高含量SDA框架与标准RC框架抗震性能比较

摘要

本文介绍了用喷雾干燥灰(SDA)替代50%水泥含量的混凝土门式框架抗震性能的试验方法和结果。通过多次振动台试验，发现高含量SDA框架在两次超过设计烈度的地震中均能与标准混凝土框架相同的抗震性能。因此，从纯粹的地震/结构角度来看，在高震区，用SDA替代混凝土混合料中大约50%的水泥是可能的。这将大大有助于将喷雾干燥机的灰从垃圾填埋场转移，从而提供一种可持续的、更绿色的替代混凝土，只使用波特兰水泥，或只使用一小部分SDA或粉煤灰。

1.介绍

灰是煤燃烧时产生的副产物。飞灰一般是从燃煤电厂的烟囱中获得的。根据粉煤灰中钙、硅、铁和氧化铝含量的不同，有两类粉煤灰，即ASTM C618定义的C类粉煤灰和F类粉煤灰。C类粉煤灰钙含量高，含碳量通常小于2%，F类粉煤灰钙含量低，含碳量通常小于5%。由于粉煤灰的火山灰性质，在混凝土生产中常被用作硅酸盐水泥的添加剂。粉煤灰在混凝土中的使用提高了混凝土的强度和耐久性，也降低了混凝土的水化热和渗透性。粉煤灰在混凝土的使用有助于减少环境污染,因为每吨粉煤灰代替硅酸盐水泥混凝土的生产,有减少二氧化碳的排放,例如,等于的二氧化碳产生的汽车平均两个月期间(1］．自从的大多数₂排放到大气中的污染物是由于燃煤电厂造成的，美国的许多燃煤电厂现在都在使用喷雾干燥吸收器来减少这些SO₂天然气排放。结果是SDA，其具有与粉煤灰相似的材料和行为性质，而是不同的化学化妆品。在该过程中，碱吸附剂如石灰（CaO）或氢氧化钙（Ca（OH）₂)与水混合，形成含水泥浆[2］．这种浆料被喷射到烟道气体中，形成一团细小的液滴。所以₂然后被这种吸附剂捕获，并被烟道气体的热量干燥。吸附剂和SO的干燥混合物₂收集。本文所描述的项目使用的灰来自普拉特河电业局的生皮电厂(RPP)，该电厂使用SDA系统。从RPP发电厂获得的灰分单位质量为2.1 g/cc，由于其高含硫量，其化学性质和矿物学性质[3.]略有不同，因此不能归类为C类灰。

关于混凝土中灰分的使用进行了大量的研究。Swamy等人[4]对钢筋混凝土、粉煤灰混凝土梁、板进行了普通集料和轻集料的试验。他们的试验结果表明，粉煤灰混凝土可以表现出与传统混凝土相似的结构性能，具有足够的安全系数，在现有的设计规范。他们的研究结果还表明，结构混凝土组件可以设计成掺入高达30%水泥替代量的粉煤灰。

Joshi等人[5]研究了无引气混凝土的工程性能。对粉煤灰混凝土和普通硅酸盐水泥混凝土进行了室内试验。根据粉煤灰混凝土的抗压、抗弯、间接抗拉强度及附加的无损检测结果，认为粉煤灰混凝土可作为重力坝核心部分和路面基层的建筑材料。侯赛因和拉希杜扎法[6]对普通水泥混凝土和粉煤灰掺合水泥混凝土试件进行了加速腐蚀试验。试验结果表明，粉煤灰混凝土的抗腐蚀性能优于普通水泥混凝土。鸽子和马尔霍特拉[7]设计了四种大体积粉煤灰密实混凝土，将粉煤灰掺量固定在胶凝材料总掺量之内。对掺气混凝土和不掺气混凝土进行了室内试验研究，结果表明掺气混凝土的抗冻性略高于不掺气混凝土。本研究的结果推荐使用空气夹带辊压实大体积粉煤灰混凝土。

Dinelli等人[9]进行试验，探索用粉煤灰集料部分或完全替代轻质混凝土中传统集料的可能性。试验结果表明，粉煤灰骨料可以替代传统骨料。Fernandez-Jimenez等人[10研究了碱活化粉煤灰(AAFA)水泥在不同条件下的耐久性，以及在一些腐蚀性环境下的耐久性，如去离子水、ASTM海水、硫酸钠和酸性溶液。还对碱-硅反应引起的膨胀进行了研究。失重、抗压强度、体积变化、降解产物的存在和微观结构的变化是研究的主要参数。研究结果表明，AAFA水泥浆体在腐蚀性环境下的性能令人满意，而这一过程导致的材料降解与普通硅酸盐水泥浆体明显不同。AAFA砂浆被发现符合ASTM标准C 1260-94关于潜在碱-硅反应性规定的16天膨胀限制。

Van de Lindt等[11[进行了一项研究，以探讨通过在轻型木结构住宅建筑的传统玻璃纤维保温材料上添加粉煤灰-废轮胎纤维复合材料来提高轻型木结构住宅建筑热效率的可能性。他们发现，粉煤灰-废轮胎复合材料不仅为传统绝缘材料提供了可持续的补充，而且通过将这些材料从垃圾填埋场转移到其他地方，大大减少了与处理这些材料相关的环境问题。在过去的几十年里进行了许多其他的研究，其中大多数集中在粉煤灰混凝土及其作为混凝土添加剂的使用。

本研究的目的是在用喷雾干燥器灰（SDA）取代50％的水泥含量时，评估混凝土门户框架的地震行为，并在经受相同的地面运动时与普通波特兰水泥混凝土框架的地震行为进行比较．数字1显示三层办公楼的平面图，作为本研究的示例建筑。该建筑专为艾奇7-05的地震载荷条件而设计[12]和根据ACI 318-05的地震详细资料[13就好像它坐落在加利福尼亚的洛杉矶。选取中开式门式框架作为原型框架，共构建了4个类似的1/3比例模型进行测试。其中两榀框架采用50% SDA混凝土结构，另外两榀框架采用普通硅酸盐水泥混凝土结构。

2.设计和施工

2.1。框架设计

在摇架上测试的框架选自三层办公楼的中心湾，在两间湾和方向如图所示1．办公楼的选择是这样的，没有计划违规或垂直违规。一个200毫米(8英寸)厚的钢筋混凝土板被假定为梁的荷载计算。根据ASCE 7-05中的地震荷载组合选取设计荷载和荷载系数[12］．设计中选择了原型框架，这样两个1/3比例的框架能够相互平行放置，并在振动台上进行测试。根据ACI 318-05的抗震详细规定，框架设计为钢筋混凝土抗震特殊弯矩框架(SMF) [13］．设计的材料强度是ASTM级60钢材， MPa (60 ksi), and ordinary type II Portland cement concrete having a 28-day compressive strength of 27.6 MPa (4000 psi).

2．2.梁设计

根据美国混凝土学会规范第21章抗震设计的特殊规定，梁被设计为特殊抗弯矩框架(SMRFs)的受弯构件。根据上述荷载组合确定框架分析的最大设计荷载，并对每层施加楼层剪力。设计剪力的基础是恒载、活载，加上由于在梁的末端铰合的剪力，为框架向左或向右摇摆。截面(c/s) 609.6 mm × 609.6 mm ()是根据ACI规范第21.3节设计的。最终的时刻,，为梁c/s选择配筋，公称弯矩，φ 和可能的时刻，，用于B1和B2梁的设计，见表1和2．感兴趣的读者可参阅ACI 318-05规范，了解SMRF波束设计的详细程序。数字3.给出了梁的加固结果。

2．3.列设计

柱按照ACI第21.4.2节设计，采用强柱弱梁概念。这种类型的设计小心，以确保塑料铰链首先形成在梁，而不是在柱;因此，侧向失稳(导致倒塌)的风险被降到最低。原型柱的截面为608 mm × 608 mm ()与12-#8小节;但是，为了简洁起见，这里没有给出交互图。从交互图中，是1721.89 kN-m (1270 kip-ft)，大于没有发现967.62 KN-M（713.676 kip-ft）。每个方向上有3个带3个腿箍的条，根据ACI代码的要求提供抵抗剪切的要求和柱子中的纵向杆的限制。梁柱接头根据ACI代码的第21.5节设计。原型列的细节如图所示4．

2．4．模型相似律

该模型使用白金汉定理进行缩放[14］．白金汉PI定理指出，涉及某些物理量的任何尺寸均匀的方程可以减少到涉及一套完整的无量纲产品的等效方程。数字5显示原型的三分之一比例模型的平面视图。三分之一比例模型结构的设计和性能以前已成功地进行了测试(见，例如，[8])。用于缩放的长度因子为3和表3.显示其他数量的比例因子。为原型梁和柱提供的抗弯抗剪钢筋没有。8,也没有。4根棒材的屈服强度为413.68 MPa (60 ksi)。截面面积。8,也没有。4级60 bar为509.68 mm²(0.79²）和129.03毫米²(0.2²),分别。因此，请参考Table3.，可以看到，屈服力比例因子9被用来找到模型中所需的钢筋面积。因此，棒材的面积为56.8毫米²(0.088²)及14.2毫米²(0.022²）必须在模型中提供钢筋。螺纹钢棒直径为9.52毫米（)，即截面积为71毫米²(0.11²)， 5.08 mm ()直径镀锌钢丝，横截面积20.3 mm²(0.0314²)分别作为模型的受弯配筋和受剪配筋。采用全螺纹杆代替无螺纹杆。3钢筋作为不含螺纹的有效面积小于no。3根钢筋，接近要求的面积56.8毫米²(0.088²)．数据6和7显示模型的加固细节。

2.5。混合设计

模型的材料特性和压缩强度和原型被认为是相同的;因此，由于模型和原型的加速度和原型的材料相同，因此考虑了混合设计的比例因子是相同的，如表所示3.．

喷雾干燥灰渣(SDA)混凝土配合比设计由King [15］．对混合设计进行了一些修改，特别是使用原始混合设计中提到的使用SDA代替F类F粉煤灰。如原始混合设计中所述，50％的水泥和50％的SDA用于混合而不是45％的水泥和55％的粉煤灰。只有19毫米（由于模型规模为1/3，所以采用直径较大的粗集料，配合比设计中采用了高量程减水剂。SDA混凝土的配合比设计及获得的抗压强度见表4硅酸盐水泥混凝土配合比设计见表5．

两种混合料设计的28天抗压强度均为31.03 MPa (4500 psi)。这两种混合料的抗压强度均超过了预期的抗压强度，但被认为是合理的，以达到比较结果，并评估50% SDA含量的混合料是否可以用于抗震设计。定性地说，这一差异被解释在结论的性能比较中。

3.实验装置

一个4.57米(15 ')长1/3比例的门式框架从中心海湾的平面(见图)5)，用于设计、建造和测试。实验共搭建了4个门式框架。其中2榀框架为普通硅酸盐水泥混凝土，抗压强度为56.33 MPa (8170 psi); 2榀框架为混凝土，其中50%水泥为SDA，抗压强度为46.91 MPa (6803 psi)。数字8显示浇注前的模板设置。柱杆伸出模板约150毫米(6英寸)，以便在测试时将两个框架绑在一起，从而限制它们的平面运动。先浇筑SDA混凝土，然后隔天在剩余模板中浇筑素水泥混凝土。混凝土被允许固化28天，模型被认为可以进行测试。地震质量计算采用质量相似因子9，见表3.通过使用Bracci等人提出的质量相似程序[8］．发现肉体肿块置于模型上为8000kg（17600磅）。数字2在测试之前，显示了在摇动台上的震动质量的模型的设置。使用三个位移量仪用于测量框架的位移，一个在每个光束的中性轴上，一个用于摇动台位移。

4.地震测试计划

门式刚架在科罗拉多州立大学的单轴振动台上进行了连续五次不同地震的试验。卡诺加公园记录的1994年加州北岭地震(在一个被称为好莱坞存储设施的地点记录)和1992年兰德斯地震被选为输入地震动。表格6提供了用于激发结构的记录的缩放的峰值地面运动细节，和表7显示名称，峰值地面加速度，以及在每个试件的试验中使用的地震试验序列。数字9显示了1992年兰德斯地震的时间压缩加速度响应。为了简单起见，这里没有显示1994年的北岭地震记录。指表3.，我们可以看到，时间是按长度因子的平方根缩放的。由于加速度的比例因子是统一的，因此输入的加速度值保持不变，时间被简单地压缩为1/根号(3)。

混凝土框架模型和SDA框架模型在振动台上进行了试验，试验顺序如表所示7．表8和9分别提供波特兰水泥混凝土框架和SDA混凝土框架在每个试验序列后的损伤评估总结。

参见表中的峰值响应10，硅酸盐水泥混凝土框架试验顺序1后C3柱和C2柱的峰值位移值近似等于SDA混凝土框架C3柱和C2柱的峰值位移值。数字10在试验后，在SDA框架柱中观察到一个典型的剪切裂缝。数据11和12给出了试验1中硅酸盐水泥框架和SDA混凝土框架柱顶位移响应的时间历程。通过对这些图的检查，人们可以看到这两种框架类型的动态行为是非常相似的。

通过对比表中的损伤和峰值位移响应值10，可以看出，直到试验2，在相同的地面运动下，SDA混凝土框架和硅酸盐水泥混凝土框架的损伤程度基本相同，除了出现较小的剪切裂缝。从试验3到试验4可以看出，虽然硅酸盐水泥混凝土框架和SDA混凝土框架的损伤相似，但从位移角度来看，硅酸盐水泥混凝土框架的性能开始优于SDA混凝土框架。试验5后，SDA框架整体损伤略大于混凝土框架，但考虑试验中输入的地震动数量和强度，差异可以忽略不计。此外，SDA框架在测试3和4中受损后，在测试5中的峰值位移略低。

5.总结和结论

本研究的目的是比较1/3标尺高SDA含量混凝土门式框架与普通硅酸盐水泥混凝土门式框架在相同系列地震动作用下的抗震性能。通过对比SDA框架和普通水泥混凝土框架在每次地震后的损伤水平和位移响应图，发现框架的反应相差不大。仅在试验3后，SDA框架的表现不如波特兰水泥混凝土框架。然而，在测试5结束时，他们的表现基本相同。所有这三次震动都比这些框架所设计位置的当前设计基础地震更强烈。试验顺序后，波特兰水泥混凝土框架和SDA混凝土框架梁柱节点剪切裂缝的发展表明，框架表现为设计的强柱弱梁概念。无论如何，这两种框架都没有明显的损坏或结构失效，例如倒塌。从严格的结构观点来看，在高震区，可以用SDA在混凝土混合料中代替普通硅酸盐水泥混凝土来建造结构构件，最多可以用50%的水泥。SDA混合料的抗压强度略弱，总体上仍然与波特兰水泥框架相同，这一事实强调了这一点。然而，在将如此高的SDA含量实际应用到结构混凝土中之前，需要在钢筋的耐久性和腐蚀方面进行工作。 Clearly, if this can be studied and shown to be also viable from a ductility standpoint, then contents as high as 50% SDA can be utilized thus reducing the cost of construction. Further, SDA can be recycled and diverted from landfills, thereby moving towards greener construction.

参考文献

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