机制砂再生粗骨料混凝土配筋梁正截面抗裂试验研究

赵顺波，邵文静，李长永

(华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045)

将废弃的混凝土经过破碎、清理、筛分后制成级配合理的再生骨料，可全部或部分代替天然骨料而配制成新型的混凝土.再生骨料混凝土的工程应用，一方面可以减少砂石的大量开采，降低资源的损耗，缓解天然骨料的供需矛盾;另一方面还能减轻大量废弃混凝土堆积对环境造成的污染，其所产生的经济效益、环境效益和社会效益是非常显著的［1］.

目前，机制砂作为天然河沙的合理替代资源，已经被深入研究，机制砂、机制砂混凝土的物理力学性能已基本上被掌握［2－5］.同时，国内学者对再生混凝土梁的正截面抗裂性能进行了一些研究［6－10］，但均没有给出相应的计算公式.笔者通过试验测试了一批再生混凝土梁的正截面的开裂弯矩，通过与普通混凝土梁开裂弯矩计算公式的对比分析，提出了再生混凝土梁的正截面开裂弯矩计算的建议.

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥:采用焦作“坚固”牌P·O 52.5 级普通硅酸盐水泥.细骨料:机制砂，粗砂，细度模数3.131，吸水率0.901%.再生骨料:来源于土木交通科学研究中心废弃的混凝土构件，经人工破碎为混凝土块后由颚式破碎机再次破碎，筛分为5～10 mm，10～20 mm，20～26.5 mm单粒级，然后按4∶3∶3 的比例混合为连续级配的再生粗骨料，实测表观密度为2 650 kg/m3，紧密堆积密度为1 460 kg/m3，1 h 吸水率为4.55%，压碎指标为24.8%.外加剂:高效减水剂.纵向受拉钢筋采用HRB335 热轧带肋钢筋，架立筋和箍筋分别采用直径为10 mm 和8 mm 的HPB235 光圆钢筋.纵向受拉钢筋的实测拉伸力学性能见表1.

表1 钢筋的力学性能

1.2 试验设计与试验方法

试验设计了14 根机制砂再生粗骨料混凝土矩形截面梁，截面宽度为150 mm、高度为400 mm、长度为3.5 m、跨度为3.2 m.按普通混凝土受弯承载力计算方法在适筋破坏配筋率范围内配置受拉钢筋的原则，保护层厚度取25 mm.试验梁以再生混凝土强度和纵筋配筋率为变化参数，实测结果见表2.

试验梁两端简支，加载方式采用两点对称集中同步分级加载方式，支座中心到两端距离150 mm，在跨中形成1.5 m 的纯弯段.按照混凝土结构静载加载方法，通过放大镜、40 倍读数显微镜以及实测跨中挠度值的变化来综合确定开裂荷载值.①在加载过程中第一次出现裂缝时，取前一级荷载值为开裂荷载的实测值;②在规定的荷载持续时间内第一次出现裂缝时，取本级荷载值与前一级荷载值的平均值为实测开裂荷载值;③在规定的荷载持续时间内第一次出现裂缝时，取本级荷载值为开裂荷载的实测值.试验梁的截面尺寸和混凝土强度的实测结果见表2，其中试验梁编号RC4－0.41－1 为再生骨料混凝土，其强度等级为C40，配筋率0.41%;RC4－3.47钢筋为双层布置，其他钢筋为单层布置.

表2 试验梁截面、配筋和混凝土强度实测数据

2 试验结果分析

2.1 正截面开裂弯矩影响因素分析

钢筋混凝土正截面开裂弯矩Mcr的计算式［11］为

式中:γm为截面抵抗矩塑性系数;ft为混凝土抗拉强度标准值;W0为换算截面对受拉边缘的弹性抵抗距.从而，可换算出试验梁的γm，0值:

图1 绘出了试验梁γm，0值随配筋率和混凝土强度的变化情况.

图1 试验梁γm，0随配筋率和混凝土强度的变化情况

可见再生混凝土梁的截面抵抗矩塑性系数随着混凝土抗拉强度的提高而增大，说明梁的抗裂性能与混凝土强度有直接的关系.RC－0.41，RC－0.93，RC－1.40，RC－1.81，RC－3.47 5 组梁，除了纵筋配筋率，其他条件基本相同，随着配筋率的增加，再生混凝土梁的开裂弯矩有增大趋势.纵筋配筋率对开裂弯矩的影响是通过换算截面来反映的，配筋率越大，换算截面越大.

2.2 正截面开裂弯矩计算分析

截面抵抗矩塑性系数γm，是考虑开裂极限状态时受拉区混凝土塑性特征对截面抗裂能力提高作用的影响系数，是按截面应力分布图形所得基本值γ0(矩形截面γ0=1.55)与考虑截面高度对截面受拉区混凝土塑性发展程度影响的系数γh的乘积，即γm=γ0γh，γm的大小主要取决于γh的值，而各规范对系数γh的计算方法不尽相同，表达式为:

此外，考虑纵向配筋和混凝土保护层厚度影响的γm的计算表达式［12］为

式(3)—(6)中，h 的单位为mm.式(3)中，当h＜400 mm 时，取h=400 mm;当h＞1 600 mm 时，取h=1 600 mm.式(4)—(5)中，当h＜750 mm 时，取h=750 mm;h＞3 000 mm 时，取h=3 000 mm.式(6)中，γh=0.73+50/h，h＜50 mm 时，取h=50 mm;h＞2 000 mm 时，取h=2 000 mm;γcρ=1.2－(0.042c/d)+5ρ，当c/d＞5 或ρ＜0.2%时，取γcρ=1.0;当ρ＞2%时，取ρ=2%.

14 根试验梁抗裂弯矩实测结果与按式(1)，(3);(1)，(4);(1)，(5);(1)，(6)计算的结果比较见表3.可以看出，按照普通钢筋混凝土构件计算公式得到的再生混凝土梁正截面开裂弯矩均大于实测值约20%.

表3 实测开裂弯矩与计算值的对比

应用其他研究者的试验数据［6－7］来验证开裂弯矩计算公式的适用性(再生粗骨料取代率为100%)，计算得这些梁的正截面开裂弯矩.将试验值与计算值进行对比，结果见表4 并如图2 所示.

表4 其他试验实测开裂弯矩与计算值的对比结果

图2 实测Mcr，0与规范计算值的比较

由表4 及图2 可以看出，再生混凝土梁正截面开裂弯矩的实测值绝大部分小于规范计算值，该结果与再生粗骨料混凝土抗拉强度低于同强度等级普通混凝土的抗拉强度的试验结果是一致的.如果仍然用普通混凝土开裂弯矩的计算公式将偏于不安全，必须对再生混凝土梁的正截面开裂弯矩的计算公式加以修正.考虑到再生粗骨料钢筋混凝土梁试验梁高变化较小，建议比照各计算公式，分别乘以各自的比值平均值进行折减.

3 结语

混凝土抗拉强度对梁的开裂弯矩具有重要影响，开裂弯矩随抗拉强度的提高而增大.随着配筋率的增大，梁的开裂弯矩有增大的趋势，钢筋有利于梁的正截面受拉区混凝土塑性的发展.机制砂再生粗骨料混凝土配筋梁的开裂荷载试验值小于按现行规范和统计公式的计算值，建议分别按试验所得的试验值与计算所得的平均值作为折减系数加以修正.

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