再生砖粗骨料混凝土梁抗弯性能试验研究

季昌良，翟爱良，翟文举，陈树建，王纯合

(山东农业大学 水利土木工程学院，山东 泰安 271018)

随着我国经济的快速发展、新农村建设的不断深入，许多地区的房屋拆迁产生了大量的碎砖废弃物，如能将其再生利用，不但可以解决大量碎砖废弃物的堆积处理问题，还可减少对天然砂石的开采，有利于环境保护．再生砖粗骨料混凝土是指将废弃的砖经破碎、清洗及筛分后作为混凝土粗骨料，部分或全部代替天然粗骨料配制成的新型混凝土．在建筑废弃物资源化处理及再生混凝土的研究和应用方面［2－4］，大量碎砖废弃物的再生利用问题还未引起重视，仅个别机构对碎砖再生轻骨料混凝土的基本性能做了初步研究［5－9］，而再生砖粗骨料混凝土受弯构件受力性能研究方面还未见报道．基于此，本文借鉴已有试验研究成果，通过对再生砖粗骨料混凝土梁进行正截面抗弯性能试验［1］，并与普通混凝土梁进行对比，分析其受力特性及破坏特点，以及再生砖粗骨料取代率对再生混凝土梁正截面抗弯性能的影响，对再生砖粗骨料混凝土梁的抗弯性能作了初步研究．

1 试验概况

1．1 原 材 料

(1)再生骨料．试验中将废弃砖(强度为Mu10)经人工破碎，筛分出粒径值分别为5～10 mm，10～16 mm，16～20 mm的再生砖骨料，用水进行冲洗，再生砖粗骨料与天然粗骨料的基本性能如下:堆积密度分别为1 008和1 509 kg/m3，表观密度分别为2 400和2 670 kg/m3，吸水率分别为14．10%和0．80%，压碎指标分别为38%和20%．可见再生砖粗骨料与天然粗骨料的基本性能相差较大，故对再生砖粗骨料进行了水泥浆包裹的强化处理，再生砖粗骨料经水泥浆包裹强化处理后，自身强度得到提高，骨料之间的粘结力也加强，并大大减少了拌制混凝土时水泥及水的用量，较好地保证了再生砖粗骨料混凝土的强度［9］．

(2)水泥．选用山东泰安鲁润水泥制造有限公司生产的普通硅酸盐水泥，强度等级为32．5．

(3)天然骨料．细骨料采用泰安市河产中砂;粗骨料采用泰安市建材公司生产的碎石，最大粒径为20 mm，级配为连续级配．为使试验更具有对比性，再生砖粗骨料和天然粗骨料采用相同的级配组成，级配组成中粒径5～10 mm占15%，10～16 mm占35%，16～20 mm占50%．

(4)材料力学性能．在浇筑各混凝土梁的同时制作了混凝土立方体试块，测得再生混凝土的抗压强度．所选用的纵筋为HRB335Φ14带肋钢筋，箍筋为HPB235Φ6光圆钢筋．对钢筋采样分别进行抗拉试验，材料性能测试结果见表1．

表1 材料性能Tab．1 The materials characteristics

1．2 配 合 比

由于试验中再生砖粗骨料与天然石子粗骨料物理性质相差太大，仅单一地在粗骨料之间进行等体积或等质量进行替代所得到的再生砖粗骨料混凝土与普通混凝土相比强度相差较大，不适合进行试验研究，因此本试验以两组具有相同强度等级混凝土的配合比为基准，一组为普通混凝土，一组为再生粗骨料替代率为100%的混凝土，其他用部分再生粗骨料替代的梁的配合比按照各自的替代率由上述两组基准配合比计算得出，配合比结果见表2．

表2 再生混凝土材料用量Tab．2 Mix proportion of the recycled concrete

1．3 试件设计

梁L1～L5的截面尺寸、剪跨比、配筋均相同，梁截面尺寸为150 mm×250 mm×2 100 mm，剪跨比为2．79，受拉筋选用3Φ14(HRB335)，配筋率为1．23%，架立筋为2Φ8，箍筋沿梁全长配Φ6@80，配箍率为0．47%，试验采用分配梁实现两点加载，试验加载装置及梁的尺寸与配筋见图1．

图1 试验加载装置及梁的尺寸与配筋(单位:mm)Fig．1 Test loading device，beam size and reinforcement(unit:mm)

1．4 测点布置

试验在梁跨中及端部支座处安设百分表，以测量挠度，在梁跨中截面上下面及侧面粘贴应变片，纵筋上的应变片在浇筑梁之前粘贴好．应变片测点布置如图2所示．

图2 测点布置Fig．2 The layout of measuring points

1．5 加载过程

试验在YAW—3000F微机控制电液伺服结构试验机上进行．先对试件进行预加载，预加载期间检查试验装置的可靠性及各仪器的工作性能．然后正式加载，以计算极限荷载值的10%为级度逐级加载，至计算极限荷载值的90%时改为每级5%的加载量，各级加载中间间隔10 min，以便于观测记录数据，加载速率为2 kN/min．加载到临近破坏前，拆除所有仪表，然后加载至破坏．

1．6 数据采集

试验中需采集的数据及采集方法如下:(1)挠度和支座沉降测量，通过百分表测量每级荷载下混凝土梁的挠度和支座沉降．(2)裂缝量测，观测记录每级荷载下裂缝的扩展及分布变化，通过读数放大镜观测裂缝宽度，并在加载后，将梁的裂缝扩展分布形态绘制在坐标纸上．(3)应变测量，通过程控静态电阻应变仪(TS3890型)采集实验过程中纵筋和混凝土的应变值．(4)荷载测量，通过计算机自动采集每根梁的开裂荷载和极限破坏荷载．

2 试验结果及分析

2．1 主要试验现象描述

梁L1:加载至16．2 kN，在纯弯段出现细微的竖向裂缝．早期裂缝宽度发展缓慢，混凝土和钢筋应变也较小．加载到139 kN时，跨中挠度增大较快，百分表指针转动迅速，裂缝宽度明显变大，到147 kN时，挠度急剧增大，伴随着梁顶纯弯区混凝土的压碎，认定梁破坏．

梁L2:加载至15．9 kN，在距离梁中心20 cm处出现毛细裂缝，随着荷载的增加，裂缝渐增多．加载至129 kN时，百分表指针转动加快，挠度增大．随着荷载继续增加，裂缝宽度及延伸长度明显变大，梁跨中截面上部混凝土有压碎现象，认定梁破坏．

梁L3:加载至15．7 kN，在距离梁中心7．1 cm处出现毛细裂缝，受拉区混凝土边缘纤维应变达到极限拉应变，混凝土梁开裂，钢筋应变突然增大，随后又平稳增长．随着荷载增加，裂缝增多，梁中性轴随之上移．加载至147 kN时，百分表指针转动加快，梁挠度增大，加载至154 kN时，梁挠度急剧增大，同时跨中截面上部混凝土有压碎现象，认定梁破坏．

梁L4:加载至15．6 kN，在梁跨中处出现毛细裂缝，加载初期荷载和挠度基本呈正比关系，梁截面上各测点应变很小且均匀变化．随着荷载的增加，裂缝条数增多，不断延伸并增宽．加载至145 kN，百分表读数变化较快，挠度增长加快．加载至157 kN时，百分表指针剧烈转动，挠度急剧增大，跨中附近截面上部混凝土有压碎现象，认定梁破坏．

梁L5:加载至15．7 kN，在跨中处出现毛细裂缝．在40～60 kN之间，出现10条新裂缝．随着荷载的增加，裂缝条数增多且不断延伸并加宽．加载至150 kN时，百分表读数变化加快．加载至157 kN时，钢筋应变突增，随着荷载的继续增加梁跨中裂缝明显变宽，同时跨中截面上部混凝土有压碎现象，认定梁破坏．

通过观察5根梁的加载过程，可知再生砖粗骨料混凝土梁与普通混凝土梁的破坏过程基本相同，在加荷到破坏整个过程中都具有3个明显的阶段，在达到承载能力极限状态前，5根梁构件都有显著的裂缝扩展和挠度增长，都属于塑性破坏，与文献［10－11］的试验现象和结果也较接近．

2．2 开裂弯矩和极限弯矩

再生砖粗骨料混凝土梁的开裂弯矩和极限弯矩试验结果如下:L1分别为4．86和45．1 kN·m;L2为4．77和42．5 kN·m;L3为4．71和47．0 kN·m;L4为4．68和47．9 kN·m;L5为4．71和48．7 kN·m．

可见，再生砖粗骨料混凝土梁的开裂弯矩稍小于普通混凝土梁的开裂弯矩，L3，L4和L5梁的开裂弯矩和极限弯矩十分接近，表明再生砖粗骨料混凝土梁抗开裂能力低于普通混凝土梁，而极限承载能力相差不大．粗骨料替代率的取值范围对再生砖粗骨料混凝土梁的极限抗弯承载能力有较大影响［8］，当粗骨料替代率为30%时，再生砖粗骨料混凝土梁的极限抗弯承载力明显偏低;当粗骨料替代率在50%以上时，再生砖粗骨料混凝土梁的极限抗弯承载力相差不大，且承载力值较高．产生这种现象的原因经推断分析为当粗骨料替代率为30%时，混凝土强度稍低，受力性能还不够稳定，而当粗骨料替代率在50%以上时，一方面废弃砖再生粗骨料经过水泥浆包裹强化处理后，自身强度得到提高，另一方面废弃砖再生粗骨料与水泥浆体基质界面结合较好，混凝土密实，与钢筋粘结良好，提高了中低强度等级再生砖粗骨料混凝土受弯构件的承载力，且随替代率增加有增大的趋势．这也表明再生砖粗骨料混凝土与普通再生混凝土的力学性能略有不同［12］，再生砖粗骨料的替代率对再生混凝土的影响并非明显呈线性变化．

2．3 荷载－跨中挠度曲线

荷载－跨中挠度曲线试验结果见图3．从图3可见，再生砖粗骨料混凝土梁与普通混凝土梁的跨中挠度随荷载变化的规律基本相同．在加载初期，跨中挠度与荷载基本呈正比例;在梁的屈服阶段，跨中挠度的增长速度显然快于荷载的增长速度;而在破坏阶段，在荷载基本不变的情况下，跨中挠度也有很大增长．其中再生砖粗骨料混凝土梁破坏前的跨中挠度都大于普通混凝土梁的跨中挠度，且L3，L4及L5梁的荷载－跨中挠度的变化规律十分接近，试验结果表明梁破坏时的跨中挠度随再生砖粗骨料替代率的增加而增大的趋势，但当粗骨料替代率在50%以上时，粗骨料替代率对再生混凝土梁的跨中挠度随荷载变化关系影响较小，而再生砖粗骨料混凝土梁的极限承载力对其挠度影响较大，且极限承载力越高，梁跨中挠度越大．

2．4 荷载－跨中钢筋应变曲线

图3 荷载－跨中挠度曲线对比Fig．3 Comparison between the curves of load-deflection

试验过程中通过程控静态电阻应变仪(TS3890型)数据采集分析系统收集钢筋应变，详细数据如图4所示．

从图4可见，在加载初期，所有梁的钢筋应变呈线性变化．随荷载的增加，混凝土开裂后受拉区混凝土逐渐退出工作，荷载主要由钢筋承担，开始时钢筋应变变化缓慢，各个梁的钢筋应变情况基本相同，但在纵向钢筋屈服后，再生砖粗骨料混凝土梁钢筋应变的增长速度显然要快于普通混凝土梁的钢筋应变增长速度，且钢筋应变的增长速度随再生粗骨料取代率的增加而加快．试验结果表明再生砖粗骨料混凝土梁与普通混凝土梁的受拉钢筋应变规律相似，但在受拉筋屈服后，再生砖粗骨料混凝土梁的受拉筋应变发展较快，且随再生粗骨料取代率的增加，受拉筋应变发展有加快趋势，这也说明再生砖粗骨料混凝土梁有较好的变形性能，钢筋与再生砖粗骨料混凝土粘结性能良好且变形协调，二者可共同工作．

2．5 裂缝扩展情况

图4 钢筋应变对比Fig．4 Comparison of the strain results of steel bar

通过对试验全过程中梁的裂缝扩展情况观察可知，L1梁共出现16条裂缝，早期裂缝宽度很小，发展不明显．L2梁共出现20条裂缝，早期裂缝宽度扩展较慢，裂缝延伸较短．L3，L4和L5梁分别出现20，24和26条裂缝．所有梁的裂缝在纯弯段分布较密集，在剪压区分布则比较稀疏，但延伸较长．普通混凝土梁L1的裂缝在荷载加载到极限荷载的60%时已全部出现，而再生砖粗骨料替代率较高的L4梁和完全用再生砖粗骨料替代的L5梁在加载后期依然有新裂缝出现，且新裂缝延伸较长但宽度较小，多出现在靠近支座的剪压区．试验表明再生砖粗骨料混凝土梁的开裂荷载较小，随着再生砖粗骨料替代率的增高，梁的裂缝条数增多，裂缝的延伸长度和宽度也增大，同时裂缝沿全梁的分布范围扩大，可见抗压强度相同的再生砖粗骨料混凝土与普通混凝土的抗拉强度是不同的，其中普通混凝土要明显大于再生砖粗骨料混凝土的抗拉强度．

3 结语

(1)再生砖粗骨料混凝土梁的受弯破坏过程也具有3个明显的受力阶段，与普通混凝土梁的受弯破坏过程基本相同．

(2)当再生砖粗骨料替代率为30%时，混凝土强度较低，受力性能不够稳定;当再生砖粗骨料取代率在50%以上时，再生粗骨料取代率对再生混凝土梁的受力性能影响较小，在截面尺寸、配筋率等条件相同情况下，采用相同中低强度等级混凝土制作的普通梁与再生混凝土梁承载力基本相同．

(3)与普通混凝土梁相比，再生砖粗骨料混凝土梁的延性较好，且再生砖粗骨料取代率越大，破坏前梁构件的裂缝扩展和挠度变形也越明显，因而能更好地发挥钢筋的作用，提高再生砖粗骨料混凝土梁的承载力．

(4)再生砖粗骨料混凝土梁的开裂弯矩小于普通混凝土梁，加载过程中其裂缝的平均宽度和延伸长度略大于普通混凝土梁;且随再生砖粗骨料取代率的增加，裂缝的数量、宽度及延伸长度都有所增大．

(5)根据荷载－跨中钢筋应变关系可以看出，在混凝土梁加载过程中，钢筋与再生砖粗骨料混凝土粘结性能良好，变形协调，二者可共同工作．

(6)再生砖粗骨料混凝土梁具有良好的受力性能，可以考虑应用于工程实际中．

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