鋼筋堿式硫酸鎂混凝土梁斜拉破壞的試驗(yàn)研究

曾翔超，余紅發(fā)

(1.長江師范學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶 408100；2.南京航空航天大學(xué)土木工程系，南京 210016)

0 引 言

堿式硫酸鎂混凝土是一種近期研發(fā)的新型混凝土，研究中發(fā)現(xiàn)其具有超過同抗壓強(qiáng)度普通混凝土一倍的抗拉強(qiáng)度，較大的剛度，且具有早強(qiáng)、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-5]。現(xiàn)已完成堿式硫酸鎂混凝土柱的偏心受壓、梁的受彎和剪壓破壞等測(cè)試[1]，對(duì)比普通混凝土構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)堿式硫酸鎂混凝土梁和柱的開裂荷載和極限荷載更高，延性更好，C40及以上的構(gòu)件具有裂縫細(xì)而密的特點(diǎn)。當(dāng)堿式硫酸鎂混凝土梁配置較多箍筋(箍筋超配至0.48ft/fy，ft為混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，fy為鋼筋屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。)且1.1≤λ≤1.75(λ為剪跨比)時(shí)將發(fā)生常見的剪壓破壞[3]。斜拉破壞也是現(xiàn)實(shí)中可能發(fā)生的斜截面破壞形式之一，但先前的研究沒有探討當(dāng)λ>1.75或箍箍率較低條件下堿式硫酸鎂混凝土梁將發(fā)生的破壞，不利于堿式硫酸鎂混凝土在結(jié)構(gòu)工程中的推廣應(yīng)用。因此，本文對(duì)6根發(fā)生斜拉破壞的堿式硫酸鎂混凝土梁的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與同設(shè)計(jì)條件的普通混凝土斜拉破壞梁進(jìn)行對(duì)比。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 構(gòu)件的制作

1.1.1 基本原料

以沈陽嘉寶寰球有限公司生產(chǎn)的52.5R堿式硫酸鎂水泥為膠凝材料制備混凝土，配合比見表1。所使用的砂子為河砂，含水率為0.8%；碎石(石灰?guī)r，強(qiáng)度較低)為5～25 mm連續(xù)級(jí)配的碎石。細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.4。所制備混凝土的表觀密度約為2 400 kg/m3。普通混凝土配合比見表2，所用水泥為金羚羊牌硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5。

表1 堿式硫酸鎂混凝土梁混凝土配合比

表2 普通混凝土材料用量

1.1.2 梁的詳圖

梁均采用相同配筋，其截面配筋詳圖如圖1所示，為了突出堿式硫酸鎂混凝土的抗剪貢獻(xiàn)，箍筋取較小直徑和較大間距。設(shè)計(jì)剪跨比λ=3.2。試驗(yàn)梁均為矩形截面簡支梁，尺寸均為b×h=80 mm×160 mm，跨度L=1 500 mm，凈跨L0=1 200 mm。堿式硫酸鎂混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40和C50，塌落度分別為91 mm和41 mm，混凝土保護(hù)層厚度為25 mm。鋼筋均為HPB300級(jí)，縱筋為2根直徑為10 mm鋼筋，架立筋直徑為6 mm;箍筋直徑為6 mm，間距為150 mm。

圖1 梁截面配筋詳圖

1.2 梁的試驗(yàn)前準(zhǔn)備

澆筑鋼筋普通混凝土和堿式硫酸鎂混凝土梁后自然養(yǎng)護(hù)28 d。對(duì)普通混凝土梁和堿式硫酸鎂混凝土梁的同批取樣試塊進(jìn)行28 d強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)應(yīng)抗壓強(qiáng)度達(dá)到C40和C50的強(qiáng)度要求[13]。梁的編號(hào)如表3所示。

表3 梁的編號(hào)

梁的加載點(diǎn)到支座間的距離為0.4 m。采用TDS-303應(yīng)變采集系統(tǒng)記錄應(yīng)變值，用10倍放大鏡觀察裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展，用SW-LW-201裂縫觀測(cè)儀測(cè)量裂縫寬度。試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)第一條裂縫時(shí)的開裂荷載Pcr被記錄下來?？缰械乳g距粘貼5片混凝土應(yīng)變片。加載裝置圖見圖2。

圖2 加載裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 斜拉破壞梁的典型破壞形態(tài)

2.1.1 xljm50-1堿式硫酸鎂混凝土梁

加載約15 kN,初始裂縫(約0.03 mm寬)出現(xiàn)在梁跨中附近，此時(shí)梁的跨中撓度為1.04 mm。19.9 kN時(shí)梁的底部開裂，位置與側(cè)面開裂位置對(duì)應(yīng)。隨著荷載的增加，沿梁的中線兩側(cè)逐步對(duì)稱出現(xiàn)向上的裂縫(約0.04 mm寬)。梁的裂縫展開圖見圖3。圖中序號(hào)代表裂縫出現(xiàn)的順序，旁邊數(shù)字代表裂縫出現(xiàn)或延伸時(shí)的荷載值(單位為kN)。

圖3 xljm50-1梁裂縫展開圖

荷載進(jìn)一步增加至18.4 kN，梁中線兩側(cè)各出現(xiàn)兩條向上裂縫，原有裂縫進(jìn)一步向上擴(kuò)展，其裂縫寬度進(jìn)一步增加。荷載增至42 kN時(shí)，出現(xiàn)支座與相鄰上部加載點(diǎn)之間(剪壓區(qū))的未貫通斜裂縫(裂縫寬約0.03 mm)。加載至48 kN時(shí)，所有裂縫進(jìn)一步變寬，但未進(jìn)一步擴(kuò)展。加載至50 kN時(shí)，支座與上部加載點(diǎn)間裂縫貫通(裂縫寬度約為0.45 mm)，其余裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，但未有其他貫通裂縫出現(xiàn)。加載至53 kN，支座與加載點(diǎn)間裂縫突然變寬，鋼筋明顯屈服，梁自裂縫處斷成兩截(見圖4)。此時(shí)，跨中裂縫已擴(kuò)展至受壓區(qū)，跨中撓度為7.3 mm。

圖4 xljm50-1梁破壞形態(tài)圖

整個(gè)破壞過程中，梁的初始開裂破壞形態(tài)與彎曲破壞類似(即第一條裂縫出現(xiàn)在跨中附近，隨著荷載增加，跨中兩側(cè)對(duì)稱出現(xiàn)若干條裂縫，并不斷向受壓區(qū)擴(kuò)展、變寬)，只在即將破壞時(shí)(約82%破壞荷載)才出現(xiàn)剪壓區(qū)斜裂縫，破壞發(fā)生時(shí)跨中主裂縫即將貫通。

2.1.2 xljm50-2堿式硫酸鎂混凝土梁

加載至16 kN，梁跨中兩側(cè)各出現(xiàn)1條裂縫，此時(shí)跨中撓度1.04 mm。隨著荷載的增加，梁彎曲段的裂縫增多，但裂縫發(fā)展緩慢。加載至40 kN時(shí)，梁的剪壓區(qū)靠近支座的垂直裂縫改變了方向(朝向加載點(diǎn))，即延伸成為了斜裂縫；跨中裂縫不再向受壓區(qū)擴(kuò)展。加載至55 kN，能聽到梁中輕微的響聲，由支座指向加載點(diǎn)的斜裂縫急劇增長即將貫通，鋼筋應(yīng)變急劇增長，此時(shí)跨中撓度為8.21 mm。加載至60 kN時(shí)，梁由支座指向加載點(diǎn)的斜向裂縫貫通，其后受壓區(qū)混凝土壓碎，試驗(yàn)梁破壞(見圖5)，跨中撓度11.8 mm，裂縫分布圖如圖6所示。

圖5 xljm50-2梁破壞形態(tài)圖

圖6 xljm50-2梁裂縫展開圖

2.1.3 xlpc50普通混凝土梁

在12 kN時(shí)，普通混凝土梁跨中附近開裂(約0.03 mm)，跨中撓度0.73 mm。加載至28 kN時(shí)，彎曲段已有裂縫進(jìn)一步變寬，裂縫寬度約為0.45 mm，但未進(jìn)一步擴(kuò)展，出現(xiàn)支座與上部加載點(diǎn)間斜裂縫，但未貫通。隨著荷載增大，斜裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。加載至37 kN，支座與加載點(diǎn)間斜裂縫貫通、下端變寬，鋼筋明顯屈服，梁自裂縫處斷成兩截(見圖7)。此時(shí)，跨中彎曲裂縫已擴(kuò)展至受壓區(qū)，跨中撓度為7.9 mm。

圖7 普通硅酸鹽混凝土梁破壞形態(tài)

2.1.4 xljm40-1、xljm40-2和xljm40-3

破壞過程和破壞形態(tài)同xljm50-1和xljm50-2，但開裂荷載和極限荷載更低(見表4)。

2.2 梁跨中混凝土的荷載-應(yīng)變關(guān)系

從圖8堿式硫酸鎂混凝土梁跨中荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線中可以看出，堿式硫酸鎂混凝土斜拉破壞梁跨中截面在荷載較小時(shí)仍符合平截面假定。

圖8 堿式硫酸鎂混凝土梁跨中荷載-應(yīng)變關(guān)系

2.3 梁荷載-跨中撓度

從圖9梁荷載-跨中撓度對(duì)比曲線可以看出，與普通混凝土梁相比，堿式硫酸鎂混凝土梁塑性階段的撓度更大。因此，堿式硫酸鎂混凝土梁的延性更好。

圖9 梁荷載-跨中撓度對(duì)比曲線

2.4 梁荷載-跨中受拉縱筋應(yīng)變

從圖10梁荷載-跨中主筋應(yīng)變對(duì)比曲線可以看出，斜拉破壞時(shí)，堿式硫酸鎂混凝土梁的鋼筋變形更充分，再對(duì)比破壞過程的撓度變化、裂縫開展情況等，可以得出結(jié)論：斜拉破壞時(shí)堿式硫酸鎂混凝土梁的承載力更高、延性更好。

圖10 梁荷載-跨中主筋應(yīng)變對(duì)比曲線

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)斜拉破壞結(jié)果(見表4)顯示，堿式硫酸鎂混凝土梁承載力比同配筋同混凝土強(qiáng)度的普通硅酸鹽混凝土梁提高20%以上。從堿式硫酸鎂混凝土梁的破壞形態(tài)可以看出，被斜裂縫分割的梁體間不會(huì)有相對(duì)切向位移，骨料咬合作用非常有限。兩種材料梁在整個(gè)破壞過程中，初始開裂形態(tài)均與受彎破壞梁的開裂情形類似，都是在垂直裂縫出現(xiàn)以后才出現(xiàn)斜裂縫，只在將要破壞時(shí)(約82%破壞荷載)才出現(xiàn)支座與加載點(diǎn)間的斜裂縫，斜拉破壞發(fā)生時(shí)跨中主裂縫即將貫通，以一條臨界斜裂縫迅速擴(kuò)展導(dǎo)致破壞為主要特征。梁的破壞由混凝土的抗拉強(qiáng)度控制，屬于典型的脆性破壞，但比起剪壓破壞更能體現(xiàn)堿式硫酸鎂混凝土對(duì)承載力的貢獻(xiàn)。

表4 梁承載力統(tǒng)計(jì)表

(2)xlpc50、xljm50-1和xljm50-2這三根梁都是縱筋先屈服，在達(dá)到正截面承載力極限狀態(tài)之前，達(dá)到斜截面承載力極限狀態(tài)而發(fā)生剪切破壞。通常認(rèn)為，梁箍筋配筋不足或剪跨比大于2.5～3時(shí)就可能發(fā)生斜拉破壞。本試驗(yàn)發(fā)生斜拉破壞原因?yàn)榻財(cái)嗉芰摻顚?dǎo)致箍筋部分失效(等同于配箍率大幅較低),且剪跨比λ=3.2。

(3)對(duì)比已有的研究[3]結(jié)果，梁的斜拉破壞比受彎破壞的承載力高一些。這是因?yàn)榕c受彎破壞梁不同，梁在斜拉破壞前，斜向主裂縫附近的混凝土都參與了受拉。堿式硫酸鎂混凝土通過提高水泥組分的細(xì)度與活性，使材料內(nèi)部的孔隙與微裂縫盡可能地減少，提高了堿式硫酸鎂混凝土的勻質(zhì)性和密實(shí)度，故相比普通混凝土其具有較高的抗拉強(qiáng)度[6-16]，使得堿式硫酸鎂混凝土梁破壞荷載高出同條件普通混凝土梁，體現(xiàn)了堿式硫酸鎂混凝土的優(yōu)越性。堿式硫酸鎂混凝土梁斜拉破壞的承載力低于剪壓破壞時(shí)的承載力，因?yàn)榧魤浩茐牧号渲玫妮^多箍筋能充分發(fā)揮抗剪作用，而箍筋的抗剪效果比堿式硫酸鎂混凝土的抗剪效果好得多。

3 矩形構(gòu)件的斜拉破壞承載力計(jì)算公式

對(duì)比已有的研究[3]結(jié)果，與普通混凝土梁相同的是，堿式硫酸鎂混凝土構(gòu)件斜拉破壞承載力比剪切破壞承載力低，但比彎曲破壞承載力高；不同的是，堿式硫酸鎂混凝土梁承載力比普通混凝土梁的開裂荷載和極限承載力提高了20%以上。

從表4中分析可得，對(duì)比普通混凝土，堿式硫酸鎂混凝土在梁斜拉破壞過程中起了更大的作用。從研究[13]中可以看出，堿式硫酸鎂混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度較普通混凝土有較大提高。故堿式硫酸鎂混凝土的高抗拉強(qiáng)度能在其構(gòu)件斜拉破壞中發(fā)揮較大作用，對(duì)梁的抗裂作用也很明顯。C40以上堿式硫酸鎂混凝土的骨料咬合力比普通混凝土高1倍以上[13]，這也是本文堿式硫酸鎂混凝土斜拉破壞梁承載力比普通混凝土梁承載力高的內(nèi)在原因。

無腹筋梁斜拉(剪切)破壞采用是“拱-齒”模型，裂縫之間的混凝土形成“齒”，梁的受力如同一帶拉桿的“拱”，堿式硫酸鎂混凝土無腹筋梁的剪力傳遞就是靠“拱-齒”來實(shí)現(xiàn)的。斜截面上的力有受壓區(qū)混凝土承擔(dān)的剪力、骨料咬合力和縱筋銷栓力。

根據(jù)對(duì)以往試驗(yàn)分析，縱向受拉鋼筋的配筋率ρ對(duì)無腹筋梁抗剪承載力Vc的影響可用系數(shù)βρ=0.7+20ρ來表示；通常在ρ>1.5%時(shí)，縱向受拉鋼筋的配筋率ρ對(duì)無腹筋梁受剪承載力的影響才較為明顯，故在公式(1)～(3)中未納入系數(shù)βρ。

C50堿式硫酸鎂混凝土對(duì)剪切的貢獻(xiàn)：

ftbh0=0.85×4×80×125=34 kN

(1)

箍筋對(duì)斜拉破壞梁貢獻(xiàn)：

fyvAsvh0/s=210×57×125/150=10 kN

(2)

在系數(shù)回歸后，斜拉破壞梁(在λ≥3，箍筋較少時(shí))的承載力(V)計(jì)算公式為：

V=1.3ftbh0+fyvAsvh0/s

(3)

式中：fyv為箍筋的抗剪強(qiáng)度，MPa；ft為堿式硫酸鎂混凝土抗拉強(qiáng)度，MPa；Asv為箍筋截面積，mm2；s為箍筋間距,mm；h0為梁的有效高度,mm；b為梁的截面寬度,mm。

計(jì)算公式中沒有考慮梁剪跨比λ的限值，因?yàn)楫?dāng)λ≥3時(shí)，梁也易發(fā)生彎曲破壞。如果堿式硫酸鎂混凝土梁發(fā)生彎曲破壞形式，則使用修正后的彎曲梁正截面承載力計(jì)算公式[3]。

在《美國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]中，無抗剪鋼筋且只受剪力和彎矩的構(gòu)件，梁的抗剪承載力Vc應(yīng)按式(4)計(jì)算：

(4)

《美國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]還規(guī)定，對(duì)于非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，距離支座邊緣不足h0的各截面上的剪力Vu，按距離支座邊緣h0處算得的剪力來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

《美國混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]計(jì)算的無箍筋、不考慮堿式硫酸鎂混凝土抗拉的計(jì)算結(jié)果為，C50混凝土在19.4 kN破壞，遠(yuǎn)低于實(shí)際的堿式硫酸鎂混凝土梁斜拉破壞荷載。故本文計(jì)算模型相對(duì)精確。

4 結(jié) 論

(1)對(duì)比同條件的普通混凝土斜拉破壞梁，堿式硫酸鎂混凝土梁塑性階段撓度更大，開裂載荷高20%，承載力提高20%以上，即堿式硫酸鎂混凝土梁延性和抗裂性能更好，承載力更高。

(2)堿式硫酸鎂水泥混凝土梁斜拉破壞承載力計(jì)算公式，是對(duì)普通混凝土梁抗剪承載力計(jì)算公式的修正。

(3)在荷載較小的情況下，斜拉破壞梁跨中仍符合平截面假定。

(4)堿式硫酸鎂混凝土梁的斜拉破壞比受彎破壞的承載力高，但比剪壓破壞梁承載力低。