混凝基础结构技术 4

第八章再生混凝土的力学性能及构件设计《混凝土结构全寿命维护与减碳技术》8.1再生混凝土的力学性能8.2钢筋与再生混凝土的粘结滑移性能8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法8.4再生混凝土柱的力学性能及设计方法《混凝土结构全寿命维护与减碳技术》目录本章要点

主要内容：再生混凝土的骨料特性与力学性能、钢筋与再生混凝土的黏结滑移理论以及再生混凝土构件的力学性能。

学习目标：理解再生混凝土力学性能的核心影响因素，明确钢筋与再生混凝土的黏结滑移机理，掌握再生混凝土梁、柱构件的力学性能及设计方法。8.1再生混凝土的力学性能8.1.1骨料特性与附加用水量项目Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类微粉含量（按质量计）%<1.0<2.0<3.0泥块含量（按质量计）%<0.5<0.7<1.0吸水率（按质量计）%<3.0<5.0<8.0坚固性指标（按质量计）%<5.0<10.0<15.0压碎指标/%<12<20<30表观密度(kg/m³)>2450>2350>2250空隙率/%<47<50<53《混凝土用再生粗骨料》(GB/T25177—2010)将再生粗骨料划分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类三个等级：再生粗骨料的分类指标8.1再生混凝土的力学性能再生粗骨料综合性能弱于天然粗骨料。再生粗骨料在吸水率、坚固性指标、压碎指标及表观密度等方面与天然粗骨料具有显著差异。骨料类型骨料粒径级配特征吸水率/%坚固性指标/%压碎指标/%表观密度/(kg/m3)天然粗骨料5～31.5连续0.31.2102800I类再生粗骨料23.810.52685II类再生粗骨料4.67.8162600III类再生粗骨料6.513.62625901.骨料特性试验粗骨料的基本物理性能表为维持设计实际水灰比，拌合时需要额外掺入附加用水，再生混凝土总用水量（）可表达为：——满足设计水灰比的基本用水量；——再生骨料达到吸水饱和状态的用水量。8.1再生混凝土的力学性能2.再生混凝土的附加用水量式中，（8-1）再生骨料（）达到吸水饱和状态的用水量，可表达为：

式中，R——再生粗骨料的取代率（%），WRA——再生粗骨料的吸水率（%），

mA——每立方米的粗骨料用量（kg/m³）。8.1再生混凝土的力学性能（8-2）8.1.2立方体抗压强度与劈裂抗拉强度固定水灰比下，再生混凝土抗压强度随骨料取代率提升而下降，且骨料等级越低降幅越显著（图1）。图1再生骨料取代率对抗压强度的影响图2再生骨料取代率对劈裂抗拉强度的影响再生粗骨料类型、取代率直接影响再生混凝土劈裂抗拉强度（图2）。2.劈裂抗拉强度8.1再生混凝土的力学性能1.立方体抗压强度3.强度换算三类再生骨料混凝土立方体抗压强度fcu与劈裂抗拉强度ft的换算公式：

式中，试验得到的参数a、b及相关系数R2，如下表所示：

试件类型参数a参数b相关系数

R2RCI0.00341.7440.883RCII0.01741.3590.936RCIII0.3110.5960.7258.1再生混凝土的力学性能（8-3）不同粗骨料取代率的再生混凝土在单轴受压状态下的峰值应力、峰值应变、弹性模量：8.1.3峰值应力、峰值应变、弹性模量峰值应力峰值应变弹性模量8.1再生混凝土的力学性能8.1.4抗剪强度不同粗骨料取代率的再生混凝土的抗剪强度：与天然混凝土NC对比：RCⅠ抗剪强度略低于NC；RCⅡ抗剪强度随取代率增大先升高、后降低；RCⅢ的在各取代率下的抗剪强度均高于NC。8.1再生混凝土的力学性能8.2钢筋与再生混凝土的黏结滑移性能8.2.1黏结滑移理论简述再生粗骨料特征表层老化砂浆、多棱角、多孔混凝土-骨料界面微观结构缺陷影响再生混凝土与钢筋间的黏结滑移性能锚固问题1.筋端锚固问题2.缝间黏结问题导致导致8.2钢筋与再生混凝土的黏结滑移性能螺纹钢筋的黏结力由化学胶结力、摩擦力及机械咬合力组成。1.粘结滑移曲线O-S段：微滑阶段S-A段：滑移阶段A-B段：劈裂阶段B-C段：下降阶段钢筋-再生混凝土黏结滑移曲线8.2钢筋与再生混凝土的黏结滑移性能8.2.2影响钢筋−再生混凝土黏结强度的主要因素1.再生混凝土抗压强度再生混凝土与钢筋的黏结强度τu随再生混凝土的抗压强度fcu提高而提高，函数关系如下：（8-4）式中，τu为黏结强度（MPa），fcu为抗压强度（MPa）8.2钢筋与再生混凝土的黏结滑移性能2.配箍率有箍筋试件的总体平均残余黏结强度高于无箍筋试件，对不同骨料取代率的再生混凝土黏结应力增量采用统一表达式：式中，τu为黏结强度（MPa），τcr为劈裂黏结强度（MPa），

fcu为抗压强度（MPa），

ρCV为体积配箍率（%），

dSV为箍筋直径（mm），c为保护层厚度（mm），SSV为箍筋间距（mm）。（8-5）8.2钢筋与再生混凝土的黏结滑移性能3.锚固长度、相对保护层厚度随着锚固长度增加，黏结强度逐渐减小，相对锚固强度（k'）与相对锚固长度（d/La）的关系为：式中，τs——锚固长度5d的平均黏结强度（MPa），d——钢筋直径（mm），La——锚固长度（mm）。锚固长度（8-6）8.2钢筋与再生混凝土的黏结滑移性能相对保护层厚度相对保护层（c/d）较小时，混凝土的黏结强度随相对保护层的增大而增大，混凝土的黏结强度与相对保护层关系的关系为：（8-7）8.2钢筋与再生混凝土的黏结滑移性能4.再生混凝土黏结强度计算公式考虑影响黏结强度的各个因素，再生混凝土的极限黏结强度公式为：（8-10）（8-8）8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法8.3.1正截面受弯性能再生混凝土梁与天然骨料梁的裂缝发展进程相似，再生骨料取代率对梁的开裂过程具有显著影响：随取代率提高，试件开裂荷载降低，裂缝数量增多，且初始裂缝的开裂高度更大；主裂缝数量随骨料取代率的增加而增多。再生混凝土梁的裂缝发展情况再生粗骨料取代率=0%再生粗骨料取代率=100%1.再生混凝土适筋梁的受弯破坏8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法（1）破坏阶段再生混凝土梁的受弯破坏过程与普通混凝土梁一样，可分为三个阶段：1）开裂前的弹性工作阶段2）混凝土开裂后至纵向受拉钢筋屈服前的裂缝阶段3）混凝土开裂后至纵向受拉钢筋屈服前的裂缝阶段钢筋再生混凝土梁的荷载-挠度曲线（再生粗骨料取代率=100%）8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法（2）再生混凝土梁的平截面假定再生骨料混凝土梁构件的受弯全过程满足平截面假定，截面变形规律与普通混凝土梁一致。试验梁跨中截面混凝土应变沿高度方向的分布情况（再生粗骨料取代率=100%）（再生粗骨料取代率=50%）（再生粗骨料取代率=0%）8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法由于再生混凝土梁的截面特性与普混凝土梁相似，因此梁的极限弯矩承载力计算可以参照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）的计算方法。根据静力平衡条件：联立上式，可得梁受弯极限承载力的计算公式:2.再生混凝土梁极限弯矩承载力计算公式（8-9）（8-10）（8-11）1.再生混凝土简支梁的剪切破坏8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法8.3.2斜截面受剪性能再生混凝土简支梁的剪切开裂荷载低于普通混凝土，影响受剪性能的因素：①再生粗骨料取代率②剪跨比③配箍率8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法①再生粗骨料取代率随着取代率增加，开裂荷载降低，裂缝数量增加，变形量减小，破坏越突然，表现出更明显的脆性特征。（再生骨料取代率为0%，剪跨比为2.0，箍筋为A6@100）（再生骨料取代率为50%，剪跨比为2.0，箍筋为A6@100）再生混凝土简支梁的破坏情况8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法②剪跨比随剪跨比增加，开裂荷载、斜裂缝荷载以及极限荷载均呈下降趋势。（再生骨料取代率为50%，剪跨比为1.5，箍筋为A6@100）（再生骨料取代率为50%，剪跨比为2.0，箍筋为A6@100）再生混凝土简支梁的破坏情况8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法③配箍率在相同取代率和剪跨比情况下，再生混凝土梁构件极限荷载随配箍率的提高而增加。（再生骨料取代率为50%，剪跨比为1.5，箍筋为A6@100）（再生骨料取代率为50%，剪跨比为1.5，箍筋为A6@150）再生混凝土简支梁的破坏情况8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法再生混凝土有腹筋梁剪力作用弯剪承载力的组成2.再生混凝土梁的斜截面抗剪机理8.3再生混凝土梁的力学性能及设计方法

再生混凝土梁和普通混凝土梁具有相似的剪切形态和过程。抗剪极限状态下，梁的抗剪承载力Vu采用下式计算：式中，Vc——斜裂缝上端，加载点处未开裂混凝土的受剪承载力；Vt——沿斜裂缝混凝土与骨料间的咬合作用；Vd——纵向受力钢筋横向销栓力；Vs——箍筋的抗剪作用。（8-12）8.4再生混凝土柱的力学性能及设计方法8.4.1试件的荷载-变形过程及破坏形态特征再生粗骨料混凝土轴心受压柱破坏时无明显征兆，属脆性破坏，破坏包含三个阶段：1）弹性阶段2）纵向受力筋屈服阶段3）破坏阶段轴心柱受压破坏形态1.轴心受压柱构件2.偏心受压柱8.4再生混凝土柱的力学性能及设计方法再生混凝土小偏心受压柱的破坏形态为典型的小偏心受压脆性破坏。破坏差异：脱落形态：再生粗骨料混凝土柱较普通混凝土受压剥落块体更大破裂区范围：再生混凝土柱比普通混凝土柱的形成的三角形破裂区范围更大。偏心受压柱的破坏形态（小偏心受压）取代率=0%取代率=100%8.4再生混凝土柱的力学性能及设计方法8.4.2再生粗骨料混凝土受压柱构件正截面受压承载力计算系数再生骨料取代率（%）050100αi1.00.950.90βi0.800.790.761.再生骨料混凝土柱受压区等效应力计算不同再生骨料取代率下，αi和βi的数值按表进行取值：αi——受压区高度折算系数βi——等效应力系数8.4再生混凝土柱的力学性能及设计方法参照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）第6.2.15条规定，再生粗骨料混凝土轴心受压柱承载力Nu可由下式计算：式中，

φ——稳定系数，fc——棱柱体抗压强度（MPa），

fy'——钢筋的屈服强度（MPa），A、As——分别为构件截面面积和纵向钢筋截面面积（mm2）。2.轴心受压柱（8-13）8.4再生混凝土柱的力学性能及设计方法偏心受压柱正截面承载力计算图式小偏心受压界限偏心受压大偏心受压3.偏心受压柱8.4再生混凝土柱的力学性能及设计方法参照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）6.2.17条，再生粗骨料混凝土偏心受压柱承载力Nu可由下式得到：（8-14）（8-15）式中，

fc、fy——分别为混凝土棱柱体轴心