再生粗骨料玄武岩大纤维混凝土梁的抗弯性能试验研究

2021-07-01李晓晶

新型建筑材料 2021年6期

李晓晶

(山西一建集团有限公司，山西太原 030012)

0 引言

近几十年来，我国大规模城镇化建设加剧了对天然砂石的需求，与此同时，随着城市化进程步伐的加快，建筑废弃物也在以惊人的速度增长[1]。因此，如何节约天然骨料以及建筑垃圾的资源化利用成为研究者越来越关注的课题。很多学者对再生混凝土骨料进行了大量的研究。朱青龙等[2]采用3 种类型溶液通过化学试剂浸泡法对再生混凝土骨料进行了改性，从而改善了再生混凝土的各项基本性能。高丹盈和朱倩[3]提出了考虑再生骨料取代率和纤维体积率影响的钢筋与钢纤维再生混凝土黏结-滑移本构模型，并对其黏结-滑移性能进行了研究。陈爱玖等[4]对预应力碳纤维布加固钢筋再生混凝土梁受弯承载力进行了试验研究，建立了预应力碳纤维布加固钢筋再生混凝土梁的受弯承载力计算公式。曹万林等[5]对6根再生混凝土足尺梁进行长达750 d 的长期稳定加载，研究了不同骨料取代率对梁挠度和徐变系数的影响，并进行了非线性拟合分析。掺加纤维可改善混凝土的力学性能，常用增强纤维包括玄武岩纤维(BF)，BF 是一种由火山喷发形成的玄武岩矿石经高温熔融、拉丝而成的无机纤维材料，其颜色较深，与碳纤维颜色相近。BF 具有良好的物理性能，如耐腐蚀性、耐高温性以及抗冻性，而且BF 的密度与混凝土密度接近，可以与混凝土更好地结合，具有良好的应用前景。

本文研究了玄武岩大纤维(BMF)体积掺量和再生粗骨料(RCA)取代率对钢筋混凝土梁抗弯性能和极限承载力的影响，对裂缝的出现和发展进行了观测记录。

1 试验

1.1 试验材料

(1)天然粗骨料(NCA)：为辉长岩，是一种火成岩，颜色较深；再生粗骨料(RCA)：取自拆除的混凝土结构。2 种粗骨料的粒径均为5～25 mm，级配曲线见图1，技术性能见表1，可以看出，RCA 的密度较NCA 小，吸水率和压碎指标较NCA 高。

图1 NCA 和RCA 的级配曲线

表1 天然粗骨料和再生粗骨料的技术性能

(2)其他材料：细度模数为3.2 的水洗砂；P·O42.5 水泥；自来水；纵向加固用钢筋，直径分别为8、16 mm，力学性能见表2。

表2 试验用钢筋的力学性能

(3)玄武岩大纤维(BMF)：安徽中企新材料有限公司研发，是由玄武岩石材制成的一种无腐蚀的离散细纤维，上面涂有适合混凝土使用的溶液，平均直径0.65 mm，长度45 mm，抗拉强度达1080 MPa，弹性模量为44 GPa。

1.2 混凝土配合比

本试验主要研究RCA 取代率(等质量取代NCA)和BMF体积掺量对普通混凝土梁弯曲性能的影响，RCA 取代率分别为 0、25%、50%、100%，BMF 体积掺量分别为 0、0.5%、1.0%、1.5%，共设计16 根试验梁。此外，还进行了混凝土立方体抗压强度和棱柱体抗弯强度测试，研究了RCA 取代率和BMF掺量对混凝土抗压强度和抗弯强度的影响。

与NCA 相比，RCA 由于附着旧砂浆具有较高的吸水率，因此，混凝土混合料中游离水含量对混凝土硬化性能的发展起着重要的作用。所以，RCA 和NCA 在混合前先用水冲洗并浸泡24 h，然后用湿布将表面水分擦干。主要是为了确保2 种骨料在混凝土搅拌时都处于饱和面干状态。骨料饱和吸水率不包括在水灰比计算中，目的是为了确保剩余的水量大致相同，并保证水泥颗粒在混凝土混合物中的水化作用。采用直接体积置换(DVR)配合比设计方法计算混凝土配合比，对于所有混凝土试件，每立方米混凝土中RCA 与NCA 的体积总和保持不变，混凝土配合比如表3 所示。

表3 混凝土配合比

1.3 试件制作

16 根试件梁的尺寸均相同，长度为2700 mm、有效跨度2300 mm、宽150 mm、高250 mm、箍筋的直径为8 mm、纵向底部钢筋的直径为16 mm、混凝土保护层厚度为25 mm，试件尺寸及配筋如图2 所示。试验装置及LVDT 位移传感器布置如图3 所示。对搅拌后的混凝土进行取样检测，测试中发现，试件A13 由于搅拌机故障使得和易性不符合GB 50164—2011《混凝土质量控制标准》的要求，因此未对该试件进行后续试验。其余所有混凝土试件的和易性均符合GB 50164—2011的要求。

图2 混凝土梁的尺寸与配筋

图3 试验装置简图及LVDT 布置

2 试验结果与分析

2.1 RCA 取代率和BMF 掺量对混凝土抗压强度的影响(见表4)

表4 RCA 取代率和BMF 掺量对混凝土抗压强度的影响

由表4 可以看出，用RCA 取代NCA 对混凝土抗压强度的影响较小，主要是因为混凝土配合比采用了DVR 混合设计方法。此外，BMF 掺量对混凝土抗压强度的影响也较小。

2.2 RCA 取代率和BMF 掺量对混凝土梁抗弯强度的影响

混凝土梁抗弯强度试件尺寸为100 mm×100 mm×500 mm，采用四点加载试验在弯曲试验机对试件进行抗弯强度测试，结果见图4。

由图4 可以看出：

图4 RCA 取代率和BMF 掺量对混凝土抗弯强度的影响

(1)随着BMF 掺量的增加，各组混凝土梁的抗弯强度都呈逐渐提高的趋势，说明混凝土的抗弯性能有了显著的改善。由于BMF 作为混凝土梁中的主动受力筋，因此，当梁中出现微裂缝时，BMF 可以提供即时的承载力，从而在一定程度上限制裂缝的进一步发展。当RCA 取代率为100%时，BMF 体积掺量为0.5%、1.0%的混凝土梁抗弯强度较未掺加BMF 的混凝土梁分别提高了17.01%、33.78%。当RCA 取代率为50%时，BMF 体积掺量为0.5%、1.0%、1.5%的混凝土梁抗弯强度较未掺加 BMF 的混凝土梁分别提高了 5.9%、25.73%、36.34%。

(2)RCA 取代率对混凝土梁的抗弯强度影响不大，二者没有明显的相关性。

2.3 试验梁的破坏形态及参数分析

在试验过程中，对梁逐渐均匀加载，直至试件破坏。对每根混凝土梁的裂缝发展进行记录，表5 为各组混凝土梁的开荷载Pc、屈服荷载Py、极限荷载Pu以及开裂弯矩Mc、屈服弯Mcy、极限弯矩Mcu、最大跨中挠度△max和延性系数(DI)。

表5 各组混凝土梁的参数

2.3.1 BMF体积掺量对混凝土梁性能的影响

表5 结果表明，在混凝土中加入BMF 会提高混凝土梁的极限抗弯承载力，与未掺纤维的梁相比，BMF 增强混凝土梁具有更高的开裂和极限弯矩。不同BMF 体积掺量梁的延性系数为2.17～3.62，掺加BMF 可显著提高试验梁的吸能能力和延性。此外，随着BMF 纤维体积掺量的增加，混凝土梁在破坏时会产生较大的挠度，图5 对比了不同BMF 掺量混凝土梁的荷载-挠度、荷载-应变曲线。

图5 不同BMF 掺量混凝土梁的试验结果

由图5(a)可见，对于RCA 取代率为100%的混凝土梁，当BMF 体积掺量分别增加到0.5%、1.0%、1.5%时，梁破坏时的最大挠度较未掺BMF 纤维的分别增加了11.76%、34.78%、44.44%。由图5(b)可见，对于RCA 取代率为0 的混凝土梁，当BMF 体积掺量为0.5%时，梁破坏时的最大挠度较未掺BMF纤维的增加了16.67%；当BMF 的体积掺量进一步增加到1.0%时，梁破坏时的最大挠度较未掺BMF 纤维的增加了22.22%，主要是因为在破坏平面上发生了裂缝桥接。由图5(c)可见，对于RCA 取代率为50%的混凝土梁，掺入BMF 使得混凝土的破坏应变增大，当BMF 体积掺量从0 增大到1.5%，梁的破坏应变从约 2900 με 增加到约 3700 με。

2.3.2 RCA 取代率对混凝土梁性能的影响

图6 对比了不同RCA 取代率混凝土梁的荷载-挠度、荷载-应变曲线。

图6 不同RCA 取代率混凝土梁的试验结果

由图6(a)、(b)可以看出，随着RCA 取代率的增大，梁的极限抗弯强度和破坏挠度略有减小。当RCA 的取代率分别增大到25%、50%和100%时，梁在破坏时最大挠度较未掺BMF和RCA 的降低了8.57%、11.43%和14.29%，极限抗弯承载力较未掺BMF 和RCA 的分别降低了8.82%，6.95%和5.18%。掺加0.5%BMF 但RCA 取代率不同的混凝土梁中也能观察到同样的结果。然而，对于掺加1.0%、1.5%BMF 的混凝土梁，RCA 产生的影响减小，如图6(c)、(d)所示。可以注意到，用RCA 代替NCA 几乎不会对掺1.0%或更多BMF 的梁在破坏时的最大挠度产生影响。图6(e)为不同RCA 取代率下未掺BMF 梁的荷载-应变曲线，可以看出，混凝土梁的应变与RCA取代率之间没有明显的相关性，增大RCA 的取代率并不影响混凝土梁的压缩应变。之后，通过对无纤维梁跨中纵向钢筋的拉应变测试，研究了不同RCA 取代率对混凝土梁的影响，由图6(f)可见，RCA 取代率分别为25%、50%和100%时，与RCA取代率为0 的混凝土梁相比，其钢筋的最大拉应变分别降低了21.61%、21.5%和37.77%，这表明随着RCA 取代率的增加，钢筋应变呈下降趋势。采用RCA 制备的梁其延性略低，但掺加BMF 后降低了这种影响。

2.3.3 混凝土梁的破坏形态(见图7)

图7 各组混凝土梁的破坏形态。

由图7 梁破坏时的裂缝形态和分布情况来看，RCA 梁的裂缝形态与NCA 梁的裂缝形态较为相似。对比A1、A5 与A9的破坏形态可以看出，BMF 梁的裂缝间距更大，弯曲裂缝更小，这是在由于混凝土中增加BMF 掺量会导致拉应力重新分布。

观察加载过程可以发现，在静力荷载作用下，所有试验梁均在纯弯段出现第1 次裂缝，在第1 次弯曲裂缝出现之前，试验梁表现出陡峭的线弹性，随着荷载的增加，弯曲裂缝沿着梁不断扩展，进一步向上移动，梁的挠度明显增加，大部分弯曲裂缝垂直延伸，之后开始出现斜弯剪裂缝。随着荷载的进一步增大，纵向钢筋屈服，最终导致混凝土梁在受压区破碎，这也标志着梁发生了破坏。在施加的荷载下降到极限值的80%左右时，试验停止，记录下每根梁的破坏模式，可以发现，跨中挠曲破坏是梁发生破坏的主要形式。