再生骨料混凝土梁抗剪性能试验研究

吴 瑾,丁东方,张 闻

(1.南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京 210016;2.连云港市交通局,江苏连云港 222000)

再生混凝土是废弃混凝土块经过破碎、清洗和分级,再按一定比例混合后作为部分或全部骨料配制的混凝土.再生混凝土应用既可以有效地减少自然资源的消耗,又能减轻废旧混凝土对环境的污染,促进建筑业的可持续发展.国内外对再生混凝土及再生混凝土构件性能进行了许多研究[1].比如:Etxeberria等[2]研究了取代率和配箍率对抗剪承载力的影响;Belén[3]研究了配箍率对再生混凝土梁抗剪承载力的影响;Masaru等[4]研究了混凝土强度和截面尺寸对再生混凝土梁抗剪性能的影响;肖建庄等[5-6]通过3根粗骨料取代率分别为0,50%,100%的有腹筋再生混凝土梁试验,提出了有关取代率与抗剪承载力的计算公式;张雷顺等[7]对无腹筋再生混凝土梁进行了试验,研究了再生骨料取代率和剪跨比对无腹筋再生混凝土梁破坏形态和斜裂缝的影响.目前研究主要侧重于不同取代率的再生混凝土梁抗剪性能,而对于取代率为100%的再生混凝土梁抗剪性能的研究不够.笔者通过8根取代率为100%的再生混凝土有腹筋梁和4根普通混凝土有腹筋梁的对比试验,研究了混凝土抗压强度、剪跨比和配箍率等因素对再生混凝土梁斜截面破坏形态、斜向开裂荷载和抗剪承载力的影响.

1 试件的设计与制作

试验中,普通混凝土梁的粗骨料为天然碎石,粒径5～40mm.再生混凝土梁的粗骨料来源于废弃的钢筋混凝土梁.通过钻芯取样,测得原生混凝土强度范围17.8～33.2 MPa.经人工破碎、清洗、分级成粒径 5～40 mm的骨料.再生骨料压碎指标值21.1%,10min吸水率4.20%.细骨料为河砂.水泥为32.5强度等级普通硅酸盐水泥.箍筋采用HPB235级热轧钢筋,直径6mm,箍筋实测屈服强度302 MPa,极限强度438MPa.设计试件的主要参数是配箍率、剪跨比和混凝土抗压强度.试验梁共12根,分为2组:4根普通混凝土梁,8根再生混凝土梁.梁的截面为矩形,截面尺寸为120mm×200mm,梁长为1500mm.试件情况见表1.试验采用三分点对称加载.

表1 试件基本情况Table1 Details of specimens

2 试件破坏形态

以L1梁的加载和破坏过程为例来说明试件的破坏形态.当荷载加到10kN时,梁跨中出现微细垂直裂缝,此时箍筋应变基本无变化;当荷载加到22kN时,弯剪区出现垂直裂缝,跨中的垂直裂缝延伸到纵筋处,箍筋应变仍无明显变化;当荷载加到27.84kN时,梁一端弯剪区原有垂直裂缝发展为斜裂缝,斜裂缝宽度约为0.05mm,长度约为60mm,斜裂缝处箍筋应变增加到44×10-6;当荷载加到32.4kN时,梁另一端弯剪区内出现新的斜裂缝,长度较大,约为200mm,宽度为0.05mm,原斜裂缝处箍筋应变增加到268×10-6;当荷载加到39 kN时,原箍筋应变为580×10-6,原斜裂缝宽度发展到0.4mm;当荷载加到45.6kN时,箍筋应变增加到752×10-6,斜裂缝宽度为0.5mm;当荷载达到55.94kN时,斜裂缝最宽处发展到0.65mm,原斜裂缝处箍筋应变为1496×10-6;再对梁进行下一级加载时,原斜裂缝宽度突然增大到1.5mm以上,根据梁斜截面破坏的定义,此时梁发生斜截面破坏.

与L1试件类似,试验中所有梁均发生了剪压破坏.再生混凝土梁在未出现斜裂缝前,箍筋应变和跨中挠度无明显变化.在斜裂缝出现时,箍筋应变有明显的拐点.在加载过程中,再生混凝土梁斜裂缝宽度、箍筋应变和跨中挠度随荷载有规律性地增大,但加载后期阶段,尤其是接近抗剪极限承载力时,其箍筋应变和斜裂缝宽度增大速度较快,直至试件破坏.试验中,再生混凝土梁与普通混凝土梁的破坏形态基本一致,破坏时跨中挠度值较小,箍筋应变达到钢筋屈服应变,并且最大斜裂缝宽度均超过1.5mm,均发生脆性的剪压破坏.

3 斜向开裂荷载

本试验试件斜向开裂荷载 Vcr的确定主要根据试验时的观察记录,同时参考了试验梁荷载-箍筋应变曲线.表2给出了相同条件的再生混凝土梁与普通混凝土梁斜向开裂荷载.由表2可以看出,相同条件下的再生混凝土梁的斜向开裂荷载比普通混凝土梁小,相差幅度在20%以内.这说明再生混凝土梁的斜裂缝出现较早,斜向开裂荷载较小.梁的斜向开裂是当外荷载作用时,弯剪区混凝土单元的主拉应力达到混凝土的极限强度所形成的.由于再生骨料表面包裹旧砂浆,同时再生骨料在制备过程产生大量的微裂缝,相对于普通混凝土来讲,再生混凝土内部初始缺陷和微裂缝较多,再生混凝土抗拉强度较低,且再生混凝土与钢筋黏结较普通混凝土低[8-9],从而导致了再生混凝土梁斜向开裂荷载较小.

表2 再生混凝土梁与普通混凝土梁的斜向开裂荷载Table2 Inclined loads of recycled aggregate concretebeams and ordinary concrete beams

由表3可以看出:对于再生混凝土梁,配箍率对斜向开裂荷载几乎没有影响,而剪跨比和混凝土强度对其影响较大;再生混凝土梁斜向开裂荷载随着剪跨比的增大而减小,随着混凝强度等级的提高而增大.由此可以看出,剪跨比和混凝土强度是再生混凝土梁斜向开裂荷载的重要影响因素.

以剪跨比和混凝土强度为参数,根据本试验8根再生混凝土梁的试验结果,拟合出再生混凝土梁斜向开裂荷载表达式

表3 不同影响因素下的实测梁斜向开裂荷载Table3 Measured inclined loads of recycled aggregate concrete beams with various factors

式中:b——截面宽度;h0——截面有效高度;fck——再生混凝土轴心抗压强度.

4 再生混凝土梁抗剪承载力

表4给出了3组相同条件下再生混凝土梁与普通混凝土梁的抗剪承载力实测值.由表4可以看出,相同条件下,再生混凝土梁的抗剪承载力低于普通混凝土梁.再生混凝土梁的抗剪承载力由再生混凝土与箍筋2部分贡献,由于再生混凝土内部初始缺陷和微裂缝较多,使得再生混凝土强度较低,从而影响了再生混凝土梁的抗剪承载力.当配箍率相对较高时,这种影响相对较小,本试验再生混凝土梁的抗剪承载力与普通混凝土梁相差2%;当配箍率相对较低时,这种影响相对较大,再生混凝土梁抗剪承载力降低幅度达18%～23%,且再生混凝土强度愈低,降低幅度愈大.

由图1可以看出:再生混凝土梁的抗剪承载力随着配箍率的增大而增大,两者接近线性关系;再生混凝土梁的抗剪承载力随着剪跨比的减小而增大;再生混凝土梁的抗剪承载力随着混凝土强度的提高而增大,两者接近线性关系.

表4 再生混凝土梁与普通混凝土梁的抗剪承载力试验值Table4 Test results of shear bearing capacity of recycled and ordinary concrete beams

图1 再生混凝土抗剪承载力与配箍率、剪跨比以及抗压强度的关系Fig.1 Relationship between shear bearing capacity,reinforcement ratio,and compressive strength of recycled aggregate concrete

以混凝土强度、剪跨比和配箍率为参数,根据本试验8根再生混凝土梁的试验结果,拟合出再生混凝土梁抗剪承载力表达式

肖建庄等[10]试验中1根再生骨料取代率为100%的梁,试验测得的抗剪承载力为137kN,由式(2)计算得到的抗剪承载力为132kN,两者之比1.04.这说明表达式(2)有一定的适用性.

5 结 论

a.本试验再生混凝土梁的破坏形态与普通混凝土梁相同,均为剪压破坏.破坏时,临界斜裂缝处的箍筋应变达到钢筋屈服应变,跨中挠度较小,最大斜裂缝宽度均在1.5mm以上,为脆性破坏.

b.由于再生混凝土内部初始缺陷和微裂缝的影响,再生混凝土梁的斜向开裂荷载低于普通混凝土梁,最大幅度达20%.配箍率对再生混凝土梁的斜向开裂荷载几乎没有影响,而剪跨比和混凝土强度对其影响较大.通过8根再生混凝土梁的试验结果,拟合出了再生混凝土梁斜向开裂荷载计算表达式.

c.在配箍率相对较高的情况下,再生混凝土梁的抗剪承载力与普通混凝土梁相差不大;配箍率偏小时,抗剪承载力相差较大,幅度达23%.再生混凝土梁的抗剪承载力随着配箍率的增大而增大,随着剪跨比的增大而降低,随着混凝土强度的提高而提高.通过8根再生混凝土梁的试验结果,拟合出了再生混凝土梁抗剪承载力计算表达式,且该表达式计算结果与其他试验结果吻合较好.

[1]肖建庄.再生混凝土[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]ETXEBERRIA M,VAZQUEZ E,MARI A,et al.The role and influence of recycled aggregate concrete[C]//Conference on the Use of Recycled Materials in Building and Structures.Barcelona:RILEM Publications SARL,2004:1-10.

[3]BELÉN G,FERNANDOM.Shear strength of concretewith recycled aggregate[J].Construction and Building Materials,2007,21(4):887-893.

[4]MASARU S,TAKAHISA S,IPPEIM,et al.Shear behavior of reinforced recycled concretebeams[C]//Conferenceon the Useof Recycled Materials in Building and Structures.Barcelona:RILEM Publications SARL,2004:11-19.

[5]肖建庄,兰阳.再生混凝土梁抗剪性能试验研究[J].结构工程师,2004,20(6):54-60.(XIAO Jian-zhuang,LAN Yang.Experimental study on shear behavior of recycled concrete beams[J].Structural Engineers,2004,20(6):54-60.(in Chinese))

[6]兰阳,肖建庄,李佳彬,再生粗骨料混凝土材料与梁抗剪性能研究[J].特种结构,2006,23(2):8-11.(LAN Yang,XIAO Jianzhuang,LI Jia-bin.Preliminary study on mechanical properties and shear behaviour of recycled coarse aggregate concrete[J].Special Structures,2006,23(2):8-11.(in Chinese))

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[10]肖建庄,兰阳.再生粗骨料混凝土梁抗弯性能试验研究[J].特种结构,2006,23(1):9-12.(XIAO Jian-zhuang,LAN Yang.Experimental study on flexural performance of recycled concrete beams[J].Special Structures,2006,23(1):9-12.(in Chinese))