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1、钢管再生混凝土的特性与发展【摘要】：为了推动城市建设中产生的废弃混凝土的有效利用，得到再生混凝土能作为原始材料加以利用的依据。本文介绍了钢管再生混凝土的静力性能、动力性能和火灾作用下的力学性能，分析了钢管再生混凝土目前存在和需要进一步解决的问题，指出了钢管再生混凝土的发展前景。【关键词】：钢管再生混凝土 静力性能 动力性能 火灾作用下力学性能1、 引言 随着经济的发展，城市化进程的不断加快，大量的旧建筑被拆除，必然会产生大量的废弃建筑垃圾。我国每年的建筑垃圾数量已在城市垃圾中占比例高达40%，其中主要是废弃混凝土。绝大部分的建筑垃圾都被填埋或采用露天堆放的方式处理，不仅造成环境的污染，也是对资
2、源的浪费1。而新建筑的修建又需要大量的天然建筑材料，地球上的资源是很有限的，过度的开采必然会造成森林覆灭、山体滑坡等自然灾害，不利于社会的可持续发展。可见，废弃混凝土的再利用是保护环境和节约资源的必然选择，具有巨大的经济和社会效益。为了更加合理的利用废弃混凝土，近年来我国学者将废弃混凝土与钢管结合起来，使再生混凝土处于钢管的约束下，提高了核心混凝土的力学性能，促进再生混凝土的有效利用，对社会的可持续发展具有重要的意义2。2、钢管再生混凝土的研究现状 再生混凝土结构性能稳定性比普通混凝土结构性能要低，这限制了再生混凝土在土木建筑中的有效利用，将再生混凝土运用于组合结构中，形成钢管再生混凝土组合结
3、构，可以充分发挥钢材和混凝土两种材料的优点，弥补再生混凝土的结构性能的不足，是废弃混凝土再生利用的一个新方向。对钢管再生混凝土的研究，国外始于90年代末，国内最早的研究文献见于2005年3。目前，对于钢管再生混凝土的研究主要集中在它的静力性能、动力性能和火灾作用下的力学性能。2.1静力性能2.1.1 轴压性能日本学者konno4,5研究了钢管约束再生混凝土柱的强度和变形能力。研究表明，试件的力学性能与钢管约束普通混凝土类似，但由于核心再生混凝土的强度及弹性模量较普通混凝土略有降低，从而使试件的刚度和承载力低于钢管约束普通混凝土试件。吴凤英和杨有福6对8个钢管再生混凝土轴压短柱以及2个钢管普通混
4、凝土轴压短柱进行试验研究，研究表明：钢管再生混凝土轴压短柱的荷载-变形关系曲线与钢管普通混凝土短柱相类似。钢管再生混凝土的强度承载力低于钢管普通混凝土的强度承载力，并且随着骨料取代率的增加而有降低的趋势。杨有福7对24个钢管再生混凝土和6个钢管普通混凝土短柱轴心受压力学性能进行了试验研究，主要考察因素为：截面形式，再生粗骨料取代率，含钢率等。研究结果表明，与钢管普通混凝土相比，钢管再生混凝土轴心受压短柱的荷载-变形关系曲线变化规律差别不大，但极限承载力及弹性模量随取代率的增加而略有降低，降低幅度均在10%以内，认为这是由于再生混凝土的强度与弹性模量低于相应的普通混凝土。 邱慈长8等对9 个薄壁
5、圆钢管再生混凝土短柱和9 个薄壁方钢管再生混凝土短柱进行了轴压试验研究，分析了不同取代率和不同截面形式薄壁钢管再生混凝土的破坏变形特征。研究表明：薄壁钢管再生混凝土的变形破坏形式与普通薄壁钢管混凝土相似，再生混凝土取代率对试件极限承载力和变形能力有一定影响，随着取代率的增加，再生混凝土中的内部缺陷增多，强度逐渐下降。 Chen9,10等对30个钢管再生混凝土短柱和3个钢管普通混凝土短柱进行了轴心受压力学性能研究，试验考虑了截面形式（圆形22个、方形11个）、再生粗骨料取代率（0-100%，间隔10%）、含钢率（圆形6%、12%，方形5%）的影响。研究发现随着再生骨料取代率的增加，试件极限承载力
6、及峰值应变成上升的趋势，但最大的差异不超过10%。在chen等的试验中，再生混凝土强度随再生骨料取代率的增加略有上升，这可能是导致钢管再生混凝土构件极限承载力随再生骨料取代率的增加而增加的原因。陈杰11等针对钢管再生混凝土短柱力学性能进行了18个钢管再生混凝土及6个钢管普通混凝土轴心受压短柱试验研究。发现其荷载-应变曲线与钢管普通混凝土试件类似；再生粗骨料并不明显降低钢管再生混凝土的极限承载力；在试验参数范围内核心再生混凝土强度、含钢率及钢材屈服强度对钢管再生混凝土轴心受压短柱承载力的影响与钢管普通混凝土类似。 李军涛、陈宗平12等，以再生粗骨料和截面含钢率为主要变化参数设计了11 个试件进行
7、轴压试验。试验研究结果表明：钢管再生混凝土的破坏形态与普通钢管混凝土相似，具有良好的承载能力和变形性能，骨料取代率对钢管再生混凝土的轴压承载能力影响不大。张向冈、陈宗平13等针对钢管再生混凝土长柱力学性能设计5 个圆钢管再生混凝土长柱和5 个方钢管再生混凝土长柱，对其进行了轴压静力单调加载试验。试验研究和计算结果表明: 钢管再生混凝土轴压长柱受力过程均经历了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，破坏形态主要有材料强度破坏和弹塑性失稳破坏; 再生粗骨料取代率对钢管再生混凝土轴压长柱的承载力影响不大; 长细比对圆钢管再生混凝土试件承载力影响较大，随长细比的增加，试件的承载力逐渐降低，而对方钢管再生混凝土试
8、件承载力影响较小。2.1.2 偏压性能 福州大学杨有福等14进行了24个方、圆钢管再生混凝土柱子的偏压实验研究不同钢管形状、不同粗骨料替代率的核心混凝土、及偏心率下试件的偏压性能研究结果表明，钢管再生混凝土柱子破坏形态与普通钢管混凝土柱子相似，再生骨料25%掺量与50%掺量的钢管再生混凝土柱承载力比普通钢管再生混凝土低1.7%-9.1%。 张卫东等15通过15根不同取代率的钢管再生混凝土短柱偏压实验，分析不同取代率的钢管再生混凝土短柱在偏心荷载作用下的宏观变形特征、荷载应变关系、破坏模式和破坏机理，并与普通钢管混凝土的偏压性能对比结果表明：再生混凝土取代率是影响钢管再生混凝土偏压承载力的主要因
9、素，在相同条件下，试件承载力随着取代率的增大而降低，最大下降幅度为20%；核心混凝土收缩率随着取代率增大而增大，导致对钢管的支撑作用降低，从而加快钢管局部屈服，降低极限承载力。 陈宗平、郑述芳16等设计了15 个试件进行静载试验，研究方钢管再生混凝土偏心受压长柱的受力性能。试验考虑了再生粗骨料取代率、长细比和偏心距3 个变化参数。研究结果表明: 方钢管再生混凝土偏心受压长柱的承载力、破坏形态、变形特性、截面应变分布与普通方钢管混凝土偏心受压长柱相似，方钢管再生混凝土偏压长柱同样具有良好的承载力和变形能力，试件的承载力随着长细比和偏心距的增大而减小，而再生粗骨料取代率对其影响不大，2.2 动力性
10、能2.2.1 滞回性能 广东工业大学余银银17以再生粗骨料替代率和含钢率为基本参数，对10根直径为165mm，壁厚为4mm和2mm的圆钢管再生混凝土柱进行拟静力试验，研究钢管再生混凝土构件的抗震性能。结果表明：再生骨料的使用使得滞回性能有所削弱，但削弱程度在不同含钢率条件下，表现有所不同。在厚壁试件中，与骨料的替代率没有明确的关系，而是与普通钢管混凝土柱一样，与核心混凝土抗压强度成反比。在薄壁构件中，与再生骨料替代率成反比；含钢率相同的条件下，再生骨料替代率的不同与试件的水平承载力没有直接的联系，而与核心混凝土抗压强度成正比；随着含钢率的增大，钢管再生混凝土柱弹性阶段的刚度和抗震性能整体上有所
11、提高，表现出与普通钢管混凝土柱相同的规律。华南理工大学张金锁18通过15根薄壁方钢管再生混合柱在定常轴力和水平往复荷载作用下的抗震试验，考察了废弃混凝土配合比、钢管壁厚、轴压比等参数对试件抗震性能的影响。研究表明：废弃混凝土的混合比在0-40%之间的变化对试件的初始抗侧刚度、钢管局部屈服、破坏位移、等效粘滞阻尼系数、滞回曲线形状都影响有限，但再生混合柱的水平承载力总体上比全现浇柱有所降低；横截面积和用钢量相同时，薄壁方钢管再生混合柱的抗震性能优于钢筋混凝土柱。杨有福等19,20进行了钢管再生混凝土柱在往复荷载作用下的抗震性能的研究。研究表明：钢管再生混凝土柱在常轴力及往复荷载作用下的破坏形态与
12、钢管普通混凝土柱相似，但钢管再生混凝土柱的承载力及截面抗弯刚度略低于钢管普通混凝土柱；由于再生混凝土的弹性模量较低，所以钢管再生混凝土柱的延性和耗能能力要优于钢管普通混凝土柱。李卫秋21针对框架柱的受力特性，进行了空心普通和再生钢管混凝土柱抗震性能的试验与理论研究。提出了空心普通和再生钢管混凝土压弯构件骨架曲线理论模型和位移延性系数简化计算方法。张静22设计5根粗骨料取代率为100%再生混凝土框架柱，对其进行低周反复荷载试验，观测不同轴压比的试件裂缝开展状态及破坏形态。并与普通混凝土进行比较，研究其抗震性能。研究表明：设计轴压比高的再生混凝土试件最终的破坏形态都为剪切受压破坏；再生混凝土框架柱
13、抗震性能的变化规律与普通混凝土柱基本相似，且略低于普通混凝土柱构件。2.2.2 冲击性能 从目前大量的相关文献资料来看，对于钢管再生混凝土的冲击性能的研究还较少，这阻碍了人们对于钢管再生混凝土的全面认识。2.3 火灾作用下的力学性能杨有福等23进行了高温后钢管再生混凝土轴压短柱的试验研究，考虑再生粗骨料取代率和曾经历的最高温度的影响，提出了高温后核心再生混凝土的应力-应变关系模型。研究表明：高温后钢管再生混凝土短柱仍具有较高的轴压承载力和良好的抵抗变形能力。同时也提出了高温后钢管再生混凝土轴压短柱强度承载力的简化计算公式。Khalaf和DeVenny24同时考虑了砌块的单轴抗压强度、密度、含水
14、率、混凝土密度和强度等参数的影响，通过试验研究了用压碎的砌块来取代粗骨料再生混凝土的高温后性能，并与普通混凝土进行对比。黄运标25研究了高温后不同再生粗骨料取代率（0,30%，50%，70%,100%）的再生混凝土试件（包括160个立方体试件和150个棱柱体试件）高温后的力学性能。根据试验结果分析了高温后再生混凝土的残余抗压和抗折强度的简化计算公式，公式考虑了再生粗骨料取代率和温度的影响。Zega和DI Maio26考虑两种水灰比（0.4和0.7）对再生混凝土力学指标的影响，利用超声波法研究了高温后三种粗骨料不同再生混凝土的回响频率、静态弹性模量和抗压强度，并与相应普通混凝土进行了对比。侯睿2
15、7进行了32个恒高温后钢管再生混凝土短柱的试验研究，同时进行了8个钢管普通混凝土短柱的对比试验，以考察两类构件轴压力学性能的差异。表明：恒高温后钢管再生混凝土与钢管普通混凝土的力学性能类似，但由于再生混凝土的强度和弹性模量比相同配合比的普通混凝土低，导致恒高温后钢管再生混凝土的承载力和弹性模量均低于相应的钢管普通混凝土。刘轶翔和查晓雄28进行了钢管再生混凝土柱的抗火性能试验。火灾试验表明，钢管再生混凝土长柱的耐火性能要优于钢管普通混凝土，并根据试验提出了钢管再生混凝土柱耐火时间的计算公式。3、 钢管再生混凝土存在的问题1) 目前对钢管再生混凝土的动力性能的研究还较少，只限于试验研究，没有可供规
16、范使用的计算理论和设计公式。2）再生骨料是将废弃的混凝土经过一系列的破碎加工而得到的。在破碎过程中内部往往会产生大量具有一定尺寸的裂纹，从而导致再生骨料的孔隙率增大，强度降低。同时吸水率也比天然骨料要大得多，这必然会引起失水后混凝土的干缩增大，使再生混凝土的防水性能与抗冻性能降低，影响再生混凝土的耐久性29。3)钢管再生混凝土的造价较高。利用再生骨料制造混凝土要耗费大量的机械设备和人力，其造价不比天然骨料节省。这个严重阻碍了再生混凝土的发展。4)钢管再生混凝土构件进行施工时, 一般都是先安装空钢管结构, 这时空钢管单独承受施工荷载, 浇灌混凝土时又会在空钢管内产生动压力, 可能导致在钢管局部产生应力集中现象, 严重时可使钢管胀裂。另外，由于水泥和
