再生混凝土叠合梁抗弯性能试验研究.pdf

2 0 1 4年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C ONC RE T E AND C EME NT P RODUC T S 2 01 4 No 5 Ma v 再生混凝土叠合梁抗弯性能试验研究 张 毅 ( 桂林理工大学广西矿冶与环境科学实验中心 ， 5 4 1 0 0 4 ) 摘要 ： 在普通混凝 土浇筑的腹板上 采用二次浇注再生混凝 土翼缘制 成叠合梁并进行抗 弯承载力试验 对比分 析 了各 叠合 梁的抗 弯性能、 变形特性及其 极限破 坏形 态。 试验 结果表 明 ， 平截 面假 定理论依 然成立； 随着再生骨料取 代率 的提 高， 梁挠 曲变形增加的速 率有所提 高， 但跨 中极 限挠度值 相差不大 ； 梁的抗 裂性 能略有 降低 ； 再 生骨料 的取 代率 差异 对叠合梁的抗弯极限承栽力及极 限破坏形 态影 响不显著。 关 键 词 ： 叠舍 梁 ； 再 生 混 凝 土 ； 取 代 率 ； 抗 弯性 能 ； 极 限破 坏 Ab s t r a c t ：T h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f c o mp o s i t e b e a ms ma d e o f o r d i n a r y a n d r e c y c l e d c o n c r e t e i s c o mp a r a t i v e l y a n a l y z e d r h e r e s u l t s s h o w t h e t h e o ry o f p l a n e a s s u mp t i o n i s s t i l l v a l i d ； wi t h t h e i n c r e a s e o f d i s p l a c e me n t r a t i o o f r e c y c l e d a g g r e g a t e s ， t h e g r o wi n g r a t i o o f t h e d e fl e c t i o n o f c o mp o s i t e b e a ms i s mo d e r a t e l y i mp r o v e d ，b u t t h e u l t i ma t e d e fl e c t i o n o f mi d s p a n o f c o mp o s i t e b e a ms i s s i mi l a r ；t h e c r a c k r e s i s t a n c e o f b e a ms i s s l i g h t l y l o we r e d ；t h e i n fl u e n c e o f d i f f e r e n t r e p l a c e me n t r a t i o o f r e c y c l e d a g g r e g a t e s o n t h e fl e x u r a l b e a r i n g c a p a c i t y a n d u l t i ma t e d a ma g e mo d e o f c o mp o s i t e b e a ms i s no t s i g ni f i c a n t Ke y wo r d s ：C o mp o s i t e b e a m； Re c y c l e d c o n c r e t e ； Re p l a c e me n t r a t i o ； F l e x u r a l p e r f o r ma n c e ； Ul t i ma t e d a ma g e 中图分类号 ： T U 3 7 5 1 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 5 2 5 0 5 0前言 城市化进程中 ， 以废弃混凝土为主的建筑垃圾 大量产生 。至今尚无有效方法对其加以有效处理 、 利用 ， 因而严重威胁着 自然界的生态环境和资源利 用的可持续性。 再生骨料混凝土是将 旧建 筑物或结构物解 体 的混凝土经破碎分级， 成为粗细骨料， 用 以代替混凝 土中部分砂石， 配制成的混凝土。再生混凝土是名 副其实 的“ 绿色建材” ： 具有节约资源 、 能源 ； 不破坏 环境： 可持续发展等优点 2 3 。因而 ， 废弃混凝土的再 生利用技术一经提 出便成为 国内外 学术界和工程 界研究的热点问题 _ 3 。 叠合构件是指 由预制混凝土构件 ( 或既有 混凝 土 结 构 构 件 ) 和 后 浇 混 凝 土 组 成 ， 以 两 阶 段 成 型 的 整体受力结构构件同 。混凝土结构工程中 ， 叠合工艺 的采用不仅克服 了现浇及装配式结构 的缺点 ， 而且 同时具有二者 的优点 ， 因而得到 了广泛应用 。在实 际工程中 ， 倘若能够将混凝土叠合工艺与废弃混凝 土 的再生工艺进行有机结合 ， 必将对再生混凝土这 种“ 绿色建材” 的推广使用起到积极的促进作用。 目 基金 项 目： 国家 自然 科学基 金资助项 目( 5 1 3 6 8 0 1 4 ) ； 广 西研 究生 教 育创 新 计 划资 助项 目( 2 O 1 0 1 O 5 9 6 0 8 1 4 M0 1 ) ； 广 西矿 冶与环境科学实验 中心重点项 目( K H 2 0 1 3 Z D 0 0 5 ) 。 前 ， 对再生混凝土 的研究主要集中在再生骨料 的基 本性能 、 级配优化及耐久性 能等方 面 而对于再 生混凝土叠合构件性能的研究还较少 。因此 ， 本研 究通过再生混凝 土叠合梁的抗弯承载力试验研究 为今后再生混凝土叠合构件及结构的进一步研究 、 应用提供参考。 1 试 验方 案 本试验 中设计的叠合梁长度为 2 6 0 0 m m净跨 为 2 4 0 0 m m。 选用 T形横截面 ， 梁翼缘与腹板的交界 面为叠合面。腹板部分采用相同的普通混凝土首先 浇筑 ， 待养护 7 2 h后 ， 再采用再生骨料取代率不同的 再生混凝土浇筑翼缘部分 。 试验所用再生粗骨料来源于废弃的混凝土梁 。 龄期为 3年 。 原废弃混凝 土的抗压强度为 4 0 MP a 左 右 ， 通过人工及颚式破碎机破碎加工成再生粗骨料。 再生粗骨料对天然粗骨料的替代率分别为 ： 0 、 3 0 、 5 0 、 7 0 、 1 0 0 。 再生 混 凝 土及 普 通混 凝 土 的设计 强 度 均为 C 3 0 。 两者采用相 同的配合 比， 具体为水泥： 水： 砂： 粗 骨料= l ： 0 4 7 ： 1 4 6 ： 3 4 3 ( 因用量较少 ， 附加用水量未 考虑) 。 具体参见表 1 。 所有叠合梁采用相同的钢筋布置 ，纵 向受拉钢 筋 采 用 HR B 3 3 5钢 筋 箍 筋 及 架 立 钢筋 均 采 用 H P B 2 3 5钢筋。箍筋在纯弯段采用 08 2 0 0 ， 剪弯段 一 2 5 2 0 1 4年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 7期 采用 8 1 0 0 ， 受压区架立钢筋采用 2 8 。 叠合梁的截面尺寸及构造如图 1 、 图 2所示 ， 材 料 的力 学性 能见表 2 。 试验采用三等分点的加载方式 ， 加载示意图如 图 3所 示 。 表 1 混凝 土配合 比设计 2 试 验结 果与 分析 2 1 试 验 现象 试验开始 当各叠合梁加载至极 限荷载的 2 5 左右时 ， 在这一 阶段 ， 混凝土和纵 向受拉钢筋 的应 变值及各百分表的读数均呈规律性 的线性增长 反 混凝土 纵 向受拉钢筋 架立钢筋 叠合面 受拉钢筋 再生混凝土 普通混凝土 图 1 叠合梁横 截面示意 图 咖 l 枷 l 枷 l 鲫 图 2 叠合梁构造图 一 2 6一 图 3 叠合梁加载示意 图 映 出叠合梁加载一 挠曲变形之 间正 比例的变化关系。此后 ， 经历一短暂 加载后 ， 受拉钢筋的应变值“ 骤增” ， 相应 的受 拉 区混 凝 土 的应 变 值 突 然 减 小 各 百 分表 的读 数也 几 乎 同 时 出现快速波动现象 ， 但幅度不大 ， 这 些现象是叠合梁纯弯段腹板受拉区 边 缘 混 凝 土 首 次 出现 开 裂 导 致 的 。 此时 ， 叠合梁并无明显 的弯曲变形 。 加载持续增加 ，剪弯段中靠近加载 点 附 近受 拉 区边 缘 混 凝 土也 开 始 出 现裂缝 但数量 明显少于纯弯段 中 的新 生裂 缝 并 且 其 向上 发 展 的 速 度也 明显 比纯弯段 中的裂缝 慢 ： 纯 弯 段 中最 早 出现 的几 条 裂缝 此 时 已 快 速竖 向发 展 至腹 板 与翼 缘 的交 界 面 ，便停止进一步 向翼缘发展 。此 后 ，这几条腹板裂缝附近的翼缘下 侧外边角处开始出现细微的竖 向裂缝 但发展速度 要 比腹板裂缝慢得多， 叠合梁已出现弯曲。继续加 载至受拉钢筋屈服后 。 受拉钢筋的应变及各百分表 的读数 ( 尤其是跨 中的百分表 ) 均 出现 比先前 更快 的增长 ， 增长幅度进一步加大 ； 剪弯段 中新 生裂缝 进一步增加 之前开裂并竖 向向上发展的裂缝此时 出现 向加载点斜 向发展的趋势 ； 纯弯段中的新生裂 缝 几 乎不 再 出现 ， 腹 板 中几 条最 先 出现 的裂 缝 的 宽 度 已明显加大 ， 并且沿着这些裂缝 的两侧 出现 了许 多 斜 向的分支 裂 缝 ： 发展 至 交 界面 的 腹板 裂 缝 此 时 开始缓慢从交界面向翼缘下侧外边角发展 ： 翼缘 中 的裂缝一方面沿翼缘侧面向上缓慢发展 另一方面 沿 翼 缘 的下表 面 向交 界 面发 展 ， 发 展 方 向与 腹 板 发 展来的裂缝方 向有 “ 趋同性 ” 。叠合梁此时弯曲明 显。持续加载 ， 腹板中开始出现主裂缝 ， 翼缘中沿翼 缘下表面发展的裂缝 与由交界 面发展而来 的腹板 裂缝已连通 ， 沿翼缘侧面向上发展 的裂缝开始出现 趋向叠合梁跨 中顶面的发展趋势 ， 发展速度相对于 之前略有加快 。此时受拉钢筋的应变值基本停止增 加 ， 叠合梁的承载能力下 降明显 冈 0 度退化严重 ， 挠 曲变形急剧增加 。临近极限荷载时 ， 梁跨中翼缘顶 面及侧面均出现纵向波纹状压裂裂缝 ， 并伴有清脆 2 0 1 4年第 5期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 7期 2 5 0 目2 0 0 t 5 0 器 1 0 o 5 0 0 2 5 0 g 2 0 0 1 5 0 暴1 0 0 5 O O 2 5 0 目2 0 0 1 5 o 器1 0 0 5 0 O 1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 00 2 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 跨中横截面应变， 跨 中横截面应变， 恤 跨 中横截面应变 I L 6 ( a ) 梁 T B O ( b ) 梁 T B 3 0 ( c ) 梁 T B 5 0 2 5 0 2 o 0 盍1 5 0 惶 喧1 0 0 柩 5 O 0 2 5 0 2 o 0 盍1 5 0 眢 1 0 0 程 5 O 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 一i 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 跨中横截面应变， 8 跨中横截面应变 ( d ) 梁 T B 7 0 ( e ) 梁 T B 1 0 0 图 6 叠合梁跨 中横截面应变 图 U 5 l 0 l 5 2 0 2 5 3 U 3 5 4 0 各叠合梁跨 中挠度值 mm 图 7叠合 梁加 载一 跨 中挠度 曲线对 比 体计算公式如下 ： ， 式中， 叠合梁的开裂弯矩 ； 一 混凝土构件 的截面 抵抗矩塑性影响系数 ； 。 一 叠合梁换算截面对受拉 边缘 的弹性抵抗矩 ； 一 混凝土轴心抗拉标准值 ， 本 试验 中混凝土的轴心抗拉强度 采用文献 6 、 文献 7 中的公式予 以计算确定 ：天然骨料混凝土 = 0 2 ； 再生骨料混凝土 = ( a r + 0 2 5 弱 。 将依据上述方法所 得到的叠合梁的开裂弯矩 计算值与实测值进行对比分析 ， 结果见表 3 。 从表 3中可以看 出 ， 依据文献 6 】 、 文献【 7 中开 一 28一 裂弯矩 的计算方法得出的再 生混凝土叠合梁 的开 裂弯矩计算值 明显小于实测值 ， 从结构构件抗裂性 能方面看 。 完全能够满足实际工程中正常使用 的相 关要求。但同时开裂弯矩计算值与实测值之 间较大 的差距说 明了依据此种方法对于再 生混凝土叠合 梁的抗裂性进行验算存在较大 的保守性 ， 须通过进 一 步的研究确定合理的方法来 有效评 价再生混凝 土叠合梁 的弯曲抗裂性能。此外 ， 随再生骨料取代 率的提高 ，再生混凝土叠合梁的开裂荷载有所降 低。 表 3 叠 合 梁 开 裂 弯 矩 实 测 值 与 计 算 值 的 对 比 2 3 2 极限承载力 由于本试验 中平截面假定理论 的适用性及叠 合面的完整性 ， 故叠合梁极限承载力的计算方法借 鉴文献 6 中普通混凝土梁正截面受弯极 限承载力 加 m O 一 I 、 静 留 蟠 张毅 再生混凝土叠合梁抗弯性能试验研究 的计算方法 ， 即： ， 4 A 一 J 其 中 一 为钢筋抗拉强度实测值 ； 一 为受拉区钢筋 截面面积； 九 o - 一 为截面有效高度 ； 6 一 为截 面宽度 ( 本试 验 中为叠合梁翼缘 宽度 ) ； 一 为混凝土轴心抗压强 度值 ( 其 中， 普通 混凝土的轴心抗压强度按照文献 6 】 中公式 = 0 7 换算确定 ， 再生混凝土的轴心抗 压强度按照文献 9 中公式 = 0 7 换算确定 为 各再 生骨料取代率不 同的再生混凝土立方体 抗压 强度 的实测值 ) 。 各叠合梁极 限承载力 的计 算值与实测值 对 比 分 析 见表 4 。 表 4 叠合梁极限承载力计算值与试验值 的对 比 由表 4可见 ，随着再生骨料取代率的提高 。 再 生混凝土叠合梁的极 限承载力实测值略有 下降 但 不显著 说 明再生骨料取代率 的提高对再生混凝土 叠合梁极 限承载力的影响并不 明显 。 反 映出同等条 件下 ，再生 混凝土叠合梁具有较好的抗弯 承载能 力 。 再生混凝土叠合梁极 限承载力的实测值 与通 过 所借 鉴 方法 计 算 出 的计 算 值 比值 的平 均 值 为 1 2 3 2 ， 标准差为 0 0 2 5 ， 变异系数为 0 0 2 0 。 这反映出 叠合梁极限承载力 的实测值 与计算值 之间具有较 好 的吻合性 ， 并且实测值始终大 于计算值 ， 说 明借 鉴 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ( ( 混凝土结构设计规范 中普通 混凝土梁正截面受弯极 限承载力 的计算 方法确定 再 生混凝土叠合梁 的抗弯极 限承载力是 安全可行 的 。 3结 论 ( 1 ) 再生骨料取代率不 同的各叠合梁具有与普 通混凝土梁类似的承载历程和极 限破坏形 态 即混 凝土开裂前 的弹性变化阶段 、 混凝 土开裂后 的近似 弹性变化阶段及屈服破坏阶段。 ( 2 ) 试验 中再 生骨料取代 率不 同的混凝土浇筑 的翼缘与普通混凝 土浇 筑的腹板 之间的叠合 面未 出现错动滑移的现象 ， 反映出再生混凝土叠合梁具 有 良好的整体工作性能。 ( 3 ) 各叠合梁在试验加载过程 中， 跨 中混凝土正 应变沿横截面高度方向呈线性分布 说明平截面假 定理论适用于再生混凝土叠合梁。 ( 4 ) 叠合梁 的刚度随再生 骨料取代率 的增加而 降低 ， 且 刚度退化的速率也随之有所增加 从 而导 致 加载过程 中挠度 的增长速率随再生骨料取代率 提高有所增 大 。但各 叠合梁的极限挠度相差不 明 显 。 ( 5 ) 随再生骨料取代率的提高， 再生混凝土叠合 梁 的开裂荷载略有降低 ；采用 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0计 算再生混凝 土叠合梁 的开裂荷 载虽 然满足正常使 用要求 ， 但计算结果过 于保守 ， 须进一步研究确定 更为合理的计算方法 。 ( 6 ) G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0中普通混凝土梁正截面受 弯极限承载力 的计算 方法应用于再 生混凝土叠合 梁的极限承载力计算是安全可行的。 参考文献 ： 1 邢锋， 冯 乃谦， 丁建 彤 再生骨 料混凝土 J 混凝 土与水泥 制 品， 1 9 9 9 ( 4 ) ： 1 0 1 3 【 2 】 吴 中伟 绿 色高性能混凝 土与科技创 新【 J 1 混凝 土与水 泥 制 品， 1 9 9 8 f 2 ) ： 3 6 3 】Hi r o t a k a K a w a n o T h e s t a t e O f U s i n g B y P r o d u c e s I n c o n c r e t e I n J a p a n An d Ou t l i n e Of J i s T r o m “ Re c y c l e d C o n c r e t e Us i n g Re c y c l e d Ag g r a g a t e ” P u b l i c W o r k Re s e a r c h I n s t i t u t e ， J a p a n ， 2 0 0 3 4 】 张亚梅 ， 秦鸿 根 再 生混 凝土配合 比设计 初探 J 混凝土 与水泥制 品。 2 0 0 2 ( 1 ) ： 7 - 9 【 5 】肖建庄 ， 高歌 ， 徐 亚玲， 等 再生混凝 土叠合梁受弯力学性 能试验 研究 J 】 结构 工程 师， 2 0 1 2 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 2 2 1 2 5 6 】中华人 民共 和国住建部 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0混凝 土结构 设计 规范【 S 1 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 0 7 】 李旭平 再生 混凝土基 本力学性 能研究( ) J 1 建筑 材料 学 报 ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 6 ) ： 6 9 9 7 0 4 8 崔正龙 ， 大芳 贺羲喜 ， 北迁征文 ， 等 再生骨料混 凝土耐久 性 能的试 验研究 J J 硅酸 盐通 报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 6 ) ： 1 1 0 7 1 1 l 1 9 李旭平 再生混凝 土基 本力学性能研究( I) 单轴 受压 性能 J 1 建筑材料学报 ， 2 0 0 7 ， 1 0 ( 5 ) ： 5 9 8 6 0 3 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 3 2 8 作者简介 ： 张毅 ( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 博士研究生 、 讲 师。 通讯地址 ： 广西桂林市建 干路 1 2号 联系电话 ： 1 3 0 7 7 6 9 6 2 3 8 E ma i l ： z h yl 3 8 61 2 6 c o m 一 29