再生混凝土梁抗剪承載力試驗(yàn)研究

張曉磊，施小明

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475003）

0 引言

再生混凝土是指將廢棄的混凝土塊經(jīng)過(guò)破碎、清洗、分級(jí)后，按一定比例與級(jí)配混合，部分或全部代替沙石等天然集料 （主要是粗集料），再加入水泥、水等配制成的新混凝土［1］。再生混凝土應(yīng)用于工程實(shí)踐，既可以減少建筑垃圾排放量，減少建筑垃圾對(duì)環(huán)境的污染，節(jié)約建筑垃圾處理費(fèi)用，又可以節(jié)省建筑原材料的消耗，保護(hù)了人類的生存環(huán)境，因而具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益。目前，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者偏重于再生混凝土的材料性能的研究，而對(duì)再生混凝土用于構(gòu)件方面的研究還比較少，尤其是對(duì)再生混凝土梁抗剪性能的研究更少。筆者通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)再生混凝土梁抗剪問(wèn)題做了一些初步研究。

1 再生混凝土試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1．1 混凝土配合比

本試驗(yàn)所用混凝土粗骨料由再生粗骨料和天然粗骨料組成。再生粗骨料是人工破碎的試驗(yàn)室廢棄混凝土（經(jīng)回彈儀檢測(cè)，廢棄混凝土的強(qiáng)度為20～40 MPa）， 粒徑為 5～20 mm； 天然粗骨料為 5～20 mm的碎石。細(xì)骨料均為天然河沙?？紤]到再生骨料吸水率高的問(wèn)題［2］，再生混凝土梁澆筑時(shí)，加入0．4%的減水劑。本試驗(yàn)混凝土采用的配合比如表1所示。

表1 再生混凝土1 m3配合比Table 1 Mixture proportions of recycled concrete 1 m3

1．2 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)考慮的主要參數(shù)是剪跨比和再生粗骨料取代率，因此，共制作13根梁（分為L(zhǎng)C和LR兩個(gè)系列，LC系列是普通混凝土梁，LR系列是再生混凝土梁），梁的截面積為 150 mm×300 mm（寬×高），長(zhǎng)度分為2 400 mm和2 000 mm兩種。每根試驗(yàn)梁澆筑時(shí)，預(yù)留6個(gè)150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊，用于檢測(cè)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度。所有試驗(yàn)梁都采用相同配筋 （如圖1所示），縱筋配筋率2．49%，縱向鋼筋為HRB335級(jí)熱軋鋼筋，直徑為25 mm，fyk＝357 MPa，fstk＝537 MPa。

圖1 梁配筋示意圖（單位：mm）Fig.1 Reinforced bar of beam(Unit:mm)

1．3 加載裝置及測(cè)試內(nèi)容

試驗(yàn)采用兩點(diǎn)對(duì)稱集中加載，加載裝置如圖2所示。正式加載前，先進(jìn)行預(yù)加載，以確定各測(cè)量?jī)x表的工作狀態(tài)是否正常。從開始加載到試件破壞，大約需要進(jìn)行10到15級(jí)荷載，每級(jí)荷載為估計(jì)承載力的1／10，每級(jí)荷載穩(wěn)定3 min后再讀數(shù)。在臨界斜裂縫產(chǎn)生后，適當(dāng)降低加載等級(jí)，以便較為準(zhǔn)確地判斷極限承載力。當(dāng)荷載接近極限時(shí)，連續(xù)加載至破壞。試驗(yàn)過(guò)程中，利用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)測(cè)讀，并自動(dòng)記錄試驗(yàn)梁上施加的荷載值、鋼筋應(yīng)變值、混凝土應(yīng)變值；利用手持應(yīng)變儀測(cè)出跨中混凝土應(yīng)變值；利用各測(cè)點(diǎn)布置的百分表測(cè)出各測(cè)點(diǎn)撓度值，并由裂縫觀測(cè)儀測(cè)讀裂縫寬度值、記錄下裂縫的開展情況。

圖2 試驗(yàn)梁的加載裝置圖Fig.2 Loading set-up of test beam

2 試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)象分析

2．1 試驗(yàn)梁裂縫分析

通過(guò)觀察裂縫出現(xiàn)的時(shí)間順序、開展形態(tài)和速度等，可以大致判斷出構(gòu)件的受力情況。試驗(yàn)觀察到的裂縫按成因可以分為彎曲裂縫、彎剪斜裂縫、腹剪斜裂縫。就裂縫類型而言，再生混凝土梁與普通混凝土梁并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。但是，在相同荷載下，再生混凝土梁斜裂縫的寬度要比普通混凝土梁的稍大。

2．2 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)

試件破壞形態(tài)包括斜壓破壞、剪壓破壞和斜拉破壞。本試驗(yàn)部分試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 部分試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of partial test beams

2．2．1 斜壓破壞

對(duì)再生混凝土試件，剪跨比λ＝1時(shí)，構(gòu)件發(fā)生斜壓破壞。此時(shí)，加載點(diǎn)與支座之間形成一斜向受壓的“短柱”。梁表面破壞時(shí)，產(chǎn)生多條大體平行的斜裂縫。梁腹發(fā)生類似于柱受壓的側(cè)向膨出，有很高的承載力。本次試驗(yàn)中，LR－1．0－1的破壞形態(tài)為斜壓破壞。

2．2．2 剪壓破壞

剪跨比為 1．5≤λ≤2．5時(shí)，梁發(fā)生剪壓破壞。 在這種破壞形態(tài)中，隨著荷載的增加，彎剪斜裂縫或腹剪斜裂縫中有一條形成臨界斜裂縫，向梁頂發(fā)展。當(dāng)達(dá)到破壞荷載時(shí)，在剪應(yīng)力和壓應(yīng)力共同作用下，斜裂縫頂端的混凝土被壓碎而破壞。剪壓破壞的特點(diǎn)是，破壞過(guò)程比斜拉破壞過(guò)程緩慢一些，破壞時(shí)的荷載明顯高于斜裂縫出現(xiàn)時(shí)的荷載。本次試驗(yàn)中，梁LR－2．5－1、LC－2．5－0、LR－2．0－1、LC－2．0－0、LC－1．5－0、LR－1．5－0．3、LR－1．5－0．5、LR－1．5－0．7、LR－1．5－1等的破壞都可歸為剪壓破壞。

2．2．3 斜拉破壞

剪跨比λ＝3．0時(shí)，梁發(fā)生斜拉破壞。這種破壞的特點(diǎn)是，斜裂縫一旦出現(xiàn)，便很快延伸到梁頂，把梁拉裂成兩部分，即破壞與臨界斜裂縫的出現(xiàn)幾乎同時(shí)發(fā)生。斜拉破壞的原因是，混凝土余留截面上剪應(yīng)力的上升使截面上主拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度。 本次試驗(yàn)中，梁 LR－3．0－1、LC－3．0－0 屬于斜拉破壞。

2．3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總

試驗(yàn)中，試驗(yàn)梁的實(shí)際尺寸、試塊的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度、試件的開裂荷載以及極限荷載等試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總結(jié)果如表2所示。

表2 再生混凝土梁與普通混凝土梁主要試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Main test results of recycled concrete beam and ordinary one

表3 再生混凝土梁與普通混凝土梁抗剪承載力比較Table 3 Shear capacity comparison of recycled concrete beam and ordinary one

3 再生混凝土梁抗剪承載力計(jì)算方法

3．1 抗剪承載力數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，再生混凝土梁的破壞形態(tài)與普通混凝土梁相似，其梁抗剪承載力比普通混凝土有所降低，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

3．2 抗剪承載力公式擬合

在集中荷載作用下，普通鋼筋混凝土梁的抗剪承載力計(jì)算公式［3］為

式中：Vc為斜截面混凝土抗剪承載力，N；λ為剪跨比；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N／mm2；b為構(gòu)件截面寬度，mm；b為構(gòu)件截面有效高度，mm。

再生混凝土梁的抗剪承載力有所下降，即存在一個(gè)折減系數(shù)Ψ，因此，把式（1）改造為式（2）。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，計(jì)算出Ψ值，并且取下限，如表4所示。將承載力折減系數(shù)與再生骨料取代率擬合曲線，如圖4。

表4 不同再生骨料取代率折減系數(shù)計(jì)算值Table 4 Calculation data of different recycled coarse aggregate replacement ratio reduction factor

圖4 抗剪承載力折減系數(shù)與再生骨料取代率關(guān)系Fig.4 Relations of shear capacity reduction factor and recycled coarse aggregate replacement ratio

從圖4可以看出，當(dāng)再生骨料取代率為30%和50%時(shí)，再生混凝土梁抗剪承載力和普通混凝土梁差別并不明顯；當(dāng)取代率達(dá)到100%時(shí)，抗剪承載力下降明顯，承載力折減系數(shù)與再生骨料取代率近似呈線性關(guān)系。經(jīng)擬合，Ψ＝1.0591-0.021r。r為再生骨料的取代率，%。

把Ψ值代入式（2）可得到式（3）所示的再生混凝土梁抗剪承載力計(jì)算公式。

3．3 公式的應(yīng)用及分析

把公式（3）計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如表5所示。

表5 計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Table 5 Comparison of calculation data and test data

由表5可以看出，試驗(yàn)值與計(jì)算值的比值的平均值2．05，偏于保守。其原因是，規(guī)范中構(gòu)件的抗剪承載力公式是按下限得到，折減系數(shù)Ψ取的也是下限值。該計(jì)算結(jié)果適合于工程應(yīng)用，符合工程設(shè)計(jì)中“強(qiáng)剪弱彎”的原則。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)普通混凝土梁與再生混凝土梁在集中荷載作用下抗剪承載力的對(duì)比試驗(yàn)研究可以得出如下主要結(jié)論。

（1）再生混凝土梁與普通混凝土梁的破壞形式差別不大。梁的破壞主要與剪跨比有關(guān)，剪跨比λ＝1時(shí)，發(fā)生斜壓破壞；1．5≤λ≤2．5 時(shí)， 發(fā)生剪壓破壞；λ≥3．0時(shí)，發(fā)生斜拉破壞。再生混凝土梁的抗剪承載力隨著剪跨比的增大而減小。

（2）再生混凝土梁的抗剪承載力隨著再生骨料的取代率增加而減小，抗剪承載力與再生骨料取代率近似于線性關(guān)系。

（3）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，回歸出了再生混凝土梁抗剪承載力的計(jì)算公式。

［1］肖建莊．再生混凝土［M］．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008：4．

［2］史巍、侯景鵬．再生混凝土技術(shù)及其配合比設(shè)計(jì)方法［J］．建筑技術(shù)開發(fā)，2001，28（8）：18-20.

［3］ GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：56－57.