加掺粉煤灰再生混凝土梁受弯性能试验研究

张锋剑，马政伟，冯旭东，武海荣，刘志钦

(1.河南城建学院 土木工程学院，河南 平顶山 467036；2.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013；3.天津三建建筑工程有限公司，天津 300161)



加掺粉煤灰再生混凝土梁受弯性能试验研究

张锋剑1,2，马政伟1，冯旭东3，武海荣1，刘志钦1

(1.河南城建学院 土木工程学院，河南 平顶山 467036；2.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013；3.天津三建建筑工程有限公司，天津 300161)

受弯性能是混凝土梁主要性能之一，通过4根不同掺量粉煤灰再生混凝土梁的受弯性能试验，研究了不同粉煤灰掺量的再生混凝土梁抗弯能力、挠度变形及平截面假定等性能。根据受弯性能试验结果与《混凝土结构设计规范》中混凝土梁的正截面极限承载力计算公式计算值比较，给出了加掺粉煤灰再生混凝土梁的设计建议。试验及分析结果表明，若粉煤灰掺量合适，再生混凝土梁具有较好的受力性能，可用于混凝土抗弯构件。

粉煤灰；受弯性能；再生混凝土

再生混凝土中掺入一定量的粉煤灰，使两种固体废弃物都得到充分利用，是实现循环经济和我国可持续发展战略的重要举措之一。再生混凝土中的再生骨料，由于其表面粗糙、棱角较多导致再生混凝土混合料级配不佳，影响再生混凝土的物理性能和耐久性。在再生混凝土中，掺入活性混合料粉煤灰，将会改善再生混凝土的和易性、力学性能和表观质量等性能[1-3]。本文通过不同掺量粉煤灰再生混凝土梁的受弯性能试验，研究其抗弯能力、挠度变化规律及平截面假定等性能。

1　 试验方案及受弯试验

1.1试验原材料

用于生产再生粗骨料的废旧混凝土为河南城建学院建材实验室试验废料，通过人工初破，然后利用颚式破碎机进行二次破碎，经过筛分得到粒径为5～31.5 mm的再生粗骨料，用于配置试验用的再生混凝土。

由于再生粗骨料是废旧的混凝土试块经破碎、筛分后得到的石子，故其成分相对复杂，包含水泥石碎屑，附着于水泥石表面的天然砂、石屑、泥土等各种杂质。同时，再生骨料表面较为粗糙，颗粒表面棱角较多，并且表面有较多的微观裂纹，其密实度较小，吸水率较大。本文按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[4]中规定的试验方法，对再生粗骨料及天然粗骨料进行取样，对其堆积密度、表观密度及吸水率等基本材料性能进行对比测试，测试结果见表1。

表1　骨料主要性能指标

由表1可知：再生粗骨料与天然粗骨料相比，天然粗骨料的颗粒级配更均匀，再生粗骨料的表观密度和堆积密度两项指标都低于天然粗骨料，且再生粗骨料的吸水率明显大于天然粗骨料的吸水率。

试验用的粉煤灰为平顶山姚孟发电有限责任公司的Ⅱ级粉煤灰，细度为20%，需水量比为105%，烧失量为8%；水泥为平顶山大地水泥厂生产的普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)；受力钢筋采用HRB335钢筋，箍筋采用HPB300钢筋。

1.2试件设计及制作

试验采用的混凝土为不同掺量粉煤灰再生混凝土，配置目标强度等级为C30。试验设计粉煤灰取代水泥掺量为，0、15%、25%、35%，每种掺量粉煤灰再生混凝土制作一个构件，共4个试件，具体试验方案见表2。其中,再生粗骨料取代率为再生粗骨料与全部粗骨料的质量比值，粉煤灰掺量为取代水泥百分值。

表2　混凝土梁试验方案

4根加掺粉煤灰再生混凝土梁的截面尺寸及配筋相同，纵向架立钢筋采用两根直径为8 mm的HPB300钢筋，纵向受力钢筋采用两根直径为12 mm的HRB335钢筋，箍筋采用直径为6 mm的HPB300钢筋，具体构件尺寸及配筋见图1。

注：1.2φ8；2.φ6@100； 3.2φ12

图1试件配筋及截面尺寸(单位：mm)

在浇筑试验构件的同时，每组预留标准立方体试块且与试验梁在同条件下养护，在试验开始时测定标准立方体试块的抗压强度。试件所选用的纵向受力钢筋为HRB335钢筋，对其取样测定其屈服强度、极限强度和弹性模量。混凝土及钢筋试样测试结果见表3。

表3　混凝土及钢筋材料性能

1.3受弯性能试验

受弯性能试验在河南城建学院结构实验室进行，试验采用三分点对称集中加载，测量传感器主要有千分表、百分表、位移计及应变片，采用IMP数采系统进行数据采集与处理。受弯试验加载装置及测点布置如图2所示。

注：1.支座沉降测量千分表；2.测量梁跨中混凝土表面应变的位移计；3.测量梁混凝土三分点混凝土表面应变的位移计；4.受力钢筋应变片；5.测量梁挠度百分表

受弯试验加载前先进行预加载，已确定加载装置及各测量仪器仪表工作状态，预加荷载为破坏荷载的5%。正式加载采用分级加载方式，每级荷载为预估承载力的1/10，每级荷载稳定3 min后再施加下一级荷载，试件临近破坏时，适当降低荷载等级，以便较为准确地获得梁抗弯极限承载力[5]。试验过程中，千分表及百分表由人工读数，以获得每级荷载的位移值；应变片及位移计由数采系统自动采集，采集频率为每秒1次，混凝土应变由位移计的位移值换算得到。每级荷载加载完毕，观察混凝土裂缝，利用读数显微镜读取裂缝宽度，并用铅笔描绘出每级荷载裂缝发展情况。

2　试验结果分析

2.1试验现象描述

通过4根不同掺量的再生混凝土梁试验现象对比，4根梁都经历了三个阶段。第一个阶段：梁受弯矩较小，截面应变符合平面假定，截面应力呈线性分布，梁上部受压下部受拉，随着荷载增加，受拉区混凝土达到极限拉应变，相应的边缘出现垂直裂缝，梁处于开裂状态，对应的荷载为开裂荷载；第二个阶段：在第一阶段受拉区边缘的混凝土被拉坏以后，受拉区的拉应力就由下部受拉钢筋来承担，钢筋的应变会突然增大，原有的裂缝会继续增大，中和轴会逐渐上移，受压区混凝土压应变增大，梁挠度的增长速度也会加快，最后钢筋屈服；第三阶段：钢筋屈服后，挠度曲线会出现一个明显的转折点，挠度的增长还在继续，中和轴不断上移，受压区的混凝土高度持续减小，梁上部的混凝土被压坏，达到极限状态。

对比4根不同掺量粉煤灰再生混凝土梁，在裂缝产生、发展及裂缝宽度方面略有不同。未加掺粉煤灰的再生混凝土梁，在跨中纯弯段，裂缝开裂较早，裂缝数量较少，且随着荷载增加，裂缝宽度增加较快。加掺粉煤灰的再生混凝土梁，混凝土梁开裂稍晚，跨中裂缝数量较多，裂缝发展较慢，且裂缝宽度较小，特别是加掺15%及加掺25%的梁效果更为明显。粉煤灰掺量增加了混凝土的均匀性，使混凝土受力更为合理。裂缝开展情况见图3、图4。

图4　L15梁跨中裂缝发展情况

2.2平截面假定

不同粉煤灰取代率试验构件在分级荷载作用下跨中截面混凝土应变沿截面高度分布情况见图5。由图5曲线可以看出：对加掺粉煤灰再生混凝土受弯梁，在某一特定荷载作用下纯弯段截面上混凝土的应变与该点至中和轴的距离近似呈正比关系，不同截面高度处混凝土的平均应变符合平截面假定。

2.3荷载-挠度曲线分析

根据梁跨中测定的挠度，并考虑支座下沉位移的影响，计算出每级荷载对应的挠度值。根据计算结果，绘制出4根不同掺量粉煤灰再生混凝土荷载-跨中挠度曲线，见图6。由图6可以看出：不同掺量粉煤灰再生混凝土梁具有明显的三个工作阶段，即弹性工作阶段、带缝工作阶段及破坏阶段。弹性工作阶段荷载与挠度呈线性关系，即随着荷载增加挠度曲线为一直线；混凝土开裂后，荷载-挠度曲线呈非线性增加；受力钢筋屈服后，荷载-挠度曲线基本呈一水平线，破坏时稍有下降。随着粉煤灰掺量增加，梁的刚度逐渐降低，掺量15%时，在钢筋屈服前刚度与未掺粉煤灰基本接近，掺量为25%及35%的梁刚度降低较大。在加载后期，加15%及25%的粉煤灰再生混凝土梁的延性较好，后期刚度下降不大，而掺35%粉煤灰的再生混凝土梁后期刚度下降较大，且延性稍差。

(a)L0试件

(b)L15试件

(c)L25试件

(d)L35试件

2.4受力钢筋应力-应变曲线分析

根据试验结果，绘制4种梁荷载-跨中钢筋应变曲线图，见图7。由图7可以看出：每种梁荷载-应变曲线主要有直线段、曲线段及水平段组成。掺15%粉煤灰再生混凝土梁与未掺粉煤灰的再生混凝土梁受力情况相似，在钢筋屈服前两条曲线基本接近，钢筋屈服后，掺15%粉煤灰的再生混凝土梁承载力略低于未掺粉煤灰的再生混凝土梁，而掺粉煤灰后钢筋屈服应变值变大，说明其延性性能有所提升。掺25%及35%的粉煤灰再生混凝土梁其承载力降低较多，但延性有所增加。

2.5极限承载力计算分析

根据试验分析，不同掺量的粉煤灰再生混凝土正截面试验，同样满足混凝土受弯构件正截面承载力计算的基本假定，可按《混凝土结构设计规范》[6]中计算公式进行计算。为进一步对试验结果进行研究，利用规范公式计算结果与实测结果进行对比分析。现行规范中，混凝土梁正截面受弯极限承载力计算公式为：

图6　梁荷载-跨中挠度曲线对比

图7　荷载-跨中钢筋应变曲线

(1)

(2)

公式中参数按混凝土结构设计规范选取。

根据4个试件试验结果计算出掺粉煤灰再生混凝土梁的极限弯矩实测值，根据公式(1)、(2)计算出理论计算值，实测值与计算值见表4。

表4　梁的理论计算结果和实测结果对比分析

由表4可以看出：4种构件的实测值均高于理论计算值，掺量15%粉煤灰再生混凝土梁与未加掺粉煤灰的再生混凝土梁理论计算值与实测符合较好，且有一定的安全储备；对于加掺25%及35%粉煤灰再生混凝土梁的计算值与实测值较为接近，安全储备较小，故建议实际应用中粉煤灰掺量不大于15%。

3　结论

(1)加掺粉煤灰再生混凝土梁的抗弯机理与未加掺粉煤灰再生混凝土梁及普通混凝土梁相似，且受力过程符合平截面假定，按照现行国家混凝土结构设计规范计算公式计算其破坏荷载是可行的。

(2)再生混凝土梁加适量的粉煤灰，不仅利废环保，而且可改善再生混凝土的施工性能，破坏时跨中挠度及受力钢筋变形与未掺粉煤灰的再生混凝土梁相比数值增大，提高了再生混凝土梁的延性性能。

(3)掺入15%的粉煤灰与未掺粉煤灰的再生混凝土梁其承载力接近，掺入25%及35%的粉煤灰梁的极限承载力下降较大，综合考虑加掺粉煤灰再生混凝土梁的施工性能、延性性能及承载力，建议实际应用中再生混凝土中粉煤灰掺量控制在15%以内。

[1]王武祥,程清波.粉煤灰掺量对再生混凝土性能影响的研究[J].混凝土与水泥制品,2010(1):4-8.

[2]王社良,于洋,张博,等.粉煤灰和硅粉对再生混凝土力学性能影响的试验研究[J].混凝土,2011(12):53-55.

[3]杨欢,倪少彬.粉煤灰对再生混凝土性能的影响[J].粉煤灰,2015(2):15-17.

[4]普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准:JGJ 52—2006[S].北京：中国建筑工业版社，2007.

[5]混凝土结构试验方法标准:GB/T 50152-2012 [S].北京：中国建筑工业版社，2012.

[6]混凝土结构设计规范:GB50010-2010 [S].北京：中国建筑工业版社，2011.

Experimental study on flexural behavior ofrecycled concrete beam mixing fly ash

ZHANG Feng-jian1,2,MA Zheng-wei1,FENG Xu-dong3, WU Hai-rong1,LIU Zhi-qin1

(1.SchoolofCivilEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China;2.StateKeyLaboratoryofBuildingSafetyandEnvironment,Beijing100013,China;3.ConstructionEngineeringCo.,Ltd.of3rdTianjinBuildingGroup,Tianjin300161,China)

Flexural property is the main mechanical property of recycled concrete beam. From the tests of four concrete different admixture amounts of fly ash,research the bending resistance,deflection deformation and the plane section assumption.At the same time the laws and test results are compared and analyzed in this paper,and design suggestion of recycled concrete mixing fly ash beam is given.The tests show that recycled concrete mixing fly ash has better mechanical behavior and ability of deformation,so recycled concrete mixing fly ash can be used for bending elements.

fly ash;flexural property;recycled concrete

2015-11-16

建筑安全与环境国家重点实验室开放课题基金资助(BSBE2015-04)；河南省科技攻关项目(142102310470)

张锋剑(1978—)，男，河南通许人，博士，副教授。

1674-7046(2016)03-0009-06

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.03.002

TU375.1

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