鋼管再生混凝土的特性與發(fā)展-論

1、鋼管再生混凝土的特性與發(fā)展【摘要】：為了推動城市建設中產(chǎn)生的廢棄混凝土的有效利用，得到再生混凝土能作為原始材料加以利用的依據(jù)。本文介紹了鋼管再生混凝土的靜力性能、動力性能和火災作用下的力學性能，分析了鋼管再生混凝土目前存在和需要進一步解決的問題，指出了鋼管再生混凝土的發(fā)展前景?！娟P(guān)鍵詞】：鋼管再生混凝土 靜力性能 動力性能 火災作用下力學性能引言 隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程的不斷加快，大量的舊建筑被拆除，必然會產(chǎn)生大量的廢棄建筑垃圾。我國每年的建筑垃圾數(shù)量已在城市垃圾中占比例高達40%，其中主要是廢棄混凝土。絕大部分的建筑垃圾都被填埋或采用露天堆放的方式處理，不僅造成環(huán)境的污染，也是對資源的浪

2、費1。而新建筑的修建又需要大量的天然建筑材料，地球上的資源是很有限的，過度的開采必然會造成森林覆滅、山體滑坡等自然災害，不利于社會的可持續(xù)發(fā)展?？梢?，廢棄混凝土的再利用是保護環(huán)境和節(jié)約資源的必然選擇，具有巨大的經(jīng)濟和社會效益。為了更加合理的利用廢棄混凝土，近年來我國學者將廢棄混凝土與鋼管結(jié)合起來，使再生混凝土處于鋼管的約束下，提高了核心混凝土的力學性能，促進再生混凝土的有效利用，對社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義2。2、鋼管再生混凝土的研究現(xiàn)狀 再生混凝土結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定性比普通混凝土結(jié)構(gòu)性能要低，這限制了再生混凝土在土木建筑中的有效利用，將再生混凝土運用于組合結(jié)構(gòu)中，形成鋼管再生混凝土組合結(jié)構(gòu)，可

3、以充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料的優(yōu)點，彌補再生混凝土的結(jié)構(gòu)性能的不足，是廢棄混凝土再生利用的一個新方向。對鋼管再生混凝土的研究，國外始于90年代末，國內(nèi)最早的研究文獻見于2005年3。目前，對于鋼管再生混凝土的研究主要集中在它的靜力性能、動力性能和火災作用下的力學性能。2.1靜力性能 軸壓性能日本學者konno4,5研究了鋼管約束再生混凝土柱的強度和變形能力。研究表明，試件的力學性能與鋼管約束普通混凝土類似，但由于核心再生混凝土的強度及彈性模量較普通混凝土略有降低，從而使試件的剛度和承載力低于鋼管約束普通混凝土試件。吳鳳英和楊有福6對8個鋼管再生混凝土軸壓短柱以及2個鋼管普通混凝土軸壓短柱進行

4、試驗研究，研究表明：鋼管再生混凝土軸壓短柱的荷載-變形關(guān)系曲線與鋼管普通混凝土短柱相類似。鋼管再生混凝土的強度承載力低于鋼管普通混凝土的強度承載力，并且隨著骨料取代率的增加而有降低的趨勢。楊有福7對24個鋼管再生混凝土和6個鋼管普通混凝土短柱軸心受壓力學性能進行了試驗研究，主要考察因素為：截面形式，再生粗骨料取代率，含鋼率等。研究結(jié)果表明，與鋼管普通混凝土相比，鋼管再生混凝土軸心受壓短柱的荷載-變形關(guān)系曲線變化規(guī)律差別不大，但極限承載力及彈性模量隨取代率的增加而略有降低，降低幅度均在10%以內(nèi)，認為這是由于再生混凝土的強度與彈性模量低于相應的普通混凝土。 邱慈長8等對9 個薄壁圓鋼管再生混凝土

5、短柱和9 個薄壁方鋼管再生混凝土短柱進行了軸壓試驗研究，分析了不同取代率和不同截面形式薄壁鋼管再生混凝土的破壞變形特征。研究表明：薄壁鋼管再生混凝土的變形破壞形式與普通薄壁鋼管混凝土相似，再生混凝土取代率對試件極限承載力和變形能力有一定影響，隨著取代率的增加，再生混凝土中的內(nèi)部缺陷增多，強度逐漸下降。 Chen9,10等對30個鋼管再生混凝土短柱和3個鋼管普通混凝土短柱進行了軸心受壓力學性能研究，試驗考慮了截面形式（圓形22個、方形11個）、再生粗骨料取代率（0-100%，間隔10%）、含鋼率（圓形6%、12%，方形5%）的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著再生骨料取代率的增加，試件極限承載力及峰值應變成上升

6、的趨勢，但最大的差異不超過10%。在chen等的試驗中，再生混凝土強度隨再生骨料取代率的增加略有上升，這可能是導致鋼管再生混凝土構(gòu)件極限承載力隨再生骨料取代率的增加而增加的原因。陳杰11等針對鋼管再生混凝土短柱力學性能進行了18個鋼管再生混凝土及6個鋼管普通混凝土軸心受壓短柱試驗研究。發(fā)現(xiàn)其荷載-應變曲線與鋼管普通混凝土試件類似；再生粗骨料并不明顯降低鋼管再生混凝土的極限承載力；在試驗參數(shù)范圍內(nèi)核心再生混凝土強度、含鋼率及鋼材屈服強度對鋼管再生混凝土軸心受壓短柱承載力的影響與鋼管普通混凝土類似。 李軍濤、陳宗平12等，以再生粗骨料和截面含鋼率為主要變化參數(shù)設計了11 個試件進行軸壓試驗。試驗研

7、究結(jié)果表明：鋼管再生混凝土的破壞形態(tài)與普通鋼管混凝土相似，具有良好的承載能力和變形性能，骨料取代率對鋼管再生混凝土的軸壓承載能力影響不大。張向?qū)?、陳宗?3等針對鋼管再生混凝土長柱力學性能設計5 個圓鋼管再生混凝土長柱和5 個方鋼管再生混凝土長柱，對其進行了軸壓靜力單調(diào)加載試驗。試驗研究和計算結(jié)果表明: 鋼管再生混凝土軸壓長柱受力過程均經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段和破壞階段，破壞形態(tài)主要有材料強度破壞和彈塑性失穩(wěn)破壞; 再生粗骨料取代率對鋼管再生混凝土軸壓長柱的承載力影響不大; 長細比對圓鋼管再生混凝土試件承載力影響較大，隨長細比的增加，試件的承載力逐漸降低，而對方鋼管再生混凝土試件承載力影響較小

8、。 偏壓性能 福州大學楊有福等14進行了24個方、圓鋼管再生混凝土柱子的偏壓實驗研究不同鋼管形狀、不同粗骨料替代率的核心混凝土、及偏心率下試件的偏壓性能研究結(jié)果表明，鋼管再生混凝土柱子破壞形態(tài)與普通鋼管混凝土柱子相似，再生骨料25%摻量與50%摻量的鋼管再生混凝土柱承載力比普通鋼管再生混凝土低1.7%-9.1%。 張衛(wèi)東等15通過15根不同取代率的鋼管再生混凝土短柱偏壓實驗，分析不同取代率的鋼管再生混凝土短柱在偏心荷載作用下的宏觀變形特征、荷載應變關(guān)系、破壞模式和破壞機理，并與普通鋼管混凝土的偏壓性能對比結(jié)果表明：再生混凝土取代率是影響鋼管再生混凝土偏壓承載力的主要因素，在相同條件下，試件承載

9、力隨著取代率的增大而降低，最大下降幅度為20%；核心混凝土收縮率隨著取代率增大而增大，導致對鋼管的支撐作用降低，從而加快鋼管局部屈服，降低極限承載力。 陳宗平、鄭述芳16等設計了15 個試件進行靜載試驗，研究方鋼管再生混凝土偏心受壓長柱的受力性能。試驗考慮了再生粗骨料取代率、長細比和偏心距3 個變化參數(shù)。研究結(jié)果表明: 方鋼管再生混凝土偏心受壓長柱的承載力、破壞形態(tài)、變形特性、截面應變分布與普通方鋼管混凝土偏心受壓長柱相似，方鋼管再生混凝土偏壓長柱同樣具有良好的承載力和變形能力，試件的承載力隨著長細比和偏心距的增大而減小，而再生粗骨料取代率對其影響不大，2.2 動力性能 滯回性能 廣東工業(yè)大學

10、余銀銀17以再生粗骨料替代率和含鋼率為基本參數(shù)，對10根直徑為165mm，壁厚為4mm和2mm的圓鋼管再生混凝土柱進行擬靜力試驗，研究鋼管再生混凝土構(gòu)件的抗震性能。結(jié)果表明：再生骨料的使用使得滯回性能有所削弱，但削弱程度在不同含鋼率條件下，表現(xiàn)有所不同。在厚壁試件中，與骨料的替代率沒有明確的關(guān)系，而是與普通鋼管混凝土柱一樣，與核心混凝土抗壓強度成反比。在薄壁構(gòu)件中，與再生骨料替代率成反比；含鋼率相同的條件下，再生骨料替代率的不同與試件的水平承載力沒有直接的聯(lián)系，而與核心混凝土抗壓強度成正比；隨著含鋼率的增大，鋼管再生混凝土柱彈性階段的剛度和抗震性能整體上有所提高，表現(xiàn)出與普通鋼管混凝土柱相同的

11、規(guī)律。華南理工大學張金鎖18通過15根薄壁方鋼管再生混合柱在定常軸力和水平往復荷載作用下的抗震試驗，考察了廢棄混凝土配合比、鋼管壁厚、軸壓比等參數(shù)對試件抗震性能的影響。研究表明：廢棄混凝土的混合比在0-40%之間的變化對試件的初始抗側(cè)剛度、鋼管局部屈服、破壞位移、等效粘滯阻尼系數(shù)、滯回曲線形狀都影響有限，但再生混合柱的水平承載力總體上比全現(xiàn)澆柱有所降低；橫截面積和用鋼量相同時，薄壁方鋼管再生混合柱的抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土柱。楊有福等19,20進行了鋼管再生混凝土柱在往復荷載作用下的抗震性能的研究。研究表明：鋼管再生混凝土柱在常軸力及往復荷載作用下的破壞形態(tài)與鋼管普通混凝土柱相似，但鋼管再生混凝

12、土柱的承載力及截面抗彎剛度略低于鋼管普通混凝土柱；由于再生混凝土的彈性模量較低，所以鋼管再生混凝土柱的延性和耗能能力要優(yōu)于鋼管普通混凝土柱。李衛(wèi)秋21針對框架柱的受力特性，進行了空心普通和再生鋼管混凝土柱抗震性能的試驗與理論研究。提出了空心普通和再生鋼管混凝土壓彎構(gòu)件骨架曲線理論模型和位移延性系數(shù)簡化計算方法。張靜22設計5根粗骨料取代率為100%再生混凝土框架柱，對其進行低周反復荷載試驗，觀測不同軸壓比的試件裂縫開展狀態(tài)及破壞形態(tài)。并與普通混凝土進行比較，研究其抗震性能。研究表明：設計軸壓比高的再生混凝土試件最終的破壞形態(tài)都為剪切受壓破壞；再生混凝土框架柱抗震性能的變化規(guī)律與普通混凝土柱基本

13、相似，且略低于普通混凝土柱構(gòu)件。 沖擊性能 從目前大量的相關(guān)文獻資料來看，對于鋼管再生混凝土的沖擊性能的研究還較少，這阻礙了人們對于鋼管再生混凝土的全面認識。2.3 火災作用下的力學性能楊有福等23進行了高溫后鋼管再生混凝土軸壓短柱的試驗研究，考慮再生粗骨料取代率和曾經(jīng)歷的最高溫度的影響，提出了高溫后核心再生混凝土的應力-應變關(guān)系模型。研究表明：高溫后鋼管再生混凝土短柱仍具有較高的軸壓承載力和良好的抵抗變形能力。同時也提出了高溫后鋼管再生混凝土軸壓短柱強度承載力的簡化計算公式。Khalaf和DeVenny24同時考慮了砌塊的單軸抗壓強度、密度、含水率、混凝土密度和強度等參數(shù)的影響，通過試驗研究

14、了用壓碎的砌塊來取代粗骨料再生混凝土的高溫后性能，并與普通混凝土進行對比。黃運標25研究了高溫后不同再生粗骨料取代率（0,30%，50%，70%,100%）的再生混凝土試件（包括160個立方體試件和150個棱柱體試件）高溫后的力學性能。根據(jù)試驗結(jié)果分析了高溫后再生混凝土的殘余抗壓和抗折強度的簡化計算公式，公式考慮了再生粗骨料取代率和溫度的影響。Zega和DI Maio26考慮兩種水灰比（0.4和0.7）對再生混凝土力學指標的影響，利用超聲波法研究了高溫后三種粗骨料不同再生混凝土的回響頻率、靜態(tài)彈性模量和抗壓強度，并與相應普通混凝土進行了對比。侯睿27進行了32個恒高溫后鋼管再生混凝土短柱的試驗

15、研究，同時進行了8個鋼管普通混凝土短柱的對比試驗，以考察兩類構(gòu)件軸壓力學性能的差異。表明：恒高溫后鋼管再生混凝土與鋼管普通混凝土的力學性能類似，但由于再生混凝土的強度和彈性模量比相同配合比的普通混凝土低，導致恒高溫后鋼管再生混凝土的承載力和彈性模量均低于相應的鋼管普通混凝土。劉軼翔和查曉雄28進行了鋼管再生混凝土柱的抗火性能試驗?；馂脑囼灡砻鳎摴茉偕炷灵L柱的耐火性能要優(yōu)于鋼管普通混凝土，并根據(jù)試驗提出了鋼管再生混凝土柱耐火時間的計算公式。鋼管再生混凝土存在的問題 目前對鋼管再生混凝土的動力性能的研究還較少，只限于試驗研究，沒有可供規(guī)范使用的計算理論和設計公式。2）再生骨料是將廢棄的混凝土

16、經(jīng)過一系列的破碎加工而得到的。在破碎過程中內(nèi)部往往會產(chǎn)生大量具有一定尺寸的裂紋，從而導致再生骨料的孔隙率增大，強度降低。同時吸水率也比天然骨料要大得多，這必然會引起失水后混凝土的干縮增大，使再生混凝土的防水性能與抗凍性能降低，影響再生混凝土的耐久性29。3)鋼管再生混凝土的造價較高。利用再生骨料制造混凝土要耗費大量的機械設備和人力，其造價不比天然骨料節(jié)省。這個嚴重阻礙了再生混凝土的發(fā)展。4)鋼管再生混凝土構(gòu)件進行施工時, 一般都是先安裝空鋼管結(jié)構(gòu), 這時空鋼管單獨承受施工荷載, 澆灌混凝土時又會在空鋼管內(nèi)產(chǎn)生動壓力, 可能導致在鋼管局部產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象, 嚴重時可使鋼管脹裂。另外，由于水泥和混

17、凝土硬化時要產(chǎn)生大量的水化熱，在鋼管中難以擴散，使鋼管中的局部溫度較大，可引起溫度應力。所以應對鋼管再生混凝土施工力學問題進行深入系統(tǒng)的研究, 以提供合理的施工工藝和預防措施30。5）國內(nèi)外專家學者對鋼管再生混凝土的研究主要以試驗研究為主, 可靠性理論方面的研究相對較少。這也制約了鋼管再生混凝土的研究與進展。6）未具備相當規(guī)模的再生骨料收集和加工的場地和設備，在鼓勵創(chuàng)新，避免低層次的重復試驗方面也欠缺，并且未設立專項資金資助再生混凝土柱骨料的的研究。同時，相關(guān)政府部門在利用經(jīng)濟杠桿的調(diào)節(jié)作用制定再生混凝土骨料推廣上的力度也做得不夠。4、結(jié)束語總的來說，鋼管再生混凝土組合結(jié)構(gòu)可以彌補再生混凝土結(jié)

18、構(gòu)性能的不足，優(yōu)勢互補，取長補短進而產(chǎn)生大量可以應用于結(jié)構(gòu)工程中的建筑材料。隨著，一些專家學者對鋼管再生混凝土在軸壓性能、偏壓性能、滯回性能、火災作用下力學性能等方面可行性研究的不斷深入，這些都必將對廢棄混凝土的再利用起到了積極的推動作用，我們有理由相信鋼管再生混凝土組合結(jié)構(gòu)材料必將對建筑行業(yè)的未來產(chǎn)生重要的影響。5、參考文獻1鐘漢華，羅嵐，劉能勝等.廢棄混凝土回收利用現(xiàn)狀和前景展望J.廣東水利水電職業(yè)技術(shù)學院學報，2008，6（1）：66- 68.2王亨,單玉坤.再生混凝土的研究發(fā)展現(xiàn)狀綜述.天津大學建筑設計研究院，天津3000723余銀銀.鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗研究.廣東工業(yè)大學碩士

19、學位論文.2012,54Konno K，Sato Y， Kakuta Y，et al . Property of Recycled Concrete Column Encased by Steel Tube Subjected to Axial Compression.Transactions of the Japan Concrete Institute，1997，19 (2):231-238.5 Konno K，Sato Y，Ueda T，et al . Mechanical Property of Recycled Concrete Under Lateral Confinement .

20、 Transactions of the Japan Concrete Institute, 1998, 20 (3):287-292.6吳鳳英，楊有福。鋼管再生混凝土軸壓短柱力學性能初探J.福州大學學報（自然科學版），2005（10）：305-308.7楊有福。鋼管再生混凝土構(gòu)件荷載-變形關(guān)系的理論分析J.工業(yè)建筑，2007,37（12）：1-6,124.8邱慈長，王清遠，石宵爽，歐陽雯欣.薄壁鋼管再生混凝土軸壓實驗研究.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都610065.9Chen ZP,LIU F,Zheng H H,et al.Research on the bearing capacity

21、 of recycled aggreate concrete-filled circle stell tube column under axial compression loadingc.2010 International Conference on Mwchanic Automation and Control Engineering,MACE2010,1198-1201,2010.10Chen Z P,chen X H,KE X J,et al.Experimental study on the mechanical behavior of recycled aggregate co

22、arse concrete-filled square stell tube columnc.2010International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering,MACE2011,1113-1116,2010.11陳杰.鋼管再生混凝土短柱軸壓力學性能研究.哈爾濱工業(yè)大學碩士論文.2011,612李軍濤、陳宗平，劉峰.鋼管再生混凝土軸壓性能試驗研究.混凝土.2012年第7期.13張向?qū)?，陳宗平，薛建陽，?鋼管再生混凝土軸壓長柱試驗研究及力學性能分析.建筑結(jié)構(gòu)學報，第33卷第9期,2012，9.14You-Fu

23、Y ,Lin-Hai H .Experimental behaviour of recycled aggregate concrete filled stell tubularJ.Journal of Construction Steel Research,2006.15張衛(wèi)東，王振波，丁海軍.鋼管再生混凝土短柱偏壓性能試驗.大慶石油學院學報，第35卷第5期,2011,10.16陳宗平，鄭述芳，李啟良，等.方鋼管再生混凝土長柱偏心受壓承載性能試驗研究.建筑結(jié)構(gòu)學報.第33卷第9期,2012.17余銀銀.鋼管再生混凝土柱抗震性能試驗研究.廣東工業(yè)大學碩士學位論文.2012,5.18張金鎖.薄壁方鋼管再生混合柱的軸壓和抗震性能試驗研究.華南理工大學碩士學位論文.2011,5.19Yang YF,Han LH,ZHU LT.Experimental performance of recycled aggregate concrete-filled circular steel tubular columns subjected to cyclic flexural loadingsJ.Advances in structural Engineering,2009,12(2):183-194.20Yang YF,Zhu LT.recycled aggreg