加摻粉煤灰再生混凝土梁受彎性能試驗研究

張鋒劍，馬政偉，馮旭東，武海榮，劉志欽

(1.河南城建學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100013；3.天津三建建筑工程有限公司，天津 300161)

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加摻粉煤灰再生混凝土梁受彎性能試驗研究

張鋒劍1,2，馬政偉1，馮旭東3，武海榮1，劉志欽1

(1.河南城建學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；2.建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100013；3.天津三建建筑工程有限公司，天津 300161)

受彎性能是混凝土梁主要性能之一，通過4根不同摻量粉煤灰再生混凝土梁的受彎性能試驗，研究了不同粉煤灰摻量的再生混凝土梁抗彎能力、撓度變形及平截面假定等性能。根據(jù)受彎性能試驗結(jié)果與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中混凝土梁的正截面極限承載力計算公式計算值比較，給出了加摻粉煤灰再生混凝土梁的設(shè)計建議。試驗及分析結(jié)果表明，若粉煤灰摻量合適，再生混凝土梁具有較好的受力性能，可用于混凝土抗彎構(gòu)件。

粉煤灰；受彎性能；再生混凝土

再生混凝土中摻入一定量的粉煤灰，使兩種固體廢棄物都得到充分利用，是實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措之一。再生混凝土中的再生骨料，由于其表面粗糙、棱角較多導(dǎo)致再生混凝土混合料級配不佳，影響再生混凝土的物理性能和耐久性。在再生混凝土中，摻入活性混合料粉煤灰，將會改善再生混凝土的和易性、力學(xué)性能和表觀質(zhì)量等性能[1-3]。本文通過不同摻量粉煤灰再生混凝土梁的受彎性能試驗，研究其抗彎能力、撓度變化規(guī)律及平截面假定等性能。

1　 試驗方案及受彎試驗

1.1試驗原材料

用于生產(chǎn)再生粗骨料的廢舊混凝土為河南城建學(xué)院建材實(shí)驗室試驗廢料，通過人工初破，然后利用顎式破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎，經(jīng)過篩分得到粒徑為5～31.5 mm的再生粗骨料，用于配置試驗用的再生混凝土。

由于再生粗骨料是廢舊的混凝土試塊經(jīng)破碎、篩分后得到的石子，故其成分相對復(fù)雜，包含水泥石碎屑，附著于水泥石表面的天然砂、石屑、泥土等各種雜質(zhì)。同時，再生骨料表面較為粗糙，顆粒表面棱角較多，并且表面有較多的微觀裂紋，其密實(shí)度較小，吸水率較大。本文按照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]中規(guī)定的試驗方法，對再生粗骨料及天然粗骨料進(jìn)行取樣，對其堆積密度、表觀密度及吸水率等基本材料性能進(jìn)行對比測試，測試結(jié)果見表1。

表1　骨料主要性能指標(biāo)

由表1可知：再生粗骨料與天然粗骨料相比，天然粗骨料的顆粒級配更均勻，再生粗骨料的表觀密度和堆積密度兩項指標(biāo)都低于天然粗骨料，且再生粗骨料的吸水率明顯大于天然粗骨料的吸水率。

試驗用的粉煤灰為平頂山姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司的Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度為20%，需水量比為105%，燒失量為8%；水泥為平頂山大地水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)；受力鋼筋采用HRB335鋼筋，箍筋采用HPB300鋼筋。

1.2試件設(shè)計及制作

試驗采用的混凝土為不同摻量粉煤灰再生混凝土，配置目標(biāo)強(qiáng)度等級為C30。試驗設(shè)計粉煤灰取代水泥摻量為，0、15%、25%、35%，每種摻量粉煤灰再生混凝土制作一個構(gòu)件，共4個試件，具體試驗方案見表2。其中,再生粗骨料取代率為再生粗骨料與全部粗骨料的質(zhì)量比值，粉煤灰摻量為取代水泥百分值。

表2　混凝土梁試驗方案

4根加摻粉煤灰再生混凝土梁的截面尺寸及配筋相同，縱向架立鋼筋采用兩根直徑為8 mm的HPB300鋼筋，縱向受力鋼筋采用兩根直徑為12 mm的HRB335鋼筋，箍筋采用直徑為6 mm的HPB300鋼筋，具體構(gòu)件尺寸及配筋見圖1。

注：1.2φ8；2.φ6@100； 3.2φ12

圖1試件配筋及截面尺寸(單位：mm)

在澆筑試驗構(gòu)件的同時，每組預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊且與試驗梁在同條件下養(yǎng)護(hù)，在試驗開始時測定標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的抗壓強(qiáng)度。試件所選用的縱向受力鋼筋為HRB335鋼筋，對其取樣測定其屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和彈性模量?；炷良颁摻钤嚇訙y試結(jié)果見表3。

表3　混凝土及鋼筋材料性能

1.3受彎性能試驗

受彎性能試驗在河南城建學(xué)院結(jié)構(gòu)實(shí)驗室進(jìn)行，試驗采用三分點(diǎn)對稱集中加載，測量傳感器主要有千分表、百分表、位移計及應(yīng)變片，采用IMP數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。受彎試驗加載裝置及測點(diǎn)布置如圖2所示。

注：1.支座沉降測量千分表；2.測量梁跨中混凝土表面應(yīng)變的位移計；3.測量梁混凝土三分點(diǎn)混凝土表面應(yīng)變的位移計；4.受力鋼筋應(yīng)變片；5.測量梁撓度百分表

受彎試驗加載前先進(jìn)行預(yù)加載，已確定加載裝置及各測量儀器儀表工作狀態(tài)，預(yù)加荷載為破壞荷載的5%。正式加載采用分級加載方式，每級荷載為預(yù)估承載力的1/10，每級荷載穩(wěn)定3 min后再施加下一級荷載，試件臨近破壞時，適當(dāng)降低荷載等級，以便較為準(zhǔn)確地獲得梁抗彎極限承載力[5]。試驗過程中，千分表及百分表由人工讀數(shù)，以獲得每級荷載的位移值；應(yīng)變片及位移計由數(shù)采系統(tǒng)自動采集，采集頻率為每秒1次，混凝土應(yīng)變由位移計的位移值換算得到。每級荷載加載完畢，觀察混凝土裂縫，利用讀數(shù)顯微鏡讀取裂縫寬度，并用鉛筆描繪出每級荷載裂縫發(fā)展情況。

2　試驗結(jié)果分析

2.1試驗現(xiàn)象描述

通過4根不同摻量的再生混凝土梁試驗現(xiàn)象對比，4根梁都經(jīng)歷了三個階段。第一個階段：梁受彎矩較小，截面應(yīng)變符合平面假定，截面應(yīng)力呈線性分布，梁上部受壓下部受拉，隨著荷載增加，受拉區(qū)混凝土達(dá)到極限拉應(yīng)變，相應(yīng)的邊緣出現(xiàn)垂直裂縫，梁處于開裂狀態(tài)，對應(yīng)的荷載為開裂荷載；第二個階段：在第一階段受拉區(qū)邊緣的混凝土被拉壞以后，受拉區(qū)的拉應(yīng)力就由下部受拉鋼筋來承擔(dān)，鋼筋的應(yīng)變會突然增大，原有的裂縫會繼續(xù)增大，中和軸會逐漸上移，受壓區(qū)混凝土壓應(yīng)變增大，梁撓度的增長速度也會加快，最后鋼筋屈服；第三階段：鋼筋屈服后，撓度曲線會出現(xiàn)一個明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，撓度的增長還在繼續(xù)，中和軸不斷上移，受壓區(qū)的混凝土高度持續(xù)減小，梁上部的混凝土被壓壞，達(dá)到極限狀態(tài)。

對比4根不同摻量粉煤灰再生混凝土梁，在裂縫產(chǎn)生、發(fā)展及裂縫寬度方面略有不同。未加摻粉煤灰的再生混凝土梁，在跨中純彎段，裂縫開裂較早，裂縫數(shù)量較少，且隨著荷載增加，裂縫寬度增加較快。加摻粉煤灰的再生混凝土梁，混凝土梁開裂稍晚，跨中裂縫數(shù)量較多，裂縫發(fā)展較慢，且裂縫寬度較小，特別是加摻15%及加摻25%的梁效果更為明顯。粉煤灰摻量增加了混凝土的均勻性，使混凝土受力更為合理。裂縫開展情況見圖3、圖4。

圖4　L15梁跨中裂縫發(fā)展情況

2.2平截面假定

不同粉煤灰取代率試驗構(gòu)件在分級荷載作用下跨中截面混凝土應(yīng)變沿截面高度分布情況見圖5。由圖5曲線可以看出：對加摻粉煤灰再生混凝土受彎梁，在某一特定荷載作用下純彎段截面上混凝土的應(yīng)變與該點(diǎn)至中和軸的距離近似呈正比關(guān)系，不同截面高度處混凝土的平均應(yīng)變符合平截面假定。

2.3荷載-撓度曲線分析

根據(jù)梁跨中測定的撓度，并考慮支座下沉位移的影響，計算出每級荷載對應(yīng)的撓度值。根據(jù)計算結(jié)果，繪制出4根不同摻量粉煤灰再生混凝土荷載-跨中撓度曲線，見圖6。由圖6可以看出：不同摻量粉煤灰再生混凝土梁具有明顯的三個工作階段，即彈性工作階段、帶縫工作階段及破壞階段。彈性工作階段荷載與撓度呈線性關(guān)系，即隨著荷載增加撓度曲線為一直線；混凝土開裂后，荷載-撓度曲線呈非線性增加；受力鋼筋屈服后，荷載-撓度曲線基本呈一水平線，破壞時稍有下降。隨著粉煤灰摻量增加，梁的剛度逐漸降低，摻量15%時，在鋼筋屈服前剛度與未摻粉煤灰基本接近，摻量為25%及35%的梁剛度降低較大。在加載后期，加15%及25%的粉煤灰再生混凝土梁的延性較好，后期剛度下降不大，而摻35%粉煤灰的再生混凝土梁后期剛度下降較大，且延性稍差。

(a)L0試件

(b)L15試件

(c)L25試件

(d)L35試件

2.4受力鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制4種梁荷載-跨中鋼筋應(yīng)變曲線圖，見圖7。由圖7可以看出：每種梁荷載-應(yīng)變曲線主要有直線段、曲線段及水平段組成。摻15%粉煤灰再生混凝土梁與未摻粉煤灰的再生混凝土梁受力情況相似，在鋼筋屈服前兩條曲線基本接近，鋼筋屈服后，摻15%粉煤灰的再生混凝土梁承載力略低于未摻粉煤灰的再生混凝土梁，而摻粉煤灰后鋼筋屈服應(yīng)變值變大，說明其延性性能有所提升。摻25%及35%的粉煤灰再生混凝土梁其承載力降低較多，但延性有所增加。

2.5極限承載力計算分析

根據(jù)試驗分析，不同摻量的粉煤灰再生混凝土正截面試驗，同樣滿足混凝土受彎構(gòu)件正截面承載力計算的基本假定，可按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]中計算公式進(jìn)行計算。為進(jìn)一步對試驗結(jié)果進(jìn)行研究，利用規(guī)范公式計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析?，F(xiàn)行規(guī)范中，混凝土梁正截面受彎極限承載力計算公式為：

圖6　梁荷載-跨中撓度曲線對比

圖7　荷載-跨中鋼筋應(yīng)變曲線

(1)

(2)

公式中參數(shù)按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范選取。

根據(jù)4個試件試驗結(jié)果計算出摻粉煤灰再生混凝土梁的極限彎矩實(shí)測值，根據(jù)公式(1)、(2)計算出理論計算值，實(shí)測值與計算值見表4。

表4　梁的理論計算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對比分析

由表4可以看出：4種構(gòu)件的實(shí)測值均高于理論計算值，摻量15%粉煤灰再生混凝土梁與未加摻粉煤灰的再生混凝土梁理論計算值與實(shí)測符合較好，且有一定的安全儲備；對于加摻25%及35%粉煤灰再生混凝土梁的計算值與實(shí)測值較為接近，安全儲備較小，故建議實(shí)際應(yīng)用中粉煤灰摻量不大于15%。

3　結(jié)論

(1)加摻粉煤灰再生混凝土梁的抗彎機(jī)理與未加摻粉煤灰再生混凝土梁及普通混凝土梁相似，且受力過程符合平截面假定，按照現(xiàn)行國家混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范計算公式計算其破壞荷載是可行的。

(2)再生混凝土梁加適量的粉煤灰，不僅利廢環(huán)保，而且可改善再生混凝土的施工性能，破壞時跨中撓度及受力鋼筋變形與未摻粉煤灰的再生混凝土梁相比數(shù)值增大，提高了再生混凝土梁的延性性能。

(3)摻入15%的粉煤灰與未摻粉煤灰的再生混凝土梁其承載力接近，摻入25%及35%的粉煤灰梁的極限承載力下降較大，綜合考慮加摻粉煤灰再生混凝土梁的施工性能、延性性能及承載力，建議實(shí)際應(yīng)用中再生混凝土中粉煤灰摻量控制在15%以內(nèi)。

[1]王武祥,程清波.粉煤灰摻量對再生混凝土性能影響的研究[J].混凝土與水泥制品,2010(1):4-8.

[2]王社良,于洋,張博,等.粉煤灰和硅粉對再生混凝土力學(xué)性能影響的試驗研究[J].混凝土,2011(12):53-55.

[3]楊歡,倪少彬.粉煤灰對再生混凝土性能的影響[J].粉煤灰,2015(2):15-17.

[4]普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn):JGJ 52—2006[S].北京：中國建筑工業(yè)版社，2007.

[5]混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn):GB/T 50152-2012 [S].北京：中國建筑工業(yè)版社，2012.

[6]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范:GB50010-2010 [S].北京：中國建筑工業(yè)版社，2011.

Experimental study on flexural behavior ofrecycled concrete beam mixing fly ash

ZHANG Feng-jian1,2,MA Zheng-wei1,FENG Xu-dong3, WU Hai-rong1,LIU Zhi-qin1

(1.SchoolofCivilEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China;2.StateKeyLaboratoryofBuildingSafetyandEnvironment,Beijing100013,China;3.ConstructionEngineeringCo.,Ltd.of3rdTianjinBuildingGroup,Tianjin300161,China)

Flexural property is the main mechanical property of recycled concrete beam. From the tests of four concrete different admixture amounts of fly ash,research the bending resistance,deflection deformation and the plane section assumption.At the same time the laws and test results are compared and analyzed in this paper,and design suggestion of recycled concrete mixing fly ash beam is given.The tests show that recycled concrete mixing fly ash has better mechanical behavior and ability of deformation,so recycled concrete mixing fly ash can be used for bending elements.

fly ash;flexural property;recycled concrete

2015-11-16

建筑安全與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗室開放課題基金資助(BSBE2015-04)；河南省科技攻關(guān)項目(142102310470)

張鋒劍(1978—)，男，河南通許人，博士，副教授。

1674-7046(2016)03-0009-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.002

TU375.1

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