再生粗骨料預(yù)制混凝土桁架板受彎性能試驗

夏小龍,周新剛,劉津成,宋國強,趙亞菲,沈?qū)W斌

(1.煙臺大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 煙臺 264005;2.楓林環(huán)保科技有限公司,山東 煙臺 264000)

工程建設(shè)固廢的再生循環(huán)利用是土木工程可持續(xù)發(fā)展的重要研究方向[1-3]。建筑無機固體廢棄物經(jīng)過拆分、分選、破碎、篩分、水洗等工藝加工成各種類型的再生骨料,可用于道路與基礎(chǔ)的水穩(wěn)墊層、建筑砂漿及混凝土中[4-7]。但由于再生骨料來源的多樣性及其相對較差的界面特性,直接在混凝土中應(yīng)用會顯著影響混凝土的力學(xué)性能。雖然通過分選、篩分、界面改性或合理的配合比設(shè)計等措施,可以降低再生骨料對混凝土性能的影響,但再生骨料在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng)用仍有很多的問題,尤其是含有磚瓦等軟弱顆粒的再生骨料。裝配式建筑是建筑現(xiàn)代化的重要發(fā)展方向[8-9]。樓板作為裝配式建筑中的水平構(gòu)件,具有承受樓面的恒活荷載和增加樓層的平面剛度等功能,且不需要考慮抗震延性;其所處的環(huán)境相對較好,對材料的耐久性要求也比其他構(gòu)件略低。因此,在預(yù)制疊合板中應(yīng)用再生骨料,可能是其在結(jié)構(gòu)構(gòu)件中應(yīng)用的最佳出路。而且預(yù)制構(gòu)件采用工廠化生產(chǎn),更容易進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。為此,本文對使用再生骨料的預(yù)制桁架板進行了受彎性能試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試驗粗骨料及其性能

本次試驗用的全部粗骨料粒徑均為5～25 mm連續(xù)級配,有三種類型:(1)CAⅠ—天然巖石加工的碎石骨料;(2)CAⅡ—混凝土破碎加工的再生骨料,原生混凝土的強度為C30,但含有一定量的其他強度等級(C15—C45)的原生混凝土,兩者質(zhì)量比約7∶3;(3)CAⅢ—含磚瓦等軟弱顆粒的再生骨料,原生混凝土顆粒與黏土磚瓦等軟弱顆粒的質(zhì)量比約6.5∶3.5。實測三種骨料的物理性能及骨料篩分曲線和骨料成品見表1和圖1、2。

表1 粗骨料部分質(zhì)量參數(shù)

圖1 粗骨料篩分結(jié)果

圖2 不同粗骨料成品

1.2 配合比設(shè)計

采用三種粗骨料配制強度等級為C25的混凝土。水泥采用42.5R級復(fù)合硅酸鹽水泥;細骨料采用機制砂,細度模數(shù)3.0,含泥量1.0%;外加劑選用聚羧酸減水劑,按《混凝土外加劑》[10]檢測減水率約為20%。經(jīng)過試驗和調(diào)整,試件制作中用的混凝土配合比見表2,實測混凝土力學(xué)性能見表3。

表2 混凝土配合比

表3 混凝土實測力學(xué)性能平均值

從力學(xué)性能測試結(jié)果看,盡管三種配合比的混凝土強度實測結(jié)果相近,基本達到了C25混凝土的強度要求,但使用再生骨料的混凝土彈性模量相對較低。

1.3 試件設(shè)計

表4 試件分組及其截面組合

圖3 桁架板配筋

1.4 試驗裝置與加載方案

實驗加載見圖4,采用簡支板集中加載形式,加載裝置見圖5。四個集中力由同步作動器等幅、等增量加載。試驗過程中,由力傳感器測量豎向荷載;在跨中板底布置三個LVDT位移傳感器測量板的撓度;在支座處板面布置兩個傾角儀測量板變形后支座處的轉(zhuǎn)角;在受力筋、桁架上弦和下弦筋的跨中布置鋼筋應(yīng)變片測量鋼筋應(yīng)變變化;跨中板側(cè)布置混凝土應(yīng)變片測量板側(cè)面的混凝土應(yīng)變變化。

圖4 試驗加載

圖5 加載裝置

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 加載與測量

正式試驗前,首先進行預(yù)加載,預(yù)加載值為預(yù)估開裂荷載的70%。通過預(yù)加載,檢查試驗裝置、作動器、傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作是否正常。各部分工作正常后,卸載至0,再開始正式加載。正式加載采用分級加載,試件開裂前,每級荷載為開裂荷載預(yù)估值的20%,每級加載后持荷時間約300 s,采集和讀取試驗數(shù)據(jù),觀察試驗現(xiàn)象;試件開裂之后,調(diào)整每級荷載值為極限荷載計算值的10%;鋼筋屈服后,采用l0/250位移分級加載至試件破壞。

2.2 試驗現(xiàn)象與破壞過程

各類板的最終破壞情況如圖6。從破壞情況可看出,盡管各類板基層和疊合層所使用的混凝土不同,但板的最終破壞形態(tài)基本相似,都有明顯的撓曲變形,裂縫分布也基本一致。圖7、8為板的跨中撓度及鋼筋平均應(yīng)變隨跨中彎矩變化曲線。綜合分析圖7、8可知,從加載到最終破壞,各類板都經(jīng)歷了未開裂的彈性階段,開裂后到鋼筋屈服、拉區(qū)混凝土裂縫發(fā)展的帶裂縫工作階段,以及鋼筋屈服后到破壞的塑性變形階段,均有明顯的特征點。不同的是,各類板特征點處的值有所不同。

圖6 各試件破壞形式

圖7 各試件彎矩-撓度曲線

圖8 各試件彎矩-鋼筋應(yīng)變曲線

2.2.1 拉區(qū)開裂前的彈性階段 從開始加載到觀察到第一條板底裂縫,板的彎矩撓度曲線基本呈直線分布,撓度及鋼筋平均應(yīng)變增長緩慢,此時板基本處于彈性工作狀態(tài)。當(dāng)跨中彎矩加載至6～9 kN·m時,板底可觀察到第一條裂縫,此時各板的跨中彎矩及撓度值均不同。開裂前各試件特征參數(shù)如表5。

表5 開裂前各試件特征參數(shù)

從表5可知,開裂前各板撓度為(1/1000～1/750)l0時,跨中彎矩為極限彎矩的23%～30%,且使用了再生骨料的各類板開裂彎矩及根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算的初始剛度均有所降低。

2.2.2 拉區(qū)混凝土開裂至受拉鋼筋屈服的帶裂縫工作階段 板底混凝土開裂后,裂縫處混凝土退出工作,鋼筋應(yīng)變及撓度增長加快,從圖7、8可知曲線斜率降低。隨著荷載逐級增加,板底不斷有新裂縫產(chǎn)生,且主裂縫不斷加寬,板側(cè)裂縫向混凝土受壓區(qū)延伸,撓度不斷增大。在鋼筋屈服前,裂縫基本出齊,不再有新裂縫產(chǎn)生。鋼筋屈服時各類板的特征參數(shù)如表6所示。

表6 鋼筋屈服時各試件特征參數(shù)

從表6可知,鋼筋屈服時各類板撓度為19～26 mm,板跨長的1/135～1/100;屈服彎矩為卸荷前極限彎矩的60%～75%;剛度在初始剛度的20%左右。

2.2.3 鋼筋屈服后的破壞階段 板底縱向鋼筋屈服后,豎向荷載緩慢增加,但跨中撓度快速增長,板的主裂縫寬度不斷發(fā)展,板側(cè)裂縫持續(xù)向板頂延伸。由于板中的縱向受拉鋼筋經(jīng)過冷拉處理,沒有明顯的屈服臺階,因此,鋼筋屈服后并沒有荷載不能增加、彎矩不變的發(fā)展階段,而是進入彎矩緩慢增加的強化階段。隨著撓度的不斷增大,板頂開始出現(xiàn)輕微的壓碎現(xiàn)象,實測各試件板頂混凝土的壓應(yīng)變?yōu)?.003 5～0.005,此時跨中撓度大于或等于l0/25,認(rèn)為板達到了破壞狀態(tài),停止加載。此時,各板剛度約為初始彈性剛度的3.5%,鋼筋屈服時剛度的18%左右。在卸載前后各類板的特征值見表7。

表7 各試件卸載前后特征參數(shù)

從表7可知,各板從板底鋼筋屈服到最終破壞,板的承載能力沒有顯著降低;板的變形在卸荷后有所恢復(fù),實測各板殘余撓度與最大撓度的比值為76.54%～80.11%;卸載前剛度為0.09×103～0.14×103kN·m2。板的跨中撓度從鋼筋屈服時的約20 mm發(fā)展到104～140 mm,延性比為4.9～6.7,表現(xiàn)出了良好的變形性能。即使板在比較大的變形情況下,也未見基層和疊合層出現(xiàn)滑移現(xiàn)象,說明雖然疊合層和基層使用了不同的混凝土,但其界面黏結(jié)性能可保證板整體較大變形和延性的需要。

2.3 極限承載力

表8為各板極限承載力的實測值與計算值。各類板停止加荷時,板頂混凝土壓應(yīng)變實測為0.003 5～0.005,均超過了理論的0.003 3,所以極限彎矩計算值Mu′均按以下規(guī)范[11]公式(1)計算。

(1)

式中:fy為受拉鋼筋屈服強度實測值,As為受拉鋼筋截面面積,h0為截面有效高度,b為截面寬度。

試驗結(jié)果表明:使用了再生粗骨料的疊合板抗彎承載力同樣較好,說明盡管再生骨料自身較軟弱、組成復(fù)雜且混凝土內(nèi)部缺陷更多,但混凝土強度設(shè)計相當(dāng)及使用條件同等時,各類板實測極限承載力均大于規(guī)范的計算值的1.1倍以上;且撓度大于l0/25時,各類板無明顯破壞現(xiàn)象。說明按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[11]計算的極限承載力安全可行。

表8 各試件極限承載力實測值與計算值

2.4 裂縫

在試驗過程中各類板裂縫發(fā)展分布規(guī)律大致如下:第一條裂縫產(chǎn)生于純彎段靠近荷載作用處,隨著荷載增加,各類板在純彎段和彎剪區(qū)相繼產(chǎn)生多條大致平行的新裂縫,且裂縫與板軸線大致垂直;當(dāng)彎剪區(qū)不再有新裂縫產(chǎn)生時,平均裂縫間距為120～150 mm,實測撓度為8.5～11.1 mm,小于l0/200;在撓度達到規(guī)范正常使用狀態(tài)限值l0/200時,實測各類板的裂縫寬度為0.167～0.197 mm,均小于規(guī)范限值0.2 mm。鋼筋屈服后,各類板撓度及鋼筋應(yīng)變迅速增大,主裂縫不斷變寬,純彎段產(chǎn)生較多斜向分叉的裂縫,最終各類板裂縫分布見圖9。

圖9 各試件板底和板側(cè)裂縫分布

試驗結(jié)果表明:各試件的裂縫發(fā)展規(guī)律及分布相似;即使基層和疊合層都使用了不同的再生骨料,撓度及裂縫仍未超文獻[11]中正常使用狀態(tài)限值,滿足正常使用的要求。

2.5 剛度

試驗表明,各試件在開裂前,彎矩與撓度基本呈線性變化,板底鋼筋應(yīng)變也隨彎矩呈線性變化,板的初始剛度B0=EcI0,I0為換算截面的慣性矩。但在接近開裂時,板在受拉區(qū)塑性變形有所發(fā)展,剛度有所下降。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析,考慮受拉區(qū)塑性變形的影響,開裂前的受彎剛度B′=0.74B0,比普通骨料混凝土不出現(xiàn)裂縫時的截面剛度下降10%左右。說明受軟弱顆粒骨料的影響,板開裂前的剛度比普通骨料混凝土板有所降低。截面剛度隨彎矩的變化如圖10所示。受拉區(qū)開裂后,截面的剛度按公式(2)[12]計算:

(2)

式中,M為試件彎矩,h0為截面有效高度,εsm為受拉鋼筋平均拉應(yīng)變,εcm為板頂混凝土壓應(yīng)變。

試驗結(jié)果表明,各類板剛度隨彎矩變化的規(guī)律相似。加載初期,各試件處于全截面受力狀態(tài),初始剛度最大,但使用了再生骨料的各類板初始剛度均有不同程度的降低,說明不管是CAⅡ還是CAⅢ,再生骨料較軟、來源組成復(fù)雜等因素使混凝土內(nèi)部缺陷更多,導(dǎo)致彈模降低,初始彎曲剛度相對較低。從圖10來看,試件開裂,各類板曲線在直線①附近出現(xiàn)拐點,剛度迅速降低,使用了再生骨料的板曲線更陡,剛度退化速度更快,說明再生骨料軟導(dǎo)致混凝土內(nèi)部缺陷多,使基層開裂后鋼筋應(yīng)變和板頂混凝土壓應(yīng)變迅速增大,剛度隨之迅速降低,裂縫更快出齊。M∶My為1時曲線再次出現(xiàn)拐點,此時各板剛度在0.6×103kN·m2左右,相當(dāng)于初始剛度的18%～22%。鋼筋屈服后,經(jīng)過冷拉的鋼筋荷載緩慢增加,鋼筋及板頂混凝土應(yīng)變迅速增長,曲線緩慢降低。在停止加荷時,各板剛度約為初始剛度的3.3%。

圖10 截面剛度隨彎矩的變化曲線

3 結(jié) 論

(1)無論使用再生骨料做基層還是做疊合層,或是全使用再生骨料,其板的受力過程及從開裂、鋼筋屈服至最終破壞的特征點都與常規(guī)混凝土板的相似,符合鋼筋混凝土適筋受彎構(gòu)件的受力及破壞特征?；鶎优c疊合層界面有良好的協(xié)同性能,能保證在整個受力過程中疊合層和基層整體受力。

(2)使用再生骨料做基層、疊合層或全部使用再生骨料,雖然開裂彎矩略低、剛度略小、帶裂縫工作階段的裂縫稍大,撓度略大,裂縫和撓度值能控制在規(guī)范受彎構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)的允許限值內(nèi)。

(3)盡管再生骨料混凝土的峰值應(yīng)變、極限應(yīng)變與普通骨料混凝土不同,但最終極限受彎承載能力影響不明顯,且按規(guī)范計算方法確定的計算結(jié)果安全可行。