裝配式建筑結(jié)構(gòu)中混凝土彎曲抗折性能分析*

袁誠(chéng)欣

(湖北工業(yè)大學(xué) 武漢 430068)

1 裝配式混凝土建筑概念

用預(yù)制部品部件在工地裝配而成的建筑，裝配式建筑包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)四大模塊，如圖1所示。具有工業(yè)化水平高、建造速度快、施工質(zhì)量好、減少工地?fù)P塵和建筑垃圾等優(yōu)點(diǎn)，可以提高建筑質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本，有效實(shí)現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)保”的綠色發(fā)展要求。裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)在美國(guó)、歐洲、日本、新西蘭等以及我國(guó)的臺(tái)灣、香港地區(qū)都有廣泛應(yīng)用。

圖1 裝配式混凝土建筑

2 裝配式混凝土建筑發(fā)展背景

裝配式建筑規(guī)劃自2015年密集出臺(tái)，決定2016年全國(guó)全面推廣裝配式建筑,并取得突破性進(jìn)展；《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)〔2016〕71號(hào))，深入指導(dǎo)裝配式混凝土居住建筑技術(shù)體系發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化，并對(duì)裝配式混凝土建筑重要城市和建筑區(qū)域都進(jìn)行明確指導(dǎo)。各地也先后制定了一系列的政策指導(dǎo)，從而推動(dòng)了裝配式建筑的迅猛發(fā)展。其具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)分類

3.1 裝配整體式框架結(jié)構(gòu)

裝配整體式框架結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)體系，主要應(yīng)用于空間要求較大的建筑，如商店、學(xué)校、醫(yī)院等。其傳力途徑為：樓板→次梁→主梁→柱→基礎(chǔ)→地基，結(jié)構(gòu)傳力合理，抗震性好。

技術(shù)特點(diǎn)：預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，構(gòu)件種類較少，各類構(gòu)件重量差異較小，起重機(jī)械性能利用充分，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性較高；建筑物拼裝節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，有利于提高工效；機(jī)械化施工程度高、質(zhì)量可靠、結(jié)構(gòu)安全、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保等特點(diǎn)。

3.2 裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)

裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)是住宅建筑中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)體系，其傳力途徑為：樓板→剪力墻→基礎(chǔ)→地基，采用剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物室內(nèi)無(wú)突出于墻面的梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，室內(nèi)空間規(guī)整。

技術(shù)特點(diǎn)：預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，預(yù)制墻體構(gòu)件、樓板構(gòu)件均為平面構(gòu)件，生產(chǎn)、運(yùn)輸效率較高。

4 實(shí)驗(yàn)研究

筆者通過(guò)對(duì)混凝土彎曲抗折性能實(shí)驗(yàn)，找到滿足裝配式混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的金剛砂摻入量，以此達(dá)到環(huán)保經(jīng)濟(jì)且符合實(shí)際裝配式混凝土建筑工程應(yīng)用的目的。

4.1 試驗(yàn)

(1)原材料。水泥：PO 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。粗骨料：天然粗骨料粒徑為5～31.5 mm，表觀密度為2 758 kg/m3;再生粗骨料粒徑為5～31.5 mm，表觀密度為2 432 kg/m3。細(xì)骨料：普通天然河砂細(xì)度模數(shù)2.65，粒徑<5 mm;機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)3.10，粒徑<5 mm。金剛砂：粒徑為0～2 mm，表觀密度為3 208 kg/m3。摻合料：I級(jí)粉煤灰，細(xì)度8.0%；S95等級(jí)礦粉，密度為2.9 g/cm3。外加劑：聚羧酸減水劑，減水率24%～26%，含氣量為4.8%。

(2)配合比。本實(shí)驗(yàn)中配合比以C30混凝土為基礎(chǔ)，再生骨料的替代率為30%，金剛砂的摻入量分別為5%、10%、15%、20%。各組試件的配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 各組試件配合比設(shè)計(jì)(kg/m3)

4.2 抗折試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試樣是150 mm×150 mm×550 mm的標(biāo)準(zhǔn)小梁試樣，每種配合比制備3個(gè)相同的試樣，共18個(gè)。本次試驗(yàn)在MTS微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用三分點(diǎn)加載方式進(jìn)行加載，如圖2所示。

圖2 三分點(diǎn)加載方式示意圖

圖3 四點(diǎn)彎曲抗折試驗(yàn)

將試件從養(yǎng)護(hù)室拿出來(lái)并用打磨機(jī)把與試驗(yàn)機(jī)支座接觸的地方打磨平整和支座對(duì)齊，讓試件和支座接觸穩(wěn)定。先手動(dòng)調(diào)試盡量讓加載點(diǎn)靠近試件，然后再以0.05 MPa/s的加載速度，使試驗(yàn)機(jī)開(kāi)始工作，如圖3所示。

表2 彎曲抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(2)各組試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看到，天然混凝土、再生混凝土與金剛砂改性再生混凝土的破壞過(guò)程都是試件純彎段底部最開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增大裂縫寬度也增大，在聽(tīng)見(jiàn)“嘭”的一聲后，試件突然斷裂，此時(shí)已達(dá)到破壞荷載，具有明顯的脆性破壞特征。

4.3 結(jié)果分析

(1)破壞截面分析。根據(jù)破壞截面來(lái)分析，天然混凝土的破壞界面較為平滑整潔，且在試件純彎段的中線附近，斷面由粗骨料斷面和水泥砂漿斷面共同組成，可以看到內(nèi)部蜂窩狀的氣孔較少。再生混凝土的破壞界面則較為粗糙和凹凸不平，雖然在純彎段內(nèi)但是分布在兩邊，這是由于再生混凝土里的粗骨料表面情況比較復(fù)雜，存在新舊水泥砂漿界面區(qū)導(dǎo)致的不均勻性，內(nèi)部有空洞。摻入了金剛砂的再生混凝土破壞界面則介于兩者之間，因?yàn)榻饎偵暗募尤敫纳屏丝斩船F(xiàn)象，使得再生混凝土內(nèi)部分布更均勻一些，如圖4所示。

圖4 RC(左)和SRC(右)斷面

(2)抗折強(qiáng)度分析。根據(jù)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析，摻入30%的再生骨料使混凝土的抗折強(qiáng)度明顯降低，這與文獻(xiàn)的結(jié)果一致，降幅為15.6%，原因可能是再生粗骨料孔隙率大、吸水率高，導(dǎo)致與水泥砂漿截面的粘接性較差，所以再生混凝土內(nèi)部有較多空洞，密實(shí)度低，影響了抗折強(qiáng)度。金剛砂混凝土隨著金剛砂摻量的增加抗折強(qiáng)度有不同程度的增強(qiáng)，SRC1、SRC2、SRC3、S4RC較RC的抗折強(qiáng)度分別提高了6.4%、15.7%、19.7%、21.1%；SRC1和SRC2較C的抗折強(qiáng)度分別降低了10.6%和2.9%，SRC3和SRC4較C的抗折強(qiáng)度分別提升了0.5%和1.7%。這說(shuō)明在合適的金剛砂摻量下，能夠彌補(bǔ)再生骨料帶來(lái)的強(qiáng)度缺陷，并且隨著金剛砂摻量的增加，抗折強(qiáng)度也不斷地提升，能達(dá)到同等配合比天然混凝土的抗折強(qiáng)度。但是在金剛砂的摻入量高于15%時(shí)，抗折強(qiáng)度沒(méi)有繼續(xù)大幅度的提升，此時(shí)明顯已經(jīng)達(dá)到最佳的增益效果(見(jiàn)圖5、圖6)。

圖5 各組試件抗折強(qiáng)度值

圖6 各組試件抗折強(qiáng)度比

由以上論述，可得出以下結(jié)論：

(1)再生粗骨料的摻入明顯降低了混凝土的抗折強(qiáng)度。

(2)金剛砂摻入再生混凝土中可以很好地改善因再生混凝土內(nèi)部新舊砂漿界面區(qū)粘結(jié)力較弱而產(chǎn)生的空洞現(xiàn)象，從而提升再生混凝土的抗折性能。

(3)當(dāng)金剛砂替換率為15%的時(shí)候，再生混凝土能達(dá)到與普通混凝土同等的抗折強(qiáng)度，既能最大程度地回收利用建筑垃圾，也能滿足實(shí)際工程的強(qiáng)度需求。