再生骨料混凝土梁抗剪性能試驗(yàn)研究

吳 瑾,丁東方,張 聞

(1.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院,江蘇南京 210016;2.連云港市交通局,江蘇連云港 222000)

再生混凝土是廢棄混凝土塊經(jīng)過(guò)破碎、清洗和分級(jí),再按一定比例混合后作為部分或全部骨料配制的混凝土.再生混凝土應(yīng)用既可以有效地減少自然資源的消耗,又能減輕廢舊混凝土對(duì)環(huán)境的污染,促進(jìn)建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展.國(guó)內(nèi)外對(duì)再生混凝土及再生混凝土構(gòu)件性能進(jìn)行了許多研究[1].比如:Etxeberria等[2]研究了取代率和配箍率對(duì)抗剪承載力的影響;Belén[3]研究了配箍率對(duì)再生混凝土梁抗剪承載力的影響;Masaru等[4]研究了混凝土強(qiáng)度和截面尺寸對(duì)再生混凝土梁抗剪性能的影響;肖建莊等[5-6]通過(guò)3根粗骨料取代率分別為0,50%,100%的有腹筋再生混凝土梁試驗(yàn),提出了有關(guān)取代率與抗剪承載力的計(jì)算公式;張雷順等[7]對(duì)無(wú)腹筋再生混凝土梁進(jìn)行了試驗(yàn),研究了再生骨料取代率和剪跨比對(duì)無(wú)腹筋再生混凝土梁破壞形態(tài)和斜裂縫的影響.目前研究主要側(cè)重于不同取代率的再生混凝土梁抗剪性能,而對(duì)于取代率為100%的再生混凝土梁抗剪性能的研究不夠.筆者通過(guò)8根取代率為100%的再生混凝土有腹筋梁和4根普通混凝土有腹筋梁的對(duì)比試驗(yàn),研究了混凝土抗壓強(qiáng)度、剪跨比和配箍率等因素對(duì)再生混凝土梁斜截面破壞形態(tài)、斜向開裂荷載和抗剪承載力的影響.

1 試件的設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)中,普通混凝土梁的粗骨料為天然碎石,粒徑5～40mm.再生混凝土梁的粗骨料來(lái)源于廢棄的鋼筋混凝土梁.通過(guò)鉆芯取樣,測(cè)得原生混凝土強(qiáng)度范圍17.8～33.2 MPa.經(jīng)人工破碎、清洗、分級(jí)成粒徑 5～40 mm的骨料.再生骨料壓碎指標(biāo)值21.1%,10min吸水率4.20%.細(xì)骨料為河砂.水泥為32.5強(qiáng)度等級(jí)普通硅酸鹽水泥.箍筋采用HPB235級(jí)熱軋鋼筋,直徑6mm,箍筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度302 MPa,極限強(qiáng)度438MPa.設(shè)計(jì)試件的主要參數(shù)是配箍率、剪跨比和混凝土抗壓強(qiáng)度.試驗(yàn)梁共12根,分為2組:4根普通混凝土梁,8根再生混凝土梁.梁的截面為矩形,截面尺寸為120mm×200mm,梁長(zhǎng)為1500mm.試件情況見表1.試驗(yàn)采用三分點(diǎn)對(duì)稱加載.

表1 試件基本情況Table1 Details of specimens

2 試件破壞形態(tài)

以L1梁的加載和破壞過(guò)程為例來(lái)說(shuō)明試件的破壞形態(tài).當(dāng)荷載加到10kN時(shí),梁跨中出現(xiàn)微細(xì)垂直裂縫,此時(shí)箍筋應(yīng)變基本無(wú)變化;當(dāng)荷載加到22kN時(shí),彎剪區(qū)出現(xiàn)垂直裂縫,跨中的垂直裂縫延伸到縱筋處,箍筋應(yīng)變?nèi)詿o(wú)明顯變化;當(dāng)荷載加到27.84kN時(shí),梁一端彎剪區(qū)原有垂直裂縫發(fā)展為斜裂縫,斜裂縫寬度約為0.05mm,長(zhǎng)度約為60mm,斜裂縫處箍筋應(yīng)變?cè)黾拥?4×10-6;當(dāng)荷載加到32.4kN時(shí),梁另一端彎剪區(qū)內(nèi)出現(xiàn)新的斜裂縫,長(zhǎng)度較大,約為200mm,寬度為0.05mm,原斜裂縫處箍筋應(yīng)變?cè)黾拥?68×10-6;當(dāng)荷載加到39 kN時(shí),原箍筋應(yīng)變?yōu)?80×10-6,原斜裂縫寬度發(fā)展到0.4mm;當(dāng)荷載加到45.6kN時(shí),箍筋應(yīng)變?cè)黾拥?52×10-6,斜裂縫寬度為0.5mm;當(dāng)荷載達(dá)到55.94kN時(shí),斜裂縫最寬處發(fā)展到0.65mm,原斜裂縫處箍筋應(yīng)變?yōu)?496×10-6;再對(duì)梁進(jìn)行下一級(jí)加載時(shí),原斜裂縫寬度突然增大到1.5mm以上,根據(jù)梁斜截面破壞的定義,此時(shí)梁發(fā)生斜截面破壞.

與L1試件類似,試驗(yàn)中所有梁均發(fā)生了剪壓破壞.再生混凝土梁在未出現(xiàn)斜裂縫前,箍筋應(yīng)變和跨中撓度無(wú)明顯變化.在斜裂縫出現(xiàn)時(shí),箍筋應(yīng)變有明顯的拐點(diǎn).在加載過(guò)程中,再生混凝土梁斜裂縫寬度、箍筋應(yīng)變和跨中撓度隨荷載有規(guī)律性地增大,但加載后期階段,尤其是接近抗剪極限承載力時(shí),其箍筋應(yīng)變和斜裂縫寬度增大速度較快,直至試件破壞.試驗(yàn)中,再生混凝土梁與普通混凝土梁的破壞形態(tài)基本一致,破壞時(shí)跨中撓度值較小,箍筋應(yīng)變達(dá)到鋼筋屈服應(yīng)變,并且最大斜裂縫寬度均超過(guò)1.5mm,均發(fā)生脆性的剪壓破壞.

3 斜向開裂荷載

本試驗(yàn)試件斜向開裂荷載 Vcr的確定主要根據(jù)試驗(yàn)時(shí)的觀察記錄,同時(shí)參考了試驗(yàn)梁荷載-箍筋應(yīng)變曲線.表2給出了相同條件的再生混凝土梁與普通混凝土梁斜向開裂荷載.由表2可以看出,相同條件下的再生混凝土梁的斜向開裂荷載比普通混凝土梁小,相差幅度在20%以內(nèi).這說(shuō)明再生混凝土梁的斜裂縫出現(xiàn)較早,斜向開裂荷載較小.梁的斜向開裂是當(dāng)外荷載作用時(shí),彎剪區(qū)混凝土單元的主拉應(yīng)力達(dá)到混凝土的極限強(qiáng)度所形成的.由于再生骨料表面包裹舊砂漿,同時(shí)再生骨料在制備過(guò)程產(chǎn)生大量的微裂縫,相對(duì)于普通混凝土來(lái)講,再生混凝土內(nèi)部初始缺陷和微裂縫較多,再生混凝土抗拉強(qiáng)度較低,且再生混凝土與鋼筋黏結(jié)較普通混凝土低[8-9],從而導(dǎo)致了再生混凝土梁斜向開裂荷載較小.

表2 再生混凝土梁與普通混凝土梁的斜向開裂荷載Table2 Inclined loads of recycled aggregate concretebeams and ordinary concrete beams

由表3可以看出:對(duì)于再生混凝土梁,配箍率對(duì)斜向開裂荷載幾乎沒有影響,而剪跨比和混凝土強(qiáng)度對(duì)其影響較大;再生混凝土梁斜向開裂荷載隨著剪跨比的增大而減小,隨著混凝強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大.由此可以看出,剪跨比和混凝土強(qiáng)度是再生混凝土梁斜向開裂荷載的重要影響因素.

以剪跨比和混凝土強(qiáng)度為參數(shù),根據(jù)本試驗(yàn)8根再生混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果,擬合出再生混凝土梁斜向開裂荷載表達(dá)式

表3 不同影響因素下的實(shí)測(cè)梁斜向開裂荷載Table3 Measured inclined loads of recycled aggregate concrete beams with various factors

式中:b——截面寬度;h0——截面有效高度;fck——再生混凝土軸心抗壓強(qiáng)度.

4 再生混凝土梁抗剪承載力

表4給出了3組相同條件下再生混凝土梁與普通混凝土梁的抗剪承載力實(shí)測(cè)值.由表4可以看出,相同條件下,再生混凝土梁的抗剪承載力低于普通混凝土梁.再生混凝土梁的抗剪承載力由再生混凝土與箍筋2部分貢獻(xiàn),由于再生混凝土內(nèi)部初始缺陷和微裂縫較多,使得再生混凝土強(qiáng)度較低,從而影響了再生混凝土梁的抗剪承載力.當(dāng)配箍率相對(duì)較高時(shí),這種影響相對(duì)較小,本試驗(yàn)再生混凝土梁的抗剪承載力與普通混凝土梁相差2%;當(dāng)配箍率相對(duì)較低時(shí),這種影響相對(duì)較大,再生混凝土梁抗剪承載力降低幅度達(dá)18%～23%,且再生混凝土強(qiáng)度愈低,降低幅度愈大.

由圖1可以看出:再生混凝土梁的抗剪承載力隨著配箍率的增大而增大,兩者接近線性關(guān)系;再生混凝土梁的抗剪承載力隨著剪跨比的減小而增大;再生混凝土梁的抗剪承載力隨著混凝土強(qiáng)度的提高而增大,兩者接近線性關(guān)系.

表4 再生混凝土梁與普通混凝土梁的抗剪承載力試驗(yàn)值Table4 Test results of shear bearing capacity of recycled and ordinary concrete beams

圖1 再生混凝土抗剪承載力與配箍率、剪跨比以及抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between shear bearing capacity,reinforcement ratio,and compressive strength of recycled aggregate concrete

以混凝土強(qiáng)度、剪跨比和配箍率為參數(shù),根據(jù)本試驗(yàn)8根再生混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果,擬合出再生混凝土梁抗剪承載力表達(dá)式

肖建莊等[10]試驗(yàn)中1根再生骨料取代率為100%的梁,試驗(yàn)測(cè)得的抗剪承載力為137kN,由式(2)計(jì)算得到的抗剪承載力為132kN,兩者之比1.04.這說(shuō)明表達(dá)式(2)有一定的適用性.

5 結(jié) 論

a.本試驗(yàn)再生混凝土梁的破壞形態(tài)與普通混凝土梁相同,均為剪壓破壞.破壞時(shí),臨界斜裂縫處的箍筋應(yīng)變達(dá)到鋼筋屈服應(yīng)變,跨中撓度較小,最大斜裂縫寬度均在1.5mm以上,為脆性破壞.

b.由于再生混凝土內(nèi)部初始缺陷和微裂縫的影響,再生混凝土梁的斜向開裂荷載低于普通混凝土梁,最大幅度達(dá)20%.配箍率對(duì)再生混凝土梁的斜向開裂荷載幾乎沒有影響,而剪跨比和混凝土強(qiáng)度對(duì)其影響較大.通過(guò)8根再生混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果,擬合出了再生混凝土梁斜向開裂荷載計(jì)算表達(dá)式.

c.在配箍率相對(duì)較高的情況下,再生混凝土梁的抗剪承載力與普通混凝土梁相差不大;配箍率偏小時(shí),抗剪承載力相差較大,幅度達(dá)23%.再生混凝土梁的抗剪承載力隨著配箍率的增大而增大,隨著剪跨比的增大而降低,隨著混凝土強(qiáng)度的提高而提高.通過(guò)8根再生混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果,擬合出了再生混凝土梁抗剪承載力計(jì)算表達(dá)式,且該表達(dá)式計(jì)算結(jié)果與其他試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.

[1]肖建莊.再生混凝土[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[2]ETXEBERRIA M,VAZQUEZ E,MARI A,et al.The role and influence of recycled aggregate concrete[C]//Conference on the Use of Recycled Materials in Building and Structures.Barcelona:RILEM Publications SARL,2004:1-10.

[3]BELéN G,FERNANDOM.Shear strength of concretewith recycled aggregate[J].Construction and Building Materials,2007,21(4):887-893.

[4]MASARU S,TAKAHISA S,IPPEIM,et al.Shear behavior of reinforced recycled concretebeams[C]//Conferenceon the Useof Recycled Materials in Building and Structures.Barcelona:RILEM Publications SARL,2004:11-19.

[5]肖建莊,蘭陽(yáng).再生混凝土梁抗剪性能試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師,2004,20(6):54-60.(XIAO Jian-zhuang,LAN Yang.Experimental study on shear behavior of recycled concrete beams[J].Structural Engineers,2004,20(6):54-60.(in Chinese))

[6]蘭陽(yáng),肖建莊,李佳彬,再生粗骨料混凝土材料與梁抗剪性能研究[J].特種結(jié)構(gòu),2006,23(2):8-11.(LAN Yang,XIAO Jianzhuang,LI Jia-bin.Preliminary study on mechanical properties and shear behaviour of recycled coarse aggregate concrete[J].Special Structures,2006,23(2):8-11.(in Chinese))

[7]張雷順,張曉磊,閆國(guó)新.再生混凝土無(wú)腹筋梁斜截面受力性能試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2007,37(9):57-61.(ZHANG Leishun,ZHANG Xiao-lei,YAN Guo-xin.Experimental research on the shearing capacity of recycled concrete beams without stirrups[J].Industrial Construction,2007,37(9):57-61.(in Chinese))

[8]肖建莊,李丕勝,秦薇.再生混凝土與鋼筋間的黏結(jié)滑移性能[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2006,34(1):13-16.(XIAO Jian-zhuang,LI Pi-sheng,QIN Wei.Study on bond-slip between recycled concrete and rebars[J].Journal of Tongji University:Natural Science,2006,34(1):13-16.(in Chinese))

[9]XIAO JZ,FALKNERH.Bond behavior between recycled aggregate concrete and steel rebars[J].Construction and Building Material,2007,21:395-401.

[10]肖建莊,蘭陽(yáng).再生粗骨料混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究[J].特種結(jié)構(gòu),2006,23(1):9-12.(XIAO Jian-zhuang,LAN Yang.Experimental study on flexural performance of recycled concrete beams[J].Special Structures,2006,23(1):9-12.(in Chinese))