翼緣尺寸對地聚物混凝土T形梁抗彎性能的影響

徐 勇,毛宇光,劉翼瑋,蘇 捷,杜運興,史才軍

(1.湖南大學 土木工程學院 綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410082;2.湖南大學 湖南省綠色與先進土木工程材料國際創(chuàng)新合作中心,湖南 長沙 410082;3.湖南大學 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082)

0 引 言

地聚物是一類由含有硅鋁酸鹽活性組分的在堿激發(fā)條件下制備的無機膠凝材料[1],其生產(chǎn)能耗低,二氧化碳排放少,比硅酸鹽水泥更符合土木工程綠色發(fā)展的需求[2-4]。研究表明：地聚物混凝土(geopolymer concrete,GPC)相對于普通混凝土(portland cement concrete,PCC)表現(xiàn)出更高的早期強度[5-6],更好的耐高溫性[7-8]、更優(yōu)的耐化學腐蝕性[9-11]、抗?jié)B性[12]和抗凍融性[13-14]。但GPC的彈性模量和抗拉強度較低[15-16],脆性遠高于PCC[17-18],且會產(chǎn)生更多的干縮微裂縫[19-21]。

近年來,針對GPC結構性能的研究逐漸增多,尤其是GPC梁的抗彎性能受到了學界的重點關注。研究表明：GPC梁的抗彎性能與PCC梁類似,但GPC梁的抗彎剛度和延性要較低一些[22-25];GPC梁的承載能力隨著縱筋配筋率、混凝土抗壓強度和梁截面高度的增大而增強[26-29]。規(guī)范GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》及美國規(guī)范ACI 318—08中,受彎構件正截面配筋設計方法適用GPC梁[29-30]。

與矩形截面梁相比,T形截面混凝土梁具有用量少、自重輕、力學性能優(yōu)等特點[31-32]。但是目前國內外關于GPC梁抗彎性能的研究大多集中在矩形截面梁,而對T形截面梁的研究較少。對于PCC梁,理論上翼緣寬度和厚度越大,抗彎性能越優(yōu),但研究表明：翼緣寬度與腹板寬度之比大于一定限值后,PCC梁抗彎承載力將不會繼續(xù)增加[33-35]。可見翼緣尺寸是影響PCC T形梁抗彎性能的重要因素,但對于GPC T形梁,翼緣尺寸的影響尚不清晰,有必要進行研究。

基于此,筆者對5根GPC T形梁和1根PCC T形梁開展了四點彎曲試驗,測試了梁的承載能力、撓度、縱筋應變和裂縫行為,研究了翼緣寬度和厚度對GPC T形梁抗彎性能的影響;基于試驗結果對現(xiàn)有的PCC規(guī)范中關于GPC T形梁正截面受彎承載力的適用性進行了討論。

1 試 驗

1.1 梁試件

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》,筆者共制作了5根GPC T形梁試件和1根PCC T形梁試件,試件跨度2 100 mm,計算跨度1 800 mm,截面高度300 mm,腹板寬度120 mm。所有梁試件底部縱筋均設置90°標準彎鉤,在剪彎段布置的箍筋間距為90 mm,在純彎段布置的箍筋間距為150 mm。試件的設計參數(shù)見表1,詳細尺寸和配筋見圖1、圖2。

表1 T形梁試件設計參數(shù)Table 1 Test parameters of T-beam specimens

圖1 T形梁試件尺寸Fig.1 Dimensions of T-beam specimens

圖2 T形梁試件截面尺寸及配筋Fig.2 Cross-sectional dimensions and reinforcement of T-beam specimens

1.2 材料及混凝土配合比

1.2.1 混凝土組成材料

1)水泥：42.5R普通硅酸鹽水泥。

2)礦渣、粉煤灰：礦渣由湖南三泓建材有限公司提供,粉煤灰為由長安益陽發(fā)電有限公司提供的F級粉煤灰,這二者的化學組成見表2。

表2 礦渣和粉煤灰的化學組成Table 2 Chemical compositions of slag and fly ash %

3)堿激發(fā)劑：由水玻璃、氫氧化鈉和碳酸鈉組成,水玻璃模數(shù)為3.34,其中Na2O含量8.3%、SiO2含量26.9%、H2O含量64.8%,NaOH和Na2CO3純度均為99%。

4)骨料：粗骨料為碎石,粒徑5～20 mm;細骨料為河砂,細度模數(shù)為2.80。

1.2.2 混凝土配合比

PCC和GPC的立方體抗壓強度標準值設計都為30 MPa,混凝土配合比見表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete kg/m3

1.2.3 鋼 筋

表4為梁試件底部縱筋和箍筋選用的鋼筋型號,及實驗測得鋼筋的直徑φ、屈服強度σy、抗拉強度σt、屈服應變δ。頂部架力筋的鋼筋型號為HRB400,直徑為8 mm。

表4 鋼筋的力學性能Table 4 Mechanical properties of rebars

1.3 梁試件制備

1.3.1 堿激發(fā)劑配制

在試件澆筑前一天,按照配合比將片狀NaOH倒入水玻璃中,攪拌直至完全溶解,然后冷卻至室溫,密封保存。

1.3.2 GPC成型

按照配合比向攪拌機中加入碎石、河砂,攪拌3 min;加入礦渣、粉煤灰、碳酸鈉干粉,干拌至均勻狀態(tài);再加入水及提前配制好的堿激發(fā)劑,攪拌5 min,使得所有原材料完全混合均勻。隨即迅速將新拌的GPC混合料倒入梁試模中,用振搗棒振實,在室溫環(huán)境下養(yǎng)護7 d,然后拆去試模。拆模后,梁試件繼續(xù)在室溫下養(yǎng)護至測試日期。

在澆注梁試件時,制備3個150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊,及6個100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊,在室溫條件下養(yǎng)護至28 d齡期,測得混凝土立方體抗壓強度fcu,軸心抗壓強度fc、彈性模量Ec,并由fc′=0.8fcu計算混凝土圓柱體抗壓強度,結果見表5。

表5 混凝土的力學性能Table 5 Mechanical properties of concrete

1.4 加載方式及測試內容

采用四點彎曲試驗測試T形梁的抗彎性能,加載及測試裝置見圖3。2個加載點位于梁計算跨度的三等分點處,梁上的剪彎段和純彎段長度均為 600 mm,通過分配梁將單一荷載對稱施加在T形梁試件上。采用量程為 1 000 kN 的液壓千斤頂來施加力控制載荷,千斤頂放置在分配梁跨中處,頂上布置力傳感器,為防止加載過程中偏心,在千斤頂下放置球鉸。

圖3 加載及測試裝置Fig.3 Load and test device

在跨中及支座截面布置5個位移計,用以測試梁試件的撓度,在梁試件的跨中縱向鋼筋表面粘貼電阻應變片,以測試梁試件純彎段的縱筋應變。試驗中,測試的力值、撓度、鋼筋應變通過應變箱實時采集。

分級施加荷載,每級加載后等待3 min,在梁試件變形穩(wěn)定后,觀察梁試件上原有裂縫的發(fā)展和新裂縫的出現(xiàn)等情況,并進行標記繪制,采用裂縫寬度觀測儀量測裂縫寬度。

2 試驗結果及分析

2.1 裂縫行為和破壞模式

圖4為6根T形梁試件的裂縫分布及破壞模式。

1)施加荷載后,6根T形梁試件的純彎段均產(chǎn)生豎向裂縫,隨后裂縫逐漸向上發(fā)展;隨著荷載的增大,剪彎段腹板開始出現(xiàn)斜裂縫,并不斷向加載點和支座方向發(fā)展,同時裂縫寬度變大、數(shù)量增多,當斜裂縫發(fā)展至腹板和翼緣交界處,并沿著交界處延伸,這一時期純彎段裂縫發(fā)展極為緩慢。

2)當荷載繼續(xù)增大時,純彎段裂縫開始迅速發(fā)展,在即將延伸至腹板和翼緣交界處時,原有裂縫分叉,并發(fā)展至翼緣下表面,再發(fā)展至翼緣側面直至受壓區(qū);期間翼緣側面和下表面的交界處也產(chǎn)生豎向裂縫,并沿著翼緣側面和下表面延伸;最終受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)水平裂縫,直至被壓碎;所有試件均發(fā)生適筋梁彎曲破壞。

3)GPC-300-60相較于PCC-300-60,裂縫數(shù)量多且分布散亂,這是因為GPC內部早期相對濕度降低速度快,引起表面張力快速下降,最終導致較大的早期收縮變形,使得GPC內部基體產(chǎn)生的微裂縫更多[19-21];GPC-300-90相較于GPC-300-60,裂縫數(shù)量少,這說明增加翼緣厚度可以減少裂縫數(shù)量。

2.2 荷載-撓度曲線

圖5為6根T形梁試件的荷載-跨中撓度曲線。由圖5可見：GPC-300-60與PCC-300-60的荷載-跨中撓度曲線發(fā)展規(guī)律相似,說明混凝土類型對于T形梁受彎行為的影響不顯著。所有梁試件從開始加載到彎曲破壞可分為3個階段。

1)階段1,6根梁試件均呈未開裂狀態(tài),處于彈性階段,其撓度均隨著荷載成比例增大;當荷載增大至開裂荷載時,梁的底部出現(xiàn)裂縫,荷載-撓度曲線出現(xiàn)第一個轉折點,但由于翼緣的存在,第一個轉折點不太明顯。

2)梁試件進入帶裂縫工作階段即階段2,隨著荷載增大,荷載-撓度曲線開始呈現(xiàn)非線性變化,但曲線形狀很接近直線,直到縱筋屈服。此階段的PCC-300-60跨中撓度要小于GPC-300-60,這表示相同條件下,GPC T形梁的剛度要低于PCC T形梁;GPC-200-60、GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60的跨中撓度依次減小,GPC-300-60的跨中撓度大于GPC-300-90,這表明隨著翼緣寬度和厚度增大會使得GPC T形梁的剛度增大。

3)試件進入破壞階段即階段3,縱筋此時已經(jīng)屈服,應變快速增長,梁的撓度也快速增大,但由于翼緣板的存在,梁的延性較好,在撓度值較大時才發(fā)生受壓區(qū)混凝土壓碎破壞。

圖5 T形梁試件的荷載-跨中撓度關系曲線Fig.5 Load-mid-span deflection curves of T-beam specimens

2.3 延 性

鋼筋混凝土梁的彎曲變形能力可由延性系數(shù)μ來反映,μ= Δy/Δu(Δy為梁達到屈服荷載時對應的跨中撓度,Δu為梁承載力開始明顯下降時的撓度)。表6為6根T形梁試件的延性系數(shù)。

表6 T形梁試件的延性系數(shù)Table 6 Ductility coefficient of T-beam specimens

由表6可見：

1)對比GPC-300-60與PCC-300-60的延性系數(shù),發(fā)現(xiàn)GPC T形梁的延性強于PCC T形梁。

2)對比GPC-200-60、GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60、GPC-300-90的延性系數(shù)發(fā)現(xiàn)：增大翼緣寬度和厚度均可顯著提高GPC T形梁的延性。

3)GPC-500-60的延性系數(shù)最大,達7.12,這表明該梁試件的延性最好。這是由于梁翼緣寬達到500 mm,相對受壓區(qū)高度小,加載后期截面轉動能力大,變形能力高,因而撓度大。同時,翼緣較寬的梁,其承載力也較高,并隨著撓度的增長而緩慢增大,破壞時的承載力也較大。

2.4 承載力

表7為T形梁試件的開裂荷載Pcr、裂縫寬度0.3mm對應的荷載P0.3、屈服荷載Py和極限荷載Pu。

表7 T形梁試件的彎曲承載能力Table 7 Flexural bearing capacity of T-beam specimens

由表7可見：

1)試件GPC-300-60的開裂荷載比試件PCC-300-60低83.75%,這與GPC較低的抗拉強度有關[16]。另一方面,所有的GPC T形梁的開裂荷載相差不大,這表明增加翼緣寬度和厚度對其開裂荷載無明顯影響。

2)GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定：結構構件在室內正常環(huán)境條件下的最大裂縫寬度限值為0.30 mm,GPC-300-60在此裂縫寬度下的荷載相比于PCC-300-60低了41.18%,這表明相同荷載下,GPC T形梁的裂縫寬度比PCC T形梁大。GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60在此裂縫寬度下的荷載比GPC-200-60分別增加了12.81%、20.77%、26.33%,這說明增加翼緣寬度,可增大GPC T形梁在裂縫寬度為0.30 mm時對應的荷載。GPC-300-90在此裂縫寬度下的荷載比GPC-300-60增加了12.74%,說明增加翼緣厚度,可增大GPC T形梁在裂縫寬度為0.30 mm時對應的荷載。

3)對于各梁的屈服荷載,GPC T形梁的屈服荷載與PCC T形梁幾乎相等;GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60比GPC-200-60分別提升了5.07%、7.85%、9.15%,GPC-300-90比GPC-300-60提升了2.97%,這表明增加翼緣寬度和厚度可以推遲GPC T形梁底部縱筋達到屈服強度。

4)試驗按照GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》規(guī)定、取受拉縱筋處最大裂縫寬度達到1.5 mm時的荷載值作為試件梁的實測極限荷載,測試結果顯示GPC T形梁的極限荷載相近于PCC T形梁;相比于GPC-200-60,試件梁GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60的極限荷載分別增大4.46%、8.48%、10.41%,相比于GPC-300-60,GPC-300-90的極限荷載增大了4.69%,說明GPC T形梁的極限承載能力也隨著翼緣寬度和厚度的增加而增大,但隨著翼緣寬度的逐步增大,極限荷載的增幅逐步減小,這是因為翼緣距腹板越遠,其參與的受力程度越小,越寬的翼緣也只有靠近腹板的一部分能有效承擔荷載。

2.5 荷載-縱筋應變關系

圖6為T形梁試件的荷載-跨中縱筋應變曲線,圖中的虛線為底部縱筋屈服應變線。

圖6 T形梁試件的荷載-跨中縱筋應變曲線Fig.6 Load-strain of longitudinal reinforcement at mid span curve of T-beam specimens

由圖6可見：

1)當荷載增大至開裂荷載時,縱筋應變突然增加,這是由于梁底部混凝土受拉開裂,其承擔的拉應力傳遞到了縱筋上;隨后荷載繼續(xù)增大,縱筋應變隨之增大直至縱筋屈服,期間可以看到在相同荷載下,GPC-200-60、GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60的縱筋應變依次減小,GPC-300-60、GPC-300-90的縱筋應變也依次減小,表明增加翼緣寬度和厚度可以減小相同載荷下的跨中底部縱筋應變,有效推遲GPC T形梁底部縱筋達到屈服強度的時刻。

2)GPC T形梁的縱筋應變始終大于PCC T形梁,這是由于GPC T形梁的剛度低于PCC T形梁。

綜上,跨中縱筋的應變反映了T形梁的開裂和屈服性能,與T形梁的荷載-跨中撓度關系曲線反映的規(guī)律一致。

3 討 論

3.1 GPC T形梁與PCC T形梁對比

根據(jù)圖4,GPC-300-60的裂縫比PCC-300-60更多和更寬,相應的平均裂縫間距更小,這是由于GPC在成型后的收縮變形較大,基體產(chǎn)生的微裂縫更多[19-21],在受力后得到發(fā)展。

根據(jù)圖5,GPC-300-60的荷載-跨中撓度曲線的斜率要小于PCC-300-60,即GPC-300-60的抗彎剛度要低于PCC-300-60,在梁處于開裂前的彈性階段,GPC較低的彈性模量[36]使得梁的抗彎剛度較低,本試驗中測得的GPC彈性模量僅為PCC的63.92%,在梁處于正常使用階段,GPC對梁抗彎剛度的貢獻要小于PCC。GPC-300-60的抗彎剛度低于PCC-300-60也表現(xiàn)在其縱筋應變始終要大于PCC-300-60。

根據(jù)表7,GPC-300-60與PCC-300-60的極限荷載和屈服荷載均相近,但GPC-300-60的延性大于PCC-300-60,這也表現(xiàn)在撓度上,這也歸因于GPC基體早期收縮大,產(chǎn)生的微裂縫較多,在承載后得到發(fā)展,導致受壓區(qū)混凝土在撓度值較大(相較于PCC T形梁)時才被擠碎;GPC-300-60的開裂荷載和裂縫寬度為0.30 mm時對應的荷載均明顯低于PCC-300-60,這是因為礦渣-粉煤灰基GPC的抗拉強度較PCC低約20%[16]。

總的來說,GPC T形梁的裂縫行為及破壞模式、荷載-跨中撓度關系、抗彎極限承載力、屈服荷載、荷載-縱筋應變關系與PCC T形梁無明顯區(qū)別,但因為材料性能的差異,其抗彎剛度、開裂荷載和最大裂縫寬度限值下的荷載低于PCC T形梁。

3.2 翼緣尺寸對GPC T形梁抗彎強度的影響

GPC-200-60、GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60的翼緣寬度與腹板寬度之比(bf/b)分別為1.67、2.50、3.33、4.17。隨著bf/b增大,GPC T形梁的抗彎極限承載力逐步增大,但增幅卻越來越小,且bf/b從3.33到4.17,增加僅1.75%,這說明越寬的翼緣寬度,也只是靠近腹板的一部分寬度能有效承擔荷載,但是翼緣寬度的增加能有效推遲受拉縱筋達到屈服強度,大幅提高試件延性,這與PCC T形梁的結論一致。

GPC-300-60和GPC-300-90的翼緣厚度與梁截面有效高度比值(hf/h0)分別為0.23和0.35。隨著hf/h0增大,GPC T形梁的抗彎極限承載力呈增大趨勢,這與增加翼緣厚度對PCC T形梁的影響一致。而且本試驗中hf/h0從0.23到0.35與bf/b從2.50到3.33對抗彎性能的影響效果相近,但增加翼緣厚度經(jīng)濟效果更好。

3.3 現(xiàn)行規(guī)范正截面受彎承載力計算公式適用性

根據(jù)GB50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》和ACI 318—19[37]中的計算公式,對T形梁的正截面受彎承載力進行理論計算,并與試驗測試結果進行對比分析,探討現(xiàn)行規(guī)范對GPC T形梁抗彎設計的適用性。

GB50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》中,T形梁正截面受彎承載力計算式如式(1)、式(2)：

(1)

fyAs=α1fcbx

(2)

式中：Mu為梁的正截面承載力,kN·m;α1為混凝土壓應力不均勻系數(shù),α1= 1.0;fc為混凝土軸心抗壓強度,MPa;b為截面寬度,mm;x為混凝土受壓區(qū)高度,mm;h0為截面有效高度,h0= 257 mm;fy為縱向受拉鋼筋設計強度,文中取屈服強度,MPa;As為受拉縱筋截面面積,As= 628 mm2。

ACI 318—19[37]中的計算式如式(3)、式(4)：

(3)

(4)

6根T形梁試件正截面受彎承載力計算值與實測值見表8。

表8 T形梁試件正截面受彎承載力計算值與實測值Table 8 The calculated and measured values of the flexural bearing capacity of the normal section of T-beam specimens

由表8可見：

1)中美現(xiàn)行規(guī)范計算的正截面受彎承載力均大于實測值;相較而言,GB50010—2010的計算值更接近實測值,預測結果較為準確,而ACI 318—19的設計安全儲備更高一些。

2)從GPC-200-60→GPC-300-60→GPC-400-60→GPC-500-60,Mutest/MuGB和Mutest/MuACI的比值呈增大趨勢,說明2個規(guī)范均略微低估了翼緣寬度對GPC T形梁抗彎強度的影響。

3)GPC-300-90相比于GPC-300-60,Mutest/MuGB和Mutest/MuACI的比值增大明顯,說明2個規(guī)范均明顯低估了翼緣厚度對GPC T形梁抗彎強度的貢獻。

綜上,GB 50010—2010和ACI 318—19的正截面受彎承載力公式適用GPC T形梁,但有提升空間,建議在原有公式的基礎上多考慮翼緣厚度的影響。

4 結 論

通過四點彎曲試驗,對翼緣尺寸對GPC T形梁抗彎性能的影響進行了系統(tǒng)的研究,探討了現(xiàn)行中美2個規(guī)范正截面受彎承載力計算公式對其的適用性。研究得出以下主要結論：

1)GPC T形梁的抗彎極限荷載、屈服荷載、裂縫行為及失效模式與PCC T形梁相似,但延性更優(yōu),不過其跨中受拉縱筋應變較大,剛度、開裂荷載和最大裂縫寬度限值下的承載力較低。

2)隨著翼緣寬度增加,GPC T形梁的剛度、屈服荷載、抗彎極限荷載、在最大裂縫寬度限值下的承載力和延性均增大,翼緣寬度為500 mm時的延性系數(shù)可達7.12,跨中受拉縱筋應變減小,開裂荷載基本不變。

3)隨著翼緣厚度增加,GPC T形梁在最大裂縫寬度限值下的承載力提升明顯,其剛度、屈服荷載、抗彎極限荷載和延性均有所增大,跨中受拉縱筋應變減小,開裂荷載無明顯變化;GPC T形梁hf/h0從0.23到0.35與bf/b從2.50到3.33對抗彎性能的影響效果相近。

4)GB50010—2010和ACI 318—19的正截面受彎承載力設計公式適用GPC T形梁,但有提升空間,GB50010—2010的預測更準確,ACI 318—19的安全儲備更高。