再生混凝土梁受弯性能试验研究

陈爱玖，王 璇，解 伟，杨 粉，汪志昊

（1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450011；2.中国电建集团 西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

近年来，再生混凝土的开发与应用受到国内外学者们的重视，他们针对再生混凝土的力学性能进行了大量研究.陈宗平等［1－5］认为再生粗骨料（RCA）取代率对再生混凝土的抗压强度影响较小，对再生混凝土的抗折强度、劈裂强度影响较大.杨海峰等［6－7］试验表明随着再生骨料取代率的增加，混凝土与钢筋的黏结滑移曲线峰值滑移减小，高强度再生混凝土较普通强度再生混凝土脆性大.肖建庄等［8－10］对再生混凝土梁抗弯性能进行试验，得出再生粗骨料取代率越大，钢筋混凝土梁的挠度越大；再生混凝土梁的开裂弯矩与极限弯矩略小于普通混凝土梁，在相同弯矩作用下，其挠度和最大裂缝宽度均大于普通混凝土梁.

目前关于再生骨料应用于结构构件的研究较少，大大阻碍了再生混凝土的广泛应用.本文通过对再生粗骨料取代率不同的再生混凝土梁进行抗弯试验，探讨了再生混凝土梁的平截面假定、开裂弯矩、极限承载力以及挠度计算公式与现行规范的适用性，为再生混凝土的研究提供参考依据.

1 试验

1.1 原材料

水泥：天瑞牌42.5R 普通硅酸盐水泥；砂：洛阳产河砂，细度模量2.9；再生粗骨料：废弃钢筋混凝土梁破碎加工制成，抗压强度25～35 MPa.废弃钢筋混凝土梁中的天然粗骨料（NCA）与再生混凝土梁采用的天然粗骨料均为石灰岩碎石.NCA 与再生粗骨料的技术性能见表1.

表1 粗骨料技术性能Table 1 Technical performance of coarse aggregates

再生混凝土强度等级为C35，再生粗骨料取代率r（质量分数，下同）分别为0%，40%，70%和100%，再生混凝土配合比及基本力学性能见表2.

表2 再生混凝土配合比与基本力学性能Table 2 Mix proportion and basic mechanical properties of recycled concretes

再生混凝土梁尺寸为2 500mm×100mm×250mm，其底部纵向钢筋、架立筋和箍筋分别采用直径为14，10，8mm 的HRB400钢筋、HPB235钢筋和HPB235钢筋，箍筋间距100mm.

1.2 再生混凝土梁的制作与养护

再生混凝土采用100L强制式混凝土搅拌机拌制.搅拌前，先预湿再生粗骨料，使其适量吸水，待达到饱和面干状态后进行搅拌.将再生混凝土拌和物注入预先装配好的模板里，用混凝土振捣棒进行振捣，浇筑完成48h后拆模，并定时洒水养护，同时用塑料布遮盖以减少水分蒸发.浇筑混凝土梁的同时浇筑其伴随试块.

1.3 加载装置

再生混凝土梁采用两端简支、跨中两点对称集中加载方式.试验前对压力传感器进行标定，再将试验梁架设在支座上进行加载试验.荷载的施加以再生混凝土梁的设计计算弯矩为依据，采用液压油泵，按照混凝土静载加载方法进行，各级荷载值大小通过与传感器相连的YJSA 型静态电阻应变仪的读数控制.再生混凝土梁加载制度按照混凝土结构试验方法标准中的加载程序进行.

2 试验现象

试验发现，再生混凝土梁的破坏过程经历弹性阶段、塑性阶段、钢筋屈服和极限状态，直至破坏，此过程与普通混凝土梁相似.

加载初期荷载值比较小，再生混凝土梁处于弹性阶段，应力与应变成正比；当荷载增大到极限承载力的18%左右时，试验梁跨中处出现裂缝，试验梁底部受拉区混凝土退出工作后，受拉区的工作主要由纵向受力钢筋承受，钢筋应力增大；随着荷载的继续增加，再生混凝土梁跨中处裂缝数量增多，在向上延伸的同时具有一定宽度；当荷载达到极限荷载的70%左右时，裂缝基本出齐，此时最大裂缝宽度约为0.2mm.受拉钢筋屈服后，钢筋应变骤增，裂缝宽度不断开展，挠度增长迅速，随后上部受压区混凝土被压酥甚至崩落，再生混凝土梁最终破坏.

试验还发现，相对于普通混凝土梁，再生混凝土梁纯弯段裂缝数量较多，裂缝间距较小，且其下部根状裂缝多而密.随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土梁纯弯段裂缝增多，梁下部根状裂缝数目增多、间距减小.这是由于再生粗骨料中含有大量砂浆且有裂缝，导致再生混凝土成型时内部出现过多界面和细微裂缝，再生粗骨料的缺陷对混凝土抗压强度的影响较小，对抗拉强度的影响比较明显，故随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土抗拉强度所受影响较大.

3 平截面假定的适用性

为了验证平截面假定的适用性，在再生混凝土梁侧面粘贴5个电阻应变片，将应变片与电子应变仪电路接好，再将电子应变仪与计算机连接，采集每一级荷载作用下的混凝土应变.图1为再生粗骨料取代率不同的再生混凝土梁在不同荷载级别下的混凝土应变随梁截面高度变化的曲线.

图1 再生混凝土梁在不同荷载下的混凝土应变曲线Fig.1 Concrete strain curves of recycled concrete beams under different loads

由图1可以看出，在一定标距内，再生混凝土梁从加载到接近破坏，混凝土的应变沿试验梁高度的变化基本符合平截面假定，即平截面假定对再生混凝土梁是适用的.

4 开裂弯矩分析

由于目前没有再生混凝土结构设计规范，故按照普通混凝土结构设计规范［11］中的方法和公式来计算再生混凝土的开裂弯矩值.普通混凝土受弯构件正截面抗裂弯矩Mcr表达式见式（1）：

式中：γm为截面抵抗力矩塑性影响系数，取1.55；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值，试验中取每根梁的实测抗拉强度；I0为换算截面对其重心轴的惯性矩；h为截面高度；y0为换算截面重心轴至受压边缘的距离.

由表3可见，普通混凝土梁C35－R0－1，C35－R0－2的值分别为1.021和1.010，这说明普通混凝土梁开裂弯矩试验值与理论计算值符合较好；再生混凝土梁的均小于1，平均值为0.941，标准差为0.049，变异系数为0.052，说明用现行规范［11］计算得到的再生混凝土梁开裂弯矩值与理论计算值符合较差，已不适用于再生混凝土梁.

表3 再生混凝土梁的开裂弯矩试验值与计算值Table 3 Test and calculated values of recycled concrete beams cracking moment

为了便于分析再生骨料取代率与再生混凝土梁开裂弯矩的关系，引入无量纲系数αcr（开裂弯矩相对值），以消除截面尺寸及基体强度带来的影响.αcr的表达式见式（2）：

式中：b为试验梁宽度；h0为试验梁有效高度.

图2是再生混凝土梁开裂弯矩相对值αcr随再生粗骨料取代率r的变化情况.由图2可见，随着再生粗骨料取代率的增大，开裂弯矩相对值逐渐减小，这说明再生粗骨料取代率对再生混凝土梁的开裂弯矩有一定影响.

图2 再生混凝土梁开裂弯矩相对值随再生粗骨料取代率变化的曲线Fig.2 Curves of recycled concrete beams cracking moment relative value vs.recycled coarse aggregate replacement ratio

为更好地推算再生混凝土梁的开裂弯矩，对现有开裂弯矩计算公式（式（1））进行调整.再生粗骨料取代率为40%，70%和100%的再生混凝土梁与普通混凝土梁相比，开裂弯矩平均值分别降低了9.2%，12.36%和18.63%.拟采用再生混凝土梁与普通混凝土梁开裂弯矩之比作为修正系数ηcr，调整值由计算值乘以修正系数ηcr得到.由表3可见，调整后的平均值为1.059，标准差为0.043，变异系数为0.041，可见再生混凝土的开裂弯矩试验值与调整后的计算值符合较好.

对表3中的开裂弯矩值进行回归分析得到修正系数ηcr与再生粗骨料取代率r的关系，见式（3）：

综上，再生混凝土受弯构件正截面开裂弯矩可表示为：

5 极限承载力分析

以再生混凝土梁遭受最终破坏的承载力作为其极限承载力Mu.按照普通混凝土结构设计规范［11］里的基本假定和计算公式来计算再生混凝土梁的极限承载力.再生混凝土梁的正截面承载力计算公式为：

式中：α1为受压混凝土的简化应力图形系数，取1.0；fc为混凝土抗压强度，取实测的混凝土轴心抗压强度；fy为钢筋屈服强度，取实测的钢筋屈服强度；x 为混凝土受压区高度；As为钢筋有效截面积.

表4 再生混凝土梁极限承载力试验值与计算值Table 4 Test and calculated values of recycled concrete beams ultimate bearing capacity

图3为再生混凝土梁极限承载力与再生粗骨料取代率的关系曲线.由图3可见，再生混凝土梁极限承载力随着再生粗骨料取代率的增加而有所降低.与普通混凝土梁相比，再生粗骨料取代率为40%和70%的再生混凝土梁承载力的变化比较小，但再生粗骨料取代率为100%的再生粗骨料混凝土梁的承载力明显比普通混凝土梁低.再生粗骨料取代率为40%，70%和100%的再生混凝土梁极限承载力与普通混凝土梁相比分别降低了1.5%，4.1%和10.6%.再生混凝土梁的轴心抗压强度比普通混凝土分别降低了1.4%，3.3%和6.9%.

图3 再生混凝土梁极限承载力随再生粗骨料取代率变化的曲线Fig.3 Curves of recycled concrete beams ultimate bearing capacity vs.recycled coarse aggregate replacement ratio

这是因为：（1）受压区的再生混凝土抗压强度比普通混凝土抗压强度低，且再生粗骨料在加工过程中存在细微裂缝导致再生混凝土内部缺陷，使其强度降低；（2）再生混凝土试块尺寸较小，其振捣成型的密实度优于再生混凝土梁，其内部缺陷和微裂缝也比再生混凝土梁少；（3）再生混凝土与钢筋之间的黏结强度随着再生粗骨料取代率的增大而降低［7］.

由表4 中可见，普通混凝土梁C35－R0－1 和C35－R0－2的值分别为1.154和1.163，平均值为1.156，试验值比计算值大且具有一定安全储备；再生混凝土梁的平均值为1.100，标准差为0.047，变异系数为0.043，这表明再生混凝土梁的极限抗弯承载力试验值比计算值大，但安全储备较小，说明现行规范［11］中抗弯承载力的计算公式可以适用于再生混凝土梁，但为安全起见，建议对现行规范中的公式予以修正.

由于再生混凝土梁极限承载力与上部混凝土抗压强度有关，拟采用再生混凝土与普通混凝土的轴心抗压强度之比作为修正系数ηu，调整值为理论计算值乘以修正系数.再生混凝土梁极限承载力试验值与调整值见表4.

对表4中的修正系数ηu 进行回归分析，得到再生混凝土梁极限承载力计算值修正系数与再生粗骨料取代率的关系式：

综上，再生混凝土受弯构件正截面承载力计算公式可表示为：

6 挠度分析

依据现行普通混凝土结构设计规范［11］的规定，按裂缝控制等级要求的荷载组合作用下，钢筋混凝土受弯构件的短期刚度Bs，长期刚度B 和最大挠度值af，max可按下列公式计算：

式中：Es为钢筋的弹性模量；ψ 为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；αE为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；ρ为纵向受拉钢筋配筋率；γ′f为受拉翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值；Mk为标准组合计算的弯矩；Mq为准永久组合计算的弯矩；θ为荷载长期作用下的挠度增大系数；l0为计算跨度.

在再生混凝土梁的跨中位置布置位移计，记录各级荷载作用下的挠度，根据实测的挠度值和计算值绘制承载力－挠度曲线如图4所示.在再生混凝土梁开裂前，弯矩较小，其处于弹性工作阶段，承载力－挠度曲线图接近直线；当再生混凝土梁承受的弯矩接近开裂弯矩时，承载力－挠度曲线开始偏离之前的直线，刚度开始降低；再生混凝土梁出现第1 条裂缝，随着荷载的增加，弯矩大于开裂弯矩，承载力－挠度曲线出现明显转折，挠度的增长速度较开裂之前加快，刚度明显降低；钢筋屈服后，承载力－挠度曲线出现第2个转折，裂缝急剧开展，挠度激增，刚度降低迅速.

图4 再生混凝土梁挠度试验值、计算值与调整值Fig.4 Test，calculated and corrected value of recycled concrete beams deflection

由图4可见，再生混凝土梁按挠度大小排序为：C35－R100＞C35－R70＞C35－R40＞C35－R0.这是由于再生粗骨料上附着有旧砂浆，砂浆的弹性模量比骨料低，使得再生粗骨料的弹性模量降低，而再生混凝土由于再生粗骨料的掺入，导致其变形性能降低，挠度增大.

由图4还可见，当荷载较小时，再生混凝土梁挠度计算值大于试验值，荷载增大之后，试验值大于计算值，这说明按照普通混凝土结构设计规范计算再生混凝土梁的挠度值不安全.

由于现行规范中挠度的计算公式不适用于再生混凝土梁，为简化计算，可以考虑给挠度计算值乘以1个调整系数1.3.将调整后的挠度计算值与试验值进行对比，对比结果见图4.由图4 可见，在正常使用阶段，调整后试验值与计算值之比的平均值为0.899，标准差为0.089，变异系数为0.099，乘以修正系数1.3的挠度计算值大于试验值，可以满足实际工程中对混凝土梁挠度的要求.

7 结论

（1）再生混凝土梁的正截面受力过程与普通混凝土梁相似，具有明显的弹性阶段、塑性阶段、钢筋屈服和极限状态；再生混凝土梁应变测量值表明，再生混凝土梁基本符合平截面假定.

（2）再生混凝土梁的抗裂性能随着再生粗骨料取代率的增加而降低.现行规范中的相关公式不适用于再生混凝土梁，建议对现行的开裂弯矩计算公式乘以与再生粗骨料取代率有关的修正系数.

（3）再生粗骨料取代率对再生混凝土梁的极限承载力有一定影响.现行规范中相关的公式可以适用于再生混凝土梁，但为安全起见，建议对现行的承载力计算公式乘以与再生粗骨料取代率有关的修正系数.

（4）再生混凝土梁的承载力－挠度曲线与普通混凝土梁类似，随着再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土梁的挠度增大.采用现行规范计算再生混凝土梁的挠度已经不再适用，但根据试验结果对比，给现行规范计算值乘以修正系数1.3之后的修正值与试验值符合较好.

（5）再生混凝土梁中的再生粗骨料只涉及1种类型，由此得出的结论适用范围有限，因此对钢筋再生混凝土梁受弯性能还需进一步研究.

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