粘土磚再生粗骨料混凝土梁彎曲性能的試驗(yàn)研究

程遠(yuǎn)兵， 喬光華

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045； 2.黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950)

?

粘土磚再生粗骨料混凝土梁彎曲性能的試驗(yàn)研究

程遠(yuǎn)兵， 喬光華

(1.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045； 2.黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950)

為了研究粘土磚再生粗骨料混凝土梁的彎曲性能及其與普通混凝土梁的差異，設(shè)計(jì)了2個粘土磚再生粗骨料混凝土梁試件和1個普通鋼筋混凝土梁對比試件，3個試件均為簡支梁、矩形截面，截面的寬和高分別為150 mm和300 mm，梁的跨度均為3 m，配筋均相同，試驗(yàn)的加載方式也完全相同。再生粗骨料混凝土中粘土磚粗骨料的質(zhì)量替代率為35%。采用MTS液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行加載，測試了各個試件的受力與變形性能，對鋼筋的應(yīng)變、梁的變形和破壞形態(tài)等進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明：在相同條件下，與普通混凝土梁相比，粘土磚再生粗骨料混凝土梁在發(fā)生彎曲破壞時，撓度稍大，承載能力和剛度均有一定程度的降低。

混凝土；粘土磚再生粗骨料；梁；彎曲性能；試驗(yàn)研究

隨著房地產(chǎn)業(yè)和城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷發(fā)展，舊有建筑的拆除及改造量不斷增加，建筑垃圾越來越多，對建筑垃圾的無害化處理和再生資源化利用已成為重要的研究領(lǐng)域。建筑垃圾的主要組成部分之一是廢棄的粘土磚，將廢棄粘土磚粉碎、篩選成再生粗骨料，部分或全部替代普通混凝土中的粗骨料，制做成粘土磚再生粗骨料混凝土，是建筑垃圾循環(huán)利用的一種新途徑。

已有的研究[1-4]表明，用粘土磚粗骨料替代部分普通骨料拌制的混凝土的強(qiáng)度較普通混凝土的強(qiáng)度有一定程度的降低。因此，粘土磚再生粗骨料混凝土主要用于低層、多層建筑結(jié)構(gòu)或?qū)Σ牧蠌?qiáng)度要求不高的工程結(jié)構(gòu)中。

本文主要研究粘土磚再生粗骨料混凝土梁的受力和變形性能。根據(jù)選定的配合比，制作粘土磚再生粗骨料混凝土梁試件和普通混凝土梁對比試件，兩類試件的尺寸、配筋以及支承條件等完全相同。試驗(yàn)梁均采用液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行加載。通過試驗(yàn)測試兩類梁的受力特點(diǎn)、變形特征和破壞形態(tài)等，來對比研究粘土磚再生粗骨料混凝土梁的結(jié)構(gòu)性能。

1 試件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

圖1 試驗(yàn)梁的尺寸和配筋(單位：mm)

1.2 試件材料的配比及性能

綜合考慮粘土磚再生粗骨料混凝土強(qiáng)度的降低情況[5-10]和粘土磚骨料摻加量，經(jīng)過試驗(yàn)確定再生粗骨料混凝土梁試件中再生粗骨料的質(zhì)量替代率為35%，即將普通混凝土中的粗骨料質(zhì)量的35%用粘土磚粗骨料替代。普通混凝土和再生混凝土配合比的水灰比均為0.4，砂率為30%。普通混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40，粘土磚骨料的粒徑范圍為5～20 mm。普通混凝土的配合比(1 m3的材料用量，kg)為水泥∶水∶砂∶石=563.2∶225.2∶484.0∶1 130.0，摻加粘土磚再生粗骨料混凝土的配合比(1 m3的材料用量，kg)為水泥∶水∶砂∶石∶粗磚骨料=563.2∶225.2∶484.0∶484.0∶734.4。實(shí)測的混凝土材料的力學(xué)性能指標(biāo)見表1，實(shí)測的鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 實(shí)測的混凝土材料的力學(xué)性能指標(biāo)

1.3 加載方案

采用MTS液壓伺服系統(tǒng)加載。試驗(yàn)梁采用液壓千斤頂施加集中力，通過分配梁將千斤頂產(chǎn)生的集中力對稱地分配到試驗(yàn)梁上，使梁跨中形成900 mm長的純彎段。圖2是試驗(yàn)梁的加載系統(tǒng)示意和測點(diǎn)布置圖。

表2 實(shí)測的鋼筋材料的力學(xué)性能指標(biāo)

試驗(yàn)梁按照一般結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)的加載程序進(jìn)行，包括預(yù)加載、正式加載和卸載3個階段。正式加載時，每級加載值取計(jì)算破壞荷載的10%左右。加載過程中，待每級荷載穩(wěn)定后，采集數(shù)據(jù)并觀察裂縫出現(xiàn)及開展情況，描畫裂縫。相鄰加載級之間的時間間隔大約為15 min，最后加載至混凝土梁破壞。在預(yù)計(jì)達(dá)到試驗(yàn)梁開裂荷載和極限荷載的前一級時，加密加載等級。梁的加載級數(shù)為10級到12級。試驗(yàn)梁的卸載分兩級完成。

圖2 試驗(yàn)梁的加載示意及測點(diǎn)布置圖(單位：mm)

1.4 測試參數(shù)及測試方法

試驗(yàn)測試的主要參數(shù)有：梁在每級荷載下的跨中撓度、混凝土的應(yīng)變和縱向鋼筋的應(yīng)變。觀察裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展情況。

施加在試驗(yàn)梁上的力采用壓力傳感器測得，試驗(yàn)梁的變形通過位移傳感器量測，鋼筋和混凝土的應(yīng)變通過電阻應(yīng)變片測得。裂縫觀測采用放大鏡和裂縫寬度儀。

鋼筋應(yīng)變片設(shè)置在縱向受拉鋼筋的跨中位置處。在梁的兩個側(cè)面各設(shè)置5個混凝土應(yīng)變片，最上面的應(yīng)變片距梁頂面25 mm，向下依次布置2個間距為25 mm的應(yīng)變片，梁高的中間處也布置混凝土應(yīng)變片，底部的應(yīng)變片距梁底面25 mm。為便于觀察裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展情況，試驗(yàn)梁的表面在試驗(yàn)開始之前已打磨平整，并涂刷白色涂料，梁表面用墨斗彈出網(wǎng)格線。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)梁的荷載與撓度的關(guān)系

普通混凝土對比試驗(yàn)梁B-1和粘土磚粗骨料再生混凝土試驗(yàn)梁RCB的荷載-撓度關(guān)系曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 試驗(yàn)梁B-1的荷載-撓度曲線

圖4 試驗(yàn)梁RCB的荷載-撓度曲線

從圖4及其與圖3的對比中可以看出：粘土磚再生粗骨料混凝土梁的受力全過程可劃分為未開裂、帶裂縫工作和破壞3個階段。在剛開始加載時，由于荷載較小，試驗(yàn)梁側(cè)面各點(diǎn)的應(yīng)變均較小，梁表現(xiàn)為彈性變形特征，跨中撓度與荷載基本呈線性增長關(guān)系。曲線的起始段隨著荷載的持續(xù)增加，撓度增長速率提高，臨近開裂時，混凝土的應(yīng)變值和鋼筋的應(yīng)變值都變得不穩(wěn)定。在加載到鋼筋接近屈服時，在梁的純彎段區(qū)域，出現(xiàn)了一條或多條豎向裂縫?？缰袚隙仍黾拥煤芸欤奢d-撓度曲線上出現(xiàn)了拐點(diǎn)，跨中的撓度值和應(yīng)變值發(fā)生了突變。之后，隨著荷載的持續(xù)增加，試驗(yàn)梁的跨中位置處裂縫也越來越多，撓度值進(jìn)一步增加，荷載-撓度曲線呈明顯的非線性特點(diǎn)。在縱向鋼筋屈服后，荷載-撓度曲線近似以水平線式發(fā)展，粘土磚再生粗骨料混凝土梁與普通混凝土梁的撓度均急劇增加，純彎段處的裂縫寬度迅速變寬，但荷載值的變化卻很小。隨后，試驗(yàn)梁由于純彎段處的裂縫寬度過大，受拉區(qū)受力鋼筋屈服、受壓區(qū)混凝土被壓碎而破壞。

上述對比和分析表明，粘土磚再生粗骨料混凝土梁的變形性能與普通混凝土梁的大體相似。不同的是，粘土磚再生粗骨料混凝土梁由于粘土磚再生粗骨料的摻入，開裂荷載較普通混凝土梁的開裂荷載低，最終的破壞荷載也較低。表3是兩類梁的開裂荷載、屈服荷載和破壞荷載數(shù)據(jù)。

表3 試驗(yàn)梁的開裂荷載、屈服荷載和破壞荷載值 kN

2.2 試驗(yàn)梁荷載與鋼筋、混凝土的應(yīng)變關(guān)系

2.2.1 試驗(yàn)梁荷載與鋼筋的應(yīng)變

試驗(yàn)梁B-1和RCB的荷載-底部縱向受拉鋼筋應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)梁荷載-底部縱向受拉鋼筋應(yīng)變關(guān)系

從圖5中可以看出，在每個階段，縱向受拉鋼筋的應(yīng)變與荷載基本上呈線性比例關(guān)系。在混凝土開裂前，混凝土承擔(dān)主要的拉應(yīng)力，縱向鋼筋的應(yīng)變較小。混凝土開裂后，受拉區(qū)混凝土逐漸退出工作，鋼筋開始承擔(dān)主要的拉力，粘土磚再生粗骨料混凝土梁和普通混凝土梁的縱向鋼筋應(yīng)變變化規(guī)律基本一致。荷載繼續(xù)增加，新的裂縫不斷產(chǎn)生和發(fā)展，鋼筋應(yīng)變也不斷增加?？v向鋼筋屈服時，鋼筋的應(yīng)變迅速增大而荷載變化卻很小。

試驗(yàn)結(jié)果表明，粘土磚再生粗骨料混凝土梁和普通混凝土梁在加載過程中，受拉縱向鋼筋應(yīng)變變化規(guī)律大體相似，試驗(yàn)梁在加載過程中各個階段的受力性能良好。鋼筋屈服后，和普通混凝土梁相比，粘土磚再生粗骨料混凝土梁縱向鋼筋應(yīng)變增加更明顯，這表明粘土磚再生粗骨料混凝土與鋼筋的粘結(jié)性能良好，二者在梁的加載過程中的變形協(xié)調(diào)性好。

2.2.2 試驗(yàn)梁荷載與混凝土的應(yīng)變

試驗(yàn)梁在不同荷載等級下跨中截面混凝土應(yīng)變沿高度方向的變化情況如圖6所示。

圖6 各級荷載下梁側(cè)面的應(yīng)變變化

從圖6中可以看出，和普通混凝土梁相似，各級荷載下粘土磚再生粗骨料混凝土梁的跨中截面上混凝土的平均應(yīng)變近似呈直線分布。這表明粘土磚再生粗骨料混凝土梁和普通混凝土梁一樣，跨中截面上的應(yīng)變符合平截面假定。

2.3 裂縫分布情況

圖7是試驗(yàn)梁的裂縫分布圖。從圖7中可以看出，在加載初期，試驗(yàn)梁的裂縫較少，開展緩慢，裂縫寬度較窄，裂縫長度較短。在加載中期，裂縫開始陸續(xù)增多并持續(xù)發(fā)展，無論是粘土磚再生粗骨料混凝土梁還是普通混凝土梁，裂縫在純彎段位置處分布均密集，很多裂縫都近似平行地豎直向上延伸，但裂縫寬度增加不是很明顯。在加載后期，梁在純彎段的裂縫繼續(xù)向上延伸，并不斷變寬。試驗(yàn)結(jié)果表明，粘土磚再生粗骨料混凝土梁與普通混凝土梁在不同的加載階段，裂縫的出現(xiàn)及分布情況十分相似，裂縫均集中在梁的純彎段。

圖7 試驗(yàn)梁的裂縫分布圖

3 結(jié) 語

通過2個粘土磚粗骨料再生混凝土梁和1個普通混凝土梁的對比試驗(yàn)，測得了梁在各級荷載作用下的撓度、梁側(cè)面的應(yīng)變和縱向受拉鋼筋的應(yīng)變，觀察了裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展情況，研究了在彎矩作用下粘土磚粗骨料再生混凝土梁的彎曲性能。通過對比分析，得到以下主要結(jié)論：

1)粘土磚再生粗骨料混凝土梁與普通混凝土梁的受彎性能基本相同。從開始加載到破壞的整個過程中，粘土磚再生粗骨料混凝土梁與普通混凝土梁均具有彈性、開裂、屈服和破壞4個階段，試驗(yàn)梁達(dá)到極限狀態(tài)前，都有較大的撓度增長和裂縫開展，均屬于塑性破壞。

2)由于用粘土磚再生粗骨料部分替代普通粗骨料，粘土磚再生粗骨料混凝土梁的開裂荷載、屈服荷載及極限荷載均比普通混凝土梁的低，跨中撓度值較普通混凝土梁的高。在本文的試驗(yàn)中，粘土磚再生粗骨料混凝土梁的開裂荷載較普通混凝土梁的降低了40%，屈服荷載和極限荷載較普通混凝土梁的降低了13%。 跨中撓度值較普通混凝土梁的增大了15%。

3)在受力過程中，粘土磚再生粗骨料混凝土梁和普通混凝土梁截面的平均應(yīng)變均符合平截面假定。

4)粘土磚粗骨料再生混凝土梁作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件是可行的，本文的研究成果為廢棄粘土磚的資源化利用提供了一條新的途徑。

[1]邢振賢,劉利軍,趙玉青，等．碎磚骨料再生混凝土配合比研究[J]．再生資源研究，2006(2)：38-40．

[2]POON C S，CHEN H J,YEN T.Feasible use of recycled concrete aggregates and crushed clay brick as unbound road sub-base[J].Construction and Building Materials, 2006, 20(8):578-585.

[3]MANSUR M A，WEE T H,CHERAN L S.Crushed bricks as coarse aggregate for concrete[J].ACI Mater,1999,96(4):478-484.

[4]MATHEWS M S,RAMAMURTHY K,PADMINI A K.Behavior of concrete with low-strength bricks as lightweight coarse aggregate[J].Mag Concrete,2001,53(2):367-375.

[5]季昌良．再生磚粗骨料混凝土梁正截面抗彎性能試驗(yàn)研究[D]．泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013．

[6]杜朝華．建筑垃圾再生骨料混凝土及構(gòu)件受力性能研究[D]．鄭州：鄭州大學(xué)，2012．

[7]嚴(yán)捍東,陳秀峰．廢棄黏土磚再生骨料對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．

[8]楊曦．再生混凝土梁正截面抗裂性能和裂縫寬度試驗(yàn)研究[D]．南京：南京航空航天大學(xué)，2008．[9]王碩智,程海麗,周錕，等．全廢磚再生輕骨料混凝土試驗(yàn)研究[J]．再生資源與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2014，7(11)：28-31．

[10]潘麗云,徐文曉,陳彥磊，等．鋼纖維全輕混凝土基本性能試驗(yàn)研究[J]．華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，36(2)：7-10．

(責(zé)任編輯：杜明俠)

Experimental Study of the Flexural Behaviors of Concrete Beams with Clay Brick Recycled Coarse Aggregates

CHENG Yuanbing1， QIAO Guanghua2

(1.School of Civil and Transportation Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045, China; 2.Huanghe Jiaotong University, Jiaozuo 454950, China)

To explore the flexural behavior of concrete beams with clay brick recycled coarse aggregates and the difference compared with common reinforced concrete beams,two specimens of concrete beam with clay brick recycled coarse aggregates and a contrast specimen of common reinforced concrete beam were designed. The three specimens were all simple supported beams and had rectangular sections, the width and height of the rectangle section were 150 mm and 300 mm respectively, the beams′ spans were 3 m, the reinforcements and the loading methods in the experiment were identical, The replace ratio of mass of clay brick coarse aggregates in recycled coarse aggregate concrete was 35%, MTS hydraulic servo system was used to load, mechanical and flexural behaviors of the specimens were tested.Comparison and analysis were made on the stress of the reinforced bars, the deformation behaviors of the beams and the failure modes. Results show that under the same conditions, the deflection of concrete beams with clay brick recycled coarse aggregates is larger than that of the reinforced concrete beam in the flexural destruction, the bearing capacity and stiffness of clay brick recycled coarse aggregates is lower than that of the reinforced concrete beam.

concrete; clay brick recycled coarse aggregates; beam; flexural behavior; experimental study

2016-05-30

2015年度河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(152300410111)。

程遠(yuǎn)兵(1965—)，男，河南南陽人，教授，博士，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)及抗震方面的研究。E-mail:cyb-ny@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.008

TV431+.9；TU372

A

1002-5634(2016)03-0041-04