翼緣尺寸對地聚物混凝土T形梁抗剪性能的影響

宋建雄,毛宇光,劉翼瑋,蘇 捷,杜運(yùn)興,史才軍

(1. 湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院 綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410082;2.湖南大學(xué) 湖南省綠色與先進(jìn)土木工程材料國際創(chuàng)新合作中心,湖南 長沙 410082;3. 湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410082)

T形梁是一類由翼緣和梁肋結(jié)合而成的梁,廣泛應(yīng)用于橋梁和公路工程中。相較于矩形梁,T形梁具有成本低、自重輕、承載力高的優(yōu)勢。研究表明:T形梁的力學(xué)性能與混凝土有著密切關(guān)系[1-3]。與普通混凝土(portland cement concrete, PCC)相比,地聚物混凝土(geopolymer concrete, GPC)具有更高的早期強(qiáng)度[4-5],更好的耐高溫[6-7]、耐酸堿[8-11]、耐磨性[12]和抗凍融性[13-14];但GPC存在著收縮徐變較大,彈性模量和抗拉強(qiáng)度較低的問題[15-17]。這說明GPC梁的結(jié)構(gòu)性能與PCC梁存在著較大差異,分析GPC梁的性能對該構(gòu)件推廣具有積極作用。

在GPC梁的抗剪性能方面,C.K.MADHES-WARAN等[18]得出了鋼筋GPC梁剪切失效載荷隨著箍筋間距減小而增加的結(jié)論。目前為止,尚未見到關(guān)于翼緣尺寸對GPC梁抗剪性能影響的相關(guān)報(bào)道。大量試驗(yàn)結(jié)果表明:普通混凝土T形梁抗剪承載力明顯大于相同條件下的矩形梁[19-22],這是因?yàn)門形梁比矩形梁具有更有利于混凝土受壓區(qū)壓力傳遞的結(jié)構(gòu)[23];隨著翼緣寬度(厚度)增加,普通混凝土T形梁抗剪承載力顯著增大,但當(dāng)翼緣寬度與腹板寬度比值大于一定限值時(shí),其抗剪承載力不再繼續(xù)增大[24-25]。由此可見,翼緣尺寸是影響T形梁抗剪性能的重要因素之一。基于此,筆者以T形梁的翼緣厚度和寬度為研究對象,研究了其對GPC梁抗剪性能影響;并基于此討論了現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的適用性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制作

本次試驗(yàn)制作了1根普通混凝土T形梁和4根地聚物混凝土T形梁。試件梁長為2 150 mm,梁高為400 mm,有效高度為330 mm,腹板寬為150 mm,剪跨比為2.5,幾何尺寸及配筋如圖1;4種翼緣尺寸如圖2。

圖1 T形梁試件的尺寸及配筋Fig. 1 Dimensions and reinforcement of T-beam specimens

圖2 T形梁試件的截面尺寸及配筋Fig. 2 Cross-sectional dimensions and reinforcement of T-beam specimens

試件底部縱筋均采用90°標(biāo)準(zhǔn)彎鉤,配置縱筋理論上能保證試件剪切破壞發(fā)生在彎曲破壞前。試件以混凝土種類和翼緣尺寸命名,PCC代表普通硅酸鹽水泥混凝土,GPC代表地聚物混凝土,例如:編號(hào)GPC-T1代表翼緣寬度、高度分別為300、 80 mm的地聚物混凝土T形梁。所有試件相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 T形梁試件設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of T-beam specimens

1.2 試件材料

GPC采用礦渣和粉煤灰作為膠凝組分,礦渣密度為2 880 kg/m3,粉煤灰為F級(jí),密度為2 300 kg/m3。其中:PCC所用水泥為普通硅酸鹽水泥P.O 42.5,化學(xué)組成見表2。

表2 礦渣和粉煤灰的化學(xué)組成Table 2 Chemical compositions of slag and fly ash w.t.%

堿性激發(fā)劑由NaOH、Na2CO3和水玻璃組成,NaOH采用99%純度的片狀NaOH,Na2CO3采用99%純度的粉狀Na2CO3,水玻璃模數(shù)為3.31,其中Na2O、SiO2和水的含量分別為8.3%、26.9%和64.8%。本試驗(yàn)中的GPC和PCC強(qiáng)度等級(jí)均為C30,其配合比見表3。

表3 PCC和GPC配合比Table 3 Mix proportion of PCC and GPC kg/m3

試件底部縱筋均采用直徑為20 mm的HRB400熱軋帶肋鋼筋;箍筋和架立筋均采用直徑為8 mm的HPB300光圓鋼筋。鋼筋標(biāo)準(zhǔn)長度為500 mm,每組3根,按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》[26]進(jìn)行鋼筋的抗拉強(qiáng)度性能測試,實(shí)測結(jié)果如表4。

表4 鋼筋的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of rebars

表5 混凝土的力學(xué)性能Table 5 Mechanical properties of concrete

1.3 試件制作

在澆筑前一天,將NaOH按比例溶解在水玻璃中并冷卻至室溫,蓋好塑料薄膜,防止水分蒸發(fā)。GPC的澆筑過程如下:① 按照配合比將砂、Na2CO3、粉煤灰和礦渣加入攪拌機(jī)中;② 開啟攪拌機(jī),將配置好的堿性激發(fā)劑和水加入攪拌機(jī)中;③ 加入石子繼續(xù)攪拌至均勻。將新拌的GPC漿體立即倒入梁模具中,并用針式振搗器壓實(shí)。梁試件拆除模具后在室溫下養(yǎng)護(hù)至測試日。

1.4 加載裝置及測試

為研究T形梁試件的抗剪性能,采用三點(diǎn)加載方式,在梁跨中位置作用集中荷載,如圖3。采用量程為1 000 kN的液壓千斤頂施加載荷,荷載值由力傳感器測得;為防止加載過程中偏心,在千斤頂下放置球鉸,并在球鉸下放置鋼墊塊避免應(yīng)力集中造成局部破壞;在試件跨中和支座截面處布置位移計(jì)測試梁的撓度,在箍筋和縱筋上黏貼電阻應(yīng)變片測試鋼筋應(yīng)變。試驗(yàn)采用分級(jí)加載,每級(jí)加載后等待3 min,待試件變形穩(wěn)定后觀察混凝土裂縫的開展情況,并繪制裂縫擴(kuò)展圖,采用裂縫寬度觀測儀測量裂縫寬度。試驗(yàn)過程中的荷載、撓度、鋼筋應(yīng)變由應(yīng)變箱實(shí)時(shí)采集。

圖3 T形梁試件的加載Fig. 3 Loading of T-beam specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 荷載-跨中撓度關(guān)系

T形梁試件的荷載-撓度關(guān)系曲線如圖4。在加載初期,試件未開裂,GPC梁和PCC梁的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線均呈直線增長,GPC梁的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線重合在一起;當(dāng)加載至125 kN時(shí),GPC梁的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線開始分離,其原因主要是在相同強(qiáng)度情況下PCC抗拉強(qiáng)度通常高于GPC梁。在相同荷載下,GPC-T1的跨中撓度始終大于PCC-T1,因此GPC-T1的剛度小于PCC-T1,這說明GPC梁的剛度比相同條件下的PCC梁要小,這與GPC梁較低的彈性模量有關(guān)[16];隨著荷載增大,GPC-T1、GPC-T2、GPC-T3的跨中撓度依次減小,而GPC-T4與GPC-T1接近,這表明GPC梁的剛度隨翼緣厚度增大而增加,未隨翼緣寬度增大而增加。

圖4 T形梁試件的荷載-撓度關(guān)系曲線Fig. 4 Load-deflection relationship curve of T-beam specimens

表6列出了T形梁試件的抗剪試驗(yàn)結(jié)果,包括試件的斜截面開裂荷載Psc、極限承載力Pu、極限承載力對應(yīng)的跨中撓度Δm、抗剪承載力Vu、試件破壞時(shí)跨中的縱筋應(yīng)變和失效模式。

表6 T形梁試件的抗剪試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Shear test results of T-beam specimens

由表6可知:GPC-T1的極限承載力與PCC-T1基本相等,但在極限承載力下的跨中撓度比PCC-T1大29.6%。GPC-T1、GPC-T2、GPC-T3的極限承載力和對應(yīng)的跨中撓度依次增大;GPC-T2、GPC-T3的極限承載力分別比GPC-T1大8.6%、12.7%,對應(yīng)跨中撓度分別比GPC-T1大15.7%、25.4%;GPC-T4的極限承載力和對應(yīng)跨中撓度與GPC-T1接近。由此可知,GPC梁的極限承載力和對應(yīng)跨中撓度隨著翼緣厚度的增大而增加,隨翼緣寬度的增大變化不明顯。

2.2 裂縫擴(kuò)展和失效模式

試件破壞時(shí)的裂縫形態(tài)和失效模式如圖5。由圖5可知:GPC-T1的裂縫數(shù)量比PCC-T1多,臨界斜裂縫寬度比PCC-T1大。這是因?yàn)镚PC梁較強(qiáng)的收縮使得基體上產(chǎn)生了更多初始微裂紋[15,27-28],且GPC梁較低的彈性模量和抗拉強(qiáng)度使得裂縫的寬度更大[16-17]。在加載初期,所有試件均是先出現(xiàn)彎曲裂縫,接著在剪跨區(qū)腹板上出現(xiàn)斜裂縫;所有試件的首條斜裂縫均為腹剪型斜裂縫。隨著荷載增加,斜裂縫數(shù)量增多、寬度增大,并向加載點(diǎn)和支座延伸,而彎曲裂縫緩慢地向加載點(diǎn)延伸。當(dāng)斜裂縫延伸至腹板和翼緣交界處時(shí),先沿翼緣底面擴(kuò)展,然后向加載點(diǎn)延伸。當(dāng)載荷接近極限荷載時(shí),臨界斜裂縫寬度迅速擴(kuò)展增大并貫通至翼緣頂部,試件破壞失效,所有試件均發(fā)生剪壓破壞。當(dāng)臨界斜裂縫擴(kuò)展至腹板和翼緣交界處時(shí),由于翼緣存在,臨界斜裂縫并非直接向加載點(diǎn)延伸,而是呈“V”字曲折地向加載點(diǎn)延伸。這說明翼緣能阻礙臨界斜裂縫擴(kuò)展,且在文中翼緣厚度范圍內(nèi),翼緣越厚,這種阻礙作用越明顯。

圖5 T形梁試件的裂縫形態(tài)和失效模式Fig. 5 Crack morphology and failure mode of T-beam specimens

試件斜裂縫寬度隨載荷增加的變化如圖6。由圖6可知:GPC-T1的斜截面開裂荷載低于PCC-T1,這與GPC梁較低的抗拉強(qiáng)度有關(guān)[29]。所有GPC梁的斜截面開裂荷載沒有明顯差異,這說明翼緣厚度或?qū)挾仍黾訉PC梁的斜截面開裂荷載沒有顯著影響。在相同荷載下,GPC-T1的斜裂縫寬度顯著大于PCC-T1,這說明地聚物混凝土T形梁具有比普通混凝土T形梁更大的脆性。GPC梁的自收縮和干燥收縮大于PCC梁,因而其基體中存在更多的初始微裂紋[28]。筆者制作的GPC梁和PCC梁所使用骨料一致,但GPC梁的骨料含量比PCC梁低,因此GPC梁的彈性模量低于PCC梁[27];在相同強(qiáng)度情況下,GPC梁的抗拉強(qiáng)度通常低于PCC梁[17]。因此,GPC梁較低的彈性模量和抗拉強(qiáng)度及基體中更多的初始微裂紋,使得其表現(xiàn)出比PCC梁更大的脆性[30],故GPC梁中的微裂紋發(fā)展得比PCC梁更快,斜裂縫寬度更大。在相同荷載下,GPC-T1、GPC-T2、GPC-T3的斜裂縫寬度依次減小,且GPC-T4的斜裂縫寬度小于GPC-T1。由此可見,翼緣厚度或?qū)挾仍龃竽芴岣逩PC梁的抗裂性。

圖6 荷載與PCC和GPC梁斜裂縫寬度關(guān)系Fig. 6 Relationship between load and the width of inclined crack of PCC and GPC beams

2.3 荷載-鋼筋應(yīng)變關(guān)系

2.3.1 荷載-縱筋應(yīng)變變化規(guī)律及分析

在對縱筋應(yīng)變分析時(shí),取第1排縱筋上的兩個(gè)應(yīng)變數(shù)據(jù)平均值繪制了荷載-跨中縱筋應(yīng)變曲線,如圖7。在相同荷載下,GPC-T1的跨中縱筋應(yīng)變始終大于PCC-T1,而GPC梁的跨中縱筋應(yīng)變隨著翼緣厚度或?qū)挾仍龃蠖鴾p小,這說明翼緣厚度或?qū)挾仍龃竽軠p小相同載荷下的跨中縱筋應(yīng)變。

圖7 T形梁試件的荷載-跨中縱筋應(yīng)變曲線Fig. 7 Load-mid-span longitudinal reinforcement strain curve of T-beam specimens

當(dāng)梁被破壞時(shí),PCC-T1、GPC-T1、GPC-T2、GPC-T3、GPC-T4所對應(yīng)的跨中縱筋應(yīng)變分別為1 872、2 356、 2 557、 2 594、 2 235 με。由于翼緣厚度增加,使得GPC梁極限承載力增加,故翼緣厚度越大,梁被破壞時(shí)的縱筋應(yīng)變越大。此外,當(dāng)PCC梁被破壞時(shí),其縱筋應(yīng)變小于屈服應(yīng)變(2 065 με),這表明剪切失效發(fā)生在彎曲破壞之前,PCC梁發(fā)生剪切破壞;所有的GPC梁被破壞時(shí),跨中縱筋應(yīng)變均超過屈服應(yīng)變,但其荷載-撓度關(guān)系曲線并未出現(xiàn)較為明顯的延性屈服變形階段,也沒有典型的彎曲破壞特征,故發(fā)生剪切破壞。

2.3.2 荷載-箍筋應(yīng)變變化規(guī)律及分析

試件剪跨區(qū)左、右兩側(cè)箍筋在5個(gè)不同荷載水平(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0Pu)下的應(yīng)變分布如圖8?？傮w而言,箍筋拉伸應(yīng)變隨荷載的增加而增大。當(dāng)荷載較小時(shí),斜裂縫未出現(xiàn),此時(shí)試件的剪力主要由混凝土承擔(dān),箍筋應(yīng)變值非常小,可忽略不計(jì);當(dāng)斜裂縫出現(xiàn)時(shí),混凝土對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)降低,與斜裂縫相交等等箍筋應(yīng)變顯著增加,這說明箍筋對剪切強(qiáng)度有極大貢獻(xiàn)。

圖8 T形梁試件的箍筋應(yīng)變Fig. 8 Stirrup strain of T-beam specimens

在相同荷載水平下,GPC-T1箍筋應(yīng)變比PCC-T1更大。與PCC-T1相比,相同荷載水平下的GPC-T1斜裂縫寬度更大、數(shù)目更多,且跨中位移更大,導(dǎo)致箍筋形變更大。在Pu時(shí),GPC-T1有6根箍筋發(fā)生屈服,而PCC-T1只有右側(cè)2根箍筋發(fā)生屈服,這是因?yàn)镻CC-T1在左側(cè)無明顯的斜裂縫。對于GPC梁,不同位置的箍筋應(yīng)變差異明顯,剪跨區(qū)中部的應(yīng)變值最大,靠近集中荷載作用點(diǎn)和靠近支座的箍筋應(yīng)變值較小。

3 討論與分析

3.1 GPC梁和PCC梁的對比

由圖4可知:GPC-T1在極限承載力下的跨中撓度比PCC-T1大,撓度與剛度成反比,GPC-T1剛度低于PCC-T1。由表5可知:GPC-T1基體混凝土的彈性模量比PCC-T1低28.4%,更高的彈性模量使得PCC梁在相同荷載下位移更小。由表6可知:GPC-T1的斜截面開裂荷載比PCC-T1低10.7%,抗剪承載力比PCC-T1高1.7%,這是因?yàn)榈V渣-粉煤灰基的GPC抗拉強(qiáng)度低于PCC[17],導(dǎo)致其斜截面開裂所需的荷載較低[29]。由圖5可知:與PCC-T1相比,GPC-T1裂縫數(shù)量更多且更寬,這是因?yàn)镚PC梁早期收縮大于PCC梁,導(dǎo)致其基體有更多的初始微裂縫[15,27-28],且GPC梁較低的彈性模量和抗拉強(qiáng)度使得這些微裂縫在受到剪力后將以更快的速度擴(kuò)展延伸[16-17]。

表7 混凝土的歸一化抗剪強(qiáng)度Table 7 Normalized shear strength of concrete

3.2 翼緣尺寸對GPC梁抗剪強(qiáng)度影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,翼緣的存在對GPC梁的抗剪承載力影響顯著。由表6可知:GPC-T2、GPC-T3的抗剪承載力相對于GPC-T1分別增大了8.6%、12.7%,這表明GPC梁的抗剪承載力隨著hf/h0的增大而增加。由表7可知:GPC-T1、GPC-T2、GPC-T3的歸一化抗剪強(qiáng)度依次增大,GPC-T2、GPC-T3分別比GPC-T1增大了18.6%、25.3%,這說明翼緣厚度增大能提高GPC對GPC梁抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。隨著翼緣厚度增大,GPC梁剛度增大,跨中縱筋應(yīng)變減小,同時(shí)翼緣對臨界斜裂縫向加載點(diǎn)擴(kuò)展的阻礙作用增大,即抗裂性增強(qiáng),故抗剪承載力增大。

GPC-T1、GPC-T4的抗剪承載力基本相等,且這兩者歸一化抗剪強(qiáng)度幾乎相同。這說明翼緣寬度過寬并不能繼續(xù)提高GPC梁的抗剪強(qiáng)度,這與文獻(xiàn)[24]的結(jié)論一致。由于剪力滯效應(yīng)[33-34],僅有部分翼緣寬度能有效承擔(dān)剪力。

3.3 現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范的適用性

筆者將試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[35]、文獻(xiàn)[36]和文獻(xiàn)[37]的抗剪承載力計(jì)算值進(jìn)行比較,探究其對GPC梁設(shè)計(jì)的適用性。各規(guī)范受剪承載力的計(jì)算見表8。各規(guī)范計(jì)算值與試驗(yàn)值比較結(jié)果如表9。

表8 混凝土梁抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法Table 8 Design methods for shear strength of concrete beam

表9 PCC和GPC梁試驗(yàn)結(jié)果與不同規(guī)范的抗剪承載力計(jì)算值比較Table 9 Comparison between the test results of PCC and GPC beams and the calculated values of shear bearing capacity of different specifications

由表9可看出:文獻(xiàn)[35]、文獻(xiàn)[36]和文獻(xiàn)[37]的計(jì)算值均遠(yuǎn)小于試驗(yàn)值,嚴(yán)重低估了GPC梁的抗剪承載力,究其原因在于現(xiàn)行的規(guī)范均沒有考慮翼緣對抗剪承載力貢獻(xiàn);文獻(xiàn)[37]的安全儲(chǔ)備最高,試驗(yàn)與計(jì)算的比值平均值為1.79;文獻(xiàn)[35]的計(jì)算值最接近試驗(yàn)值,試驗(yàn)與計(jì)算的比值平均值為1.27,在實(shí)際工程中最為經(jīng)濟(jì)。因?yàn)镚PC梁抗剪承載力與PCC梁基本相等,故在進(jìn)行GPC梁抗剪設(shè)計(jì)時(shí),基于GPC脆性更大特性和經(jīng)濟(jì)性考慮,建議采用文獻(xiàn)[35]的值。為進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)性,建議在混凝土的受剪承載力計(jì)算時(shí)增加翼緣有效部分來提供剪力項(xiàng)。

4 結(jié) 論

1)在集中荷載作用下,GPC梁和PCC梁均發(fā)生剪壓破壞。與PCC梁相比,GPC梁具有相似的抗剪承載力、裂縫擴(kuò)展及破壞模式,但GPC較低的彈性模量和抗拉強(qiáng)度使得其脆性較普通混凝土更大,其剛度和斜截面開裂荷載較低,而跨中縱筋應(yīng)變和箍筋應(yīng)變較大。

2)隨著翼緣厚度增大,GPC梁剛度增大、跨中縱筋應(yīng)變減小,抗剪承載力提高了8.6%～12.7%,GPC的歸一化抗剪強(qiáng)度增大了18.6%～25.3%,且翼緣對臨界斜裂縫擴(kuò)展阻礙作用增大,抗裂性增強(qiáng),而斜截面開裂荷載沒有明顯變化。

3)隨著翼緣寬度增大,GPC梁的跨中縱筋應(yīng)變減小,而剛度、斜截面開裂荷載、抗剪承載力和地聚物混凝土的歸一化抗剪強(qiáng)度沒有明顯變化。

4)文獻(xiàn)[35]～文獻(xiàn)[37]的抗剪承載力計(jì)算值均偏于安全。其中:文獻(xiàn)[35]最接近試驗(yàn)值,可采用文獻(xiàn)文獻(xiàn)[35]進(jìn)行GPC梁的抗剪設(shè)計(jì);為了更好預(yù)測抗剪承載力,建議考慮翼緣有效部分所提供的剪力。