再生混凝土在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中力學(xué)性能分析*

趙宏源

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院 武漢 430068)

目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，向低碳可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)型。新農(nóng)村建設(shè)、城鎮(zhèn)化的推進(jìn)使得建筑需求逐漸增大，裝配式混凝土建筑具有構(gòu)建質(zhì)量好，施工周期短、精度高、環(huán)境影響小的特點(diǎn)，如何選擇合適的結(jié)構(gòu)體系是裝配式建筑的重要因素，其中主要部件：預(yù)制梁、預(yù)制屋蓋、預(yù)制剪力墻、預(yù)制柱、預(yù)制屋面板、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)、預(yù)制樓梯等都有著嚴(yán)格的要求，其中具有裝配結(jié)構(gòu)承載力、剛度和變形能力是重要因素，混凝土在建筑材料中起到十分重要的作用。在環(huán)境方面，裝配式混凝土建筑則減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，使揚(yáng)塵、噪聲和廢棄物的排放也得到了減少，降低對(duì)周圍環(huán)境的影響，是一項(xiàng)環(huán)境友好型工程，極大地減少了建筑垃圾。

1 裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

1.1 提高工程質(zhì)量和施工效率

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工，減少了人工操作和勞動(dòng)強(qiáng)度，確保了構(gòu)件質(zhì)量和施工質(zhì)量，從而提高了工程質(zhì)量和施工效率。

1.2 節(jié)能環(huán)保

裝配式混凝土建筑能夠減少資源、能源消耗，減少建筑垃圾，保護(hù)環(huán)境。由于實(shí)現(xiàn)了構(gòu)件生產(chǎn)工廠化，材料和能源消耗均處于可控狀態(tài)；建造階段消耗建筑材料和電力較少。施工揚(yáng)塵和建筑垃圾大幅度減少。

1.3 縮短工期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率

由于構(gòu)件生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)建造在兩地同步進(jìn)行，建造、裝修和設(shè)備安裝一次完成，相比傳統(tǒng)建造方式大大縮短了工期，能夠適應(yīng)目前我國(guó)大規(guī)模的城市化進(jìn)程。

1.4 施工受氣象因素影響小

產(chǎn)業(yè)化建造方式大部分構(gòu)配件在工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)基本為裝配作業(yè)，且施工工期短。受降雨、大風(fēng)、冰雪等氣象因素的影響較小。

2 混凝土力學(xué)研究實(shí)驗(yàn)

筆者通過(guò)研究再生混凝土中再生粗骨料孔隙率過(guò)高、材料分布不均勻和粘結(jié)力較差的特點(diǎn)，使得再生混凝土在強(qiáng)度和性能上普遍要比普通混凝土差。本實(shí)驗(yàn)對(duì)再生骨料進(jìn)行強(qiáng)化處理，往再生骨料中摻入金剛砂和鋼纖維,探究摻入等量金剛砂和鋼纖維對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響，通過(guò)提高混凝土的力學(xué)性能來(lái)促進(jìn)裝配式混凝土建筑的發(fā)展。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

(1)水泥。采用PC 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.2%，初凝時(shí)間為208 min，終凝時(shí)間為265 min，28 d立方體抗壓強(qiáng)度為50.3 MPa。

(2)細(xì)骨料。細(xì)骨料分為江砂和金剛砂。普通天然江砂顆粒粒徑小于5 mm，堆積密度為1 645 kg/m3，表觀密度為2 630 kg/m3；金剛砂為顆粒嚴(yán)密的高強(qiáng)韌骨料，其質(zhì)地堅(jiān)硬、多棱角，其密度為3 250 kg/m3，硬度為3 150 kg/mm3。

(3)外加劑。聚羧酸減水劑，其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 聚羧酸減水劑性能指標(biāo)

(4)粉煤灰。細(xì)度為8%的一級(jí)粉煤灰。

(5)礦粉。其密度為2 925 kg/m3，28 d活性指數(shù)為102%的S95等級(jí)礦粉。

(6)鋼纖維。其密度為7 810 kg/m3，抗拉強(qiáng)度為820 MPa。

2.2 配合比設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)按照設(shè)計(jì)規(guī)范JCJ 55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》以C30混凝土(C)配合比為基礎(chǔ)，以20%的再生粗骨料替代天然粗骨料(RC)，在再生混凝土的基礎(chǔ)上外摻入1%體積率的鋼纖維制成鋼纖維再生混凝土(SFRC)，在再生混凝土的基礎(chǔ)上以10%金剛砂代替同等質(zhì)量的細(xì)骨料制成金剛砂再生混凝土(SICRC)。試驗(yàn)具體配合比見(jiàn)表2。

表2 混凝土配合比

2.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)內(nèi)容按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[4]進(jìn)行試驗(yàn)。立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，四點(diǎn)彎抗折試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×550 mm的標(biāo)準(zhǔn)小梁試塊。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 四點(diǎn)彎抗折試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)，C、RC、SICRC試塊在試驗(yàn)過(guò)程中呈現(xiàn)脆性斷裂，當(dāng)試塊被加載到極限荷載時(shí)發(fā)出劇烈的悶響并產(chǎn)生裂縫，區(qū)別在于C、SICRC試塊的裂縫分布于純彎段中線處，而RC試塊的裂縫雖然分布在純彎段，但位于中線附近。這是因?yàn)樵偕炷链嬖诖罅糠植疾痪鶆虻目障?，試塊受壓時(shí)，產(chǎn)生的裂縫由于這些空隙分布在純彎段中部附近。SFRC在加載到極限荷載的70%時(shí)試塊底部開始出現(xiàn)細(xì)微裂縫并向上延展，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)試塊仍未斷裂，試塊保持完整且并無(wú)聲響。分析原因?yàn)殇摾w維為再生混凝土提供良好的韌性，使再生混凝土的抗折強(qiáng)度提升明顯。RC的抗折強(qiáng)度相對(duì)于C下降明顯，摻入金剛砂制成SICRC對(duì)抗折強(qiáng)度有一定的提升，但效果不如摻入鋼纖維明顯。

3.2 摻入金剛砂與鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

(1)阻裂作用。金剛砂和鋼纖維均勻分布在再生混凝土內(nèi)部，承受再生混凝土硬化收縮時(shí)所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，有效阻止混凝土裂縫的產(chǎn)生與延伸。

(2)增強(qiáng)作用。摻入金剛砂和鋼纖維能填補(bǔ)再生混凝土內(nèi)部空隙，使再生混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，從而提高再生混凝土的強(qiáng)度。

(3)提供良好韌性。當(dāng)再生混凝土試塊受壓產(chǎn)生裂縫時(shí)，裂縫處的金剛砂和鋼纖維仍能承受一部分應(yīng)力，為再生混凝土提供良好韌性。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)金剛砂和鋼纖維對(duì)再生混凝土的力學(xué)性能有良好的增強(qiáng)作用。在再生混凝土中摻入金剛砂和鋼纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別有不同程度的提高。

(2)鋼纖維對(duì)再生混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的提升相比金剛砂更為明顯，其提升分別為59.7%和28.4%。而金剛砂對(duì)再生混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度提升分別27.3%和10.8%。金剛砂和鋼纖維對(duì)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度影響最小，分別提升8.5%和7.8%。

(3)摻入金剛砂與鋼纖維對(duì)再生混凝土的影響主要是阻裂作用、增強(qiáng)作用和提供良好的韌性，從而改善再生混凝土脆性，提升混凝土強(qiáng)度。