粘土砖再生粗骨料混凝土梁弯曲性能的试验研究

程远兵， 乔光华

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045； 2.黄河交通学院，河南 焦作 454950)



粘土砖再生粗骨料混凝土梁弯曲性能的试验研究

程远兵， 乔光华

(1.华北水利水电大学 土木与交通学院，河南 郑州 450045； 2.黄河交通学院，河南 焦作 454950)

为了研究粘土砖再生粗骨料混凝土梁的弯曲性能及其与普通混凝土梁的差异，设计了2个粘土砖再生粗骨料混凝土梁试件和1个普通钢筋混凝土梁对比试件，3个试件均为简支梁、矩形截面，截面的宽和高分别为150 mm和300 mm，梁的跨度均为3 m，配筋均相同，试验的加载方式也完全相同。再生粗骨料混凝土中粘土砖粗骨料的质量替代率为35%。采用MTS液压伺服系统进行加载，测试了各个试件的受力与变形性能，对钢筋的应变、梁的变形和破坏形态等进行了对比分析。结果表明：在相同条件下，与普通混凝土梁相比，粘土砖再生粗骨料混凝土梁在发生弯曲破坏时，挠度稍大，承载能力和刚度均有一定程度的降低。

混凝土；粘土砖再生粗骨料；梁；弯曲性能；试验研究

随着房地产业和城镇化建设的不断发展，旧有建筑的拆除及改造量不断增加，建筑垃圾越来越多，对建筑垃圾的无害化处理和再生资源化利用已成为重要的研究领域。建筑垃圾的主要组成部分之一是废弃的粘土砖，将废弃粘土砖粉碎、筛选成再生粗骨料，部分或全部替代普通混凝土中的粗骨料，制做成粘土砖再生粗骨料混凝土，是建筑垃圾循环利用的一种新途径。

已有的研究[1-4]表明，用粘土砖粗骨料替代部分普通骨料拌制的混凝土的强度较普通混凝土的强度有一定程度的降低。因此，粘土砖再生粗骨料混凝土主要用于低层、多层建筑结构或对材料强度要求不高的工程结构中。

本文主要研究粘土砖再生粗骨料混凝土梁的受力和变形性能。根据选定的配合比，制作粘土砖再生粗骨料混凝土梁试件和普通混凝土梁对比试件，两类试件的尺寸、配筋以及支承条件等完全相同。试验梁均采用液压伺服系统进行加载。通过试验测试两类梁的受力特点、变形特征和破坏形态等，来对比研究粘土砖再生粗骨料混凝土梁的结构性能。

1 试件设计及试验

1.1 试件设计

图1 试验梁的尺寸和配筋(单位：mm)

1.2 试件材料的配比及性能

综合考虑粘土砖再生粗骨料混凝土强度的降低情况[5-10]和粘土砖骨料掺加量，经过试验确定再生粗骨料混凝土梁试件中再生粗骨料的质量替代率为35%，即将普通混凝土中的粗骨料质量的35%用粘土砖粗骨料替代。普通混凝土和再生混凝土配合比的水灰比均为0.4，砂率为30%。普通混凝土的设计强度为C40，粘土砖骨料的粒径范围为5～20 mm。普通混凝土的配合比(1 m3的材料用量，kg)为水泥∶水∶砂∶石=563.2∶225.2∶484.0∶1 130.0，掺加粘土砖再生粗骨料混凝土的配合比(1 m3的材料用量，kg)为水泥∶水∶砂∶石∶粗砖骨料=563.2∶225.2∶484.0∶484.0∶734.4。实测的混凝土材料的力学性能指标见表1，实测的钢筋的力学性能指标见表2。

表1 实测的混凝土材料的力学性能指标

1.3 加载方案

采用MTS液压伺服系统加载。试验梁采用液压千斤顶施加集中力，通过分配梁将千斤顶产生的集中力对称地分配到试验梁上，使梁跨中形成900 mm长的纯弯段。图2是试验梁的加载系统示意和测点布置图。

表2 实测的钢筋材料的力学性能指标

试验梁按照一般结构静载试验的加载程序进行，包括预加载、正式加载和卸载3个阶段。正式加载时，每级加载值取计算破坏荷载的10%左右。加载过程中，待每级荷载稳定后，采集数据并观察裂缝出现及开展情况，描画裂缝。相邻加载级之间的时间间隔大约为15 min，最后加载至混凝土梁破坏。在预计达到试验梁开裂荷载和极限荷载的前一级时，加密加载等级。梁的加载级数为10级到12级。试验梁的卸载分两级完成。

图2 试验梁的加载示意及测点布置图(单位：mm)

1.4 测试参数及测试方法

试验测试的主要参数有：梁在每级荷载下的跨中挠度、混凝土的应变和纵向钢筋的应变。观察裂缝的出现和发展情况。

施加在试验梁上的力采用压力传感器测得，试验梁的变形通过位移传感器量测，钢筋和混凝土的应变通过电阻应变片测得。裂缝观测采用放大镜和裂缝宽度仪。

钢筋应变片设置在纵向受拉钢筋的跨中位置处。在梁的两个侧面各设置5个混凝土应变片，最上面的应变片距梁顶面25 mm，向下依次布置2个间距为25 mm的应变片，梁高的中间处也布置混凝土应变片，底部的应变片距梁底面25 mm。为便于观察裂缝的出现和发展情况，试验梁的表面在试验开始之前已打磨平整，并涂刷白色涂料，梁表面用墨斗弹出网格线。

2 试验结果分析

2.1 试验梁的荷载与挠度的关系

普通混凝土对比试验梁B-1和粘土砖粗骨料再生混凝土试验梁RCB的荷载-挠度关系曲线分别如图3和图4所示。

图3 试验梁B-1的荷载-挠度曲线

图4 试验梁RCB的荷载-挠度曲线

从图4及其与图3的对比中可以看出：粘土砖再生粗骨料混凝土梁的受力全过程可划分为未开裂、带裂缝工作和破坏3个阶段。在刚开始加载时，由于荷载较小，试验梁侧面各点的应变均较小，梁表现为弹性变形特征，跨中挠度与荷载基本呈线性增长关系。曲线的起始段随着荷载的持续增加，挠度增长速率提高，临近开裂时，混凝土的应变值和钢筋的应变值都变得不稳定。在加载到钢筋接近屈服时，在梁的纯弯段区域，出现了一条或多条竖向裂缝。跨中挠度增加得很快，荷载-挠度曲线上出现了拐点，跨中的挠度值和应变值发生了突变。之后，随着荷载的持续增加，试验梁的跨中位置处裂缝也越来越多，挠度值进一步增加，荷载-挠度曲线呈明显的非线性特点。在纵向钢筋屈服后，荷载-挠度曲线近似以水平线式发展，粘土砖再生粗骨料混凝土梁与普通混凝土梁的挠度均急剧增加，纯弯段处的裂缝宽度迅速变宽，但荷载值的变化却很小。随后，试验梁由于纯弯段处的裂缝宽度过大，受拉区受力钢筋屈服、受压区混凝土被压碎而破坏。

上述对比和分析表明，粘土砖再生粗骨料混凝土梁的变形性能与普通混凝土梁的大体相似。不同的是，粘土砖再生粗骨料混凝土梁由于粘土砖再生粗骨料的掺入，开裂荷载较普通混凝土梁的开裂荷载低，最终的破坏荷载也较低。表3是两类梁的开裂荷载、屈服荷载和破坏荷载数据。

表3 试验梁的开裂荷载、屈服荷载和破坏荷载值 kN

2.2 试验梁荷载与钢筋、混凝土的应变关系

2.2.1 试验梁荷载与钢筋的应变

试验梁B-1和RCB的荷载-底部纵向受拉钢筋应变关系曲线如图5所示。

图5 试验梁荷载-底部纵向受拉钢筋应变关系

从图5中可以看出，在每个阶段，纵向受拉钢筋的应变与荷载基本上呈线性比例关系。在混凝土开裂前，混凝土承担主要的拉应力，纵向钢筋的应变较小。混凝土开裂后，受拉区混凝土逐渐退出工作，钢筋开始承担主要的拉力，粘土砖再生粗骨料混凝土梁和普通混凝土梁的纵向钢筋应变变化规律基本一致。荷载继续增加，新的裂缝不断产生和发展，钢筋应变也不断增加。纵向钢筋屈服时，钢筋的应变迅速增大而荷载变化却很小。

试验结果表明，粘土砖再生粗骨料混凝土梁和普通混凝土梁在加载过程中，受拉纵向钢筋应变变化规律大体相似，试验梁在加载过程中各个阶段的受力性能良好。钢筋屈服后，和普通混凝土梁相比，粘土砖再生粗骨料混凝土梁纵向钢筋应变增加更明显，这表明粘土砖再生粗骨料混凝土与钢筋的粘结性能良好，二者在梁的加载过程中的变形协调性好。

2.2.2 试验梁荷载与混凝土的应变

试验梁在不同荷载等级下跨中截面混凝土应变沿高度方向的变化情况如图6所示。

图6 各级荷载下梁侧面的应变变化

从图6中可以看出，和普通混凝土梁相似，各级荷载下粘土砖再生粗骨料混凝土梁的跨中截面上混凝土的平均应变近似呈直线分布。这表明粘土砖再生粗骨料混凝土梁和普通混凝土梁一样，跨中截面上的应变符合平截面假定。

2.3 裂缝分布情况

图7是试验梁的裂缝分布图。从图7中可以看出，在加载初期，试验梁的裂缝较少，开展缓慢，裂缝宽度较窄，裂缝长度较短。在加载中期，裂缝开始陆续增多并持续发展，无论是粘土砖再生粗骨料混凝土梁还是普通混凝土梁，裂缝在纯弯段位置处分布均密集，很多裂缝都近似平行地竖直向上延伸，但裂缝宽度增加不是很明显。在加载后期，梁在纯弯段的裂缝继续向上延伸，并不断变宽。试验结果表明，粘土砖再生粗骨料混凝土梁与普通混凝土梁在不同的加载阶段，裂缝的出现及分布情况十分相似，裂缝均集中在梁的纯弯段。

图7 试验梁的裂缝分布图

3 结 语

通过2个粘土砖粗骨料再生混凝土梁和1个普通混凝土梁的对比试验，测得了梁在各级荷载作用下的挠度、梁侧面的应变和纵向受拉钢筋的应变，观察了裂缝的出现和发展情况，研究了在弯矩作用下粘土砖粗骨料再生混凝土梁的弯曲性能。通过对比分析，得到以下主要结论：

1)粘土砖再生粗骨料混凝土梁与普通混凝土梁的受弯性能基本相同。从开始加载到破坏的整个过程中，粘土砖再生粗骨料混凝土梁与普通混凝土梁均具有弹性、开裂、屈服和破坏4个阶段，试验梁达到极限状态前，都有较大的挠度增长和裂缝开展，均属于塑性破坏。

2)由于用粘土砖再生粗骨料部分替代普通粗骨料，粘土砖再生粗骨料混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载及极限荷载均比普通混凝土梁的低，跨中挠度值较普通混凝土梁的高。在本文的试验中，粘土砖再生粗骨料混凝土梁的开裂荷载较普通混凝土梁的降低了40%，屈服荷载和极限荷载较普通混凝土梁的降低了13%。 跨中挠度值较普通混凝土梁的增大了15%。

3)在受力过程中，粘土砖再生粗骨料混凝土梁和普通混凝土梁截面的平均应变均符合平截面假定。

4)粘土砖粗骨料再生混凝土梁作为结构构件是可行的，本文的研究成果为废弃粘土砖的资源化利用提供了一条新的途径。

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(责任编辑：杜明侠)

Experimental Study of the Flexural Behaviors of Concrete Beams with Clay Brick Recycled Coarse Aggregates

CHENG Yuanbing1， QIAO Guanghua2

(1.School of Civil and Transportation Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450045, China; 2.Huanghe Jiaotong University, Jiaozuo 454950, China)

To explore the flexural behavior of concrete beams with clay brick recycled coarse aggregates and the difference compared with common reinforced concrete beams,two specimens of concrete beam with clay brick recycled coarse aggregates and a contrast specimen of common reinforced concrete beam were designed. The three specimens were all simple supported beams and had rectangular sections, the width and height of the rectangle section were 150 mm and 300 mm respectively, the beams′ spans were 3 m, the reinforcements and the loading methods in the experiment were identical, The replace ratio of mass of clay brick coarse aggregates in recycled coarse aggregate concrete was 35%, MTS hydraulic servo system was used to load, mechanical and flexural behaviors of the specimens were tested.Comparison and analysis were made on the stress of the reinforced bars, the deformation behaviors of the beams and the failure modes. Results show that under the same conditions, the deflection of concrete beams with clay brick recycled coarse aggregates is larger than that of the reinforced concrete beam in the flexural destruction, the bearing capacity and stiffness of clay brick recycled coarse aggregates is lower than that of the reinforced concrete beam.

concrete; clay brick recycled coarse aggregates; beam; flexural behavior; experimental study

2016-05-30

2015年度河南省基础与前沿技术研究计划项目(152300410111)。

程远兵(1965—)，男，河南南阳人，教授，博士，主要从事混凝土结构及抗震方面的研究。E-mail:cyb-ny@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.03.008

TV431+.9；TU372

A

1002-5634(2016)03-0041-04