再生磚粗骨料混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究

季昌良，翟愛良，翟文舉，陳樹建，王純合

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、新農(nóng)村建設(shè)的不斷深入，許多地區(qū)的房屋拆遷產(chǎn)生了大量的碎磚廢棄物，如能將其再生利用，不但可以解決大量碎磚廢棄物的堆積處理問題，還可減少對(duì)天然砂石的開采，有利于環(huán)境保護(hù)．再生磚粗骨料混凝土是指將廢棄的磚經(jīng)破碎、清洗及篩分后作為混凝土粗骨料，部分或全部代替天然粗骨料配制成的新型混凝土．在建筑廢棄物資源化處理及再生混凝土的研究和應(yīng)用方面［2－4］，大量碎磚廢棄物的再生利用問題還未引起重視，僅個(gè)別機(jī)構(gòu)對(duì)碎磚再生輕骨料混凝土的基本性能做了初步研究［5－9］，而再生磚粗骨料混凝土受彎構(gòu)件受力性能研究方面還未見報(bào)道．基于此，本文借鑒已有試驗(yàn)研究成果，通過對(duì)再生磚粗骨料混凝土梁進(jìn)行正截面抗彎性能試驗(yàn)［1］，并與普通混凝土梁進(jìn)行對(duì)比，分析其受力特性及破壞特點(diǎn)，以及再生磚粗骨料取代率對(duì)再生混凝土梁正截面抗彎性能的影響，對(duì)再生磚粗骨料混凝土梁的抗彎性能作了初步研究．

1 試驗(yàn)概況

1．1 原 材 料

(1)再生骨料．試驗(yàn)中將廢棄磚(強(qiáng)度為Mu10)經(jīng)人工破碎，篩分出粒徑值分別為5～10 mm，10～16 mm，16～20 mm的再生磚骨料，用水進(jìn)行沖洗，再生磚粗骨料與天然粗骨料的基本性能如下:堆積密度分別為1 008和1 509 kg/m3，表觀密度分別為2 400和2 670 kg/m3，吸水率分別為14．10%和0．80%，壓碎指標(biāo)分別為38%和20%．可見再生磚粗骨料與天然粗骨料的基本性能相差較大，故對(duì)再生磚粗骨料進(jìn)行了水泥漿包裹的強(qiáng)化處理，再生磚粗骨料經(jīng)水泥漿包裹強(qiáng)化處理后，自身強(qiáng)度得到提高，骨料之間的粘結(jié)力也加強(qiáng)，并大大減少了拌制混凝土?xí)r水泥及水的用量，較好地保證了再生磚粗骨料混凝土的強(qiáng)度［9］．

(2)水泥．選用山東泰安魯潤水泥制造有限公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為32．5．

(3)天然骨料．細(xì)骨料采用泰安市河產(chǎn)中砂;粗骨料采用泰安市建材公司生產(chǎn)的碎石，最大粒徑為20 mm，級(jí)配為連續(xù)級(jí)配．為使試驗(yàn)更具有對(duì)比性，再生磚粗骨料和天然粗骨料采用相同的級(jí)配組成，級(jí)配組成中粒徑5～10 mm占15%，10～16 mm占35%，16～20 mm占50%．

(4)材料力學(xué)性能．在澆筑各混凝土梁的同時(shí)制作了混凝土立方體試塊，測得再生混凝土的抗壓強(qiáng)度．所選用的縱筋為HRB335Φ14帶肋鋼筋，箍筋為HPB235Φ6光圓鋼筋．對(duì)鋼筋采樣分別進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，材料性能測試結(jié)果見表1．

表1 材料性能Tab．1 The materials characteristics

1．2 配 合 比

由于試驗(yàn)中再生磚粗骨料與天然石子粗骨料物理性質(zhì)相差太大，僅單一地在粗骨料之間進(jìn)行等體積或等質(zhì)量進(jìn)行替代所得到的再生磚粗骨料混凝土與普通混凝土相比強(qiáng)度相差較大，不適合進(jìn)行試驗(yàn)研究，因此本試驗(yàn)以兩組具有相同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的配合比為基準(zhǔn)，一組為普通混凝土，一組為再生粗骨料替代率為100%的混凝土，其他用部分再生粗骨料替代的梁的配合比按照各自的替代率由上述兩組基準(zhǔn)配合比計(jì)算得出，配合比結(jié)果見表2．

表2 再生混凝土材料用量Tab．2 Mix proportion of the recycled concrete

1．3 試件設(shè)計(jì)

梁L1～L5的截面尺寸、剪跨比、配筋均相同，梁截面尺寸為150 mm×250 mm×2 100 mm，剪跨比為2．79，受拉筋選用3Φ14(HRB335)，配筋率為1．23%，架立筋為2Φ8，箍筋沿梁全長配Φ6@80，配箍率為0．47%，試驗(yàn)采用分配梁實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)加載，試驗(yàn)加載裝置及梁的尺寸與配筋見圖1．

圖1 試驗(yàn)加載裝置及梁的尺寸與配筋(單位:mm)Fig．1 Test loading device，beam size and reinforcement(unit:mm)

1．4 測點(diǎn)布置

試驗(yàn)在梁跨中及端部支座處安設(shè)百分表，以測量撓度，在梁跨中截面上下面及側(cè)面粘貼應(yīng)變片，縱筋上的應(yīng)變片在澆筑梁之前粘貼好．應(yīng)變片測點(diǎn)布置如圖2所示．

圖2 測點(diǎn)布置Fig．2 The layout of measuring points

1．5 加載過程

試驗(yàn)在YAW—3000F微機(jī)控制電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行．先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載期間檢查試驗(yàn)裝置的可靠性及各儀器的工作性能．然后正式加載，以計(jì)算極限荷載值的10%為級(jí)度逐級(jí)加載，至計(jì)算極限荷載值的90%時(shí)改為每級(jí)5%的加載量，各級(jí)加載中間間隔10 min，以便于觀測記錄數(shù)據(jù)，加載速率為2 kN/min．加載到臨近破壞前，拆除所有儀表，然后加載至破壞．

1．6 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)中需采集的數(shù)據(jù)及采集方法如下:(1)撓度和支座沉降測量，通過百分表測量每級(jí)荷載下混凝土梁的撓度和支座沉降．(2)裂縫量測，觀測記錄每級(jí)荷載下裂縫的擴(kuò)展及分布變化，通過讀數(shù)放大鏡觀測裂縫寬度，并在加載后，將梁的裂縫擴(kuò)展分布形態(tài)繪制在坐標(biāo)紙上．(3)應(yīng)變測量，通過程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀(TS3890型)采集實(shí)驗(yàn)過程中縱筋和混凝土的應(yīng)變值．(4)荷載測量，通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集每根梁的開裂荷載和極限破壞荷載．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 主要試驗(yàn)現(xiàn)象描述

梁L1:加載至16．2 kN，在純彎段出現(xiàn)細(xì)微的豎向裂縫．早期裂縫寬度發(fā)展緩慢，混凝土和鋼筋應(yīng)變也較?。虞d到139 kN時(shí)，跨中撓度增大較快，百分表指針轉(zhuǎn)動(dòng)迅速，裂縫寬度明顯變大，到147 kN時(shí)，撓度急劇增大，伴隨著梁頂純彎區(qū)混凝土的壓碎，認(rèn)定梁破壞．

梁L2:加載至15．9 kN，在距離梁中心20 cm處出現(xiàn)毛細(xì)裂縫，隨著荷載的增加，裂縫漸增多．加載至129 kN時(shí)，百分表指針轉(zhuǎn)動(dòng)加快，撓度增大．隨著荷載繼續(xù)增加，裂縫寬度及延伸長度明顯變大，梁跨中截面上部混凝土有壓碎現(xiàn)象，認(rèn)定梁破壞．

梁L3:加載至15．7 kN，在距離梁中心7．1 cm處出現(xiàn)毛細(xì)裂縫，受拉區(qū)混凝土邊緣纖維應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變，混凝土梁開裂，鋼筋應(yīng)變突然增大，隨后又平穩(wěn)增長．隨著荷載增加，裂縫增多，梁中性軸隨之上移．加載至147 kN時(shí)，百分表指針轉(zhuǎn)動(dòng)加快，梁撓度增大，加載至154 kN時(shí)，梁撓度急劇增大，同時(shí)跨中截面上部混凝土有壓碎現(xiàn)象，認(rèn)定梁破壞．

梁L4:加載至15．6 kN，在梁跨中處出現(xiàn)毛細(xì)裂縫，加載初期荷載和撓度基本呈正比關(guān)系，梁截面上各測點(diǎn)應(yīng)變很小且均勻變化．隨著荷載的增加，裂縫條數(shù)增多，不斷延伸并增寬．加載至145 kN，百分表讀數(shù)變化較快，撓度增長加快．加載至157 kN時(shí)，百分表指針劇烈轉(zhuǎn)動(dòng)，撓度急劇增大，跨中附近截面上部混凝土有壓碎現(xiàn)象，認(rèn)定梁破壞．

梁L5:加載至15．7 kN，在跨中處出現(xiàn)毛細(xì)裂縫．在40～60 kN之間，出現(xiàn)10條新裂縫．隨著荷載的增加，裂縫條數(shù)增多且不斷延伸并加寬．加載至150 kN時(shí)，百分表讀數(shù)變化加快．加載至157 kN時(shí)，鋼筋應(yīng)變突增，隨著荷載的繼續(xù)增加梁跨中裂縫明顯變寬，同時(shí)跨中截面上部混凝土有壓碎現(xiàn)象，認(rèn)定梁破壞．

通過觀察5根梁的加載過程，可知再生磚粗骨料混凝土梁與普通混凝土梁的破壞過程基本相同，在加荷到破壞整個(gè)過程中都具有3個(gè)明顯的階段，在達(dá)到承載能力極限狀態(tài)前，5根梁構(gòu)件都有顯著的裂縫擴(kuò)展和撓度增長，都屬于塑性破壞，與文獻(xiàn)［10－11］的試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果也較接近．

2．2 開裂彎矩和極限彎矩

再生磚粗骨料混凝土梁的開裂彎矩和極限彎矩試驗(yàn)結(jié)果如下:L1分別為4．86和45．1 kN·m;L2為4．77和42．5 kN·m;L3為4．71和47．0 kN·m;L4為4．68和47．9 kN·m;L5為4．71和48．7 kN·m．

可見，再生磚粗骨料混凝土梁的開裂彎矩稍小于普通混凝土梁的開裂彎矩，L3，L4和L5梁的開裂彎矩和極限彎矩十分接近，表明再生磚粗骨料混凝土梁抗開裂能力低于普通混凝土梁，而極限承載能力相差不大．粗骨料替代率的取值范圍對(duì)再生磚粗骨料混凝土梁的極限抗彎承載能力有較大影響［8］，當(dāng)粗骨料替代率為30%時(shí)，再生磚粗骨料混凝土梁的極限抗彎承載力明顯偏低;當(dāng)粗骨料替代率在50%以上時(shí)，再生磚粗骨料混凝土梁的極限抗彎承載力相差不大，且承載力值較高．產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因經(jīng)推斷分析為當(dāng)粗骨料替代率為30%時(shí)，混凝土強(qiáng)度稍低，受力性能還不夠穩(wěn)定，而當(dāng)粗骨料替代率在50%以上時(shí)，一方面廢棄磚再生粗骨料經(jīng)過水泥漿包裹強(qiáng)化處理后，自身強(qiáng)度得到提高，另一方面廢棄磚再生粗骨料與水泥漿體基質(zhì)界面結(jié)合較好，混凝土密實(shí)，與鋼筋粘結(jié)良好，提高了中低強(qiáng)度等級(jí)再生磚粗骨料混凝土受彎構(gòu)件的承載力，且隨替代率增加有增大的趨勢．這也表明再生磚粗骨料混凝土與普通再生混凝土的力學(xué)性能略有不同［12］，再生磚粗骨料的替代率對(duì)再生混凝土的影響并非明顯呈線性變化．

2．3 荷載－跨中撓度曲線

荷載－跨中撓度曲線試驗(yàn)結(jié)果見圖3．從圖3可見，再生磚粗骨料混凝土梁與普通混凝土梁的跨中撓度隨荷載變化的規(guī)律基本相同．在加載初期，跨中撓度與荷載基本呈正比例;在梁的屈服階段，跨中撓度的增長速度顯然快于荷載的增長速度;而在破壞階段，在荷載基本不變的情況下，跨中撓度也有很大增長．其中再生磚粗骨料混凝土梁破壞前的跨中撓度都大于普通混凝土梁的跨中撓度，且L3，L4及L5梁的荷載－跨中撓度的變化規(guī)律十分接近，試驗(yàn)結(jié)果表明梁破壞時(shí)的跨中撓度隨再生磚粗骨料替代率的增加而增大的趨勢，但當(dāng)粗骨料替代率在50%以上時(shí)，粗骨料替代率對(duì)再生混凝土梁的跨中撓度隨荷載變化關(guān)系影響較小，而再生磚粗骨料混凝土梁的極限承載力對(duì)其撓度影響較大，且極限承載力越高，梁跨中撓度越大．

2．4 荷載－跨中鋼筋應(yīng)變曲線

圖3 荷載－跨中撓度曲線對(duì)比Fig．3 Comparison between the curves of load-deflection

試驗(yàn)過程中通過程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀(TS3890型)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)收集鋼筋應(yīng)變，詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖4所示．

從圖4可見，在加載初期，所有梁的鋼筋應(yīng)變呈線性變化．隨荷載的增加，混凝土開裂后受拉區(qū)混凝土逐漸退出工作，荷載主要由鋼筋承擔(dān)，開始時(shí)鋼筋應(yīng)變變化緩慢，各個(gè)梁的鋼筋應(yīng)變情況基本相同，但在縱向鋼筋屈服后，再生磚粗骨料混凝土梁鋼筋應(yīng)變的增長速度顯然要快于普通混凝土梁的鋼筋應(yīng)變?cè)鲩L速度，且鋼筋應(yīng)變的增長速度隨再生粗骨料取代率的增加而加快．試驗(yàn)結(jié)果表明再生磚粗骨料混凝土梁與普通混凝土梁的受拉鋼筋應(yīng)變規(guī)律相似，但在受拉筋屈服后，再生磚粗骨料混凝土梁的受拉筋應(yīng)變發(fā)展較快，且隨再生粗骨料取代率的增加，受拉筋應(yīng)變發(fā)展有加快趨勢，這也說明再生磚粗骨料混凝土梁有較好的變形性能，鋼筋與再生磚粗骨料混凝土粘結(jié)性能良好且變形協(xié)調(diào)，二者可共同工作．

2．5 裂縫擴(kuò)展情況

圖4 鋼筋應(yīng)變對(duì)比Fig．4 Comparison of the strain results of steel bar

通過對(duì)試驗(yàn)全過程中梁的裂縫擴(kuò)展情況觀察可知，L1梁共出現(xiàn)16條裂縫，早期裂縫寬度很小，發(fā)展不明顯．L2梁共出現(xiàn)20條裂縫，早期裂縫寬度擴(kuò)展較慢，裂縫延伸較短．L3，L4和L5梁分別出現(xiàn)20，24和26條裂縫．所有梁的裂縫在純彎段分布較密集，在剪壓區(qū)分布則比較稀疏，但延伸較長．普通混凝土梁L1的裂縫在荷載加載到極限荷載的60%時(shí)已全部出現(xiàn)，而再生磚粗骨料替代率較高的L4梁和完全用再生磚粗骨料替代的L5梁在加載后期依然有新裂縫出現(xiàn)，且新裂縫延伸較長但寬度較小，多出現(xiàn)在靠近支座的剪壓區(qū)．試驗(yàn)表明再生磚粗骨料混凝土梁的開裂荷載較小，隨著再生磚粗骨料替代率的增高，梁的裂縫條數(shù)增多，裂縫的延伸長度和寬度也增大，同時(shí)裂縫沿全梁的分布范圍擴(kuò)大，可見抗壓強(qiáng)度相同的再生磚粗骨料混凝土與普通混凝土的抗拉強(qiáng)度是不同的，其中普通混凝土要明顯大于再生磚粗骨料混凝土的抗拉強(qiáng)度．

3 結(jié)語

(1)再生磚粗骨料混凝土梁的受彎破壞過程也具有3個(gè)明顯的受力階段，與普通混凝土梁的受彎破壞過程基本相同．

(2)當(dāng)再生磚粗骨料替代率為30%時(shí)，混凝土強(qiáng)度較低，受力性能不夠穩(wěn)定;當(dāng)再生磚粗骨料取代率在50%以上時(shí)，再生粗骨料取代率對(duì)再生混凝土梁的受力性能影響較小，在截面尺寸、配筋率等條件相同情況下，采用相同中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土制作的普通梁與再生混凝土梁承載力基本相同．

(3)與普通混凝土梁相比，再生磚粗骨料混凝土梁的延性較好，且再生磚粗骨料取代率越大，破壞前梁構(gòu)件的裂縫擴(kuò)展和撓度變形也越明顯，因而能更好地發(fā)揮鋼筋的作用，提高再生磚粗骨料混凝土梁的承載力．

(4)再生磚粗骨料混凝土梁的開裂彎矩小于普通混凝土梁，加載過程中其裂縫的平均寬度和延伸長度略大于普通混凝土梁;且隨再生磚粗骨料取代率的增加，裂縫的數(shù)量、寬度及延伸長度都有所增大．

(5)根據(jù)荷載－跨中鋼筋應(yīng)變關(guān)系可以看出，在混凝土梁加載過程中，鋼筋與再生磚粗骨料混凝土粘結(jié)性能良好，變形協(xié)調(diào)，二者可共同工作．

(6)再生磚粗骨料混凝土梁具有良好的受力性能，可以考慮應(yīng)用于工程實(shí)際中．

［1］GB 50152—92，混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］．(GB 50152—92，The method standard of concrete structure experiment［S］．(in Chinese))

［2］魏鵬，游勁秋，陳佳琨．再生混凝土的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景［J］．浙江建筑，2008(11):58-61．(WEI Peng，YOU Jingqiu，CHEN Jia-kun．The research progress and application prospects of regenerated concrete［J］．Zhejiang Construction，2008(11):58-61．(in Chinese))

［3］肖建莊，李佳彬，蘭陽．再生混凝土研究最新進(jìn)展［J］．混凝土，2003(10):17-20，57．(XIAO Jian-zhuang，LI Jia-bing，LAN Yang．The latest progress of the recycled concrete research［J］．Concrete，2003(10):17-20，57．(in Chinese))

［4］鄭愛武．對(duì)再生混凝土回收利用的探討［J］．磚瓦，2006(5):48-50．(ZHENG Ai-wu．The discussion of the use of recycled concrete［J］．Brick and Tile，2006(5):48-50．(in Chinese))

［5］劉子振，肖斌，李曉龍，等．廢舊燒結(jié)磚再生混凝土性能試驗(yàn)研究［J］．混凝土，2011(3):72-74．(LIU Zi-zheng，XIAO Bin，LI Xiao-long，et al．Study on performance of recycled concrete from waste sintered brick［J］．Concrete，2011(3):72-74．(in Chinese))

［6］嚴(yán)捍東，陳秀峰．廢棄黏土磚再生骨料對(duì)混凝土性能的影響研究［J］．四川建筑科學(xué)研究，2009，35(5):179-182．(YAN Han-dong，CHEN Xiu-feng．Study on effects of waste clay brick recycled aggregate on concrete properties［J］．Sichuan Building Science，2009，35(5):179-182．(in Chinese))

［7］范小平．再生粘土磚骨料混凝土的性能研究［J］．福建建材，2006，93(3):27-28．(FAN Xiao-ping．Study on recycled clay brick aggregate concrete properties［J］．Fujian Building Materials，2006，93(3):27-28．(in Chinese))

［8］盧建忠，馬嶸．“體積取代法”碎磚再生混凝土性能的研究［J］．嘉興學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，15(增1):113-115．(LU Jianzhong，MA Rong．Experiment analysis on performance of reclaimed concrete with the volume replacement method［J］．Journal of Jiaxing College，2003，15(Suppl1):113-115．(in Chinese))

［9］謝玲君，翟愛良，王暉，等．燒結(jié)磚瓦再生骨料級(jí)配對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響［J］．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010，8(6):52-55，80．(XIE Ling-jun，ZHAI Ai-liang，WANG Hui，et al．Impacts of recycled aggregate gradation of sintering bricks and tiles on mechanical properties of concrete［J］．Journal of Water Resources and Architectural Engineering，2010，8(6):52-55，80．(in Chinese))

［10］劉佳亮，孫偉民，郭樟根，等．再生混凝土梁抗彎承載力的試驗(yàn)［J］．南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(5):38-42．(LIU Jia-liang，SUN Wei-min，GUO Zhang-gen，et al．Experiment on flexural bearing capacity of concrete beams with aggregate recycled［J］．Journal of Nanjing University of Technology，2008，30(5):38-42．(in Chinese))

［11］肖建莊，蘭陽．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 coarse aggregate concrete beams［J］．Special Structures，2006，23(1):9-12．(in Chinese))

［12］宋燦，鄒超英，徐偉．再生混凝土基本力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］．低溫建筑技術(shù)，2007(3):15-16．(SONG Can，ZHOU Chao-ying，XU Wei．Experimental analysis on basic mechanical property of recycled concrete［J］．Low Temperature Building Technology，2007(3):15-16．(in Chinese))