再生混凝土梁受彎性能試驗研究

陳愛玖，王 璇，解 偉，楊 粉，汪志昊

（1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450011；2.中國電建集團 西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

近年來，再生混凝土的開發(fā)與應(yīng)用受到國內(nèi)外學(xué)者們的重視，他們針對再生混凝土的力學(xué)性能進行了大量研究.陳宗平等［1－5］認為再生粗骨料（RCA）取代率對再生混凝土的抗壓強度影響較小，對再生混凝土的抗折強度、劈裂強度影響較大.楊海峰等［6－7］試驗表明隨著再生骨料取代率的增加，混凝土與鋼筋的黏結(jié)滑移曲線峰值滑移減小，高強度再生混凝土較普通強度再生混凝土脆性大.肖建莊等［8－10］對再生混凝土梁抗彎性能進行試驗，得出再生粗骨料取代率越大，鋼筋混凝土梁的撓度越大；再生混凝土梁的開裂彎矩與極限彎矩略小于普通混凝土梁，在相同彎矩作用下，其撓度和最大裂縫寬度均大于普通混凝土梁.

目前關(guān)于再生骨料應(yīng)用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究較少，大大阻礙了再生混凝土的廣泛應(yīng)用.本文通過對再生粗骨料取代率不同的再生混凝土梁進行抗彎試驗，探討了再生混凝土梁的平截面假定、開裂彎矩、極限承載力以及撓度計算公式與現(xiàn)行規(guī)范的適用性，為再生混凝土的研究提供參考依據(jù).

1 試驗

1.1 原材料

水泥：天瑞牌42.5R 普通硅酸鹽水泥；砂：洛陽產(chǎn)河砂，細度模量2.9；再生粗骨料：廢棄鋼筋混凝土梁破碎加工制成，抗壓強度25～35 MPa.廢棄鋼筋混凝土梁中的天然粗骨料（NCA）與再生混凝土梁采用的天然粗骨料均為石灰?guī)r碎石.NCA 與再生粗骨料的技術(shù)性能見表1.

表1 粗骨料技術(shù)性能Table 1 Technical performance of coarse aggregates

再生混凝土強度等級為C35，再生粗骨料取代率r（質(zhì)量分數(shù)，下同）分別為0%，40%，70%和100%，再生混凝土配合比及基本力學(xué)性能見表2.

表2 再生混凝土配合比與基本力學(xué)性能Table 2 Mix proportion and basic mechanical properties of recycled concretes

再生混凝土梁尺寸為2 500mm×100mm×250mm，其底部縱向鋼筋、架立筋和箍筋分別采用直徑為14，10，8mm 的HRB400鋼筋、HPB235鋼筋和HPB235鋼筋，箍筋間距100mm.

1.2 再生混凝土梁的制作與養(yǎng)護

再生混凝土采用100L強制式混凝土攪拌機拌制.攪拌前，先預(yù)濕再生粗骨料，使其適量吸水，待達到飽和面干狀態(tài)后進行攪拌.將再生混凝土拌和物注入預(yù)先裝配好的模板里，用混凝土振搗棒進行振搗，澆筑完成48h后拆模，并定時灑水養(yǎng)護，同時用塑料布遮蓋以減少水分蒸發(fā).澆筑混凝土梁的同時澆筑其伴隨試塊.

1.3 加載裝置

再生混凝土梁采用兩端簡支、跨中兩點對稱集中加載方式.試驗前對壓力傳感器進行標(biāo)定，再將試驗梁架設(shè)在支座上進行加載試驗.荷載的施加以再生混凝土梁的設(shè)計計算彎矩為依據(jù)，采用液壓油泵，按照混凝土靜載加載方法進行，各級荷載值大小通過與傳感器相連的YJSA 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的讀數(shù)控制.再生混凝土梁加載制度按照混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中的加載程序進行.

2 試驗現(xiàn)象

試驗發(fā)現(xiàn)，再生混凝土梁的破壞過程經(jīng)歷彈性階段、塑性階段、鋼筋屈服和極限狀態(tài)，直至破壞，此過程與普通混凝土梁相似.

加載初期荷載值比較小，再生混凝土梁處于彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變成正比；當(dāng)荷載增大到極限承載力的18%左右時，試驗梁跨中處出現(xiàn)裂縫，試驗梁底部受拉區(qū)混凝土退出工作后，受拉區(qū)的工作主要由縱向受力鋼筋承受，鋼筋應(yīng)力增大；隨著荷載的繼續(xù)增加，再生混凝土梁跨中處裂縫數(shù)量增多，在向上延伸的同時具有一定寬度；當(dāng)荷載達到極限荷載的70%左右時，裂縫基本出齊，此時最大裂縫寬度約為0.2mm.受拉鋼筋屈服后，鋼筋應(yīng)變驟增，裂縫寬度不斷開展，撓度增長迅速，隨后上部受壓區(qū)混凝土被壓酥甚至崩落，再生混凝土梁最終破壞.

試驗還發(fā)現(xiàn)，相對于普通混凝土梁，再生混凝土梁純彎段裂縫數(shù)量較多，裂縫間距較小，且其下部根狀裂縫多而密.隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土梁純彎段裂縫增多，梁下部根狀裂縫數(shù)目增多、間距減小.這是由于再生粗骨料中含有大量砂漿且有裂縫，導(dǎo)致再生混凝土成型時內(nèi)部出現(xiàn)過多界面和細微裂縫，再生粗骨料的缺陷對混凝土抗壓強度的影響較小，對抗拉強度的影響比較明顯，故隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土抗拉強度所受影響較大.

3 平截面假定的適用性

為了驗證平截面假定的適用性，在再生混凝土梁側(cè)面粘貼5個電阻應(yīng)變片，將應(yīng)變片與電子應(yīng)變儀電路接好，再將電子應(yīng)變儀與計算機連接，采集每一級荷載作用下的混凝土應(yīng)變.圖1為再生粗骨料取代率不同的再生混凝土梁在不同荷載級別下的混凝土應(yīng)變隨梁截面高度變化的曲線.

圖1 再生混凝土梁在不同荷載下的混凝土應(yīng)變曲線Fig.1 Concrete strain curves of recycled concrete beams under different loads

由圖1可以看出，在一定標(biāo)距內(nèi)，再生混凝土梁從加載到接近破壞，混凝土的應(yīng)變沿試驗梁高度的變化基本符合平截面假定，即平截面假定對再生混凝土梁是適用的.

4 開裂彎矩分析

由于目前沒有再生混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，故按照普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［11］中的方法和公式來計算再生混凝土的開裂彎矩值.普通混凝土受彎構(gòu)件正截面抗裂彎矩Mcr表達式見式（1）：

式中：γm為截面抵抗力矩塑性影響系數(shù)，取1.55；ft為混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值，試驗中取每根梁的實測抗拉強度；I0為換算截面對其重心軸的慣性矩；h為截面高度；y0為換算截面重心軸至受壓邊緣的距離.

由表3可見，普通混凝土梁C35－R0－1，C35－R0－2的值分別為1.021和1.010，這說明普通混凝土梁開裂彎矩試驗值與理論計算值符合較好；再生混凝土梁的均小于1，平均值為0.941，標(biāo)準(zhǔn)差為0.049，變異系數(shù)為0.052，說明用現(xiàn)行規(guī)范［11］計算得到的再生混凝土梁開裂彎矩值與理論計算值符合較差，已不適用于再生混凝土梁.

表3 再生混凝土梁的開裂彎矩試驗值與計算值Table 3 Test and calculated values of recycled concrete beams cracking moment

為了便于分析再生骨料取代率與再生混凝土梁開裂彎矩的關(guān)系，引入無量綱系數(shù)αcr（開裂彎矩相對值），以消除截面尺寸及基體強度帶來的影響.αcr的表達式見式（2）：

式中：b為試驗梁寬度；h0為試驗梁有效高度.

圖2是再生混凝土梁開裂彎矩相對值αcr隨再生粗骨料取代率r的變化情況.由圖2可見，隨著再生粗骨料取代率的增大，開裂彎矩相對值逐漸減小，這說明再生粗骨料取代率對再生混凝土梁的開裂彎矩有一定影響.

圖2 再生混凝土梁開裂彎矩相對值隨再生粗骨料取代率變化的曲線Fig.2 Curves of recycled concrete beams cracking moment relative value vs.recycled coarse aggregate replacement ratio

為更好地推算再生混凝土梁的開裂彎矩，對現(xiàn)有開裂彎矩計算公式（式（1））進行調(diào)整.再生粗骨料取代率為40%，70%和100%的再生混凝土梁與普通混凝土梁相比，開裂彎矩平均值分別降低了9.2%，12.36%和18.63%.擬采用再生混凝土梁與普通混凝土梁開裂彎矩之比作為修正系數(shù)ηcr，調(diào)整值由計算值乘以修正系數(shù)ηcr得到.由表3可見，調(diào)整后的平均值為1.059，標(biāo)準(zhǔn)差為0.043，變異系數(shù)為0.041，可見再生混凝土的開裂彎矩試驗值與調(diào)整后的計算值符合較好.

對表3中的開裂彎矩值進行回歸分析得到修正系數(shù)ηcr與再生粗骨料取代率r的關(guān)系，見式（3）：

綜上，再生混凝土受彎構(gòu)件正截面開裂彎矩可表示為：

5 極限承載力分析

以再生混凝土梁遭受最終破壞的承載力作為其極限承載力Mu.按照普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［11］里的基本假定和計算公式來計算再生混凝土梁的極限承載力.再生混凝土梁的正截面承載力計算公式為：

式中：α1為受壓混凝土的簡化應(yīng)力圖形系數(shù)，取1.0；fc為混凝土抗壓強度，取實測的混凝土軸心抗壓強度；fy為鋼筋屈服強度，取實測的鋼筋屈服強度；x 為混凝土受壓區(qū)高度；As為鋼筋有效截面積.

表4 再生混凝土梁極限承載力試驗值與計算值Table 4 Test and calculated values of recycled concrete beams ultimate bearing capacity

圖3為再生混凝土梁極限承載力與再生粗骨料取代率的關(guān)系曲線.由圖3可見，再生混凝土梁極限承載力隨著再生粗骨料取代率的增加而有所降低.與普通混凝土梁相比，再生粗骨料取代率為40%和70%的再生混凝土梁承載力的變化比較小，但再生粗骨料取代率為100%的再生粗骨料混凝土梁的承載力明顯比普通混凝土梁低.再生粗骨料取代率為40%，70%和100%的再生混凝土梁極限承載力與普通混凝土梁相比分別降低了1.5%，4.1%和10.6%.再生混凝土梁的軸心抗壓強度比普通混凝土分別降低了1.4%，3.3%和6.9%.

圖3 再生混凝土梁極限承載力隨再生粗骨料取代率變化的曲線Fig.3 Curves of recycled concrete beams ultimate bearing capacity vs.recycled coarse aggregate replacement ratio

這是因為：（1）受壓區(qū)的再生混凝土抗壓強度比普通混凝土抗壓強度低，且再生粗骨料在加工過程中存在細微裂縫導(dǎo)致再生混凝土內(nèi)部缺陷，使其強度降低；（2）再生混凝土試塊尺寸較小，其振搗成型的密實度優(yōu)于再生混凝土梁，其內(nèi)部缺陷和微裂縫也比再生混凝土梁少；（3）再生混凝土與鋼筋之間的黏結(jié)強度隨著再生粗骨料取代率的增大而降低［7］.

由表4 中可見，普通混凝土梁C35－R0－1 和C35－R0－2的值分別為1.154和1.163，平均值為1.156，試驗值比計算值大且具有一定安全儲備；再生混凝土梁的平均值為1.100，標(biāo)準(zhǔn)差為0.047，變異系數(shù)為0.043，這表明再生混凝土梁的極限抗彎承載力試驗值比計算值大，但安全儲備較小，說明現(xiàn)行規(guī)范［11］中抗彎承載力的計算公式可以適用于再生混凝土梁，但為安全起見，建議對現(xiàn)行規(guī)范中的公式予以修正.

由于再生混凝土梁極限承載力與上部混凝土抗壓強度有關(guān)，擬采用再生混凝土與普通混凝土的軸心抗壓強度之比作為修正系數(shù)ηu，調(diào)整值為理論計算值乘以修正系數(shù).再生混凝土梁極限承載力試驗值與調(diào)整值見表4.

對表4中的修正系數(shù)ηu 進行回歸分析，得到再生混凝土梁極限承載力計算值修正系數(shù)與再生粗骨料取代率的關(guān)系式：

綜上，再生混凝土受彎構(gòu)件正截面承載力計算公式可表示為：

6 撓度分析

依據(jù)現(xiàn)行普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［11］的規(guī)定，按裂縫控制等級要求的荷載組合作用下，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的短期剛度Bs，長期剛度B 和最大撓度值af，max可按下列公式計算：

式中：Es為鋼筋的彈性模量；ψ 為裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)；αE為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值；ρ為縱向受拉鋼筋配筋率；γ′f為受拉翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值；Mk為標(biāo)準(zhǔn)組合計算的彎矩；Mq為準(zhǔn)永久組合計算的彎矩；θ為荷載長期作用下的撓度增大系數(shù)；l0為計算跨度.

在再生混凝土梁的跨中位置布置位移計，記錄各級荷載作用下的撓度，根據(jù)實測的撓度值和計算值繪制承載力－撓度曲線如圖4所示.在再生混凝土梁開裂前，彎矩較小，其處于彈性工作階段，承載力－撓度曲線圖接近直線；當(dāng)再生混凝土梁承受的彎矩接近開裂彎矩時，承載力－撓度曲線開始偏離之前的直線，剛度開始降低；再生混凝土梁出現(xiàn)第1 條裂縫，隨著荷載的增加，彎矩大于開裂彎矩，承載力－撓度曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，撓度的增長速度較開裂之前加快，剛度明顯降低；鋼筋屈服后，承載力－撓度曲線出現(xiàn)第2個轉(zhuǎn)折，裂縫急劇開展，撓度激增，剛度降低迅速.

圖4 再生混凝土梁撓度試驗值、計算值與調(diào)整值Fig.4 Test，calculated and corrected value of recycled concrete beams deflection

由圖4可見，再生混凝土梁按撓度大小排序為：C35－R100＞C35－R70＞C35－R40＞C35－R0.這是由于再生粗骨料上附著有舊砂漿，砂漿的彈性模量比骨料低，使得再生粗骨料的彈性模量降低，而再生混凝土由于再生粗骨料的摻入，導(dǎo)致其變形性能降低，撓度增大.

由圖4還可見，當(dāng)荷載較小時，再生混凝土梁撓度計算值大于試驗值，荷載增大之后，試驗值大于計算值，這說明按照普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范計算再生混凝土梁的撓度值不安全.

由于現(xiàn)行規(guī)范中撓度的計算公式不適用于再生混凝土梁，為簡化計算，可以考慮給撓度計算值乘以1個調(diào)整系數(shù)1.3.將調(diào)整后的撓度計算值與試驗值進行對比，對比結(jié)果見圖4.由圖4 可見，在正常使用階段，調(diào)整后試驗值與計算值之比的平均值為0.899，標(biāo)準(zhǔn)差為0.089，變異系數(shù)為0.099，乘以修正系數(shù)1.3的撓度計算值大于試驗值，可以滿足實際工程中對混凝土梁撓度的要求.

7 結(jié)論

（1）再生混凝土梁的正截面受力過程與普通混凝土梁相似，具有明顯的彈性階段、塑性階段、鋼筋屈服和極限狀態(tài)；再生混凝土梁應(yīng)變測量值表明，再生混凝土梁基本符合平截面假定.

（2）再生混凝土梁的抗裂性能隨著再生粗骨料取代率的增加而降低.現(xiàn)行規(guī)范中的相關(guān)公式不適用于再生混凝土梁，建議對現(xiàn)行的開裂彎矩計算公式乘以與再生粗骨料取代率有關(guān)的修正系數(shù).

（3）再生粗骨料取代率對再生混凝土梁的極限承載力有一定影響.現(xiàn)行規(guī)范中相關(guān)的公式可以適用于再生混凝土梁，但為安全起見，建議對現(xiàn)行的承載力計算公式乘以與再生粗骨料取代率有關(guān)的修正系數(shù).

（4）再生混凝土梁的承載力－撓度曲線與普通混凝土梁類似，隨著再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土梁的撓度增大.采用現(xiàn)行規(guī)范計算再生混凝土梁的撓度已經(jīng)不再適用，但根據(jù)試驗結(jié)果對比，給現(xiàn)行規(guī)范計算值乘以修正系數(shù)1.3之后的修正值與試驗值符合較好.

（5）再生混凝土梁中的再生粗骨料只涉及1種類型，由此得出的結(jié)論適用范圍有限，因此對鋼筋再生混凝土梁受彎性能還需進一步研究.

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