聚丙烯纖維再生混凝土梁抗裂性能試驗(yàn)研究

孫 恒 叢 明 李佰壽 李珍淑

(1.延邊大學(xué)工學(xué)院結(jié)構(gòu)工程學(xué)科，吉林 延吉 133002; 2.延邊大學(xué)工學(xué)院土木工程學(xué)科，吉林 延吉 133002)

聚丙烯纖維再生混凝土梁抗裂性能試驗(yàn)研究

孫 恒1叢 明1李佰壽1李珍淑2*

(1.延邊大學(xué)工學(xué)院結(jié)構(gòu)工程學(xué)科，吉林 延吉 133002; 2.延邊大學(xué)工學(xué)院土木工程學(xué)科，吉林 延吉 133002)

為了分析聚丙烯纖維對(duì)再生混凝土抗裂性能和極限承載力的影響,對(duì)10根梁構(gòu)件進(jìn)行了受彎試驗(yàn)及對(duì)比分析,結(jié)果表明:聚丙烯纖維提升混凝土抗裂性能效果顯著,同時(shí)采用規(guī)范公式計(jì)算得出了構(gòu)件極限受彎承載力與實(shí)測(cè)值相差小于2%,證明了采用規(guī)范公式計(jì)算的可行性。

聚丙烯纖維，再生混凝土，抗裂性能

0 引言

近年來(lái)建筑行業(yè)對(duì)混凝土的需求量越來(lái)越大，如果能夠較好的應(yīng)用再生混凝土，勢(shì)必能夠妥善處置建筑垃圾，同時(shí)避免對(duì)自然資源的過(guò)度開(kāi)采。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的試驗(yàn)研究表明與相同配合比的天然骨料混凝土相比，由于再生骨料性質(zhì)上存在較大差異，再生混凝土必然存在性能上的缺陷[1,2]。為了探究聚丙烯纖維對(duì)梁的抗裂性能和極限承載力的影響，對(duì)10根梁構(gòu)件進(jìn)行受彎試驗(yàn)，并且根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷現(xiàn)行GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的極限受彎承載力計(jì)算公式對(duì)聚丙烯纖維再生混凝土是否適用，為以后有關(guān)聚丙烯纖維再生混凝土梁的研究提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選擇配制四種混凝土進(jìn)行，經(jīng)查閱文獻(xiàn)表明聚丙烯纖維摻量在1%時(shí)，對(duì)于混凝土的性能提升作用明顯[3]，所以確定聚丙烯纖維摻量為1 kg/m3，配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比情況 kg/m3

其中聚丙烯纖維長(zhǎng)度為16 mm,密度0.91 kg/m3，斷裂強(qiáng)度大于500 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率15%～35%，初始模量大于3.5 GPa；再生粗骨料的表觀密度為2 441 kg/m3，堆積密度1 288 kg/m3，吸水率5.2%，孔隙率47.3%。制作四組共計(jì)10根梁，梁的截面尺寸為200 mm×150 mm、跨度為1 500 mm,縱向受力鋼筋為4φ12、箍筋為φ8@100，各個(gè)試件的情況如表2所示。

表2 試件參數(shù)表

加載裝置使用實(shí)驗(yàn)室具備的5 000 kN電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，測(cè)點(diǎn)布置及加載情況見(jiàn)圖1。全部試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格遵循GB/T 50512-2012混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)加載直至構(gòu)件破壞，大致可以分為三個(gè)階段：第一階段，混凝土未發(fā)生開(kāi)裂，這一階段加載過(guò)程中所有構(gòu)件均在梁跨中底端附近最先出現(xiàn)裂紋，無(wú)明顯差別；第二階段，混凝土開(kāi)裂后到鋼筋屈服前，隨著荷載的繼續(xù)增加,裂紋數(shù)量增多,逐漸發(fā)展成裂縫,構(gòu)件變形迅速增加,裂縫沿梁截面高度豎向發(fā)展,受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂后將不再起作用，由鋼筋承擔(dān)全部拉力，這一階段聚丙烯纖維再生混凝土梁的裂縫發(fā)展比再生混凝土梁更為穩(wěn)定，裂縫寬度較小，與聚丙烯纖維混凝土梁相似，且裂縫間距比較均勻；第三階段，受拉鋼筋達(dá)到屈服直至構(gòu)件完全破壞,隨著持續(xù)穩(wěn)定的加載，儀器顯示的測(cè)量荷載迅速下降，構(gòu)件隨即完全破壞，這一階段聚丙烯纖維再生混凝土梁能夠承受的荷載值明顯大于普通混凝土梁以及再生混凝土梁，具有更好的延性。

2.2 梁最大裂縫寬度及開(kāi)裂彎矩

采用GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范公式(1)對(duì)各個(gè)梁構(gòu)件最大裂縫寬度Wmax進(jìn)行驗(yàn)算：

(1)

由于試驗(yàn)過(guò)程中只能夠測(cè)量縱向受力鋼筋水平位置混凝土外邊緣處的裂縫寬度，所以測(cè)量的裂縫寬度比實(shí)際裂縫寬度要大。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，參照經(jīng)驗(yàn)公式(2)計(jì)算兩者比值τ[5]：

(2)

梁裂縫寬度平均減小了10.8%，比再生混凝土梁裂縫寬度平均減小了20.2%，與聚丙烯纖維混凝土梁基本相同，所以聚丙烯纖維的添加對(duì)于抑制梁構(gòu)件的裂縫的發(fā)展效果明顯，尤其對(duì)再生混凝土提升顯著。裂縫的數(shù)量方面，10根梁的裂縫數(shù)量基本相同，考慮可能由于尺寸限制，試驗(yàn)效果并不十分明顯。

表3 試件裂縫數(shù)據(jù)

在計(jì)算梁構(gòu)件的開(kāi)裂彎矩時(shí)，根據(jù)GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范控制等級(jí)為二級(jí)的裂縫在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下?lián)Q算以后開(kāi)裂彎矩Mc的計(jì)算公式為：

Mc=γmW0ftk

(3)

將10根梁構(gòu)件的計(jì)算開(kāi)裂彎矩與實(shí)際測(cè)量值比較分析，具體情況見(jiàn)表4[5]。

表4 試件開(kāi)裂彎矩

從表4可以看出，聚丙烯纖維再生混凝土梁的開(kāi)裂彎矩比普通混凝土梁提高了6.8%，比再生混凝土提高了14%，而較聚丙烯纖維混凝土降低了1.6%，這是由于再生骨料存在天然缺陷，減小了混凝土梁的開(kāi)裂彎矩，而加入聚丙烯纖維后，開(kāi)裂彎矩明顯提升?？梢?jiàn)聚丙烯纖維對(duì)混凝土提高抗裂性能尤為重要，特別是對(duì)再生混凝土的抗裂性能提升更加顯著。

2.3 梁正截面極限承載力分析

根據(jù)GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范簡(jiǎn)化計(jì)算公式[4]：

(4)

?1fcbx=fyAs

(5)

計(jì)算各個(gè)梁的極限彎矩情況，與試驗(yàn)測(cè)得的彎矩值進(jìn)行比較，

具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5[5]。

表5 構(gòu)件極限彎矩分析

3 結(jié)語(yǔ)

1)聚丙烯纖維的添加能夠阻礙混凝土的開(kāi)裂，使普通混凝土與再生混凝土裂縫寬度分別減小了10.8%，20.1%，開(kāi)裂彎矩分別提高了6.8%，14%，可見(jiàn)聚丙烯纖維提升混凝土抗裂性能效果顯著；同時(shí)能夠使普通混凝土梁與再生混凝土梁在受彎情況下的極限承載能力分別提高了3.9%，4.8%，說(shuō)明聚丙烯纖維對(duì)梁受彎承載力有一定的提升作用。2)對(duì)于摻有聚丙烯纖維的普通混凝土以及再生混凝土梁構(gòu)件，GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中正截面極限受彎承載力計(jì)算公式仍然適用，計(jì)算值與試驗(yàn)值結(jié)果較為接近，相差小于2%。

[1] S.Nagataki,A.Gokce,T.Saeki,et al.Hisada,Assessment of recycling process Induced damage sensitivity of recycled concrete aggregates[J].Cement and Concrete Research，2004(5):29-30.

[2] 李 婷.再生骨料缺陷對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[3] 蘇曉薇,劉麗英.聚丙烯纖維混凝土的試驗(yàn)研究[J].吉林水利，2012(10)：77-78.

[4] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 叢 明.聚丙烯纖維再生混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究[D].延吉：延邊大學(xué)，2012.

[6] 葉煥軍.玄武巖纖維混凝土梁受彎性能研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2011.

Experimental study of polyprophlene fiber recycled concrete beam crack resistance

SUN Heng1CONG Ming1LI Bai-shou1LI Zhen-shu2*

(1.YanbianUniversityEngineeringCollegeStructuralEngineeringDiscipline,Yanji133002,China;2.YanbianUniversityEngineeringCollegeCivilEngineeringDiscipline,Yanji133002,China)

In order to analyzes the influence of the polypropylene fiber recycled concrete beam crack resistance and the ultimate bearing capacity, the paper undertakes the flexural test and comparative analysis of the ten beam components, indicates by the result that the polyprophlene fiber can promote the concrete crack resistance performance obviously, concludes the discrepancy between the ultimate flexural bearing capacity of the components and the factual measured value is less than 2% by adopting the regular calculation, and proves the regular formula is feasible.

polypropylene fiber, recycled concrete, crack resistance performance

1009-6825(2014)22-0036-02

2014-05-12

孫 恒(1990- )，男，在讀碩士; 叢 明(1987- )，男，在讀碩士; 李佰壽(1954- )，男，碩士生導(dǎo)師，教授; 李珍淑(1965- )，女，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師

TU502

A