再生混凝土梁抗剪承载力试验研究

张晓磊，施小明

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475003）

0 引言

再生混凝土是指将废弃的混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合，部分或全部代替沙石等天然集料 （主要是粗集料），再加入水泥、水等配制成的新混凝土［1］。再生混凝土应用于工程实践，既可以减少建筑垃圾排放量，减少建筑垃圾对环境的污染，节约建筑垃圾处理费用，又可以节省建筑原材料的消耗，保护了人类的生存环境，因而具有良好的经济效益、社会效益和环保效益。目前，国内外众多学者偏重于再生混凝土的材料性能的研究，而对再生混凝土用于构件方面的研究还比较少，尤其是对再生混凝土梁抗剪性能的研究更少。笔者通过试验，对再生混凝土梁抗剪问题做了一些初步研究。

1 再生混凝土试验设计

1．1 混凝土配合比

本试验所用混凝土粗骨料由再生粗骨料和天然粗骨料组成。再生粗骨料是人工破碎的试验室废弃混凝土（经回弹仪检测，废弃混凝土的强度为20～40 MPa）， 粒径为 5～20 mm； 天然粗骨料为 5～20 mm的碎石。细骨料均为天然河沙。考虑到再生骨料吸水率高的问题［2］，再生混凝土梁浇筑时，加入0．4%的减水剂。本试验混凝土采用的配合比如表1所示。

表1 再生混凝土1 m3配合比Table 1 Mixture proportions of recycled concrete 1 m3

1．2 试件设计

试验考虑的主要参数是剪跨比和再生粗骨料取代率，因此，共制作13根梁（分为LC和LR两个系列，LC系列是普通混凝土梁，LR系列是再生混凝土梁），梁的截面积为 150 mm×300 mm（宽×高），长度分为2 400 mm和2 000 mm两种。每根试验梁浇筑时，预留6个150 mm×150 mm×150 mm立方体试块，用于检测混凝土的抗压强度和劈拉强度。所有试验梁都采用相同配筋 （如图1所示），纵筋配筋率2．49%，纵向钢筋为HRB335级热轧钢筋，直径为25 mm，fyk＝357 MPa，fstk＝537 MPa。

图1 梁配筋示意图（单位：mm）Fig.1 Reinforced bar of beam(Unit:mm)

1．3 加载装置及测试内容

试验采用两点对称集中加载，加载装置如图2所示。正式加载前，先进行预加载，以确定各测量仪表的工作状态是否正常。从开始加载到试件破坏，大约需要进行10到15级荷载，每级荷载为估计承载力的1／10，每级荷载稳定3 min后再读数。在临界斜裂缝产生后，适当降低加载等级，以便较为准确地判断极限承载力。当荷载接近极限时，连续加载至破坏。试验过程中，利用数据自动采集系统测读，并自动记录试验梁上施加的荷载值、钢筋应变值、混凝土应变值；利用手持应变仪测出跨中混凝土应变值；利用各测点布置的百分表测出各测点挠度值，并由裂缝观测仪测读裂缝宽度值、记录下裂缝的开展情况。

图2 试验梁的加载装置图Fig.2 Loading set-up of test beam

2 试验结果及现象分析

2．1 试验梁裂缝分析

通过观察裂缝出现的时间顺序、开展形态和速度等，可以大致判断出构件的受力情况。试验观察到的裂缝按成因可以分为弯曲裂缝、弯剪斜裂缝、腹剪斜裂缝。就裂缝类型而言，再生混凝土梁与普通混凝土梁并没有本质区别。但是，在相同荷载下，再生混凝土梁斜裂缝的宽度要比普通混凝土梁的稍大。

2．2 试验梁破坏形态

试件破坏形态包括斜压破坏、剪压破坏和斜拉破坏。本试验部分试验梁的破坏形态如图3所示。

图3 部分试验梁的破坏形态Fig.3 Failure mode of partial test beams

2．2．1 斜压破坏

对再生混凝土试件，剪跨比λ＝1时，构件发生斜压破坏。此时，加载点与支座之间形成一斜向受压的“短柱”。梁表面破坏时，产生多条大体平行的斜裂缝。梁腹发生类似于柱受压的侧向膨出，有很高的承载力。本次试验中，LR－1．0－1的破坏形态为斜压破坏。

2．2．2 剪压破坏

剪跨比为 1．5≤λ≤2．5时，梁发生剪压破坏。 在这种破坏形态中，随着荷载的增加，弯剪斜裂缝或腹剪斜裂缝中有一条形成临界斜裂缝，向梁顶发展。当达到破坏荷载时，在剪应力和压应力共同作用下，斜裂缝顶端的混凝土被压碎而破坏。剪压破坏的特点是，破坏过程比斜拉破坏过程缓慢一些，破坏时的荷载明显高于斜裂缝出现时的荷载。本次试验中，梁LR－2．5－1、LC－2．5－0、LR－2．0－1、LC－2．0－0、LC－1．5－0、LR－1．5－0．3、LR－1．5－0．5、LR－1．5－0．7、LR－1．5－1等的破坏都可归为剪压破坏。

2．2．3 斜拉破坏

剪跨比λ＝3．0时，梁发生斜拉破坏。这种破坏的特点是，斜裂缝一旦出现，便很快延伸到梁顶，把梁拉裂成两部分，即破坏与临界斜裂缝的出现几乎同时发生。斜拉破坏的原因是，混凝土余留截面上剪应力的上升使截面上主拉应力超过了混凝土的抗拉强度。 本次试验中，梁 LR－3．0－1、LC－3．0－0 属于斜拉破坏。

2．3 试验数据汇总

试验中，试验梁的实际尺寸、试块的抗压强度和劈拉强度、试件的开裂荷载以及极限荷载等试验数据汇总结果如表2所示。

表2 再生混凝土梁与普通混凝土梁主要试验结果Table 2 Main test results of recycled concrete beam and ordinary one

表3 再生混凝土梁与普通混凝土梁抗剪承载力比较Table 3 Shear capacity comparison of recycled concrete beam and ordinary one

3 再生混凝土梁抗剪承载力计算方法

3．1 抗剪承载力数据分析

根据试验结果，再生混凝土梁的破坏形态与普通混凝土梁相似，其梁抗剪承载力比普通混凝土有所降低，具体数据如表3所示。

3．2 抗剪承载力公式拟合

在集中荷载作用下，普通钢筋混凝土梁的抗剪承载力计算公式［3］为

式中：Vc为斜截面混凝土抗剪承载力，N；λ为剪跨比；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，N／mm2；b为构件截面宽度，mm；b为构件截面有效高度，mm。

再生混凝土梁的抗剪承载力有所下降，即存在一个折减系数Ψ，因此，把式（1）改造为式（2）。

根据表3中的数据，计算出Ψ值，并且取下限，如表4所示。将承载力折减系数与再生骨料取代率拟合曲线，如图4。

表4 不同再生骨料取代率折减系数计算值Table 4 Calculation data of different recycled coarse aggregate replacement ratio reduction factor

图4 抗剪承载力折减系数与再生骨料取代率关系Fig.4 Relations of shear capacity reduction factor and recycled coarse aggregate replacement ratio

从图4可以看出，当再生骨料取代率为30%和50%时，再生混凝土梁抗剪承载力和普通混凝土梁差别并不明显；当取代率达到100%时，抗剪承载力下降明显，承载力折减系数与再生骨料取代率近似呈线性关系。经拟合，Ψ＝1.0591-0.021r。r为再生骨料的取代率，%。

把Ψ值代入式（2）可得到式（3）所示的再生混凝土梁抗剪承载力计算公式。

3．3 公式的应用及分析

把公式（3）计算的结果与试验值进行对比，如表5所示。

表5 计算值与试验值比较Table 5 Comparison of calculation data and test data

由表5可以看出，试验值与计算值的比值的平均值2．05，偏于保守。其原因是，规范中构件的抗剪承载力公式是按下限得到，折减系数Ψ取的也是下限值。该计算结果适合于工程应用，符合工程设计中“强剪弱弯”的原则。

4 结语

通过对普通混凝土梁与再生混凝土梁在集中荷载作用下抗剪承载力的对比试验研究可以得出如下主要结论。

（1）再生混凝土梁与普通混凝土梁的破坏形式差别不大。梁的破坏主要与剪跨比有关，剪跨比λ＝1时，发生斜压破坏；1．5≤λ≤2．5 时， 发生剪压破坏；λ≥3．0时，发生斜拉破坏。再生混凝土梁的抗剪承载力随着剪跨比的增大而减小。

（2）再生混凝土梁的抗剪承载力随着再生骨料的取代率增加而减小，抗剪承载力与再生骨料取代率近似于线性关系。

（3）根据试验结果，回归出了再生混凝土梁抗剪承载力的计算公式。

［1］肖建庄．再生混凝土［M］．北京：中国建筑工业出版社，2008：4．

［2］史巍、侯景鹏．再生混凝土技术及其配合比设计方法［J］．建筑技术开发，2001，28（8）：18-20.

［3］ GB50010－2010，混凝土结构设计规范［S］.中国建筑工业出版社，2010：56－57.