不同構(gòu)造形式綠色混凝土疊合板受彎性能試驗(yàn)

黃煒 羅斌 李斌 徐學(xué)坤 蘇衍江

摘 ? 要：為推動(dòng)綠色再生類材料在疊合樓板中的應(yīng)用，將不同性能要求的鋼纖維增強(qiáng)綠色混凝土材料應(yīng)用于疊合板中，研究不同構(gòu)造形式所組成的鋼纖維綠色混凝土疊合板受彎性能差異. 開展了6塊鋼纖維增強(qiáng)綠色混凝土疊合板和2塊普通混凝土疊合板足尺試件的抗彎性能對比試驗(yàn). 得到了其破壞形態(tài)、荷載-跨中撓度曲線、荷載-跨中板底受力鋼筋應(yīng)變曲線及荷載-跨中板頂面混凝土壓應(yīng)變曲線等特征參數(shù)，對比分析了各試件的破壞機(jī)理、變形特征、裂縫分布規(guī)律. 研究結(jié)果表明，鋼纖維增強(qiáng)綠色混凝土疊合板與普通混凝土疊合板相比受彎破壞過程類似，均經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段及破壞階段，且裂縫、撓度發(fā)展均較為充分，未有突然斷裂或沿疊合面出現(xiàn)水平裂縫等破壞現(xiàn)象，均具有較好的延性;同時(shí)，不同的預(yù)制底板構(gòu)造形式對疊合樓板的受彎性能也有較大影響，其中配置鋼筋桁架的疊合板，尤其是附肋鋼筋桁架對疊合板的受力性能有較為顯著的提高;開裂荷載及極限承載力計(jì)算應(yīng)考慮構(gòu)造形式及不同混凝土材料預(yù)制底板對所組成疊合板受彎性能的影響.

關(guān)鍵詞：綠色混凝土;預(yù)制混凝土;疊合板;靜力試驗(yàn);受彎性能

中圖分類號：TU375.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： Steel fiber reinforced green concrete was applied to the composite slab in order to promote the application of green ecological materials in the composite slab. The flexural behavior of the steel fiber reinforced green concrete composite slab with different structural forms were studied. Full-scale comparative test of six steel fiber reinforced green concrete composite slabs and two ordinary concrete composite slabs were carried out. The characteristic parameters， such as failure mode， load-deflection curves， load-rebar strain curves， and load-concrete strain curves， were obtained. Further， the failure mechanism， deformation characteristics， and crack distribution were comparatively analyzed. The results show that the flexural processes of eight specimens are similar， which experienced elastic stage， elastic-plastic stage and failure stage. All specimens are bonded well on the connection interface，without any break-off and other phenomenon but with good cooperative work performance. Meanwhile， different structure forms of prefabricated base slabs have significant influence on the flexural behavior of the composite slab. It is noted that steel bar truss with ribs improves the flexural behavior of the composite slab significantly. In addition， the cracking strength and ultimate load-carrying capacity of the composite slab were affected by the effects of different structural forms and different material on flexural behaviour of prefabricated base slab.

Key words： green concrete;prefabricated concrete;composite slab;static tests;flexural behavior

發(fā)展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)節(jié)能減排、提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率的必由之

路[1].已有研究表明[2-4]，疊合樓板作為裝配式結(jié)構(gòu)重要的部品，其具有整體性好、施工速度快、節(jié)約模板等優(yōu)點(diǎn)，近年來隨著我國政府層面推廣裝配式建筑力度的不斷加大，而越來越廣泛地應(yīng)用于實(shí)際工程中. 但目前國內(nèi)外裝配整體式建筑中疊合板采用的材料大多為天然骨料制備的普通混凝土，如果能將大量的建筑固廢垃圾進(jìn)行循環(huán)再生利用，在混凝土制備中用再生骨料代替天然骨料，制備出綠色混凝土[5-8]，并將其應(yīng)用于裝配式部品工業(yè)化生產(chǎn)中，形成綠色預(yù)制部品，不僅能有效緩解天然骨料的過度消耗而造成的生態(tài)隱患，減少建筑垃圾排放對環(huán)境的污染，亦符合我國目前大力提倡的“建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、綠色建筑”發(fā)展方向.

但由于再生類骨料所制備的混凝土普遍存在表觀密度小、內(nèi)部微裂紋、壓碎指標(biāo)值高等諸多先天缺陷，致使其力學(xué)性能普遍不如傳統(tǒng)天然骨料混凝土，這在一定程度上制約了其在工程中的應(yīng)

用[9-10].針對上述問題，課題組前期將鋼纖維和綠色混凝土有機(jī)地結(jié)合起來，制備出多種鋼纖維增強(qiáng)綠色混凝土材料[11-12].本次課題組將所制備材料研究成果應(yīng)用于疊合板體系中，同時(shí)為設(shè)計(jì)受力性能更佳的疊合板，提出底部采用不同構(gòu)造形式的鋼纖維綠色混凝土預(yù)制底板，頂部后澆層采用普通天然骨料混凝土的疊合板，并通過8塊足尺試件靜載試驗(yàn)，對比分析了采用不同種類混凝土及不同構(gòu)造形式預(yù)制底板的疊合板抗彎性能，重點(diǎn)研究了不同鋼纖維增強(qiáng)綠色混凝土材料及不同構(gòu)造形式預(yù)制底板所組成的疊合板與普通混凝土疊合板的受彎性能異同，得到的數(shù)據(jù)和結(jié)論可為此類疊合板研究及設(shè)計(jì)提供參考.

1 ? 試驗(yàn)概況

1.1 ? 試件設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)了8塊單向板試件，試件編號及基本參數(shù)見表1. 預(yù)制底板中：鋼纖維淤泥陶?；炷潦怯贸鞘械叵掠倌嘀谱鞯奶樟Ｗ鳛榛炷恋拇止橇希ㄈ〈蕿?00%），并摻入1%鋼纖維，細(xì)骨料采用天然砂，制備的鋼纖維增強(qiáng)綠色混凝土;鋼纖維再生混凝土是用經(jīng)破碎篩分后的廢棄混凝土作為混凝土的粗骨料（取代率為100%），并摻入1%鋼纖維，細(xì)骨料采用天然砂，制備的鋼纖維增強(qiáng)綠色混凝土. 配置鋼筋桁架的預(yù)制底板，其鋼筋桁架采用A90型;配置帶肋的預(yù)制底板在肋內(nèi)配2？準(zhǔn)8構(gòu)造鋼筋. 所有試件預(yù)制底板中的縱向受力鋼筋均采用8@160、橫向分布鋼筋采用？準(zhǔn)8@240;為防止試件起吊時(shí)開裂，在后澆層中配置？準(zhǔn)8@200的縱向構(gòu)造鋼筋及？準(zhǔn)6@240的橫向構(gòu)造鋼筋. 試件構(gòu)造形式及配筋如圖1及圖2所示.

1.2 ? 試件制作

試件制作過程主要包括預(yù)制底板及后澆層制作兩道工序. 1）預(yù)制底板制作：首先清理車間鋼結(jié)構(gòu)模胎，固定底模及側(cè)模，并涂刷脫模劑，然后在底模內(nèi)綁扎鋼筋，之后再固定好加強(qiáng)肋的模板（若有），最后澆筑混凝土，待混凝土初凝后將其表面進(jìn)行人工拉毛處理;2）后澆層制作：待預(yù)制底板達(dá)到一定強(qiáng)度后，以預(yù)制底板為底模（本次試驗(yàn)在預(yù)制底板制作完成10 d后進(jìn)行后澆層混凝土澆筑），四周固定好側(cè)模，綁扎鋼筋，待確認(rèn)無誤后，澆筑后澆層混凝土，形成疊合板試件. 需要說明的是，由于本次試驗(yàn)研究對象為一階段受力疊合板，所以在后澆層混凝土制作過程中，始終保證預(yù)制底板具有可靠支撐，避免加載前預(yù)制底板提前受力[13].

1.3 ? 材料性能

8塊試件為同批次制作，試件混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級均為C30. 試件澆筑時(shí)，同期制作立方體及棱柱體試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，實(shí)測預(yù)制底板中：普通混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度平均值為31.9 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度平均值為25.7 MPa;鋼纖維淤泥陶?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度平均值為32.4 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度平均值為21.7 MPa;鋼纖維再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值為43.0 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度平均值為32.7 MPa. 實(shí)測8塊試件后澆層的普通混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值為35.9 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度平均值為26.7 MPa.

試件中除預(yù)制底板縱向受力鋼筋采用HRB400外，其余鋼筋均采用HPB300，實(shí)測性能見表2. 6塊鋼纖維增強(qiáng)綠色混凝土疊合板中的鋼纖維采用薄板剪切型鋼纖維，長度35.00 mm，直徑0.56 mm，抗拉強(qiáng)度2.3×103 MPa，彈性模量2.0×104 MPa.

1.4 ? 加載方案

試驗(yàn)采用在板跨度四分點(diǎn)位置施加2個(gè)相等的豎向集中荷載模擬均布荷載的方法，加載點(diǎn)使用500 t油壓千斤頂，由液壓伺服儀進(jìn)行加載. 加載裝置如圖3所示.

依據(jù)文獻(xiàn)[14]，加載分為預(yù)加載與正式加載2個(gè)過程，預(yù)加載分三級加載、三級卸載，每級加（卸）載取值為2 kN;進(jìn)入正式加載階段后，開裂前每級荷載增量取2 kN，直至混凝土出現(xiàn)裂縫后，每級荷載增量調(diào)整為4 kN，加載至極限荷載理論計(jì)算值的90%后，再次將每級加載增量調(diào)整為2 kN，直到加載至試件破壞，隨后進(jìn)行卸載.

本次試驗(yàn)，當(dāng)試件跨中撓度達(dá)到跨度的1/200或最大裂縫的寬度超過0.2 mm時(shí)，認(rèn)定試件達(dá)到正常使用極限狀態(tài);當(dāng)試件跨中撓度達(dá)到跨度的1/50、板底混凝土裂縫寬度達(dá)到1.5 mm、鋼筋應(yīng)變達(dá)到0.01、疊合面破壞、受壓區(qū)混凝土壓壞或受拉主筋斷裂的條件之一時(shí)，認(rèn)定試件已達(dá)到承載能力極限狀態(tài)并停止加載.

1.5 ? 測點(diǎn)布置

鋼筋應(yīng)變片粘貼于板底縱向受拉鋼筋跨中和1/4跨位置，對于試件CS-2、CS-7及CS-8分別在其鋼筋桁架的上、下弦及腹桿跨中位置及1/4跨處布置了鋼筋應(yīng)變片;位移計(jì)及混凝土應(yīng)變片布置如圖4所示.

2 ? 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 ? 試驗(yàn)過程及破壞形態(tài)

試件最終破壞形態(tài)如圖5所示. 通過8塊疊合板試件破壞過程對比分析，可以發(fā)現(xiàn)：

1）從整個(gè)加載過程來看，8塊試件的反應(yīng)基本相似，均經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，最終破壞均是由于撓度、最大裂縫或者受拉主筋應(yīng)變值超過限值要求而宣告試件破壞，呈現(xiàn)典型的彎曲破壞特征.

2）對比不同混凝土預(yù)制底板所構(gòu)成的疊合板，從試件最終的裂縫分布來看，預(yù)制底板為鋼纖維再生混凝土的疊合板，其裂縫數(shù)量最少，預(yù)制底板采用鋼纖維淤泥制陶?；炷恋寞B合板裂縫數(shù)量次之，普通混凝土疊合板裂縫數(shù)量最多，且其裂縫寬度最大. 這是因?yàn)?塊鋼纖維增強(qiáng)綠色混凝土疊合板中的鋼纖維在基體混凝土中呈亂向分布狀態(tài)，阻礙了混凝土內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展，有效提高了基體的抗拉、抗裂能力，使裂縫發(fā)展較為緩慢[15].

3）對比不同構(gòu)造形式預(yù)制底板所構(gòu)成的疊合板，文獻(xiàn)[16]研究表明，對于普通混凝土或高強(qiáng)混凝土疊合板采用自然振搗、抹光、拉毛、設(shè)抗剪鋼筋4種不同疊合面作法均可保證疊合面有足夠的抗剪能力，不發(fā)生沿疊合面的剪切破壞. 本次試驗(yàn)得出與上述研究相似的結(jié)論，所有試件在整個(gè)加載過程中其預(yù)制底板與后澆層均未發(fā)生沿疊合面滑移現(xiàn)象，亦未出現(xiàn)疊合面黏結(jié)破壞現(xiàn)象（如圖5（b）所示，僅以CS-3為例），表明采用拉毛、單縱肋、十字肋、鋼筋桁架、附肋鋼筋桁架的疊合面處理方式均可保證該類疊合板的預(yù)制底板與后澆層協(xié)同工作性能.

2.2 ? 荷載-撓度曲線

根據(jù)實(shí)測跨中位移均值繪制的跨中荷載-撓度曲線（如圖6所示）可以看出：

1）從整個(gè)加載過程來看，8塊試件的跨中荷載-撓度曲線均呈現(xiàn)明顯的三段式分布. 加載初期，曲線近似為一條直線，此時(shí)試件剛度較大，撓度較小;隨著荷載的增大，撓度值的增大幅度開始變大;當(dāng)受拉鋼筋逐漸屈服后，試件剛度急劇下降，荷載上升緩慢，撓度迅速發(fā)展，出現(xiàn)近似平直段，直至試件達(dá)到承載能力極限狀態(tài).

2）對比不同混凝土預(yù)制底板所構(gòu)成的疊合板，在同級荷載下，底板材質(zhì)為鋼纖維淤泥制陶?；炷恋脑嚰隙容^大，且極限承載力較低，底板材質(zhì)為鋼纖維再生混凝土的試件在同級荷載下?lián)隙茸钚?，極限承載力最高.

3）對比不同構(gòu)造形式的預(yù)制底板所構(gòu)成的疊

合板，試件在彈性階段撓度發(fā)展趨勢相似，進(jìn)入彈塑性階段后，隨著荷載不斷增大及試件混凝土裂縫的不斷開展，曲線呈現(xiàn)明顯的差異. 試件CS-3剛度明顯削弱，表現(xiàn)為曲線斜率明顯減小，試件撓度迅速增大，曲線偏向撓度軸一側(cè)，承載能力基本不再增大;采用單肋形式的預(yù)制底板次之;試件CS-2、CS-7、CS-8撓度發(fā)展最慢，與文獻(xiàn)[17]得出“與普通混凝土板相比，設(shè)置桁架鋼筋的普通混凝土板，可有效提高試件的后期剛度，抑制裂縫的發(fā)展，減小跨中撓度”的結(jié)論相似. 可見采用鋼筋桁架形式是提高混凝土受彎板類構(gòu)件力學(xué)性能最為行之有效的措施之一. 尤其是本次試驗(yàn)所采用附肋鋼筋桁架疊合板，其撓度增長最慢，后期剛度最大，極限承載力最高.

2.3 ? 荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

根據(jù)板底跨中位置的鋼筋應(yīng)變讀數(shù)，取平均值后得各試件荷載-鋼筋應(yīng)變曲線（如圖7所示），分析可知：

1）從整個(gè)加載過程來看，8塊試件的板底荷載-鋼筋應(yīng)變曲線均由混凝土開裂前的直線段、開裂后到鋼筋屈服前的曲線爬升段及鋼筋屈服后至試件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時(shí)的平緩段組成.

2）對比不同混凝土預(yù)制底板所構(gòu)成的疊合板，在混凝土開裂后，試件CS-1、CS-2受拉區(qū)裂縫處拉應(yīng)力完全由板底縱向受拉鋼筋承擔(dān)，因此曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn). 而預(yù)制底板采用鋼纖維增強(qiáng)綠色混凝土的6塊試件，由于混凝土基體剛剛出現(xiàn)裂縫時(shí)，鋼纖維混凝土并未立即破壞，而是隨著裂縫的穩(wěn)定擴(kuò)展，承載力繼續(xù)上升，跨越裂縫的鋼纖維將裂縫兩側(cè)混凝土聯(lián)結(jié)在一起共同受力，所以其曲線在混凝土開裂后并沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn);但隨著荷載的增大，當(dāng)板底受力鋼筋屈服后，由于鋼纖維的長度有限，且在基體內(nèi)隨機(jī)分布，其方向和形狀沒有規(guī)律，錨固長度無法得到充分保證，因此鋼纖維在高應(yīng)力作用下逐根地發(fā)生滑動(dòng)，并漸漸地被拔出，甚至出現(xiàn)拉斷的現(xiàn)象. 此時(shí)曲線才出現(xiàn)較明顯拐點(diǎn)，隨后呈平緩趨勢發(fā)展[18].

3）對比不同構(gòu)造形式的預(yù)制底板所構(gòu)成的疊

合板，試件CS-2、CS-7、CS-8，雖在破壞階段板底縱向受拉鋼筋均超過屈服應(yīng)變，但其鋼筋應(yīng)變明顯小于其他5塊試件. 這是由于鋼筋桁架上、下弦及腹桿均參與受力，分擔(dān)了混凝土開裂后底部受拉鋼筋所承擔(dān)的荷載，如圖8所示. 與文獻(xiàn)[19]對疊合板中鋼筋桁架的受力結(jié)論相似.

1）對比不同混凝土預(yù)制底板所構(gòu)成的疊合板，8塊試件的板頂混凝土荷載-應(yīng)變曲線基本相似，整個(gè)加載過程中所有試件的受壓區(qū)混凝土均未出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象.

2）對比不同構(gòu)造形式的預(yù)制底板所構(gòu)成的疊合板，CS-2、CS-7及CS-8由于鋼筋桁架中的上弦鋼筋參與板頂受力，分擔(dān)了板頂混凝土中的壓應(yīng)力，使其板頂混凝土壓應(yīng)變直至構(gòu)件破壞仍呈線性增長，而其他5塊試件板頂混凝土表現(xiàn)出塑性狀態(tài)，曲線逐級趨于平緩.

3 ? 影響受彎承載力的因素及分析

根據(jù)本次試驗(yàn)加載過程實(shí)測數(shù)據(jù)，得到的各試件開裂荷載（Pcr）、正常使用極限荷載（PL /200）、屈服荷載（Py）、極限荷載（Pu）、板底最大裂縫寬度（ωmax）及最大撓度（δmax）詳見表3.

3.1 ? 3種不同混凝土預(yù)制底板的影響

預(yù)制底板中：采用鋼纖維再生混凝土的試件的特征荷載值（Pcr、PL /200、Py及Pu）普遍較大，而其最大裂縫寬度與撓度最小;采用普通混凝土的試件特征荷載值普遍略小于鋼纖維再生混凝土試件，但其最大裂縫寬度與撓度在3種材料中最大;采用鋼纖維淤泥陶?；炷恋脑嚰卣骱奢d值普遍較小.

3.2 ? 不同預(yù)制底板構(gòu)造形式的影響

1）對比CS-1與CS-2，CS-2的開裂荷載比CS-1提高了13.33%，正常使用極限荷載提高了32.44%，屈服荷載提高了44.19%，極限荷載提高了55.95%，表明鋼筋桁架對試件開裂后的承載能力提高較為顯著.

2）對比CS-3、CS-4及CS-5，CS-5的開裂荷載、正常使用極限荷載、屈服荷載、極限荷載最大，分別比CS-4提高了44.59%、16.56%、11.28%、11.48%，比CS-3提高了59.70%、24.20%、20.00%、14.98%;CS-4比CS-3的開裂荷載、正常使用極限荷載、屈服荷載、極限荷載分別提高了10.45%、6.56%、6.46%、5.51%. 說明十字肋對提高疊合樓板的承載能力較單縱肋更為顯著.