機制砂摻量對自密實輕骨料混凝土梁受彎性能的影響

中圖分類號：TU375.1；TU521.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2025）03-0142-09

Effect of manufactured sand dosage on flexural performance of self-compacting lightweight aggregate concrete beams

ZHANG Shuyun Ω¹ ，LIUJianbo1，YANGXulong2，LIQiang1，BAl Miaomiao .SchoolofArchitectureandCivilEnginering，Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi'an7lOo54，P.R.China; 2.Gansu Institute of Architectural Design and Research Co.，Ltd.，Lanzhou 73Oo31，P.R. China）

Abstract： In order to explore the influence of manufactured sand dosage on the flexural performance of selfcompacting lightweight aggregate concrete beams （SCLC）， five SCLC with 0% ， 30% ， 60% ， 80% and 100% （204 manufactured sand dosage for four-point bending tests.The deflection curve，mid-span deflection and crack distribution of SCLC beams with diferent manufactured sand dosages under load were studied， and the influence of manufactured sand dosage on its cracking moment and flexural capacity was explored.The results show that the average strain of each test beam section conforms to the plane section assumption，and the loaddeflection curves are basicaly similar.With the increase of manufactured sand dosage，the SCLC beam has more secondary cracks and more uniform crack distribution.The maximum crack width decreases under the same load before yielding.The mid-span deflection and ultimate bearing capacity reach the maximum when the manufactured sand dosage was 80% ，which were increased by 16.13% and 6.62% respectively compared with SCLC beams with allriver sand. Utilising the deflection calculation formula of lightweight aggregate concrete， thedeflection calculation value of each test beam differs from the test value.The cracking moment of the test beam was calculated using the standard formula，and the calculated value is quite diferent from the test value. Through the analysis of test results and calculation of flexural bearing capacity，it can be concluded that the optimal dosage of manufactured sand in SCLC is 60%80% ：

Keywords： self-compacting lightweight aggregate concrete beam； manufactured sand; flexural performance; destruction form;cracking moment；flexural bearing capacity

自密實輕骨料混凝土（self-compactinglight-weightaggregateconcrete，SCLC）是一種兼具自密實混凝土與輕骨料混凝土特點的高性能混凝土，具有免振搗、質(zhì)量輕的特點，能有效減少施工噪聲、減輕結(jié)構(gòu)自重、降低結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)[1。目前在建設(shè)工程中已得到應(yīng)用，如日本神戶貿(mào)易中心大廈、珠海國際會議中心等。SCLC的細骨料多采用天然砂，近年來，隨著天然砂資源逐漸匱乏以及環(huán)境保護的要求，機制砂替代天然砂已經(jīng)成為趨勢[2]。

機制砂（MS）是以質(zhì)地堅硬的天然石為原料，由機械破碎、篩分制成的粒徑小于 4.75mm 的巖石顆粒3，具有顆粒尖銳、多棱角、針片狀含量高、石屑顆粒微裂紋多、空隙較大等特點?，F(xiàn)階段已經(jīng)展開將機制砂應(yīng)用于SCLC的研究，一些學(xué)者在機制砂自密實輕骨料混凝土（MS-SCLC）配合比設(shè)計[4-6]工作性能與力學(xué)性能[7-10]等方面開展了研究，結(jié)果表明：適量機制砂的摻入可以提高SCLC的力學(xué)性能，并且工作性能表現(xiàn)良好。

目前，部分學(xué)者開展了機制砂混凝土梁、輕骨料混凝土梁和自密實輕骨料混凝土梁的抗彎性能研究[11-15]。結(jié)果表明：機制砂使普通混凝土梁承載力略有提高；輕骨料混凝土梁與普通混凝土梁開裂荷載接近，而極限承載力接近或低于普通混凝土梁。針對MS-SCLC構(gòu)件受力性能方面的試驗研究較缺乏，機制砂摻量對SCLC梁受彎性能的影響有待研究。將機制砂應(yīng)用于SCLC梁，由于涉及機制砂、輕骨料等集料對自密實混凝土性能的影響，加上鋼筋與自密實混凝土的協(xié)同工作和機制砂摻量的影響，MS-SCLC梁受彎性能需通過加載試驗進一步研究。故筆者通過對5根不同機制砂摻量的SCLC梁進行受彎性能試驗，探究機制砂摻量對SCLC的裂縫分布形態(tài)、短期剛度、跨中撓度和正截面受彎承載力的影響，為MS-SCLC的應(yīng)用提供基礎(chǔ)試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

P?O42.5 硅酸鹽水泥；I級粉煤灰，燒失量為2.8% ；高活性微硅粉， SiO₂ 含量為 96.74% ；羧酸高性能減水劑，減水率為 28% 。細骨料采用花崗巖巖性機制砂，連續(xù)級配，細度模數(shù)為3.1，河砂為級配良好的Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)為2.6；輕骨料采用800級碎石型頁巖陶粒。試驗梁縱向鋼筋和箍筋均采用HRB40O級，架立筋選用HPB30O級。對每種直徑鋼筋進行拉拔試驗[16]，表1所示為試驗測得的鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)。

1.2混凝土配合比及力學(xué)性能

根據(jù)機制砂特性，采用改進的全參數(shù)MS-SCLC配合比計算公式]，通過對輕骨料進行預(yù)濕，并對用水量進行修正，以解決輕骨料上浮的問題。依此總共設(shè)計制作5組MS-SCLC，表2所示為混凝土配合比，機制砂摻量分別為 0%30%.60% 、80%.100% 。在試驗梁澆筑過程中，對每一組混凝土拌合物的工作性能進行測試，測定其工作性能是否均滿足自密實混凝土規(guī)范使用要求。每根試驗梁預(yù)留6塊 100mm×100mm×100mm 的立方體試塊和3塊 100mm×100mm×300mm 的棱柱體試塊，用于測定MS-SCLC的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度和軸心抗壓強度，并與試驗梁在相同環(huán)境下養(yǎng)護。表3、表4列出了混凝土的工作性能和基本力學(xué)性能指標(biāo)。

1.3 試件參數(shù)

共設(shè)計制作5根MS-SCLC梁試件，試驗梁尺寸均為 l×b×h=2800mm×150mm×300mm ，凈跨均為 2600mm ，純彎段和剪跨段分別為900、850mm 。表5所示為試件設(shè)計參數(shù)，圖1所示為試驗梁尺寸截面及配筋。

表2混凝土配合比

1.4試件制備及測點布置

圖2所示為鋼筋骨架，在受拉鋼筋跨中布置鋼筋應(yīng)變片，標(biāo)距為 100mm 。圖3為鋼筋測點布置圖，每根梁試件均一次性澆筑，不進行振搗壓實。所有試件在澆注3d后脫模，在自然條件下養(yǎng)護，直至測試。在試件跨中沿截面高度粘貼混凝土應(yīng)變片，間距為 50mm ，如圖4所示。

為測量機制砂自密實輕骨料混凝土梁在各級荷載下的撓度變化情況，在試驗梁底部跨中位置布置1個位移計（ （0#） ，測量跨中撓度變化值；在試驗梁支座頂部各布置1個位移計 （2?，2?^′） ，測量支座處沉降變形值；在試驗梁加載點處各布置1個位移計C （1?，1?^′） ，測量加載點撓度變形值，如圖5所示。

1.5 試驗裝置

采用YAS-5000微機控制電液伺服壓力試驗機-分配梁系統(tǒng)分級施加集中荷載[18]。試驗加載主要包括預(yù)加載和正式加載，其中預(yù)加載值為 5kN （未超過開裂荷載的 70% ），檢驗應(yīng)變片、位移計、加載裝置等是否正常工作。正式加載時以每 5kN 為一級，加載至開裂荷載的 90% 時，以每 2kN 為一級。開裂后，以每 10kN 為一級進行加載，加載至屈服荷載的 90% 時，以每 2kN 為一級。屈服后改為位移控制加載，以 0.5Δ 為一級進行加載，直至試驗梁破壞， 為屈服前試驗梁的跨中撓度值，圖6為加載裝置圖。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗結(jié)果

圖7所示為不同機制砂摻量的SCLC梁荷載-撓度關(guān)系曲線。由圖7可見，各試驗梁的荷載-撓度曲線都可以分為3個階段：未裂階段、帶裂縫工作階段、破壞階段。在受力初期曲線的斜率較大，呈線性關(guān)系，各梁處于未裂階段，其跨中撓度變化不大；當(dāng)進入帶裂縫工作階段時，相較于未裂階段，各試驗梁的荷載-撓度曲線斜率減小，跨中撓度的增加速度明顯快于前一階段，各梁受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，退出工作；當(dāng)荷載接近極限荷載時，各試驗梁鋼筋發(fā)生屈服，其承載力趨于穩(wěn)定，而梁的撓度持續(xù)增加，梁底裂縫寬度也不斷增加，直至受壓區(qū)混凝王被壓碎，梁產(chǎn)生彎曲破壞?？v觀5根梁構(gòu)件的破壞過程及曲線斜率可以發(fā)現(xiàn)，摻入機制砂可以改善混凝土的彈性模量，提高試驗梁的剛度和極限荷載，當(dāng)機制砂摻量為 80% 時，受彎承載力最大。

表6為不同機制砂摻量的SCLC梁試驗結(jié)果。由表6可知，隨著機制砂摻量的增加，SCLC梁的開裂荷載不斷增加，全機制砂摻量時開裂荷載提高最多，相較于SJ-3-1，提高了 5.96% ；屈服荷載在機制砂摻量為 60% 時達到最大，相較于SJ-3-1，提高了5.58% ；極限荷載在機制砂摻量為 80% 達到最大，由此可知，在機制砂摻量為 60% 和 80% 時，SCLC梁受彎性能最好。機制砂的摻人可以提高其極限承載力，這是因為機制砂棱角尖銳、針片狀含量高，含有一定量的石粉，使其與水泥凝膠之間能夠產(chǎn)生較大的機械咬合力，提高骨料與漿體的粘結(jié)性能，石粉增加了混凝土的密實度，導(dǎo)致構(gòu)件所能承受的荷載增大。

由表6還可看出，機制砂的摻入可以提高SCLC梁的屈服位移和極限位移，摻量為 80% 時，SCLC梁的屈服位移和極限位移最大，且隨著機制砂摻量的增加，相較于SCLC梁SJ-3-1，MS-SCLC梁（SJ-3-2＼～SJ-3-5）的位移延性系數(shù)提升了0.48%～11.6% ，說明機制砂的摻入可以提高SCLC梁的延性，SCLC各試驗梁位移延性系數(shù)均大于4。

2.2裂縫分布形態(tài)

圖8為荷載-裂縫寬度曲線，裂縫寬度采用裂縫寬度監(jiān)測儀進行測量，圖9所示為試件破壞時純彎段裂縫分布形態(tài)。由圖8、圖9可見，從開裂到破壞，各試驗梁裂縫的發(fā)展趨勢基本相似。MS-SCLC梁較SCLC梁的開裂荷載高，其裂縫延伸速度較慢且產(chǎn)生次裂縫更多，分布更均勻；屈服前，此類梁試件在同級荷載作用下最大裂縫寬度更小，達到破壞狀態(tài)時，由于摻有機制砂的SCLC梁的承載力較高，導(dǎo)致梁破壞時的最大裂縫寬度較大。

2.3梁截面不同高度處的平均應(yīng)變

試驗量測了一定標(biāo)距范圍內(nèi)的縱向鋼筋應(yīng)變及各級荷載下各測點的混凝土應(yīng)變，圖10所示為試驗梁不同截面高度處的應(yīng)變分布。由圖10可見，從加載至縱向鋼筋屈服前，混凝土應(yīng)變沿截面高度近似呈直線分布；縱向鋼筋屈服后，裂縫不斷增多，在某一特定截面，混凝土應(yīng)變沿截面高度不符合線性分布關(guān)系。但縱向鋼筋屈服后，按位移繼續(xù)加載至1.5Δ～6Δ ，各試件縱向鋼筋的平均應(yīng)變與受壓區(qū)混凝土應(yīng)變符合線性分布關(guān)系，平截面假定適用。

3 短期剛度和跨中撓度計算

根據(jù)《輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（JGJ/T12— 2019）[19]，鋼筋輕骨料混凝土受彎構(gòu)件短期剛度 B_s 計算公式為

式中： ψ 為裂縫間受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，其規(guī)范計算公式為 ψ₁=1.0-0.65f_ts/（ρ_teσ_ss） ，也可通過裂縫間鋼筋的平均應(yīng)變與裂縫處的鋼筋應(yīng)變比值求得 為鋼筋彈性模量與機制砂自密實輕骨料混凝土彈性模量的試驗比值， α_E=E_s/E_c;ρ_te 為按有效受拉輕骨料混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率，且矩形受彎構(gòu)件 A_te=0.5bh，ρ_te= A_s/A_tesρ 為縱向受拉鋼筋配筋率， 為受拉翼緣截面面積與腹板有效截面面積的比值， γ_f^′=

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件應(yīng)滿足正常使用極限狀態(tài)要求，進行撓度驗算時，計算公式為

式中： ?M=0.6M_u; S 為撓度系數(shù)，試驗為三分點集中加載、支承形式為簡支梁，故 S 取值為 S=0.1065;B_s 為MS-SCLC梁的短期剛度。按照上述方法進行計算，試驗梁短期剛度及跨中撓度的計算值與試驗值見表7。

由表7可知，隨著機制砂摻量的增加，SCLC梁短期剛度有所提高，跨中撓度在機制砂摻量為 80% 時達到最大，相較于全河砂SCLC梁SJ-3-1，提高了16. 13% ，這是因為承載力提高，導(dǎo)致試件破壞時的撓度增大。進行撓度驗算時，若 ψ₁ 采用規(guī)范計算公式計算，撓度計算值 f₁ 與試驗值相差較大，這是因為試驗梁的鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)均大于輕骨料混凝王。這是由于此類自密實混凝土粗骨料含量少、膠凝材料含量高，加上鋼筋與混凝土的粘結(jié)力能力降低、純彎段的裂縫開展比較均勻，次裂縫更多，最終導(dǎo)致鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)均大于輕骨料混凝土，故按照《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的撓度計算公式對MS-SCLC試驗梁的撓度進行計算時，計算值與試驗值有所差異。因此，本文采用裂縫間鋼筋的平均應(yīng)變與裂縫處的鋼筋應(yīng)變比值對 ψ₂ 進行求解，即 ;分析時，裂縫間鋼筋的平均應(yīng)變?nèi)≡摷壓奢d下2根鋼筋6個測點處的應(yīng)變平均值，裂縫處的鋼筋應(yīng)變?nèi)y點處的最大應(yīng)變，最終得出的試驗梁撓度計算值 f₂ 與試驗值較為接近。

4試驗梁開裂彎矩及正截面受彎承 載力計算

4.1試驗梁開裂彎矩計算分析

參照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191—2008）[20]，MS-SCLC試驗梁開裂彎矩計算公式為

M_cr=γ_mα_ctf_tkW₀

式中： γ_m 為截面抵抗矩塑性系數(shù)，取 1.55;α_ct 為混凝土拉應(yīng)力限制系數(shù)，取 0.85：f_tk 為混凝土劈裂抗拉強度，按照表4取值； W₀ 為換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩，取 ，其中 I₀ 為換算截面對重心軸的慣性矩， h₀ 為截面有效高度， y₀ 為換算截面重心至受壓邊緣的距離。表8為試驗梁開裂彎矩計算值與試驗值的對比。

由試驗結(jié)果可知：MS-SCLC梁開裂荷載約占極限荷載的 9.03%～9.42% ，與現(xiàn)有同類或相似材料[21-22]的試驗結(jié)果接近。由表8可知：隨著機制砂摻量的增加，SCLC梁開裂彎矩不斷增加，這是因為機制砂較為粗糙，且具有棱角尖銳、針片狀多等特點，與水泥凝膠之間能夠產(chǎn)生較大的機械咬合力，提高骨料與漿體的粘結(jié)性能。機制砂在碾碎后會產(chǎn)生粒徑小于 0.075mm 的石粉，隨著機制砂摻量的增加，石粉含量增加，能夠優(yōu)化細骨料的堆積密度，同時提高混凝土密實度，從而提高混凝土強度，最終導(dǎo)致混凝土梁開裂彎矩增加。當(dāng) γ_m=1.55，W 采用規(guī)范計算公式時，試驗梁開裂彎矩計算值 M_cr^c 較試驗值偏大，故用現(xiàn)行規(guī)范計算公式不能較好地表達MS-SCLC梁的開裂彎矩。

4.2試驗梁正截面受彎承載力計算分析

試驗梁的破壞模式與普通混凝土相似，以試驗梁破壞時的等效矩形應(yīng)力圖作為正截面承載力計算依據(jù)，根據(jù)力平衡條件及力矩平衡條件，可求出等效矩形應(yīng)力圖受壓區(qū)高度和承載力，計算公式為

式中： α₁ 為受壓區(qū)混凝土等效矩形應(yīng)力圖系數(shù)，按照《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，該類混凝土建議取值為 1.0：x 為等效矩形應(yīng)力圖受壓區(qū)高度； f_c 為棱柱體試塊軸心抗壓強度，按照表4取值 ₃₆ 為鋼筋的抗拉強度，按照表1取值； h₀ 為截面有效高度，h₀=h-a_s 且 為試驗梁正截面受彎承載力。

將測得的各試驗梁相關(guān)材料參數(shù)代入式（4），得到極限承載力計算值 M_u^c 與極限承載力試驗值M_u^t ，表9所示為試驗梁極限承載力計算值與試驗值的對比。由表9可知： M_u^t/M_u^c 的平均值 ，標(biāo)準(zhǔn)差 σ=0.02 ，變異系數(shù) δ=0.02 ，說明普通混凝土承載力公式可用于MS-SCLC梁的承載力計算，但該公式未考慮混凝土抗拉強度，不能準(zhǔn)確反映出機制砂摻量對其承載力的影響。

從表9數(shù)據(jù)可以看出：機制砂的摻入可以提高SCLC梁的承載力，當(dāng)機制砂摻量為 80% 時，承載力提高最大，當(dāng)機制砂摻量為 100% 時，相較于機制砂摻量為 80% 時，其極限承載力有所降低。由圖10可知，隨著機制砂摻量的增加，混凝土開裂后，裂縫沿截面高度向上擴展程度下降，截面實際受壓區(qū)高度增加，混凝土受壓區(qū)合力作用位置下降，導(dǎo)致截面內(nèi)力臂高度減小。由表4可知，隨著機制砂摻量的增加，SCLC抗拉強度和抗壓強度增加，混凝土受壓區(qū)合力增加，當(dāng)機制砂摻量為 100% 時，雖然混凝土受壓區(qū)合力增加，但截面內(nèi)力臂高度減小明顯，截面受彎承載力反而下降；并且，由于機制砂摻量的增加，SCLC工作性能不斷下降，在試件制作過程中，由于不振搗僅依靠混凝土流動密實成型，其工作性能對力學(xué)強度有一定影響。綜合以上分析，建議SCLC中機制砂的摻量取 60%～80% ，可以充分發(fā)揮此類材料的力學(xué)性能。

5結(jié)論

通過對5根不同機制砂摻量的SCLC梁構(gòu)件進行正截面承載力試驗，得到以下結(jié)論：

1）MS-SCLC梁受彎破壞過程分為3個階段：未裂階段、帶裂縫工作階段、破壞階段。裂縫形態(tài)方面，MS-SCLC梁較SCLC梁產(chǎn)生次裂縫更多，裂縫分布更為均勻；屈服前，此類試件在同級荷載作用下的最大裂縫寬度較小。機制砂的摻人改善了混凝土的延性，提高了混凝土的抗裂能力。

2）縱向鋼筋屈服前，MS-SCLC梁試件混凝土應(yīng)變沿截面高度近似呈直線分布，鋼筋屈服后，按位移加載至 1.5Δ～6Δ ，各試件縱向鋼筋的平均應(yīng)變和受壓區(qū)混凝土應(yīng)變符合線性關(guān)系；同普通鋼筋混凝土梁相似，彎矩-撓度曲線有兩個明顯轉(zhuǎn)折點。

3）機制砂的摻人可以提高SCLC梁的短期剛度和破壞時的跨中撓度，且在機制砂摻量為 80% 時，SCLC梁跨中撓度達到最大。MS-SCLC梁鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)均大于輕骨料混凝土，采用《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》撓度計算公式對MS-SCLC試驗梁的撓度進行驗算，計算值與試驗值有差異。

4）隨著機制砂摻量的增加，SCLC梁的開裂彎矩不斷增加，采用規(guī)范中梁開裂彎矩公式對MS-SCLC開裂彎矩進行計算，計算值與試驗值差異較大；正截面受彎承載力也隨著機制砂的摻入而提高，當(dāng)機制砂摻量為 80% 時，SCLC梁的極限承載力提高最多，相較于SCLC梁，提高了 6.62% ?？刹捎闷胀ɑ炷脸休d力公式對MS-SCLC梁受彎承載力進行計算。通過試驗現(xiàn)象、結(jié)果分析及受彎承載力計算，得出SCLC的機制砂最優(yōu)摻量為 60%～ 80% 。

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（編輯王秀玲）