撒布式钢纤维再生混凝土梁的延性与耗能

唐佳军，裴长春

(延边大学工学院，吉林延吉133002)

再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete, RAC)是将废弃混凝土破碎加工成再生骨料，代替部分天然骨料应用到混凝土搅拌当中[1]，符合绿色建筑与建筑业可持续发展的要求。2010年，国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布了GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》；2018年，住房和城乡建设部发布了JGJ/T 443—2018《再生混凝土结构技术规程》。目前，大量学者的研究表明，在RAC中掺加钢纤维后，可提高其各项力学性能。刘慈等[2]的试验发现，当混杂钢纤维掺量由0增大至2.0%时，RAC的28 d抗压强度提高幅度为9.9%～40.1%，劈拉强度提高20.2%～124.6%，抗折强度提高31.2%～286.1%，弹性模量提高12.6%～38.1%。匡成钢[3]的正交测试发现，钢纤维掺率是RAC力学性能的主要显著因子，当其掺率由0增加至1.8%时，RAC的抗压、劈拉、抗折强度分别升高9.8%、59.2%和37.5%。但钢纤维再生混凝土同样也存在一些问题，限制了它在实际工程中的推广与应用。比如说造价高(钢纤维用量多)、施工难度大(钢纤维易结团不易搅拌均匀且混凝土坍落度小)[4-5]。而采用撒布式钢纤维再生混凝土(Layered Steel Fiber Recycled Aggregate Concrete, LSFRAC)结构形式时，即在结构构件中分层人为平均撒布一定量的钢纤维，从而形成RAC与钢纤维共同作用的加强层，加入少量的钢纤维就能增强其抗拉、抗折强度与韧性等，这样既节约了造价又降低了施工难度，因而具有良好的社会经济效益与推广应用前景[6]。目前，有关LSFRAC力学性能[7-8]、梁受弯[9-10]与抗裂性能[11-12]等方面的研究较多，而缺少LSFRAC梁延性与耗能方面的研究。

为此，本文通过改变钢纤维的撒布层数、钢纤维的层撒布量与纵筋的配筋率，研究其对LSFRAC梁的荷载-挠度曲线、位移延性系数和耗能能力的影响，为撒布式结构构件的实际工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验方案设计

对1组RAC梁与11组LSFRAC梁进行静力荷载作用下的四点弯曲加载测试，梁尺寸为120 mm×180 mm×1 500 mm，净跨为1 200 mm，剪跨段与纯弯段相等，均为400 mm。纵筋采取直径为14、16、18 mm的HRB400级钢筋，对应配筋率分别为1.77%、2.31%、2.93%，架立筋选取直径为10 mm的HRB335级钢筋，箍筋采用直径为8 mm的HPB300级钢筋。梁的尺寸与配筋情况见图1。钢纤维撒布层数为0～7层，撒布位置示意见图2，钢纤维层撒布量有1.0、1.5、2.0 kg/m2，梁的试验方案设计见表1。

图1 梁截面尺寸与配筋构造(mm)

图2 钢纤维撒布位置示意(mm)

表1 试验方案设计

试件编号撒布层数/层层撒布量/(kg·m-2)纵筋直径/mmL0-S0-R160016L1-S1.5-R1611.516L2-S1.5-R1621.516L3-S1.5-R1631.516L4-S1.5-R1641.516L5-S1.5-R1651.516L6-S1.5-R1661.516L7-S1.5-R1671.516L4-S1.0-R1641.016L4-S2.0-R1642.016L4-S1.5-R1441.514L4-S1.5-R1841.518

注：L4-S1.5-R16表示钢纤维撒布层数为4层，层撒布量为1.5 kg/m2，纵筋直径为16 mm的简支梁试件，其他试件编号同理。

1.2 原材料与配合比

试验所用原材料详见文献[13]。本研究再生粗骨料取代率为30%，水胶比为0.25，胶凝材料中粉煤灰与硅粉所占质量比分别为20%、10%，砂率为0.45，减水剂掺量为0.8%。由于钢纤维撒布的特殊结构形式，各试验组均采用相同的配合比，配合比设计见表2。

表2 配合比设计 单位：kg/m3

1.3 试验方法

试验梁在标准条件下养护28 d后，利用延边大学结构试验室YAS-5000型微机控制电液伺服压力试验机实施四点弯曲加载测试。试验加载过程严格按照GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》[14]中的规定执行，具体测试步骤为：①预加载,为了检查压力机与数据采集系统是否正常工作，同时使试验梁进入正常的测试工况，需要对梁进行预加载，加载速度为50 N/s，大小为5 kN；②正式加载,试验开始至裂缝稳定发展前阶段和钢筋屈服后至梁破坏阶段，每级加载均为5 kN,裂缝稳定发展后至钢筋屈服前，每级加载为10 kN,加载速度为100 N/s，每级荷载持续时间为5 min。

试验过程中主要采集每级荷载下梁跨中挠度数据，以绘制荷载-挠度曲线，从而分析梁的延性与耗能；同时采集纵筋应变数据，来判断梁的屈服荷载，进而计算位移延性系数。受压区混凝土压碎破坏时，结束加载，记录梁破坏时的最大挠度。

2 试验结果分析

2.1 荷载-挠度曲线

图3—5分别为不同钢纤维撒布层数、钢纤维层撒布量与纵筋配筋率变化下各试验组梁的荷载-挠度曲线。可以看出，各试件梁的荷载-挠度曲线大致分为3个阶段：第一阶段为挠度随荷载增加呈线性增长的弹性阶段；第二阶段为开裂后至屈服前的带裂缝工作阶段，此时曲线接近直线变化；第三阶段为钢筋屈服后阶段，此时曲线近似呈水平变化，荷载增加很小时，挠度增加较大，梁刚度明显降低。

由图3可知，试件屈服之前，在同一荷载等级下，随着钢纤维撒布层数的增加，梁对应的挠度值逐渐减小，即梁的刚度逐渐增大。而梁破坏时的挠度随钢纤维撒布层数增加的变化规律不明显，与RAC梁相比，LSFRAC梁破坏时挠度有增大也有减小，其中L6-S1.5-R16组梁的挠度最大，较L0-S0-R16组增大12.8%，其他组的变化范围为-26.8%～+6.2%(-代表降低，+代表提高)。

图3 不同钢纤维撒布层数的荷载-挠度曲线

图4 不同钢纤维层撒布量的荷载-挠度曲线

图5 不同配筋率的荷载-挠度曲线

由图4可知，钢纤维层撒布量由1.0 kg/m2增加至2.0 kg/m2时，同一荷载等级对应的挠度逐渐减小，即刚度逐渐增大；梁破坏时的挠度逐渐减小，L4-S2.0-R16组较L4-S1.0-R16组减少1.6 mm，减小了5.0%。

由图5可知，配筋率由1.77%增大至2.93%时，同一荷载等级下的跨中挠度逐渐减小，刚度增大；梁破坏时的挠度逐渐增大，L4-S1.5-R18组较L4-S1.5-R14组增加33.6%。

2.2 延性分析

位移延性系数(极限位移与屈服位移之比)是衡量钢筋混凝土构件延性的重要指标之一，其值越大，表征构件的延性越好[15]。以纵筋屈服、梁挠度突变时对应的荷载值为屈服荷载，梁破坏时的荷载值为极限荷载，由荷载-挠度曲线可以确定屈服荷载与极限荷载对应的挠度值，即为屈服位移和极限位移，各试验组梁的位移延性系数计算结果见表3。

表3 各试件梁的位移延性系数

由表3可知，位移延性系数随钢纤维撒布层数的变化规律不明显，与L0-S0-R16组相比，仅L6-S1.5-R16组的延性系数增大8.8%，其余组的延性系数均减小，减小幅度为1.2%～28.8%。随着钢纤维层撒布量的增多，位移延性系数逐渐增大，L4-S2.0-R16组较L4-S1.0-R16组增大了4.1%。随着配筋率的增大，延性系数亦逐渐增大，其中L4-S1.5-R14组与L4-S1.5-R16组仅差0.03，相差不大，L4-S1.5-R18组较L4-S1.5-R14组增大36.0%，增长显著。由表3还可以看出，各试验组梁的位移延性系数均满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[16]中大于3的要求。

2.3 耗能分析

对荷载-挠度曲线与横坐标轴作积分，可得到梁的耗能，图6、表4所示为各试验组梁从加载至破坏耗能能力的变化情况。

图6 不同钢纤维撒布层数的耗能

表4 不同钢纤维层撒布量与纵筋配筋率的耗能

不同钢纤维层撒布量/(kg·m-2)耗能/J不同纵筋配筋率/%耗能/J1.0 3 2081.772 6621.53 2132.313 2132.0 3 3612.934 928

由图6可知，与RAC梁相比，LSFRAC梁的耗能能力有增强亦有减弱，其中L6-S1.5-R16组梁的耗能能力最强，较L0-S0-R16组提高41.8%，增强效果显著，而其余组梁的变化范围为-12.9%～+10.0%不等。由表4可知，随着钢纤维层撒布量与纵筋配筋率的增大，梁的耗能能力逐渐得到加强，其中L4-S2.0-R16组较L4-S1.0-R16组增强了4.8%，L4-S1.5-R18组较L4-S1.5-R14组增强了85.1%，可见配筋率对耗能能力的影响较为明显。

2.4 原因分析

由以上分析可以看出，L6-S1.5-R16组梁破坏时的挠度较大、位移延性系数较大、耗能能力较强，这是因为L6-S1.5-R16组梁的破坏形式与其余组梁不同。L0-S0-R16组与L4-S1.5-R16组梁均是在跨中区域产生一条主要裂缝(图7)，裂缝逐渐延伸至2/3梁高后开始横向扩展，受压区混凝土压碎而破坏；而L6-S1.5-R16组梁加载点处产生2条对称的主要裂缝，裂缝延伸至大约2/3梁高位置处时，加载点处混凝土挤压破碎而破坏，破坏时纯弯段下降明显，因而挠度、位移延性系数较大，耗能能力较强。L6-S1.5-R16组梁之所以发生这种特殊形式的破坏，是因为钢纤维撒布不均匀(跨中撒布较多，加载点处撒布较少)，导致跨中截面较强而加载点处截面较弱。因此，可以将弯矩较大部位通过撒布多层多量的钢纤维，来控制最不利截面处的破坏，从而提高结构构件的延性与耗能。

a) L0-S0-R16

b) L4-S1.5-R16

c) L6-S1.5-R16图7 部分试件梁的破坏形态

3 结论

a) RAC梁和LSFRAC梁的荷载-挠度曲线大致分为3个阶段：弹性阶段、带裂缝工作阶段和钢筋屈服后阶段。随着钢纤维撒布层数、钢纤维层撒布量与纵筋配筋率的增加，梁的刚度均逐渐增大。

b) 位移延性系数与耗能能力随钢纤维撒布层数的变化规律不明显，与L0-S0-R16组相比，L6-S1.5-R16组的延性系数增大8.8%，耗能能力增强41.8%，其余组有增大亦有减小。

c) 钢纤维层撒布量由1.0 kg/m2增多至2.0 kg/m2时，LSFRAC梁的位移延性系数增大4.1%，耗能能力增强4.8%。配筋率由1.77%增大至2.93%时，LSFRAC梁的位移延性系数增大36.0%，耗能能力增强85.1%。

d) 当钢纤维撒布层数较多(6或7层)，钢纤维撒布不均匀时(跨中位置撒布较多，加载点处撒布较少)，LSFRAC梁破坏时的挠度较大，延性与耗能能力较好。