再生混凝土梁与普通混凝土梁正截面强度对比试验研究

闫 煦，华玉彬

(1.沈阳建筑大学，辽宁沈阳 110168;2.沈阳长天建设项目管理有限公司，辽宁沈阳 110168)

随着混凝土技术的发展和国家对节能、环保工作的重视，再生混凝土作为废弃混凝土的一种循环再利用技术，日益受到关注。它是指将生产过程中或使用后被废弃的混凝土经破碎、清洗与分级后，按一定的比例与级配加工成再生混凝土骨料，应用到新配制的混凝土中去的一种方法［1］。

目前，国内外对再生混凝土的材料性能和结构受力特点进行了大量研究［2-8］，但对于其与传统混凝土构件的性能对比尚未见报道。因此，本文进行了再生混凝土梁与普通混凝土梁正截面强度的对比试验研究，以进一步完善再生混凝土梁的理论研究。

1 试验设计

1.1 混凝土配合比的设计

试验用梁的混凝土均为C25，为了方便对比，再生混凝土中骨料取代率采用100%。再生混凝土来自沈阳建筑大学结构工程实验室的废弃构件混凝土，将其人工破碎后，按一定比例和级配混合而成。普通混凝土的粗骨料选用河石。两者的细骨料均选用河砂配制，骨料均清洗后使用。配制水泥均为42.5级，拌合水用自来水。具体配合比见表1。

表1 混凝土配合比

1.2 试件设计

本次试验共进行了14根混凝土简支梁的正截面强度试验，梁的截面尺寸均为2 100 mm×120 mm×240 mm。其中设计再生混凝土适筋梁3根、超筋梁2根、少筋梁2根，普通混凝土梁的种类及数量与之对应。其中，适筋梁、超筋梁、少筋梁的配筋率分别为7.9%，19.7%，0.46%。各混凝土梁的编号和配筋情况见表2。其中，RC代表再生混凝土，CC代表普通混凝土。在编号前加S代表适筋梁，加E代表超筋梁，加L代表少筋梁。

表2 梁的编号和配筋

对钢筋进行材料力学性能试验，测量得出其屈服强度与极限强度，试验结果见表3。

表3 钢筋的材料力学性能

1.3 试验装置和主要测试内容

本次试验在沈阳建筑大学结构工程实验室进行。采用500 kN液压千斤顶加载，为排除剪应力的存在对试件正截面受力性能的影响，试验时利用分配梁在跨中形成600 mm长度的纯弯段。

试验加载全程采用荷载控制，首先进行预加载，对于混凝土结构，预加载值取为开裂荷载计算值的70%，预载结束后应卸载。对于适筋梁，在开裂前取每级荷载5 kN，接近开裂荷载或者受拉区混凝土应变增长过快时，每级荷载减至2 kN，当混凝土梁开裂至接近破坏时荷载减至1 kN。在试件开裂前，每级加载后停约3 min左右观察有无裂缝出现;裂缝出现后，每级加载后停留10 min，以便裂缝发展稳定下来［9］。对于超筋梁，每级荷载取值为20 kN;而对于少筋梁，则取0.5 kN为一级荷载。

适筋梁各受力阶段纯弯段混凝土的应变采用20 mm×100 mm纸基应变片测量;适筋梁中各受拉主筋跨中钢筋的应变采用20 mm×30 mm的胶基应变片测量;各形式梁的跨中挠度采用位移传感器量测。测量数据由UCAM-70A数据采集分析仪采集。测点及测量仪器布置见图1。

图1 测点布置

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

通过试验观察可知，再生混凝土适筋梁试件的开裂与屈服均要早于普通混凝土适筋梁，但是其破坏过程与形态与普通混凝土适筋梁类似。在加载初期，荷载较小时，几乎没有出现变化;随着荷载逐渐增大，受拉区混凝土和钢筋的应变均逐渐增大;当荷载增大至开裂荷载时，在跨中出现垂直裂缝;随着荷载继续增加，裂缝宽度也逐渐加大;当达到极限荷载时，试验梁达到极限承载力，试验结束。

再生混凝土超筋梁试件的破坏过程为:在加载初期直至加载后其没有明显的破坏，但是在极限荷载时，梁的核心受压区突然发生碎裂，表现出明显的脆性特征。这与其对应的普通混凝土构件破坏现象一致。图2(a)为ERC2试件的破坏形态。

LRC构件的破坏也表现为典型的脆性破坏特征，主要表现在极限荷载时，梁在跨中位置断为两截，与LCC试件的破坏形态几乎一致。LRC1破坏形态见图2(b)。

图2 试件破坏形态

2.2 裂缝的分布情况

在试验过程中，发现SRC构件和SCC构件的裂缝发展基本相同。第一条裂缝均出现在梁底部跨中附近或者加载点附近，然后向上发展。随着荷载增加，裂缝数量不断增加，宽度不断增大，并逐渐向上延伸，直到混凝土梁破坏。SRC2裂缝分布和破坏形态如图3所示。

2.3 正截面强度的主要特征参数比较

试件各阶段承载力见表4。可以看出，SRC构件的正截面强度参数中的极限承载力、开裂荷载与屈服荷载要稍小于SCC构件，且在超筋梁与少筋梁的承载力分析中，这种现象更加明显。总体上看，再生混凝土的构件正截面强度比普通混凝土试件要小11%左右。

图3 SRC2的裂缝形态

表4 试件各阶段实测荷载值

2.4 试件的荷载—位移(P－f)曲线

图4为SRC构件与SCC构件的P－f曲线，由图中可以看出再生混凝土试件与普通混凝土试件的曲线变化趋势基本一致。接近开裂时曲线出现折点，进入塑性阶段，位移开始增大。在开裂前，两种梁的曲线发展基本呈直线状，处于弹性阶段;开裂后荷载增大变缓，位移增大加剧;进入屈服阶段后，荷载几乎不增加，位移急剧增大，直至达到承载力的极限，构件破坏。对比发现SRC构件进入屈服阶段后，其位移增长明显大于SCC构件，可见屈服后，在保持刚度稳定性方面再生混凝土构件要好于普通混凝土构件。

2.5 平截面假定的适用性

为了解再生混凝土构件的平截面适用性，并与普通混凝土构件进行对比，在两组试件中各选一组具有代表性的数据来进行说明，如图5所示。

图4 构件的P－f曲线

图5 跨中应变沿高度变化

由图5可以看出，SRC构件与SCC构件的跨中应变沿高度变化趋势基本一致。在加载初期，荷载较小时中性轴在梁的中截面附近;随着加载的进行，中性轴逐渐向梁的受压区移动;至屈服荷载后，中性轴基本稳定，直至梁被破坏。这与梁的受力特点是一致的。可见，SRC构件与SCC构件相同，依然适用平截面假定。

2.6 钢筋应变

为了进一步对比SRC构件与SCC构件的受力特点，对构件中的受拉主筋进行了分析，见图6。

图6 试件主筋的荷载—应变曲线

由图6可以看出，SRC构件的受拉主筋屈服阶段明显要早于SCC构件，其它阶段两种构件的变化基本一致，都是在荷载较小时呈线性变化，直至进入屈服阶段，这与梁的正截面强度发展是一致的。可见，跨中受拉钢筋对再生混凝土构件正截面强度的影响与普通混凝土构件相同。

3 结论

1)从再生混凝土构件与普通混凝土构件正截面强度特征参数比较分析来看，再生混凝土梁正截面强度要略小于普通混凝土梁。

2)再生混凝土梁的破坏形式及过程与普通混凝土梁相似，仍分为弹性、塑性、屈服及破坏等阶段，裂缝发展的过程也一致。

3)由构件的荷载—挠度曲线来看，再生混凝土梁在进入屈服阶段后，在保持刚度稳定性方面要好于普通混凝土梁。

4)再生混凝土梁跨中应变沿截面高度的变化情况与普通混凝土梁相同，说明其仍适用平截面假定;跨中钢筋应变的变化与梁的受力特点一致，说明再生混凝土与钢筋能很好地协同工作。

［1］张亚梅，秦虹根，孙伟，等.再生混凝土配合比设计初探［J］.混凝土与水泥制品，2002(1):7-9.

［2］郑建军，盛毅生，孔德玉，等.再生混凝土技术与发展［J］.浙江工业大学学报，2002，34(1):1-7.

［3］李旭平.钢筋再生混凝土梁的受弯性能［J］.混凝土，2007(3):19-21.

［4］覃银辉，邓寿昌，张学兵.再生混凝土与普通混凝土抗冻性能的比较［J］.混凝土，2007(7):34-36.

［5］周静海，张薇，刘爱霞.再生粗骨料混凝土梁抗弯性能研究［J］.沈阳建筑大学学报:自然科学版，2008，24(5):763-767.

［6］李元鑫，韩旭.再生骨料混凝土与普通混凝土的比较［J］.四川建筑，2009，29(9):305-306.

［7］王磊，陈易燃，尹争卓，等.再生混凝土与普通混凝土叠合梁抗剪性能［J］.兰州理工大学学报，2012，38(6):129-133.

［8］朱红兵，赵耀，雷学文，等.再生混凝土研究现状及研究建议［J］.公路工程，2013，38(1):98-102.

［9］中华人民共和国建设部.GB 50152—2012 混凝土结构实验方法标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.