后摻骨料混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究

賈金青，周佳玉，葉 浩，李 璐

(大連理工大學(xué)， 遼寧 大連 116024)

后摻骨料混凝土是粗骨料嵌鎖技術(shù)[1-2]在建筑結(jié)構(gòu)工程中的一種應(yīng)用方式。它是在基準(zhǔn)混凝土攪拌完成后拋填一定體積分?jǐn)?shù)的粗骨料，經(jīng)過(guò)二次攪拌，所得到的均勻混凝土拌合物。后摻骨料混凝土一方面保持了混凝土的可泵性，使其仍具有泵送混凝土勞動(dòng)強(qiáng)度低、工作效率高的優(yōu)點(diǎn)；另一方面，它能夠有效改善泵送混凝土的早期開裂現(xiàn)象，并且作為一種“綠色混凝土”[3-4]，由于后摻骨料混凝土通過(guò)摻入了粗骨料，減少了水泥的使用，從而有效減少了CO2的排放，在改善生態(tài)環(huán)境方面具有重大意義。本文以后摻骨料拋填率為研究因素，進(jìn)行了6根后摻骨料混凝土梁的靜力加載試驗(yàn)，探究后摻骨料混凝土受彎構(gòu)件的抗彎性能。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)工藝與配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40。在試件制備過(guò)程中，需將攪拌完成的基準(zhǔn)混凝土每隔5 min攪拌30 s，持續(xù)30 min，以模擬商品混凝土由混凝土站至澆筑工作前的實(shí)際效果，而后在基準(zhǔn)混凝土中拋填一定比例的粗骨料(基準(zhǔn)混凝土和后摻入部分的粗骨料均為粒徑5 mm～20 mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖碎石)繼續(xù)攪拌30 s，以此得到后摻骨料混凝土。后摻骨料拋填率(后摻入粗骨料的體積分?jǐn)?shù))依次為0%、10%、15%、20%、25%、30%。后摻骨料混凝土配置完成后，對(duì)不同粗骨料拋填率的混凝土的坍落度進(jìn)行測(cè)定，本文采用的混凝土配合比(包括后摻骨料后各材料配合比)以及各拋填率混凝土對(duì)應(yīng)的坍落度見表1。

由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，基準(zhǔn)混凝土滿足《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》[5](JGJ/T 10—2011)中對(duì)于泵送混凝土坍落度的要求。拋填率25%以內(nèi)時(shí)，各拋填率后摻骨料混凝土均能滿足規(guī)范內(nèi)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)中對(duì)于混凝土坍落度的要求；拋填率25%、30%時(shí)，混凝土漿體較少，和易性較差，若應(yīng)用于工程中對(duì)于機(jī)器振搗工藝要求較高。

表1 試驗(yàn)混凝土配合比

1.2 材料力學(xué)性能

用于基本力學(xué)性能測(cè)試的混凝土試件的制作與養(yǎng)護(hù)參照《混凝土強(qiáng)度檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[6](GB/T 50107—2010)及《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7](GB/T 50152—2012)進(jìn)行操作。用于后摻骨料混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的試件尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×300 mm。本試驗(yàn)縱向鋼筋采用HRB400熱軋鋼筋，并對(duì)其進(jìn)行抗拉試驗(yàn)。材料測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 混凝土及鋼筋材料力學(xué)性能

1.3 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共制作6根試驗(yàn)梁，其中1根為后摻粗骨料拋填率為0%的基礎(chǔ)梁，編號(hào)為L(zhǎng)-0；其余5根，后摻粗骨料拋填率分別為10%、15%、20%、25%、30%，依次編號(hào)為L(zhǎng)-10、L-15、L-20、L-25、L-30。除此之外，其余條件全部相同。試件截面為150 mm×250 mm，梁長(zhǎng)為1.9 m，跨中純彎段0.6 m。試件架立筋均采用2C10，受拉鋼筋為2C16，縱向受力筋配筋率為1.31%(按普通鋼筋混凝土適筋梁進(jìn)行配置)。箍筋配筋在純彎段為A8@150，其余部分為A8@100。梁的尺寸及配筋見圖1。

圖1試驗(yàn)梁配筋圖(單位：mm)

1.4 加載裝置及試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)采用大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室的50 t電液伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。試驗(yàn)采用兩點(diǎn)集中對(duì)稱同步分級(jí)加載方式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中按圖2(a)的方式通過(guò)分配梁將荷載對(duì)稱的施加到試驗(yàn)梁上，在跨中形成600 mm的純彎段?？缰谢炷梁弯摻顟?yīng)變分別利用BX120-100AA型和BX120-3AA型應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量，跨中撓度利用GA-30型分體式LVDT進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)變片粘貼及LVDT放置位置見圖2。試驗(yàn)過(guò)程中，首先需對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載并將傳感器、應(yīng)變片、LVDT進(jìn)行調(diào)零。隨后進(jìn)入正式加載過(guò)程，在試件開裂前，按荷載加載，每級(jí)加荷載6 kN，持載5 min；試件開裂后，每級(jí)加荷載12 kN，持載5 min；試件進(jìn)入屈服狀態(tài)后，加載方式按位移加載，位移增量取2 mm直至混凝土梁受壓區(qū)混凝土被壓碎，試件破壞。

圖2試驗(yàn)裝置圖(單位：mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 主要試驗(yàn)現(xiàn)象描述

試驗(yàn)加載過(guò)程中需對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)致觀察及記錄。就試驗(yàn)觀測(cè)現(xiàn)象分析，6根試驗(yàn)梁破壞過(guò)程較為相似。當(dāng)所加荷載達(dá)到0.3Pu(Pu為極限荷載)左右時(shí)，跨中純彎段下邊緣開始出現(xiàn)豎向裂縫，而后隨荷載逐步增大，裂縫逐漸增多并向上延伸；剪跨段裂縫向加載點(diǎn)方向延伸。與此同時(shí)，梁的撓度逐漸增大，且裂縫逐漸加寬?？v筋屈服后，梁撓度和裂縫發(fā)展?fàn)顩r加劇，直至試驗(yàn)梁受壓區(qū)混凝土壓碎，試驗(yàn)梁宣告破壞。由此可見，6根試驗(yàn)梁均屬于延性破壞。試驗(yàn)梁最終破壞形態(tài)見圖3。

圖3試驗(yàn)梁裂縫圖

2.2 試驗(yàn)梁特征點(diǎn)參數(shù)

6根試驗(yàn)梁受彎破壞過(guò)程中的各特征點(diǎn)見表3，各特征點(diǎn)參數(shù)變化趨勢(shì)見圖4。由圖4分析可知，后摻骨料混凝土梁抗彎性能在拋填率20%時(shí)達(dá)到最優(yōu)，在此之前極限荷載隨拋填率增大而增大，而之后隨拋填率增大而減小。這一點(diǎn)與之前所研究的各拋填率后摻骨料混凝土抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相匹配。從結(jié)構(gòu)上分析其變化原因?yàn)椋?/p>

(1) 粗骨料是混凝土組成材料中強(qiáng)度最高、體積穩(wěn)定性最好的成分[8-9]，隨著后摻骨料的拋填，粗骨料由懸浮狀態(tài)逐步形成有效嵌鎖，在混凝土中建立一個(gè)整體骨架結(jié)構(gòu)，從而發(fā)揮作用。但當(dāng)后摻粗骨料過(guò)多時(shí)，又會(huì)因混凝土漿體不足，造成結(jié)構(gòu)缺陷。

(2) 普通混凝土由于微區(qū)泌水[10-11]現(xiàn)象，使得界面處的漿體水灰比要大于遠(yuǎn)離界面處的漿體水灰比，導(dǎo)致界面過(guò)渡區(qū)較為疏松。而后摻骨料的拋填，能夠?qū)⑺治降接锌紫兜母稍锕橇现腥?，從而加?qiáng)骨料與漿體的界面過(guò)渡區(qū)，從而提高后摻骨料混凝土強(qiáng)度。

表3 特征點(diǎn)參數(shù)

圖4特征點(diǎn)趨勢(shì)

3 試驗(yàn)分析

3.1 平截面假定適用性分析

圖5(a)～圖5(f)分別表示6根試驗(yàn)梁在不同荷載作用下跨中混凝土應(yīng)變沿截面高度的分布情況。由圖5可以看出后摻骨料混凝土梁在受彎過(guò)程中的一定范圍內(nèi)，截面各點(diǎn)應(yīng)變與該點(diǎn)到中性軸的距離近似成正比。由此可知,后摻骨料混凝土梁在受彎過(guò)程中沿截面高度的混凝土平均應(yīng)變基本符合平截面假定。

圖5跨中截面應(yīng)變分布

3.2 荷載-跨中撓度及荷載-跨中鋼筋應(yīng)變分析

由試驗(yàn)結(jié)果分析可得6根試驗(yàn)梁荷載-撓度及荷載-鋼筋應(yīng)變曲線見圖6。由圖6可以看出，后摻骨料鋼筋混凝土與普通鋼筋混凝土梁在受彎各階段受力性能及特征基本相同，整個(gè)受力過(guò)程基本可分為三個(gè)階段。在第1階段(由試驗(yàn)開始至受拉區(qū)混凝土開裂)試驗(yàn)梁處于彈性受力階段，截面應(yīng)變分布符合平截面假定，荷載-撓度及荷載-鋼筋應(yīng)變曲線接近直線，梁撓度及受拉鋼筋應(yīng)力均較小。在第2階段(由混凝土開裂至縱向鋼筋屈服)試驗(yàn)梁處于帶裂縫工作階段，截面應(yīng)變分布仍然符合平截面假定，荷載-撓度及荷載-鋼筋應(yīng)變曲線仍基本接近直線，但曲線斜率在受拉區(qū)混凝土開裂后產(chǎn)生變化，增長(zhǎng)速率明顯加快。在第3階段(由受拉鋼筋屈服至試驗(yàn)梁破壞)試驗(yàn)梁處于屈服階段。在此階段，受拉鋼筋應(yīng)變急劇增大，荷載-撓度及荷載-鋼筋應(yīng)變曲線趨于平緩。對(duì)比6根試驗(yàn)梁的荷載-撓度及荷載-鋼筋應(yīng)變曲線可以看出：不同拋填率后摻骨料混凝土梁的開裂荷載較為接近，各荷載對(duì)應(yīng)跨中應(yīng)變及撓度相差不多，整個(gè)破壞過(guò)程比較相似。

圖6荷載-跨中撓度及荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

4 結(jié) 論

(1) 后摻骨料混凝土梁的抗彎性能隨后摻骨料拋填率的增大而增強(qiáng)，到達(dá)臨界值(20%)后，隨拋填率的增大而減小。且拋填率為20%時(shí)，梁的抗裂性及剛度均優(yōu)于普通混凝土梁。故而，對(duì)于后摻骨料混凝土梁受彎構(gòu)件的后摻粗骨料的最佳拋填率為20%。這與關(guān)于后摻骨料混凝土其他力學(xué)性能研究[12-15]所選出的最佳拋填率相吻合。

(2) 后摻骨料混凝土梁在受彎過(guò)程中跨中混凝土平均應(yīng)變沿截面高度的仍基本符合平截面假定。

(3) 后摻骨料混凝土梁受彎破壞的現(xiàn)象與普通混凝土梁相似，仍分為彈性、帶裂縫工作和屈服三個(gè)階段，整個(gè)受力過(guò)程試驗(yàn)現(xiàn)象和受力特征均與普通混凝土梁基本相同。

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