再生混凝土简支梁受弯性能试验研究

2015-03-24赖宇迪

四川建筑 2015年6期

关键词：简支梁挠度骨料

赖宇迪，徐刚，王嵘

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010)

再生混凝土简支梁受弯性能试验研究

赖宇迪，徐刚，王嵘

(西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010)

基于国内外大量相关研究及试验成果，研究不同再生混凝土取代率对混凝土简支梁的影响，对1组普通混凝土简支梁以及取代率分别为30 %、50 %、70 %、100 %的4组再生混凝土简支梁进行抗弯性能试验。结果表明：再生混凝土取代率的不同，在一定范围内影响其抗弯性能、破坏形态、挠度情况，但总体上与普通混凝土梁受弯基本一致；再生混凝土梁的极限承载能力、裂缝发展等表现均比普通混凝土差，且随着取代率的增加，这种趋势更严重；再生骨料的添加并不能完全替代普通混凝土应用于实际工程构件中，对此还需进一步研究。

再生混凝土；取代率；挠度；受弯性能

改革开放以来，随着我国经济迅速发展，房地产行业突飞猛进，由此带来的混凝土需求量以及相应的建筑垃圾的问题日益严重。在自然资源相对缺乏的我国，建筑行业可持续发展的重中之重就是建筑材料的可持续性，解决该问题的关键在于找到相应原材料的替代品，提高能源有效利用率，探寻新型发展道路。利用再生混凝土替代普通混凝土是土建行业一项新的手段，目前，再生混凝土结构已经有不少研究，其中对再生混凝土梁的研究是个热门，但是对其受弯性能系统化的试验研究较少。基于此，本文通过掺入不同量的再生混凝土骨料，对再生混凝土简支梁以及普通混凝土梁进行抗弯性能试验研究，得到梁的挠度、应变等结果，并进行对比分析，为再生混凝土梁构件使用提供一定参考标准。

1 试验概况

1.1 试验目的

本次试验共设计4组不同再生混凝土取代率的简支梁和1组普通混凝土梁，具体参数如表1，其中L1即普通混凝土梁，每组试验梁的数量为3根。针对再生混凝土不同取代率这一变量而浇筑的简支梁，采取不同的加载量来分析取代率对简支梁承载能力、破环模式等的影响。

表1 试件分组

1.2 试验材料

简支梁截面尺寸：l=3 000 mm，h=300 mm，b=150 mm。保护层厚度20 mm，混凝土C30，ft=1.43 N/mm2。纵向受力钢筋2φ12(HRB335)，上部构造钢筋2φ10(HRB335)，箍筋φ6@150(HPB300)，钢筋布置如图1所示。

图1 试件配筋

普通混凝土的设计强度等级为C30，其中水泥为P42.5R普通硅酸盐水泥，砂为普通天然黄砂，拌合水为自来水，天然粗骨料为连续级配碎石。减水剂掺量2 %，减水率为18 %。再生粗骨料由废弃的混凝土梁破碎加工而成。在浇筑混凝土时，同时浇筑3个150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块，用作测定混凝土的强度等级。W/C =0.43，砂率为33 %，骨料最大粒径为31.5 mm。

1.3 加载设计

本次试验采用分配梁两点对称集中加载方式，具体描述如图2、图3。梁浇筑前，在简支梁底部2根纵向钢筋的跨中位置沿纵向各粘贴一片钢筋应变片，用于测量纵筋在加载过程中的应变。试验时在跨中和两支座处设百分表，以观测构件的挠度变化；在梁的跨中一侧按75 mm的间距粘贴混凝土应变片，以观测跨中截面不同高度处的应变变化。在加载前，先对试验梁施加2 kN荷载进行预压试验，检查仪器是否正常工作以及修正由接触引起的误差。正式加载时，采取两点对称逐级加载方式，采用250 kN压力试验机进行加载，每级加载为2 kN，接近开裂时每级加载1 kN，且每级持荷5 min，持载约5～10 min，待仪表的示值稳定后再进行下级加载，以便有充分时间记录各项数据。

图2 加载装置平面

图3 加载装置试验

2 试验现象

对于普通混凝土适筋梁而言，受弯破坏一般分为4个阶段，分别是弹性阶段、开裂阶段、屈服阶段和极限阶段，直到受拉纵筋屈服破坏，而后受压区混凝土压酥发生鼓翘，梁即破坏。通过5组试验简支梁的观察可以得到，不同取代率再生混凝土的破坏特征与普通混凝土基本一致。

以L3为对象，试验过程当中，当荷载处于较小阶段(0～40 kN)时，再生混凝土简支梁基本处于弹性工作状态。当荷载增加到46 kN时，简支梁出现了第一条裂缝，裂缝宽度较小，随着荷载的继续增大，梁的挠度逐渐增大，同时，主筋应变越来越大，裂缝开展向竖向方向发展且宽度变大，同时受压区混凝土塑性表现更加明显。当荷载达到60 kN左右，主筋受拉屈服，简支梁变形进一步增加，裂缝及变形和挠度进一步加快变化。当荷载达到100 kN时，梁顶部混凝土压酥鼓翘，达到梁的极限荷载，梁被破坏。

3 试验结果及分析

3.1 荷载-跨中挠度分析

试验中梁的挠度值是反映梁工作性能及受力性能的一项重要指标，挠度值的大小变化直观反映了梁由弹性阶段到破坏阶段的整个历程。通过对各级加载时位移计值的记录,得到了5组试验梁两端及跨中挠度随荷载的变化规律，由于每组试验有3根梁，因此对结果取平均值，图4为梁跨中的平均荷载-挠度曲线。仍以L3为对象，图5为试验时L3的跨中挠度变化现象。从图5中可以看出，当荷载较大时，梁跨中已经出现明显向下的挠度，跨中位移计记录棒也下降明显，读数增大。

图4 不同荷载下梁的挠度曲线

图5 梁跨中挠度变化现象

由图4可知，再生混凝土梁的跨中挠度与普通混凝土梁变化的总体趋势基本相符。通过对比可知，在加载量为0～10 kN范围内时，5组梁的挠度值大致相同，变化规律基本无差异，梁逐渐向塑性发展。当荷载加载到38 kN左右时，5组梁的跨中挠度均达到6～7 mm范围，此时梁挠度变化出现差异，随着荷载继续增加，再生混凝土梁挠度变化比普通混凝土梁更大更明显，延性也明显落后于普通混凝土梁。4组不同取代率的再生混凝土梁基本都是在挠度值达到9.8 mm左右时，承载能力到达极限，梁压弯破坏；与之相比，普通混凝土梁在挠度达到13.8 mm左右时才到达极限承载能力，梁压弯破坏。通过上述结果可知，取代率不同的再生混凝土梁与普通混凝土梁受力性能及挠度变化趋势基本一致，再生混凝土梁极限承载力虽然小于普通混凝土梁，但其极限值也能达到40 kN。

3.2 荷载-跨中混凝土梁应变分析

5组梁的跨中混凝土平均荷载-应变曲线如图6所示，图7是以L3为对象，对其裂缝分布的描述。

由图6可以看出，再生混凝土梁的跨中混凝土应变变化情况与普通混凝土的变化总体趋势一致。在5组试验梁开裂之前，荷载变化范围为0～26 kN，各组梁跨中测点应变随荷载的变化差异并不大。在荷载达到32 kN左右时，5组梁跨中测点的应变发生较大差异，并开始分化。在梁开裂后到钢筋屈服前的阶段，各组试验梁跨中测点的应变差异已经十分明显。继续加载，取代率为30 %、50 %、70 %、100 %的再

图6 不同荷载下梁的混凝土荷载-应变曲线

图7 L3裂缝分布

生混凝土梁，在相同荷载下跨中应变的增长速度明显较普通混凝土梁迅速。至加载后期时，混凝土梁跨中测点应变增长速度及大小表现为：再生混凝土取代率100 %>70 %>50 %>30 %>普通混凝土。造成这一现象的原因有：(1)再生混凝土弹性模量本身就较普通混凝土弹性模量低,并且随再生粗骨料取代率增加而降低幅度更大；(2)再生粗骨料在制作过程中由于内部损伤程度较天然骨料更严重且其表面存在较多微裂缝,更容易导致混凝土易开裂。