后掺骨料混凝土梁抗弯性能试验研究

2018-05-09贾金青周佳玉

水利与建筑工程学报 2018年2期

贾金青，周佳玉，叶浩，李璐

(大连理工大学，辽宁大连 116024)

后掺骨料混凝土是粗骨料嵌锁技术[1-2]在建筑结构工程中的一种应用方式。它是在基准混凝土搅拌完成后抛填一定体积分数的粗骨料，经过二次搅拌，所得到的均匀混凝土拌合物。后掺骨料混凝土一方面保持了混凝土的可泵性，使其仍具有泵送混凝土劳动强度低、工作效率高的优点；另一方面，它能够有效改善泵送混凝土的早期开裂现象，并且作为一种“绿色混凝土”[3-4]，由于后掺骨料混凝土通过掺入了粗骨料，减少了水泥的使用，从而有效减少了CO2的排放，在改善生态环境方面具有重大意义。本文以后掺骨料抛填率为研究因素，进行了6根后掺骨料混凝土梁的静力加载试验，探究后掺骨料混凝土受弯构件的抗弯性能。

1 试验概况

1.1 试验工艺与配合比设计

本试验混凝土设计强度为C40。在试件制备过程中，需将搅拌完成的基准混凝土每隔5 min搅拌30 s，持续30 min，以模拟商品混凝土由混凝土站至浇筑工作前的实际效果，而后在基准混凝土中抛填一定比例的粗骨料(基准混凝土和后掺入部分的粗骨料均为粒径5 mm～20 mm连续级配的花岗岩碎石)继续搅拌30 s，以此得到后掺骨料混凝土。后掺骨料抛填率(后掺入粗骨料的体积分数)依次为0%、10%、15%、20%、25%、30%。后掺骨料混凝土配置完成后，对不同粗骨料抛填率的混凝土的坍落度进行测定，本文采用的混凝土配合比(包括后掺骨料后各材料配合比)以及各抛填率混凝土对应的坍落度见表1。

由表1中的数据可以看出，基准混凝土满足《混凝土泵送施工技术规程》[5](JGJ/T 10—2011)中对于泵送混凝土坍落度的要求。抛填率25%以内时，各抛填率后掺骨料混凝土均能满足规范内对于建筑结构中对于混凝土坍落度的要求；抛填率25%、30%时，混凝土浆体较少，和易性较差，若应用于工程中对于机器振捣工艺要求较高。

表1 试验混凝土配合比

1.2 材料力学性能

用于基本力学性能测试的混凝土试件的制作与养护参照《混凝土强度检测评定标准》[6](GB/T 50107—2010)及《混凝土结构试验方法标准》[7](GB/T 50152—2012)进行操作。用于后掺骨料混凝土抗压强度和弹性模量的试件尺寸分别为150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×300 mm。本试验纵向钢筋采用HRB400热轧钢筋，并对其进行抗拉试验。材料测试结果见表2。

表2 混凝土及钢筋材料力学性能

1.3 试件设计

本试验共制作6根试验梁，其中1根为后掺粗骨料抛填率为0%的基础梁，编号为L-0；其余5根，后掺粗骨料抛填率分别为10%、15%、20%、25%、30%，依次编号为L-10、L-15、L-20、L-25、L-30。除此之外，其余条件全部相同。试件截面为150 mm×250 mm，梁长为1.9 m，跨中纯弯段0.6 m。试件架立筋均采用2C10，受拉钢筋为2C16，纵向受力筋配筋率为1.31%(按普通钢筋混凝土适筋梁进行配置)。箍筋配筋在纯弯段为A8@150，其余部分为A8@100。梁的尺寸及配筋见图1。

图1试验梁配筋图(单位：mm)

1.4 加载装置及试验过程

本试验采用大连理工大学结构工程实验室的50 t电液伺服试验机进行加载。试验采用两点集中对称同步分级加载方式进行试验。试验中按图2(a)的方式通过分配梁将荷载对称的施加到试验梁上，在跨中形成600 mm的纯弯段。跨中混凝土和钢筋应变分别利用BX120-100AA型和BX120-3AA型应变片进行测量，跨中挠度利用GA-30型分体式LVDT进行测量。应变片粘贴及LVDT放置位置见图2。试验过程中，首先需对试件进行预加载并将传感器、应变片、LVDT进行调零。随后进入正式加载过程，在试件开裂前，按荷载加载，每级加荷载6 kN，持载5 min；试件开裂后，每级加荷载12 kN，持载5 min；试件进入屈服状态后，加载方式按位移加载，位移增量取2 mm直至混凝土梁受压区混凝土被压碎，试件破坏。

图2试验装置图(单位：mm)

2 试验结果

2.1 主要试验现象描述

试验加载过程中需对试验现象进行细致观察及记录。就试验观测现象分析，6根试验梁破坏过程较为相似。当所加荷载达到0.3Pu(Pu为极限荷载)左右时，跨中纯弯段下边缘开始出现竖向裂缝，而后随荷载逐步增大，裂缝逐渐增多并向上延伸；剪跨段裂缝向加载点方向延伸。与此同时，梁的挠度逐渐增大，且裂缝逐渐加宽。纵筋屈服后，梁挠度和裂缝发展状况加剧，直至试验梁受压区混凝土压碎，试验梁宣告破坏。由此可见，6根试验梁均属于延性破坏。试验梁最终破坏形态见图3。

图3试验梁裂缝图

2.2 试验梁特征点参数

6根试验梁受弯破坏过程中的各特征点见表3，各特征点参数变化趋势见图4。由图4分析可知，后掺骨料混凝土梁抗弯性能在抛填率20%时达到最优，在此之前极限荷载随抛填率增大而增大，而之后随抛填率增大而减小。这一点与之前所研究的各抛填率后掺骨料混凝土抗压强度变化趋势相匹配。从结构上分析其变化原因为：

(1) 粗骨料是混凝土组成材料中强度最高、体积稳定性最好的成分[8-9]，随着后掺骨料的抛填，粗骨料由悬浮状态逐步形成有效嵌锁，在混凝土中建立一个整体骨架结构，从而发挥作用。但当后掺粗骨料过多时，又会因混凝土浆体不足，造成结构缺陷。

(2) 普通混凝土由于微区泌水[10-11]现象，使得界面处的浆体水灰比要大于远离界面处的浆体水灰比，导致界面过渡区较为疏松。而后掺骨料的抛填，能够将水分吸附到有孔隙的干燥骨料中去，从而加强骨料与浆体的界面过渡区，从而提高后掺骨料混凝土强度。

表3 特征点参数

图4特征点趋势

3 试验分析

3.1 平截面假定适用性分析

图5(a)～图5(f)分别表示6根试验梁在不同荷载作用下跨中混凝土应变沿截面高度的分布情况。由图5可以看出后掺骨料混凝土梁在受弯过程中的一定范围内，截面各点应变与该点到中性轴的距离近似成正比。由此可知,后掺骨料混凝土梁在受弯过程中沿截面高度的混凝土平均应变基本符合平截面假定。

图5跨中截面应变分布

3.2 荷载-跨中挠度及荷载-跨中钢筋应变分析

由试验结果分析可得6根试验梁荷载-挠度及荷载-钢筋应变曲线见图6。由图6可以看出，后掺骨料钢筋混凝土与普通钢筋混凝土梁在受弯各阶段受力性能及特征基本相同，整个受力过程基本可分为三个阶段。在第1阶段(由试验开始至受拉区混凝土开裂)试验梁处于弹性受力阶段，截面应变分布符合平截面假定，荷载-挠度及荷载-钢筋应变曲线接近直线，梁挠度及受拉钢筋应力均较小。在第2阶段(由混凝土开裂至纵向钢筋屈服)试验梁处于带裂缝工作阶段，截面应变分布仍然符合平截面假定，荷载-挠度及荷载-钢筋应变曲线仍基本接近直线，但曲线斜率在受拉区混凝土开裂后产生变化，增长速率明显加快。在第3阶段(由受拉钢筋屈服至试验梁破坏)试验梁处于屈服阶段。在此阶段，受拉钢筋应变急剧增大，荷载-挠度及荷载-钢筋应变曲线趋于平缓。对比6根试验梁的荷载-挠度及荷载-钢筋应变曲线可以看出：不同抛填率后掺骨料混凝土梁的开裂荷载较为接近，各荷载对应跨中应变及挠度相差不多，整个破坏过程比较相似。

图6荷载-跨中挠度及荷载-钢筋应变曲线

4 结论

(1) 后掺骨料混凝土梁的抗弯性能随后掺骨料抛填率的增大而增强，到达临界值(20%)后，随抛填率的增大而减小。且抛填率为20%时，梁的抗裂性及刚度均优于普通混凝土梁。故而，对于后掺骨料混凝土梁受弯构件的后掺粗骨料的最佳抛填率为20%。这与关于后掺骨料混凝土其他力学性能研究[12-15]所选出的最佳抛填率相吻合。

(2) 后掺骨料混凝土梁在受弯过程中跨中混凝土平均应变沿截面高度的仍基本符合平截面假定。

(3) 后掺骨料混凝土梁受弯破坏的现象与普通混凝土梁相似，仍分为弹性、带裂缝工作和屈服三个阶段，整个受力过程试验现象和受力特征均与普通混凝土梁基本相同。

参考文献：

[1] 沈卫国,李正昊,谭昱,等.粗集料堆叠率对自密实混凝土性能的影响[J].混凝土,2015(2):73-75.

[2] 杨辉,李正昊,沈波,等.粗集料堆叠率和体积砂率对大掺量粉煤灰自密实混凝土工作性的影响[J].武汉理工大学学报,2016,38(4):14-18.

[3] 韩建国,阎培渝.绿色混凝土的研究和应用现状及发展趋势[J].混凝土世界,2016(6):34-42.

[4] 袁红波.研发新型绿色混凝土的技术途径[J].住宅与房地产,2017(18):129.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部．混凝土泵送施工技术规程：JGJ/T 10—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011:4-5.

[6] 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土强度检测评定标准：GB/T 50107—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010:5-9.

[7] 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构试验方法标准：GB/T 50152—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012:6-33.

[8] 潘峰.考虑细观结构的混凝土材料动强度提高机理研究[D].西安：西安理工大学,2017:13-15.

[9] 刘勇.粗骨料及胶凝材料用量对自密实混凝土性能影响的研究[D].青岛：山东科技大学,2017:78.