混凝土桥梁拆除废料再生利用试验研究

摘要：利用混凝土桥梁拆除废料制作同一强度等级的不同粗骨料替代率的3根混凝土梁，并对其进行静力加载试验，比较不同的替代率对试验梁性能的影响。结果表明：各试验梁的截面变形符合平截面假定，受压区高度随着替代率的增加而增大；再生混凝土梁的开裂弯矩均比普通混凝土梁小，结构规范中的公式计算值偏于不安全；再生混凝土梁的裂缝发展较普通混凝土梁紊乱和密集，跨中挠度略大于普通混凝土梁，极限抗弯承载力平均值比普通混凝土梁低11.7%。

关键词：混凝土桥梁；废料再生；抗弯承载力；再生粗骨料

中图分类号：U443.32文献标志码：B

0引言

随着危旧桥梁的逐年递增、改扩建项目的不断增加及公路建设的持续发展，许多桥梁需要进行拆除，大量的拆除废料随之产生[1]。对桥梁拆除所产生的混凝土废料进行破碎、清洗和分级后，作为再生混凝土的骨料再利用，不仅可节约成本，提高经济效益，而且可减少环境污染，对推进资源节约型、环境友好型社会建设具有重要的现实意义。

为此，国内外学者进行了多方位的研究：美国学者对再生粗骨料混凝土的性能进行了深入研究；澳大利亚学者对比了澳洲和日本的再生混凝土建设成果；国内数十家研究机构和大学（包括同济大学、西安建筑科技大学、哈尔滨工业大学、广西大学等）开展了再生混凝土的研究，一些学者进行了材料及结构构件层次的研究，并取得了一定成果。

目前，混凝土废料循环再利用更多地还处在试验室研究阶段，缺乏完善的再生骨料和再生骨料混凝土的技术规程、标准；且研究多集中在建筑领域，桥梁工程技术领域的研究相对较少[24]。基于此，本文在借鉴已有研究成果的基础上，制作3根同一强度等级、不同替代率的再生混凝土梁，分析其正截面抗弯性能，并讨论与现行规范的符合程度，为再生粗骨料混凝土梁在工程中的应用提供参考。

1试验概况

考虑不同再生粗骨料替代率（0、50%、100%），试验设计了1根普通粗骨料混凝土梁和2根再生粗骨料混凝土梁，分别以NC、RC50、RC100表示。

1.1配合比设计

试验梁材料采用拉法基牌42.5R复合硅酸盐水泥，试验用水为实验室的生活用水，骨料包括粒径为5～315 mm连续级配的天然骨料和粒径为5～300 mm的再生骨料（基体混凝土为强度等级C40的废料混凝土）；细骨料为河道天然细沙。粗骨料的基本物理性能按照《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685―2011）的技术要求进行试验，结果见表1。

再生混凝土采用基于自由水的配合比设计方法，以避免再生骨料因吸水率较大而导致再生混凝土强度不稳定的问题[5]。首先根据普通混凝土的配合比确定每立方米混凝土各材料用量；然后根据表1中粗骨料的吸水率增加相应的用水量进行试配，拌制混凝土拌和物，进行和易性试验，观察拌和物的粘聚性与保水性，并测量坍落度，直至符合技术要求，最后确定各试验梁的配合比，见表2。

1.2试验方案

试验梁所使用的材料参数见表3，试验梁内部钢筋应变和外部混凝土应变、挠度测点布置如图1、2所示。

由图2可看出，试验梁采用三分点加载方式，在加载点和支座段有500 mm的弯剪段，在加载点之间有500 mm的纯弯段，荷载通过分配梁被平均分到2个加载点上。

试验过程共有2个加载步骤，分为预加载和正式加载。预加载值取计算开裂荷载的60%，并观察各位移计和应变片的数值变化情况，以保证正常工作。之后进行正式加载，以0.1 MPa・s-1的速率进行加载，系统每秒自动采集试验梁的荷载、挠度和应变等数值，2名观察者在梁旁边观察裂缝的开展情况，并做好标记，写上此时的荷载值。

2试验结果分析

2.1主要试验结果

3根试验梁的主要试验结果见表4。由表4可知，相同的混凝土强度下，再生混凝土梁的抗弯极限弯矩均比普通混凝土梁小，两者差异在11.7%之内，并未随粗骨料替代率的增加而发生大幅度降低。但再生混凝土梁的开裂弯矩要低于普通混凝土梁，其中RC50梁的开裂弯矩最低，为NC梁的51.0%。试验梁的跨中挠度也随着替代率的增加而小幅增大。

2.2荷载纵向主筋应变分析各个荷载等级下，试验梁跨中纵向主筋应变变化情况见图3。由图3可见，曲线主要由3段组成，即弹性工作阶段、开裂后至纵向主筋屈服段以及屈服后的水平段。开始加载时，试验梁整个截面都会参加工作，成为全截面工作阶段，由于荷载较小，混凝土处于弹性阶段，受拉区混凝土承担主要的拉力，截面应变分布基本呈三角形；之后，荷载继续增大至约15 kN时，混凝土达到极限拉应变，截面底部开始出现横向裂缝。开裂后至纵向主筋屈服时，随着荷载的增加，钢筋应变逐渐增大[6]，在同一级荷载下，普通混凝土梁的钢筋应变要比再生混凝土梁小。钢筋屈服后，试验梁的荷载几乎不再增加，但是应变持续变大，直至受压区混凝土压碎。

2.3荷载跨中挠度分析

梁的挠度变化能很好地反映梁受力时的变化情况，挠度的增加直观展现了试验梁从加载到破坏的整个过程，综合反映试验梁的抗弯性能[7]。通过对各试验梁挠度数据的处理，剔除支座位移，得出梁挠度随着荷载的变化情况，如图4所示。

由图4可见，再生混凝土梁与普通混凝土梁一样，随着荷载加载的持续进行，荷载挠度曲线大致可分为3个阶段，即弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段。

2.3.1弹性阶段

这一阶段再生混凝土梁与普通混凝土梁相同，随着荷载增加，挠度呈线性增加[8]。受拉区混凝土和纵向主筋共同承担梁的拉应力。

2.3.2带裂缝工作阶段

这一阶段曲线的斜率较弹性阶段减小，形状近似直线，说明试验梁此时仍具有较好的线弹性。当截面出现裂缝后，受拉混凝土退出工作，原先承担的拉力传给了主筋，梁的挠度和截面曲率比弹性阶段大幅增加[9]。从图4可以看出，相同的加载值下，随着粗骨料替代率的增加，试验梁的挠度值逐渐变大，抗弯刚度逐渐降低，NC梁跨中挠度值最小。由数据分析可知，再生混凝土梁在此阶段的平均挠度值比NC梁大10%左右，说明再生混凝土梁的抗弯刚度的下降速度较普通混凝土梁快。

试验梁抗弯刚度降低的原因为：再生骨料强度较低，所以再生混凝土梁的弹性模量较低，降低速率随着粗骨料替代率的增加逐渐减小，造成了RC50梁和RC100梁的抗弯刚度几乎相同；再生粗骨料在制备时内部损伤较多，在荷载作用下，微裂缝易发展成界面裂缝，进而贯通，使混凝土强度降低；再生骨料和天然卵石骨料混合时，由于卵石骨料内摩擦角较小，骨料间的机械咬合力不强，界面间容易发生滑动产生裂缝，所以在后期的荷载等级下，RC50梁的曲线斜率会比RC100梁低，直至梁被破坏，说明RC50梁的极限荷载比RC100梁略小；浇筑时，水泥胶体会流入再生粗骨料表面的微裂缝，使界面水泥水化反应更加充分，胶结力得到增强，再生混凝土的界面得到较大强化，从而提高了混凝土整体的强度和刚度。因此，随着粗骨料替代率的增加，后期RC100梁的抗弯刚度比RC50梁略微提高。

2.3.3破坏阶段

随着荷载持续加大，梁的跨中挠度继续增加，当纵向主筋屈服后，荷载不再增大，而挠度大幅增加，增长速度变快。当加载值达到极限荷载，曲线出现明显的拐点，之后由于挠度过大，荷载逐渐下降。钢筋屈服后，在很小的荷载增量下，梁都会产生很大的变形，中性轴不断上移[10]。当受压区混凝土达到混凝土的极限压应变时，受压区混凝土被压碎，梁正截面受到弯破坏，再生混凝土梁的破坏弯矩均比普通混凝土梁小，挠度范围为107～111 mm，相差不大，随着粗骨料替代率的增加，挠度小幅增加。

2.4裂缝发展及分布

3根试验梁的裂缝开展规律基本相同：弹性阶段结束后，随着荷载的增加，在试验梁的跨中底部出现第一条横向受拉裂缝，然后往梁侧面延伸，在支座和加载点之间的梁段也出现斜裂缝；当荷载继续增大，裂缝开展更充分，分布更加密集，有些裂缝甚至相互连通起来；当达到极限荷载时，裂缝宽度最大，达到20 mm，长度可达15 cm。试验梁典型裂缝分布情况如图5所示。

但是，试验梁裂缝开展情况也存在差异。随着粗骨料替代率的增加，平均裂缝间距随之增加，RC50梁、RC100梁的平均间距较NC梁分别增长了71%、14.1%。对于相同的加载值，裂缝的宽度随着粗骨料替代率的增加而略微变宽，裂缝长度有所降低，但是裂缝条数更多，说明再生骨料的微裂缝对裂缝的形成至关重要[11]。随着替代率的增加，试验梁的裂缝分布也更加密集和紊乱，其中RC100梁加载点下侧面还出现沿纵筋方向的水平裂缝。具体原因主要是：再生混凝土与纵筋的粘结力不足，导致钢筋周边混凝土劈裂受拉而出现裂缝；再生混凝土的抗拉强度不足。

3规范适用性验证分析

3.1平截面假定验证

根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010―2010）中的要求，抗弯构件在进行承载力计算时，必须满足规范中的基本假定。其中就有满足平截面假定这个重要条件，这是承载力计算和后续分析的基础。

试验梁沿截面高度每隔40 mm布置一个应变片，通过IMP数据采集系统直接采集应变值，图6为3根试验梁在各个加载值下混凝土的受拉、受压应变曲线。

从图6可以看出，平截面假定仍然适用本文抗弯过程中的试验梁。在各级荷载下，随着粗骨料替代率的增加，各测点的应变值也随之线性降低，说明再生混凝土的材料均匀性比普通混凝土差。3根试验梁的受压区高度如表5所示。

由表5可知，随着再生混凝土替代率的增加，受压区高度随之增加。这是因为再生粗骨料孔隙率大，强度较低，需要较高的高度才能承担由受拉钢筋所产生的弯矩。

3.2开裂弯矩

《混凝土结构设计规范》（GB 50010―2010）中关于开裂弯矩的计算公式为

Mcr=724ftbh2（1）

式中：Mcr为受弯构件正截面开裂弯矩值；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值；b、h分别为构件截面的宽度和高度。

利用式（1）计算出各梁的开裂弯矩计算值，并与试验值进行对比分析。

3根试验梁的开裂弯矩计算值与试验值如表6所示。从表6可知，相同的混凝土强度等级下，再生梁的开裂弯矩均比普通梁小，其平均值大致为普通梁的569%，减小幅度较大，这是由再生骨料的内部缺陷过多而导致的。

根据数值对比，3根梁的计算值与试验值的比值为1.030～1.250，其中再生混凝土梁的计算值与试验值差距超过24%，误差较大。故规范中关于开裂荷载的计算对再生混凝土不适用，需综合考虑在再生混凝土梁的计算值基础上乘以折减系数。

3.3抗弯承载能力

通过以上的试验结果可知，再生混凝土梁的正截面受弯时能保持平面，满足平截面假定，破坏特征也与普通混凝土梁类似，符合《混凝土结构设计规范》（GB 50010―2010）中关于抗弯承载力计算的4个基本假定。因而，可以根据规范中关于梁正截面抗弯承载公式计算其抗弯承载力。

在简化计算时，采用等效原理，截面受力状态及计算示意如图7所示。2个图形的等效原则为：2个应力图形的合力C相等；合力C的作用点不变。

根据以上的基本假定和等效原则，由平衡条件可得到再生混凝土梁抗弯承载力C的计算公式

C=fyAs=α1fcbx（2）

Mu=Ch0-x2=α1fcbxh0-x2（3）

联立式（2）、（3）得

Mu=fyAsh0-fyAs/2α1fcb（4）

式中： fy为钢筋抗拉强度设计值；As为纵向受拉钢筋截面面积；α1为等效矩形应力图系数，取10；fc为混凝土轴心抗压设计强度；b为截面宽度；xn为中性轴高度；x为混凝土等效受压区高度；Mu为构件的正截面受弯承载力设计值；h0为截面有效高度。

将试验中实测的材料强度值，即fy=412 MPa，fc=0.76 fcu（fcu为边长为150 mm的混凝土立方体抗压强度标准值）代入式（4），得到各试验梁的极限弯矩计算值，结果见表7。由表7中的结果对比可以得到，再生混凝土梁极限弯矩试验值与计算值之比的平均值为1037，标准差为0004 3，变异系数为042%。规范计算值与试验值符合度较好，3根梁的极限弯矩试验值均大于计算值，规范中计算正截面抗弯承载力的理论和方法适用于再生混凝土梁。

4结语

通过本文的研究，可以得到如下结论。

（1） 再生混凝土梁在抗弯过程中有3个阶段：混凝土未裂阶段、混凝土带裂缝工作阶段和破坏阶段。再生混凝土梁与普通混凝土梁的抗弯过程有一致性，破坏特征均为纵向主筋先屈服，然后受压区混凝土被压碎。

（2）再生混凝土梁在抗弯破坏过程中，随着粗骨料替代率的增加，受压区高度逐渐增大，截面的应变变化情况满足平截面假定原则。

（3） 再生混凝土梁的开裂弯矩比普通混凝土梁小，其平均值大致为普通混凝土的56.9%，规范中关于开裂弯矩的计算公式不再适用，应考虑一定的调整系数。

（4）再生混凝土梁的跨中挠度略大于普通混凝土梁，裂缝的发展和延伸随着粗骨料替代率的增加而更加紊乱和密集，裂缝长度较短，但是宽度较大。

（5） 再生混凝土梁的挠度和应变变化与普通混凝土梁类似，抗弯过程满足设计规范中的4个基本假定，再生粗骨料混凝土梁抗弯承载力总体比普通混凝土梁低，随着粗骨料替代率的增加又略微增长，可以依照现行规范估算再生粗骨料混凝土梁的正截面抗弯承载力。

参考文献：

[1]李佳彬.再生混凝土基本力学性能研究[D].上海：同济大学，2004.

[2]李占印.再生骨料混凝土性能的试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2003.

[3]宋灿.再生混凝土抗压力学性能及显微结构分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2003.

[4]林俊.再生混凝土抗压和梁受弯性能研究[D].南宁：广西大学，2007.

[5]邓志恒，杨海峰，林俊，等.再生混凝土应力应变全曲线试验研究[J].混凝土，2008（11）：2224.

[6]肖建庄.再生混凝土单轴受压应力应变全曲线试验研究[J].同济大学学报：自然科学版，2007，35（11）：14451449.

[7]黄健.再生混凝土梁极限承载力可靠度分析[D].上海：同济大学，2007.

[8]曹万林，刘强，张建伟，等.再生混凝土低矮剪力墙抗震性能试验研究[J].世界地震工程，2009，25（1）：15.

[9]张建伟，曹万林，董宏英，等.再生骨料掺量对中高剪力墙抗震性能影响试验研究[J].土木工程学报，2010，25（S2）：5561.

[10]肖建庄，雷斌.再生混凝土碳化模型与结构耐久性设计[J].建筑科学与工程学报，2008，25（3）：6672.

[11]应敬伟，肖建庄.再生骨料取代率对再生混凝土耐久性的影响[J]. 建筑科学与工程学报，2012，29（1）：5662.