再生混凝土簡(jiǎn)支梁受彎性能試驗(yàn)研究

賴宇迪， 徐 剛， 王 嶸

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 四川綿陽 621010)

再生混凝土簡(jiǎn)支梁受彎性能試驗(yàn)研究

賴宇迪， 徐 剛， 王 嶸

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院， 四川綿陽 621010)

基于國內(nèi)外大量相關(guān)研究及試驗(yàn)成果，研究不同再生混凝土取代率對(duì)混凝土簡(jiǎn)支梁的影響，對(duì)1組普通混凝土簡(jiǎn)支梁以及取代率分別為30 %、50 %、70 %、100 %的4組再生混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)。結(jié)果表明：再生混凝土取代率的不同，在一定范圍內(nèi)影響其抗彎性能、破壞形態(tài)、撓度情況，但總體上與普通混凝土梁受彎基本一致；再生混凝土梁的極限承載能力、裂縫發(fā)展等表現(xiàn)均比普通混凝土差，且隨著取代率的增加，這種趨勢(shì)更嚴(yán)重；再生骨料的添加并不能完全替代普通混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程構(gòu)件中，對(duì)此還需進(jìn)一步研究。

再生混凝土； 取代率； 撓度； 受彎性能

改革開放以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，房地產(chǎn)行業(yè)突飛猛進(jìn)，由此帶來的混凝土需求量以及相應(yīng)的建筑垃圾的問題日益嚴(yán)重。在自然資源相對(duì)缺乏的我國，建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重中之重就是建筑材料的可持續(xù)性，解決該問題的關(guān)鍵在于找到相應(yīng)原材料的替代品，提高能源有效利用率，探尋新型發(fā)展道路。利用再生混凝土替代普通混凝土是土建行業(yè)一項(xiàng)新的手段，目前，再生混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)有不少研究，其中對(duì)再生混凝土梁的研究是個(gè)熱門，但是對(duì)其受彎性能系統(tǒng)化的試驗(yàn)研究較少?；诖耍疚耐ㄟ^摻入不同量的再生混凝土骨料，對(duì)再生混凝土簡(jiǎn)支梁以及普通混凝土梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)研究，得到梁的撓度、應(yīng)變等結(jié)果，并進(jìn)行對(duì)比分析，為再生混凝土梁構(gòu)件使用提供一定參考標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4組不同再生混凝土取代率的簡(jiǎn)支梁和1組普通混凝土梁，具體參數(shù)如表1，其中L1即普通混凝土梁，每組試驗(yàn)梁的數(shù)量為3根。針對(duì)再生混凝土不同取代率這一變量而澆筑的簡(jiǎn)支梁，采取不同的加載量來分析取代率對(duì)簡(jiǎn)支梁承載能力、破環(huán)模式等的影響。

表1 試件分組

1.2 試驗(yàn)材料

簡(jiǎn)支梁截面尺寸：l=3 000 mm，h=300 mm，b=150 mm。保護(hù)層厚度20 mm，混凝土C30，ft=1.43 N/mm2?？v向受力鋼筋2φ12(HRB335)，上部構(gòu)造鋼筋2φ10(HRB335)，箍筋φ6@150(HPB300)，鋼筋布置如圖1所示。

圖1 試件配筋

普通混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，其中水泥為P42.5R普通硅酸鹽水泥，砂為普通天然黃砂，拌合水為自來水，天然粗骨料為連續(xù)級(jí)配碎石。減水劑摻量2 %，減水率為18 %。再生粗骨料由廢棄的混凝土梁破碎加工而成。在澆筑混凝土?xí)r，同時(shí)澆筑3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，用作測(cè)定混凝土的強(qiáng)度等級(jí)。W/C =0.43，砂率為33 %，骨料最大粒徑為31.5 mm。

1.3 加載設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用分配梁兩點(diǎn)對(duì)稱集中加載方式，具體描述如圖2、圖3。梁澆筑前，在簡(jiǎn)支梁底部2根縱向鋼筋的跨中位置沿縱向各粘貼一片鋼筋應(yīng)變片，用于測(cè)量縱筋在加載過程中的應(yīng)變。試驗(yàn)時(shí)在跨中和兩支座處設(shè)百分表，以觀測(cè)構(gòu)件的撓度變化；在梁的跨中一側(cè)按75 mm的間距粘貼混凝土應(yīng)變片，以觀測(cè)跨中截面不同高度處的應(yīng)變變化。在加載前，先對(duì)試驗(yàn)梁施加2 kN荷載進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，檢查儀器是否正常工作以及修正由接觸引起的誤差。正式加載時(shí)，采取兩點(diǎn)對(duì)稱逐級(jí)加載方式，采用250 kN壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，每級(jí)加載為2 kN，接近開裂時(shí)每級(jí)加載1 kN，且每級(jí)持荷5 min，持載約5～10 min，待儀表的示值穩(wěn)定后再進(jìn)行下級(jí)加載，以便有充分時(shí)間記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

圖2 加載裝置平面

圖3 加載裝置試驗(yàn)

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

對(duì)于普通混凝土適筋梁而言，受彎破壞一般分為4個(gè)階段，分別是彈性階段、開裂階段、屈服階段和極限階段，直到受拉縱筋屈服破壞，而后受壓區(qū)混凝土壓酥發(fā)生鼓翹，梁即破壞。通過5組試驗(yàn)簡(jiǎn)支梁的觀察可以得到，不同取代率再生混凝土的破壞特征與普通混凝土基本一致。

以L3為對(duì)象，試驗(yàn)過程當(dāng)中，當(dāng)荷載處于較小階段(0～40 kN)時(shí)，再生混凝土簡(jiǎn)支梁基本處于彈性工作狀態(tài)。當(dāng)荷載增加到46 kN時(shí)，簡(jiǎn)支梁出現(xiàn)了第一條裂縫，裂縫寬度較小，隨著荷載的繼續(xù)增大，梁的撓度逐漸增大，同時(shí)，主筋應(yīng)變?cè)絹碓酱螅芽p開展向豎向方向發(fā)展且寬度變大，同時(shí)受壓區(qū)混凝土塑性表現(xiàn)更加明顯。當(dāng)荷載達(dá)到60 kN左右，主筋受拉屈服，簡(jiǎn)支梁變形進(jìn)一步增加，裂縫及變形和撓度進(jìn)一步加快變化。當(dāng)荷載達(dá)到100 kN時(shí)，梁頂部混凝土壓酥鼓翹，達(dá)到梁的極限荷載，梁被破壞。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 荷載-跨中撓度分析

試驗(yàn)中梁的撓度值是反映梁工作性能及受力性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，撓度值的大小變化直觀反映了梁由彈性階段到破壞階段的整個(gè)歷程。通過對(duì)各級(jí)加載時(shí)位移計(jì)值的記錄,得到了5組試驗(yàn)梁兩端及跨中撓度隨荷載的變化規(guī)律，由于每組試驗(yàn)有3根梁，因此對(duì)結(jié)果取平均值，圖4為梁跨中的平均荷載-撓度曲線。仍以L3為對(duì)象，圖5為試驗(yàn)時(shí)L3的跨中撓度變化現(xiàn)象。從圖5中可以看出，當(dāng)荷載較大時(shí)，梁跨中已經(jīng)出現(xiàn)明顯向下的撓度，跨中位移計(jì)記錄棒也下降明顯，讀數(shù)增大。

圖4 不同荷載下梁的撓度曲線

圖5 梁跨中撓度變化現(xiàn)象

由圖4可知，再生混凝土梁的跨中撓度與普通混凝土梁變化的總體趨勢(shì)基本相符。通過對(duì)比可知，在加載量為0～10 kN范圍內(nèi)時(shí)，5組梁的撓度值大致相同，變化規(guī)律基本無差異，梁逐漸向塑性發(fā)展。當(dāng)荷載加載到38 kN左右時(shí)，5組梁的跨中撓度均達(dá)到6～7 mm范圍，此時(shí)梁撓度變化出現(xiàn)差異，隨著荷載繼續(xù)增加，再生混凝土梁撓度變化比普通混凝土梁更大更明顯，延性也明顯落后于普通混凝土梁。4組不同取代率的再生混凝土梁基本都是在撓度值達(dá)到9.8 mm左右時(shí)，承載能力到達(dá)極限，梁壓彎破壞；與之相比，普通混凝土梁在撓度達(dá)到13.8 mm左右時(shí)才到達(dá)極限承載能力，梁壓彎破壞。通過上述結(jié)果可知，取代率不同的再生混凝土梁與普通混凝土梁受力性能及撓度變化趨勢(shì)基本一致，再生混凝土梁極限承載力雖然小于普通混凝土梁，但其極限值也能達(dá)到40 kN。

3.2 荷載-跨中混凝土梁應(yīng)變分析

5組梁的跨中混凝土平均荷載-應(yīng)變曲線如圖6所示，圖7是以L3為對(duì)象，對(duì)其裂縫分布的描述。

由圖6可以看出，再生混凝土梁的跨中混凝土應(yīng)變變化情況與普通混凝土的變化總體趨勢(shì)一致。在5組試驗(yàn)梁開裂之前，荷載變化范圍為0～26 kN，各組梁跨中測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨荷載的變化差異并不大。在荷載達(dá)到32 kN左右時(shí)，5組梁跨中測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變發(fā)生較大差異，并開始分化。在梁開裂后到鋼筋屈服前的階段，各組試驗(yàn)梁跨中測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變差異已經(jīng)十分明顯。繼續(xù)加載，取代率為30 %、50 %、70 %、100 %的再

圖6 不同荷載下梁的混凝土荷載-應(yīng)變曲線

圖7 L3裂縫分布

生混凝土梁，在相同荷載下跨中應(yīng)變的增長(zhǎng)速度明顯較普通混凝土梁迅速。至加載后期時(shí)，混凝土梁跨中測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度及大小表現(xiàn)為：再生混凝土取代率100 %>70 %>50 %>30 %>普通混凝土。造成這一現(xiàn)象的原因有：(1)再生混凝土彈性模量本身就較普通混凝土彈性模量低,并且隨再生粗骨料取代率增加而降低幅度更大；(2)再生粗骨料在制作過程中由于內(nèi)部損傷程度較天然骨料更嚴(yán)重且其表面存在較多微裂縫,更容易導(dǎo)致混凝土易開裂。

4 結(jié)論

(1)在受彎過程中，不同取代率的再生混凝土梁受力性能及抗彎?rùn)C(jī)理,包括梁的開裂荷載、撓度值、及梁跨中縱向主筋在不同荷載作用下的情況及發(fā)展趨勢(shì)基本相同。再生混凝土的取代率并不能在梁的抗彎性能中起到?jīng)Q定性的作用。

(2)再生混凝土梁的極限承載能力、裂縫發(fā)展等表現(xiàn)均比普通混凝土差，且隨著取代率的增加，這種趨勢(shì)更嚴(yán)重。

(3)再生混凝土梁的抗彎特性隨著再生骨料取代率的不同呈現(xiàn)不同的表現(xiàn)情況，可概括為取代率越大，混凝土梁的跨中撓度及跨中縱向鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變變化速度更快。所以，再生骨料的添加并不能完全替代普通混凝土應(yīng)用于實(shí)際工程構(gòu)件中，為了優(yōu)化混凝土梁的抗彎性能，還需要添加比如碳纖維布、玻璃纖維布等材料。

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賴宇迪(1991～)，男，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。

TU528.59

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[定稿日期]2015-06-24