量较小,HECW-5刚度较小。

2.4 耗能能力

计算试件在各阶段的等效黏滞阻尼系数he,并评价试件耗能能力。he按式(1)计算:

(1)

图7 等效黏滞阻尼系数计算图Fig.7 Curve of equivalent viscous damping coefficient for calculation

3个试件的等效黏滞阻尼系数见表4。由表可知:①在各个阶段,HECW-4和HECW-5等效黏滞阻尼系数相差较小,且均明显高于HECW-1;除峰值阶段外,HECW-5的等效黏滞阻尼系数均小于HECW-4;可见聚丙烯纤维的掺入明显提高了再生骨料混凝土的耗能能力,但由于RCA和RFA的缺陷大小不同,聚丙烯纤维对RCA的耗能能力提高效果更明显。

表4 墙体等效黏滞阻尼系数Table 4 Equivalent viscous damping coefficient of specimens

3 有限元分析

试验中，试件HEGW-5肋格部位RFRFA的取代率为30%。为研究RFRFA取代率对复合墙体刚度、承载力及位移延性系数的影响规律，采用Abaqus软件建立复合墙体数值模型进行模拟分析。

3.1 模型建立

分别选用T3D2和C3D8R单元模拟钢筋和混凝土、砌块。钢筋及普通混凝土本构分别采用三折线强化模型和《混凝土本构关系》(GB 50010—2010)[16]。PFRFA混凝土及砌块本构引自课题组前期研究成果。接触面采用面-面接触,预制墙板与竖向边缘构件及暗梁间的法向关系为硬接触,切向关系则采用摩擦系数0.8的罚函数摩擦公式。砌块与肋格之间的切向关系采用库伦摩擦模型,摩擦系数取值0.7[17],同时设置肋格及砌块的接触面为主控面、从属面;不考虑墙板平面外位移,侧边框柱和底梁之间采用绑定连接;墙板底部竖向焊板采用固结。最终模型如图8所示。

图8 有限元模型Fig.8 Finite element model

3.2 模型验证

试验曲线与模拟得到的荷载-位移曲线见图9,钢筋骨架应力云图见图10。由图9可知,弹性阶段模拟分析结果与试验结果相近;弹性阶段之后,试验曲线下降段更陡。分析认为造成偏差的原因是材料存在缺陷,以及模型中引用的摩擦系数与实际情况存在偏差等。由图10可知,钢筋外框梁两侧分别受拉、压,左右外框柱底分别受最大拉应力、最大压应力;应力云图与试件破坏现象基本相符。所建立的数值模型较为准确,可用于不同参数下的数值拓展分析。

图9 荷载-位移曲线对比Fig.9 Comparison of load-displacement curves

图10 钢筋骨架应力云图Fig.10 Stress contour plots of steel-skeleton

3.3 基于数值模型的参数分析

基于建立的数值模型,研究肋格部位混凝土PFRFA取代率为0%、30%、60%、100%(对应试件编号分别为HECW-R1、HECW-R2、HECW-R3及HECW-R4)时装配式复合墙体抗震性能的变化规律。特征荷载与位移延性系数见表5,不同取代率下墙体的骨架曲线见图11。

表5 试件特征点的荷载及位移Table 5 Load and placement at characteristic points

图11 骨架曲线对比Fig.11 Comparison of skeleton curves

由图11及表5可知:

(1)随PFRFA取代率的增加,曲线上升段及下降段斜率减小,即刚度不断衰减。

(2)相比HECW-R1,取代率为30%、60%、100%的PFRFA复合墙试件峰值荷载分别下降1.94%、5.15%、6.54%,位移延性系数分别降低8.69%、15.26%、24.65%。

(3)总体上RFA取代率与PFRFA混凝土的强度、弹性模量呈负相关,进而导致相应试件刚度衰减,各阶段荷载及位移延性系数降低。这与文献[11]的研究结果一致。

4 结 论

(1)用PFRCA混凝土、PFRFA混凝土代替NA混凝土用于装配式复合墙肋格部位时,墙体屈服荷载及峰值荷载略有降低,但变形能力及滞回性能更优。

(2)NA混凝土试件、聚丙烯纤维再生混凝土试件刚度退化规律基本一致,但PFRFA混凝土试件初始刚度最小;NA混凝土试件在各阶段等效黏滞阻尼系数均明显低于聚丙烯纤维再生混凝土试件;除峰值阶段外,PFRCA混凝土试件的等效黏滞阻尼系数均大于PFRFA混凝土试件。

(3)PFRFA用于装配式复合墙肋格时,墙体刚度、承载力及位移延性系数与取代率呈负相关。