钢纤维大粒径再生粗骨料混凝土梁受弯性能试验研究*

刘春阳， 高英棋， 顾一凡， 吴洋洋， 于桂欣

(1 山东建筑大学土木工程学院， 济南 250101；2 山东建筑大学建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室， 济南 250101)

0 引言

再生混凝土是一种绿色建筑材料，由废旧混凝土破碎筛分而成，既有利于缓解天然骨料过度开采所造成的资源短缺问题，也有利于减轻废旧混凝土对环境的污染。梁是混凝土结构中的重要构件，再生混凝土梁的力学性能变化规律也成为众多学者的研究重点。曹万林等[1]对不同取代率的再生混凝土梁进行抗弯性能试验，结果表明，再生混凝土梁在受力过程中，也具有明显的弹性、开裂、屈服、极限四个阶段。陈爱玖等[2]对不同取代率的再生混凝土梁进行受弯性能试验，结果表明，平截面假定仍然适用于再生混凝土梁，随再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土梁底部裂缝数目增多、间距减小、极限承载力下降。董宏英等[3]对高强再生钢筋混凝土简支梁进行抗弯性能试验，结果表明，与普通混凝土相比，高强再生混凝土梁的开裂弯矩和极限抗弯承载力稍有降低；与高强普通混凝土梁相比，高强再生混凝土梁抗弯刚度较小，但延性较好。程东辉等[4]通过对5根不同钢纤维掺量的再生混凝土梁进行受弯破坏试验，发现钢纤维的掺入对裂缝的发展有较好抑制作用，可以提高再生混凝土梁的延性。高丹盈等[5]通过对钢纤维高强混凝土梁进行静载及等幅疲劳试验，发现随钢纤维掺量的变化，梁的挠度最多降低61%。伍凯等[6]研究发现钢纤维的掺入,有利于提高梁在峰值荷载状态下的耐损伤性能，即使在较严重的损伤状态下也依然能够保持极限承载能力。CFRP(碳纤维增强复合材料)具有轻质高强的特点，在结构的修补和加固中得到越来越广泛的应用。赵彤等[7]通过9根CFRP布加固钢筋混凝土梁的试验，发现使用CFRP布可以显著提高钢筋混凝土梁的极限受弯承载力，减小试验梁挠度，增加抗弯刚度。丁智等[8]通过研究发现采用CFRP布对钢筋混凝土梁进行加固，可以提高极限荷载和整体抗弯刚度，减小跨中挠度，对于预裂受弯试件，可以延缓初始裂缝变宽，抑制新裂缝发展。肖建庄等[9]将国内外再生混凝土梁抗弯承载力的试验结果与规范计算结果进行对比分析，结果表明，现行规范正截面受弯承载力计算方法同样适用于再生混凝土适筋。陈宗平等[10]从再生骨料取代率方面对梁的极限承载力做了分析，结果表明，随着再生粗骨料取代率的增加，试件的极限承载力略有降低，现行混凝土规范方法可适用于再生混凝土梁的极限承载力及短期刚度计算。

再生混凝土最优配合比 表1

上述研究主要是针对中小粒径再生混凝土梁的力学性能研究，对于大粒径再生粗骨料研究较少。文中将30～60mm粒径范围的再生骨料定义为大粒径再生粗骨料。大粒径再生粗骨料混凝土可以提升粗骨料破碎效率，有利于减少骨料破碎过程对其自身结构造成的损伤，减轻薄弱界面处微裂缝的发展程度。文中通过试验对掺入钢纤维的大粒径再生粗骨料混凝土梁抗弯性能进行了研究，以期为实际工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料及配合比设计

本试验所采用的大粒径再生粗骨料来自济南某拆除废弃建筑物，含有少量红砖碎块，直径为31.5～60mm。天然粗骨料采用普通碎石，最大粒径为31.5mm，砂为天然中砂，试验所用水泥为P.O 42.5R普通硅酸盐水泥，外加剂采用聚羧酸系高性能减水剂，纤维为镀铜高强度钢纤维，长13mm，长径比为65，抗拉强度不小于2 850MPa，CFRP布为高强度I级，抗拉强度为3 400MPa，弹性模量为2.3×105MPa，厚度为0.167mm。为改善再生混凝土的和易性掺入粉煤灰，为增强再生混凝土的抗压、抗渗性能掺入硅灰，为约束微观裂缝的产生和发展掺入1%的钢纤维，具体配合比如表1所示。由于再生骨料吸水率较高，需要预先吸水润湿。

1.2 试件设计

试验共设计了4根简支梁试件，试件编号及参数见表2。梁截面尺寸均为200mm×400mm，梁长2 400mm，支座间净距2 100mm。试件尺寸及截面配筋如图1所示。纵筋采用直径为16mm的HRB400级钢筋，箍筋采用直径为8mm的HRB400级钢筋，箍筋间距为100mm。混凝土保护层厚度为15mm，实测钢筋与混凝土的力学性能见表3和表4。试件L-1为普通混凝土梁，试件L-2，L-3为大粒径再生粗骨料混凝土梁，试件L-4是预损加固的再生混凝土梁。试件L-4预损加固时，先加载至150kN，此时钢筋应变为894.5×10-6，梁底出现少量竖向细长裂缝，然后卸载至零再按照正常加固施工方法粘贴CFRP布。CFRP布位置如图2所示。图2梁底处粘贴一层长1 200mm、宽200mm的CFRP布，用于构件损伤后加固；跨中加载点与支座间的弯剪作用区段各粘贴两道宽100mm的CFRP布U形箍，每道CFRP 布层数为两层，以防止梁在加载过程中发生剪切破坏。

图1 试件尺寸与截面配筋

图2 CFRP布位置示意图

1.3 加载制度及测量指标

试验主要量测跨中截面底部两根角部纵向钢筋的应变(S1～S4)，跨中截面混凝土应变(混凝土应变片截面高度方向间距为80mm)，支座、跨中加载点的竖向位移。试验在山东建筑大学建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室进行。试验加载装置如图3所示。试验采用跨中单点集中加载方式，正式加载前进行预加载，待测量设备正常工作，荷载、挠度、应变数据稳定后，卸载至初始状态开始正式加载。加载初期，每级荷载增量为20kN；当加载至100kN时，每级荷载增量调整为40kN；加至峰值荷载后，数据加密采集，直至荷载迅速下降或无法继续加载时，停止试验。用数据采集系统采集加载荷载与加载点处位移，以其为依据绘制荷载-挠度曲线，并人工观察测绘裂缝。

试件设计参数 表2

钢筋材料力学性能 表3

混凝土材料力学性能 表4

图3 试验加载装置实物图

2 试验结果分析

2.1 平截面假定适用性

各试件跨中截面混凝土应变结果见图4。由图可知，加载过程中，梁跨中截面混凝土应变沿其高度方向基本成线性关系，平截面假定适用。

图4 混凝土应变测量结果

2.2 试验现象

各试件最终破坏状态及裂缝分布如图5所示。对于试件L-1～L-3，加载至100kN时，梁底部出现竖向细小弯曲裂缝；当荷载增加至200kN时，跨中竖向裂缝最大宽度增至2mm左右，底部混凝土应变片断裂；此后的加载过程中，竖向裂缝数量增多并向上发展，钢纤维被拉断，受压区混凝土被压碎，跨中形成两条宽度约为10mm的主裂缝，底部纵筋被拉断。试件破坏，停止试验。

图5 梁破坏形态

对于试件L-4，预损加载至150kN时，出现竖向细长裂缝。加固后重新加载至100kN时，原有裂缝开始发展；加载至250kN时，竖向裂缝继续向上发展，斜向裂缝出现并延伸，但裂缝宽度均无显著增加；继续加载，梁底CFRP布开始断裂，伴有轻微拉裂响声，荷载增加到276kN时,梁底CFRP布在距跨中600mm处完全断裂，梁底保护层表面的混凝土随CFRP布一同剥落，承载力迅速下降至239kN，挠度急剧增大，不能继续加载而停止试验。

2.3 荷载-跨中挠度分析

各试件荷载-跨中挠度曲线如图6所示。由图可见，再生混凝土梁与普通混凝土梁受弯破坏过程无显著差别，都经过了弹性阶段、带裂缝工作阶段、屈服阶段和破坏阶段。

图6 荷载-跨中挠度曲线

对于试件L-1，当荷载加至250kN时，达到试验记录的峰值荷载；对于试件L-2和L-3，当分别加载至271kN和257kN时，达到试验记录的峰值荷载。与试件L-1相比，试件L-2和L-3的峰值荷载分别提高约8.4%和2.8%，这是由于天然骨料与大粒径再生粗骨料形成了良好的密实骨架，充分发挥了材料的力学性能，提高了试件梁的抗弯承载力。试件L-1，L-2和L-3达到峰值荷载时的跨中挠度分别为68.99，74.70mm和57.66mm。与试件L-1相比，试件L-2的跨中挠度增大8.3%，试件L-3的跨中挠度减小16.4%，这是由于再生骨料表面附着了一层老砂浆,形成了再生混凝土内薄弱的界面过渡区，易于裂缝开展，造成跨中挠度增大，但当试件中大粒径再生粗骨料含量增大到一定比例时，大粒径再生粗骨料可以起到阻碍裂缝发展的作用，从而使得试件L-3的跨中挠度减小。

试件L-4加载初期的荷载-跨中挠度曲线与试件L-3相似。试件L-4达到峰值荷载276kN时，梁底CFRP布断裂，承载能力迅速下降至239kN，但此后仍具有承载能力；荷载再次达到272kN时试件破坏，破坏时的跨中挠度为54.99mm，与试件L-3峰值跨中挠度相比减小4.6%。

2.4 荷载-钢筋应变结果

各试件荷载-钢筋应变曲线如图7所示。由图可见，加载初期钢筋应变与荷载基本成线性关系，试件L-1的应变增长速率最大，当荷载增至200kN时，试件L-1的应变约为其他试件的1.6倍。这是因为试件L-1骨料粒径相对较小，受压区包裹骨料的水泥砂浆易产生变形，为受拉纵筋的应变增长提供条件，试件L-2～L-4中大粒径粗骨料及其表面粘附的水泥砂浆可以作为支架发挥抗压作用，受压区变形较小，受拉纵筋变形空间有限。当试件L-1～L-4的荷载分别达到207，220，257，270kN以后，各试件承载力不再显著增加，但应变急剧增加，荷载-应变曲线呈现出近似平台发展的特征。

图7 荷载-钢筋应变曲线

3 有限元模拟分析

文中采用 ABAQUS有限元分析软件，基于塑性损伤模型进行建模。文中钢纤维再生混凝土采用高丹盈等[11]建立的考虑钢纤维和再生骨料影响的SFRCAC轴压本构模型；受拉本构模型采用卢钦旺等[12]建立的再生混凝土轴心受拉应力-应变曲线方程；钢筋的本构模型采用理想弹塑性模型；材料属性采用试验实测值；CFRP布的应力-应变关系为线弹性关系，当应力超过CFRP布极限抗拉强度时认定为材料破坏。在各试件梁加载点以及支座处设置钢垫板，垫板底部设置耦合约束。采用“生死单元法”对试件L-4进行加载过程的模拟。在试件左侧支座对x，y，z三个方向位移自由度进行约束，右侧支座对x，y两个方向位移自由度进行约束。采用荷载控制的方式进行加载。

各试件的等效塑性应变云图模拟结果如图8所示，四个试件均是典型的受弯破坏，与图5梁试件最终破坏状态较为吻合。图9为四根梁加载点荷载-挠度模拟值与试验实测值的对比结果。由图9可见，有限元模拟结果与试验实测值吻合良好，整体误差较小，可以较为准确地模拟文中各试件的受弯性能。

图8 各试件等效塑性应变云图

图9 各构件加载点挠度模拟值与实测值对比

4 抗弯承载力计算

文中参照《钢纤维混凝土结构设计标准》(JGJ/T 465—2019)[13]和《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367—2013)[14]的计算公式(1)，(2)对各试件荷载-挠度曲线中的抗弯承载力进行计算。

(1)

(2)

抗弯承载力试验值与规范计算值对比见表5。由表可见，各试件抗弯承载力计算值与试验值比较吻合，误差在2.0%～15.3%之间，表明现行规范中的抗弯承载力计算公式适用于文中试件的抗弯承载力计算。

抗弯承载力试验值与规范计算值 表5

5 结论

通过对钢纤维大粒径再生粗骨料混凝土梁进行抗弯性能试验，主要得到以下结论：

(1)钢纤维大粒径再生粗骨料混凝土梁发生典型受弯破坏，其破坏机理与普通混凝土梁的受弯破坏机理基本相同。再生混凝土梁正截面应变服从平截面假定。

(2)随着大粒径再生粗骨料取代率的增加，再生混凝土梁的极限抗弯承载力高于普通混凝土梁；采用CFRP布进行加固后，再生混凝土梁跨中挠度减小，峰值承载力有较大提升，但加载后期CFRP布受拉断裂后，梁试件的受力状态与非加固梁基本一致。

(3)ABAQUS 有限元数值模拟结果与试验结果基本吻合，可较好地模拟钢纤维大粒径再生粗骨料混凝土梁的破坏特征和受力性能。现行规范中混凝土梁极限承载力计算公式适用于钢纤维大粒径再生粗骨料混凝土梁抗弯承载力计算。