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混凝土桥梁拆除废料再生利用试验研究

2016-11-08李雅娟韦锦帆杜进生

筑路机械与施工机械化 2016年9期
关键词:混凝土桥梁

李雅娟 韦锦帆 杜进生

摘要:利用混凝土桥梁拆除废料制作同一强度等级的不同粗骨料替代率的3根混凝土梁,并对其进行静力加载试验,比较不同的替代率对试验梁性能的影响。结果表明:各试验梁的截面变形符合平截面假定,受压区高度随着替代率的增加而增大;再生混凝土梁的开裂弯矩均比普通混凝土梁小,结构规范中的公式计算值偏于不安全;再生混凝土梁的裂缝发展较普通混凝土梁紊乱和密集,跨中挠度略大于普通混凝土梁,极限抗弯承载力平均值比普通混凝土梁低11.7%。

关键词:混凝土桥梁;废料再生;抗弯承载力;再生粗骨料

中图分类号:U443.32文献标志码:B

0引言

随着危旧桥梁的逐年递增、改扩建项目的不断增加及公路建设的持续发展,许多桥梁需要进行拆除,大量的拆除废料随之产生[1]。对桥梁拆除所产生的混凝土废料进行破碎、清洗和分级后,作为再生混凝土的骨料再利用,不仅可节约成本,提高经济效益,而且可减少环境污染,对推进资源节约型、环境友好型社会建设具有重要的现实意义。

为此,国内外学者进行了多方位的研究:美国学者对再生粗骨料混凝土的性能进行了深入研究;澳大利亚学者对比了澳洲和日本的再生混凝土建设成果;国内数十家研究机构和大学(包括同济大学、西安建筑科技大学、哈尔滨工业大学、广西大学等)开展了再生混凝土的研究,一些学者进行了材料及结构构件层次的研究,并取得了一定成果。

目前,混凝土废料循环再利用更多地还处在试验室研究阶段,缺乏完善的再生骨料和再生骨料混凝土的技术规程、标准;且研究多集中在建筑领域,桥梁工程技术领域的研究相对较少[24]。基于此,本文在借鉴已有研究成果的基础上,制作3根同一强度等级、不同替代率的再生混凝土梁,分析其正截面抗弯性能,并讨论与现行规范的符合程度,为再生粗骨料混凝土梁在工程中的应用提供参考。

1试验概况

考虑不同再生粗骨料替代率(0、50%、100%),试验设计了1根普通粗骨料混凝土梁和2根再生粗骨料混凝土梁,分别以NC、RC50、RC100表示。

1.1配合比设计

试验梁材料采用拉法基牌42.5R复合硅酸盐水泥,试验用水为实验室的生活用水,骨料包括粒径为5~315 mm连续级配的天然骨料和粒径为5~300 mm的再生骨料(基体混凝土为强度等级C40的废料混凝土);细骨料为河道天然细沙。粗骨料的基本物理性能按照《建设用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)的技术要求进行试验,结果见表1。

再生混凝土采用基于自由水的配合比设计方法,以避免再生骨料因吸水率较大而导致再生混凝土强度不稳定的问题[5]。首先根据普通混凝土的配合比确定每立方米混凝土各材料用量;然后根据表1中粗骨料的吸水率增加相应的用水量进行试配,拌制混凝土拌和物,进行和易性试验,观察拌和物的粘聚性与保水性,并测量坍落度,直至符合技术要求,最后确定各试验梁的配合比,见表2。

1.2试验方案

试验梁所使用的材料参数见表3,试验梁内部钢筋应变和外部混凝土应变、挠度测点布置如图1、2所示。

由图2可看出,试验梁采用三分点加载方式,在加载点和支座段有500 mm的弯剪段,在加载点之间有500 mm的纯弯段,荷载通过分配梁被平均分到2个加载点上。

试验过程共有2个加载步骤,分为预加载和正式加载。预加载值取计算开裂荷载的60%,并观察各位移计和应变片的数值变化情况,以保证正常工作。之后进行正式加载,以0.1 MPa·s-1的速率进行加载,系统每秒自动采集试验梁的荷载、挠度和应变等数值,2名观察者在梁旁边观察裂缝的开展情况,并做好标记,写上此时的荷载值。

2试验结果分析

2.1主要试验结果

3根试验梁的主要试验结果见表4。由表4可知,相同的混凝土强度下,再生混凝土梁的抗弯极限弯矩均比普通混凝土梁小,两者差异在11.7%之内,并未随粗骨料替代率的增加而发生大幅度降低。但再生混凝土梁的开裂弯矩要低于普通混凝土梁,其中RC50梁的开裂弯矩最低,为NC梁的51.0%。试验梁的跨中挠度也随着替代率的增加而小幅增大。

2.2荷载纵向主筋应变分析各个荷载等级下,试验梁跨中纵向主筋应变变化情况见图3。由图3可见,曲线主要由3段组成,即弹性工作阶段、开裂后至纵向主筋屈服段以及屈服后的水平段。开始加载时,试验梁整个截面都会参加工作,成为全截面工作阶段,由于荷载较小,混凝土处于弹性阶段,受拉区混凝土承担主要的拉力,截面应变分布基本呈三角形;之后,荷载继续增大至约15 kN时,混凝土达到极限拉应变,截面底部开始出现横向裂缝。开裂后至纵向主筋屈服时,随着荷载的增加,钢筋应变逐渐增大[6],在同一级荷载下,普通混凝土梁的钢筋应变要比再生混凝土梁小。钢筋屈服后,试验梁的荷载几乎不再增加,但是应变持续变大,直至受压区混凝土压碎。

2.3荷载跨中挠度分析

梁的挠度变化能很好地反映梁受力时的变化情况,挠度的增加直观展现了试验梁从加载到破坏的整个过程,综合反映试验梁的抗弯性能[7]。通过对各试验梁挠度数据的处理,剔除支座位移,得出梁挠度随着荷载的变化情况,如图4所示。

由图4可见,再生混凝土梁与普通混凝土梁一样,随着荷载加载的持续进行,荷载挠度曲线大致可分为3个阶段,即弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段。

2.3.1弹性阶段

这一阶段再生混凝土梁与普通混凝土梁相同,随着荷载增加,挠度呈线性增加[8]。受拉区混凝土和纵向主筋共同承担梁的拉应力。

2.3.2带裂缝工作阶段

这一阶段曲线的斜率较弹性阶段减小,形状近似直线,说明试验梁此时仍具有较好的线弹性。当截面出现裂缝后,受拉混凝土退出工作,原先承担的拉力传给了主筋,梁的挠度和截面曲率比弹性阶段大幅增加[9]。从图4可以看出,相同的加载值下,随着粗骨料替代率的增加,试验梁的挠度值逐渐变大,抗弯刚度逐渐降低,NC梁跨中挠度值最小。由数据分析可知,再生混凝土梁在此阶段的平均挠度值比NC梁大10%左右,说明再生混凝土梁的抗弯刚度的下降速度较普通混凝土梁快。

试验梁抗弯刚度降低的原因为:再生骨料强度较低,所以再生混凝土梁的弹性模量较低,降低速率随着粗骨料替代率的增加逐渐减小,造成了RC50梁和RC100梁的抗弯刚度几乎相同;再生粗骨料在制备时内部损伤较多,在荷载作用下,微裂缝易发展成界面裂缝,进而贯通,使混凝土强度降低;再生骨料和天然卵石骨料混合时,由于卵石骨料内摩擦角较小,骨料间的机械咬合力不强,界面间容易发生滑动产生裂缝,所以在后期的荷载等级下,RC50梁的曲线斜率会比RC100梁低,直至梁被破坏,说明RC50梁的极限荷载比RC100梁略小;浇筑时,水泥胶体会流入再生粗骨料表面的微裂缝,使界面水泥水化反应更加充分,胶结力得到增强,再生混凝土的界面得到较大强化,从而提高了混凝土整体的强度和刚度。因此,随着粗骨料替代率的增加,后期RC100梁的抗弯刚度比RC50梁略微提高。

2.3.3破坏阶段

随着荷载持续加大,梁的跨中挠度继续增加,当纵向主筋屈服后,荷载不再增大,而挠度大幅增加,增长速度变快。当加载值达到极限荷载,曲线出现明显的拐点,之后由于挠度过大,荷载逐渐下降。钢筋屈服后,在很小的荷载增量下,梁都会产生很大的变形,中性轴不断上移[10]。当受压区混凝土达到混凝土的极限压应变时,受压区混凝土被压碎,梁正截面受到弯破坏,再生混凝土梁的破坏弯矩均比普通混凝土梁小,挠度范围为107~111 mm,相差不大,随着粗骨料替代率的增加,挠度小幅增加。

2.4裂缝发展及分布

3根试验梁的裂缝开展规律基本相同:弹性阶段结束后,随着荷载的增加,在试验梁的跨中底部出现第一条横向受拉裂缝,然后往梁侧面延伸,在支座和加载点之间的梁段也出现斜裂缝;当荷载继续增大,裂缝开展更充分,分布更加密集,有些裂缝甚至相互连通起来;当达到极限荷载时,裂缝宽度最大,达到20 mm,长度可达15 cm。试验梁典型裂缝分布情况如图5所示。

但是,试验梁裂缝开展情况也存在差异。随着粗骨料替代率的增加,平均裂缝间距随之增加,RC50梁、RC100梁的平均间距较NC梁分别增长了71%、14.1%。对于相同的加载值,裂缝的宽度随着粗骨料替代率的增加而略微变宽,裂缝长度有所降低,但是裂缝条数更多,说明再生骨料的微裂缝对裂缝的形成至关重要[11]。随着替代率的增加,试验梁的裂缝分布也更加密集和紊乱,其中RC100梁加载点下侧面还出现沿纵筋方向的水平裂缝。具体原因主要是:再生混凝土与纵筋的粘结力不足,导致钢筋周边混凝土劈裂受拉而出现裂缝;再生混凝土的抗拉强度不足。

3规范适用性验证分析

3.1平截面假定验证

根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中的要求,抗弯构件在进行承载力计算时,必须满足规范中的基本假定。其中就有满足平截面假定这个重要条件,这是承载力计算和后续分析的基础。

试验梁沿截面高度每隔40 mm布置一个应变片,通过IMP数据采集系统直接采集应变值,图6为3根试验梁在各个加载值下混凝土的受拉、受压应变曲线。

从图6可以看出,平截面假定仍然适用本文抗弯过程中的试验梁。在各级荷载下,随着粗骨料替代率的增加,各测点的应变值也随之线性降低,说明再生混凝土的材料均匀性比普通混凝土差。3根试验梁的受压区高度如表5所示。

由表5可知,随着再生混凝土替代率的增加,受压区高度随之增加。这是因为再生粗骨料孔隙率大,强度较低,需要较高的高度才能承担由受拉钢筋所产生的弯矩。

3.2开裂弯矩

《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中关于开裂弯矩的计算公式为

Mcr=724ftbh2(1)

式中:Mcr为受弯构件正截面开裂弯矩值;ft为混凝土轴心抗拉强度设计值;b、h分别为构件截面的宽度和高度。

利用式(1)计算出各梁的开裂弯矩计算值,并与试验值进行对比分析。

3根试验梁的开裂弯矩计算值与试验值如表6所示。从表6可知,相同的混凝土强度等级下,再生梁的开裂弯矩均比普通梁小,其平均值大致为普通梁的569%,减小幅度较大,这是由再生骨料的内部缺陷过多而导致的。

根据数值对比,3根梁的计算值与试验值的比值为1.030~1.250,其中再生混凝土梁的计算值与试验值差距超过24%,误差较大。故规范中关于开裂荷载的计算对再生混凝土不适用,需综合考虑在再生混凝土梁的计算值基础上乘以折减系数。

3.3抗弯承载能力

通过以上的试验结果可知,再生混凝土梁的正截面受弯时能保持平面,满足平截面假定,破坏特征也与普通混凝土梁类似,符合《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中关于抗弯承载力计算的4个基本假定。因而,可以根据规范中关于梁正截面抗弯承载公式计算其抗弯承载力。

在简化计算时,采用等效原理,截面受力状态及计算示意如图7所示。2个图形的等效原则为:2个应力图形的合力C相等;合力C的作用点不变。

根据以上的基本假定和等效原则,由平衡条件可得到再生混凝土梁抗弯承载力C的计算公式

C=fyAs=α1fcbx(2)

Mu=Ch0-x2=α1fcbxh0-x2(3)

联立式(2)、(3)得

Mu=fyAsh0-fyAs/2α1fcb(4)

式中: fy为钢筋抗拉强度设计值;As为纵向受拉钢筋截面面积;α1为等效矩形应力图系数,取10;fc为混凝土轴心抗压设计强度;b为截面宽度;xn为中性轴高度;x为混凝土等效受压区高度;Mu为构件的正截面受弯承载力设计值;h0为截面有效高度。

将试验中实测的材料强度值,即fy=412 MPa,fc=0.76 fcu(fcu为边长为150 mm的混凝土立方体抗压强度标准值)代入式(4),得到各试验梁的极限弯矩计算值,结果见表7。由表7中的结果对比可以得到,再生混凝土梁极限弯矩试验值与计算值之比的平均值为1037,标准差为0004 3,变异系数为042%。规范计算值与试验值符合度较好,3根梁的极限弯矩试验值均大于计算值,规范中计算正截面抗弯承载力的理论和方法适用于再生混凝土梁。

4结语

通过本文的研究,可以得到如下结论。

(1) 再生混凝土梁在抗弯过程中有3个阶段:混凝土未裂阶段、混凝土带裂缝工作阶段和破坏阶段。再生混凝土梁与普通混凝土梁的抗弯过程有一致性,破坏特征均为纵向主筋先屈服,然后受压区混凝土被压碎。

(2)再生混凝土梁在抗弯破坏过程中,随着粗骨料替代率的增加,受压区高度逐渐增大,截面的应变变化情况满足平截面假定原则。

(3) 再生混凝土梁的开裂弯矩比普通混凝土梁小,其平均值大致为普通混凝土的56.9%,规范中关于开裂弯矩的计算公式不再适用,应考虑一定的调整系数。

(4)再生混凝土梁的跨中挠度略大于普通混凝土梁,裂缝的发展和延伸随着粗骨料替代率的增加而更加紊乱和密集,裂缝长度较短,但是宽度较大。

(5) 再生混凝土梁的挠度和应变变化与普通混凝土梁类似,抗弯过程满足设计规范中的4个基本假定,再生粗骨料混凝土梁抗弯承载力总体比普通混凝土梁低,随着粗骨料替代率的增加又略微增长,可以依照现行规范估算再生粗骨料混凝土梁的正截面抗弯承载力。

参考文献:

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[责任编辑:王玉玲]

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