鋼纖維大粒徑再生粗骨料混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究*

劉春陽(yáng)， 高英棋， 顧一凡， 吳洋洋， 于桂欣

(1 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 濟(jì)南 250101；2 山東建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 濟(jì)南 250101)

0 引言

再生混凝土是一種綠色建筑材料，由廢舊混凝土破碎篩分而成，既有利于緩解天然骨料過(guò)度開(kāi)采所造成的資源短缺問(wèn)題，也有利于減輕廢舊混凝土對(duì)環(huán)境的污染。梁是混凝土結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件，再生混凝土梁的力學(xué)性能變化規(guī)律也成為眾多學(xué)者的研究重點(diǎn)。曹萬(wàn)林等[1]對(duì)不同取代率的再生混凝土梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，再生混凝土梁在受力過(guò)程中，也具有明顯的彈性、開(kāi)裂、屈服、極限四個(gè)階段。陳愛(ài)玖等[2]對(duì)不同取代率的再生混凝土梁進(jìn)行受彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，平截面假定仍然適用于再生混凝土梁，隨再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土梁底部裂縫數(shù)目增多、間距減小、極限承載力下降。董宏英等[3]對(duì)高強(qiáng)再生鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，與普通混凝土相比，高強(qiáng)再生混凝土梁的開(kāi)裂彎矩和極限抗彎承載力稍有降低；與高強(qiáng)普通混凝土梁相比，高強(qiáng)再生混凝土梁抗彎剛度較小，但延性較好。程?hào)|輝等[4]通過(guò)對(duì)5根不同鋼纖維摻量的再生混凝土梁進(jìn)行受彎破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼纖維的摻入對(duì)裂縫的發(fā)展有較好抑制作用，可以提高再生混凝土梁的延性。高丹盈等[5]通過(guò)對(duì)鋼纖維高強(qiáng)混凝土梁進(jìn)行靜載及等幅疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨鋼纖維摻量的變化，梁的撓度最多降低61%。伍凱等[6]研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維的摻入,有利于提高梁在峰值荷載狀態(tài)下的耐損傷性能，即使在較嚴(yán)重的損傷狀態(tài)下也依然能夠保持極限承載能力。CFRP(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)和加固中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。趙彤等[7]通過(guò)9根CFRP布加固鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用CFRP布可以顯著提高鋼筋混凝土梁的極限受彎承載力，減小試驗(yàn)梁撓度，增加抗彎剛度。丁智等[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)采用CFRP布對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固，可以提高極限荷載和整體抗彎剛度，減小跨中撓度，對(duì)于預(yù)裂受彎試件，可以延緩初始裂縫變寬，抑制新裂縫發(fā)展。肖建莊等[9]將國(guó)內(nèi)外再生混凝土梁抗彎承載力的試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，現(xiàn)行規(guī)范正截面受彎承載力計(jì)算方法同樣適用于再生混凝土適筋。陳宗平等[10]從再生骨料取代率方面對(duì)梁的極限承載力做了分析，結(jié)果表明，隨著再生粗骨料取代率的增加，試件的極限承載力略有降低，現(xiàn)行混凝土規(guī)范方法可適用于再生混凝土梁的極限承載力及短期剛度計(jì)算。

再生混凝土最優(yōu)配合比 表1

上述研究主要是針對(duì)中小粒徑再生混凝土梁的力學(xué)性能研究，對(duì)于大粒徑再生粗骨料研究較少。文中將30～60mm粒徑范圍的再生骨料定義為大粒徑再生粗骨料。大粒徑再生粗骨料混凝土可以提升粗骨料破碎效率，有利于減少骨料破碎過(guò)程對(duì)其自身結(jié)構(gòu)造成的損傷，減輕薄弱界面處微裂縫的發(fā)展程度。文中通過(guò)試驗(yàn)對(duì)摻入鋼纖維的大粒徑再生粗骨料混凝土梁抗彎性能進(jìn)行了研究，以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)所采用的大粒徑再生粗骨料來(lái)自濟(jì)南某拆除廢棄建筑物，含有少量紅磚碎塊，直徑為31.5～60mm。天然粗骨料采用普通碎石，最大粒徑為31.5mm，砂為天然中砂，試驗(yàn)所用水泥為P.O 42.5R普通硅酸鹽水泥，外加劑采用聚羧酸系高性能減水劑，纖維為鍍銅高強(qiáng)度鋼纖維，長(zhǎng)13mm，長(zhǎng)徑比為65，抗拉強(qiáng)度不小于2 850MPa，CFRP布為高強(qiáng)度I級(jí)，抗拉強(qiáng)度為3 400MPa，彈性模量為2.3×105MPa，厚度為0.167mm。為改善再生混凝土的和易性摻入粉煤灰，為增強(qiáng)再生混凝土的抗壓、抗?jié)B性能摻入硅灰，為約束微觀裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展摻入1%的鋼纖維，具體配合比如表1所示。由于再生骨料吸水率較高，需要預(yù)先吸水潤(rùn)濕。

1.2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4根簡(jiǎn)支梁試件，試件編號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表2。梁截面尺寸均為200mm×400mm，梁長(zhǎng)2 400mm，支座間凈距2 100mm。試件尺寸及截面配筋如圖1所示?？v筋采用直徑為16mm的HRB400級(jí)鋼筋，箍筋采用直徑為8mm的HRB400級(jí)鋼筋，箍筋間距為100mm?；炷帘Ｗo(hù)層厚度為15mm，實(shí)測(cè)鋼筋與混凝土的力學(xué)性能見(jiàn)表3和表4。試件L-1為普通混凝土梁，試件L-2，L-3為大粒徑再生粗骨料混凝土梁，試件L-4是預(yù)損加固的再生混凝土梁。試件L-4預(yù)損加固時(shí)，先加載至150kN，此時(shí)鋼筋應(yīng)變?yōu)?94.5×10-6，梁底出現(xiàn)少量豎向細(xì)長(zhǎng)裂縫，然后卸載至零再按照正常加固施工方法粘貼CFRP布。CFRP布位置如圖2所示。圖2梁底處粘貼一層長(zhǎng)1 200mm、寬200mm的CFRP布，用于構(gòu)件損傷后加固；跨中加載點(diǎn)與支座間的彎剪作用區(qū)段各粘貼兩道寬100mm的CFRP布U形箍，每道CFRP 布層數(shù)為兩層，以防止梁在加載過(guò)程中發(fā)生剪切破壞。

圖1 試件尺寸與截面配筋

圖2 CFRP布位置示意圖

1.3 加載制度及測(cè)量指標(biāo)

試驗(yàn)主要量測(cè)跨中截面底部?jī)筛遣靠v向鋼筋的應(yīng)變(S1～S4)，跨中截面混凝土應(yīng)變(混凝土應(yīng)變片截面高度方向間距為80mm)，支座、跨中加載點(diǎn)的豎向位移。試驗(yàn)在山東建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。試驗(yàn)采用跨中單點(diǎn)集中加載方式，正式加載前進(jìn)行預(yù)加載，待測(cè)量設(shè)備正常工作，荷載、撓度、應(yīng)變數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，卸載至初始狀態(tài)開(kāi)始正式加載。加載初期，每級(jí)荷載增量為20kN；當(dāng)加載至100kN時(shí)，每級(jí)荷載增量調(diào)整為40kN；加至峰值荷載后，數(shù)據(jù)加密采集，直至荷載迅速下降或無(wú)法繼續(xù)加載時(shí)，停止試驗(yàn)。用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集加載荷載與加載點(diǎn)處位移，以其為依據(jù)繪制荷載-撓度曲線，并人工觀察測(cè)繪裂縫。

試件設(shè)計(jì)參數(shù) 表2

鋼筋材料力學(xué)性能 表3

混凝土材料力學(xué)性能 表4

圖3 試驗(yàn)加載裝置實(shí)物圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 平截面假定適用性

各試件跨中截面混凝土應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖可知，加載過(guò)程中，梁跨中截面混凝土應(yīng)變沿其高度方向基本成線性關(guān)系，平截面假定適用。

圖4 混凝土應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

各試件最終破壞狀態(tài)及裂縫分布如圖5所示。對(duì)于試件L-1～L-3，加載至100kN時(shí)，梁底部出現(xiàn)豎向細(xì)小彎曲裂縫；當(dāng)荷載增加至200kN時(shí)，跨中豎向裂縫最大寬度增至2mm左右，底部混凝土應(yīng)變片斷裂；此后的加載過(guò)程中，豎向裂縫數(shù)量增多并向上發(fā)展，鋼纖維被拉斷，受壓區(qū)混凝土被壓碎，跨中形成兩條寬度約為10mm的主裂縫，底部縱筋被拉斷。試件破壞，停止試驗(yàn)。

圖5 梁破壞形態(tài)

對(duì)于試件L-4，預(yù)損加載至150kN時(shí)，出現(xiàn)豎向細(xì)長(zhǎng)裂縫。加固后重新加載至100kN時(shí)，原有裂縫開(kāi)始發(fā)展；加載至250kN時(shí)，豎向裂縫繼續(xù)向上發(fā)展，斜向裂縫出現(xiàn)并延伸，但裂縫寬度均無(wú)顯著增加；繼續(xù)加載，梁底CFRP布開(kāi)始斷裂，伴有輕微拉裂響聲，荷載增加到276kN時(shí),梁底CFRP布在距跨中600mm處完全斷裂，梁底保護(hù)層表面的混凝土隨CFRP布一同剝落，承載力迅速下降至239kN，撓度急劇增大，不能繼續(xù)加載而停止試驗(yàn)。

2.3 荷載-跨中撓度分析

各試件荷載-跨中撓度曲線如圖6所示。由圖可見(jiàn)，再生混凝土梁與普通混凝土梁受彎破壞過(guò)程無(wú)顯著差別，都經(jīng)過(guò)了彈性階段、帶裂縫工作階段、屈服階段和破壞階段。

圖6 荷載-跨中撓度曲線

對(duì)于試件L-1，當(dāng)荷載加至250kN時(shí)，達(dá)到試驗(yàn)記錄的峰值荷載；對(duì)于試件L-2和L-3，當(dāng)分別加載至271kN和257kN時(shí)，達(dá)到試驗(yàn)記錄的峰值荷載。與試件L-1相比，試件L-2和L-3的峰值荷載分別提高約8.4%和2.8%，這是由于天然骨料與大粒徑再生粗骨料形成了良好的密實(shí)骨架，充分發(fā)揮了材料的力學(xué)性能，提高了試件梁的抗彎承載力。試件L-1，L-2和L-3達(dá)到峰值荷載時(shí)的跨中撓度分別為68.99，74.70mm和57.66mm。與試件L-1相比，試件L-2的跨中撓度增大8.3%，試件L-3的跨中撓度減小16.4%，這是由于再生骨料表面附著了一層老砂漿,形成了再生混凝土內(nèi)薄弱的界面過(guò)渡區(qū)，易于裂縫開(kāi)展，造成跨中撓度增大，但當(dāng)試件中大粒徑再生粗骨料含量增大到一定比例時(shí)，大粒徑再生粗骨料可以起到阻礙裂縫發(fā)展的作用，從而使得試件L-3的跨中撓度減小。

試件L-4加載初期的荷載-跨中撓度曲線與試件L-3相似。試件L-4達(dá)到峰值荷載276kN時(shí)，梁底CFRP布斷裂，承載能力迅速下降至239kN，但此后仍具有承載能力；荷載再次達(dá)到272kN時(shí)試件破壞，破壞時(shí)的跨中撓度為54.99mm，與試件L-3峰值跨中撓度相比減小4.6%。

2.4 荷載-鋼筋應(yīng)變結(jié)果

各試件荷載-鋼筋應(yīng)變曲線如圖7所示。由圖可見(jiàn)，加載初期鋼筋應(yīng)變與荷載基本成線性關(guān)系，試件L-1的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率最大，當(dāng)荷載增至200kN時(shí)，試件L-1的應(yīng)變約為其他試件的1.6倍。這是因?yàn)樵嚰﨤-1骨料粒徑相對(duì)較小，受壓區(qū)包裹骨料的水泥砂漿易產(chǎn)生變形，為受拉縱筋的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)提供條件，試件L-2～L-4中大粒徑粗骨料及其表面粘附的水泥砂漿可以作為支架發(fā)揮抗壓作用，受壓區(qū)變形較小，受拉縱筋變形空間有限。當(dāng)試件L-1～L-4的荷載分別達(dá)到207，220，257，270kN以后，各試件承載力不再顯著增加，但應(yīng)變急劇增加，荷載-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出近似平臺(tái)發(fā)展的特征。

圖7 荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

3 有限元模擬分析

文中采用 ABAQUS有限元分析軟件，基于塑性損傷模型進(jìn)行建模。文中鋼纖維再生混凝土采用高丹盈等[11]建立的考慮鋼纖維和再生骨料影響的SFRCAC軸壓本構(gòu)模型；受拉本構(gòu)模型采用盧欽旺等[12]建立的再生混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程；鋼筋的本構(gòu)模型采用理想彈塑性模型；材料屬性采用試驗(yàn)實(shí)測(cè)值；CFRP布的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線彈性關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)CFRP布極限抗拉強(qiáng)度時(shí)認(rèn)定為材料破壞。在各試件梁加載點(diǎn)以及支座處設(shè)置鋼墊板，墊板底部設(shè)置耦合約束。采用“生死單元法”對(duì)試件L-4進(jìn)行加載過(guò)程的模擬。在試件左側(cè)支座對(duì)x，y，z三個(gè)方向位移自由度進(jìn)行約束，右側(cè)支座對(duì)x，y兩個(gè)方向位移自由度進(jìn)行約束。采用荷載控制的方式進(jìn)行加載。

各試件的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D模擬結(jié)果如圖8所示，四個(gè)試件均是典型的受彎破壞，與圖5梁試件最終破壞狀態(tài)較為吻合。圖9為四根梁加載點(diǎn)荷載-撓度模擬值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果。由圖9可見(jiàn)，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值吻合良好，整體誤差較小，可以較為準(zhǔn)確地模擬文中各試件的受彎性能。

圖8 各試件等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

圖9 各構(gòu)件加載點(diǎn)撓度模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 抗彎承載力計(jì)算

文中參照《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 465—2019)[13]和《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50367—2013)[14]的計(jì)算公式(1)，(2)對(duì)各試件荷載-撓度曲線中的抗彎承載力進(jìn)行計(jì)算。

(1)

(2)

抗彎承載力試驗(yàn)值與規(guī)范計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)表5。由表可見(jiàn)，各試件抗彎承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值比較吻合，誤差在2.0%～15.3%之間，表明現(xiàn)行規(guī)范中的抗彎承載力計(jì)算公式適用于文中試件的抗彎承載力計(jì)算。

抗彎承載力試驗(yàn)值與規(guī)范計(jì)算值 表5

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋼纖維大粒徑再生粗骨料混凝土梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

(1)鋼纖維大粒徑再生粗骨料混凝土梁發(fā)生典型受彎破壞，其破壞機(jī)理與普通混凝土梁的受彎破壞機(jī)理基本相同。再生混凝土梁正截面應(yīng)變服從平截面假定。

(2)隨著大粒徑再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土梁的極限抗彎承載力高于普通混凝土梁；采用CFRP布進(jìn)行加固后，再生混凝土梁跨中撓度減小，峰值承載力有較大提升，但加載后期CFRP布受拉斷裂后，梁試件的受力狀態(tài)與非加固梁基本一致。

(3)ABAQUS 有限元數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，可較好地模擬鋼纖維大粒徑再生粗骨料混凝土梁的破壞特征和受力性能?，F(xiàn)行規(guī)范中混凝土梁極限承載力計(jì)算公式適用于鋼纖維大粒徑再生粗骨料混凝土梁抗彎承載力計(jì)算。