后掺粗骨料泵送混凝土柱小偏心受压性能研究

贾金青，叶 浩，周佳玉，李 璐

(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)

0 引 言

泵送混凝土是一种广泛应用于建筑工程施工的工艺，但是为了防止泵送管道堵塞，要求混凝土具有较大的坍落度，并且要求骨料粒径较小。泵送混凝土这一工艺自出现后就发展迅速，目前作为一种性能优良的混凝土被广泛用于土木工程的施工中[1- 2]。然而，泵送混凝土在工程应用中出现了早期开裂严重的问题，且水泥砂浆体积百分数大导致泵送混凝土造价偏高[3- 4]。

后掺粗骨料泵送混凝土是指混凝土泵送到浇筑面后再次添加粗骨料并进行二次搅拌，这一工艺能够制备具有骨料嵌锁结构、改善骨料—浆体界面过渡区(ITZ)的新型混凝土。当后掺率改变时，构件的性能会相应发生改变。

目前国内外关于二次添加粗骨料施工工艺的研究成果已有很多[5- 11]，但对于后掺粗骨料泵送混凝土受压构件的研究目前还未开展，基于此，本文以后掺粗骨料混凝土小偏心受压柱为试验对象，对其受力性能及破坏过程进行研究，为后掺骨料混凝土结构设计提供依据。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所用水泥采用大连小野田水泥厂生产的P.O42.5R级普通硅酸盐水泥，密度为3 100 kg/m3。粉煤灰为大连华能电厂生产的Ι级粉煤灰，表观密度2 140 kg/m3。基准和后掺粗骨料均由大连地区某采石场生产，粒径为5～16 mm，为连续级配石灰石碎石，表观密度为2 600 kg/m3。细集料为大连瓦房店产的河砂(中砂)，表观密度为2 600 kg/m3。为保证混凝土搅拌物的工作性能，在混凝土中添加大连Sika公司生产的ViscaCrete3301聚羧酸高性能减水剂，减水率可达25%～30%左右。

1.2 基本物理性能试验

本文根据JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》[12]采用1.1中的材料并考虑各种后掺率进行后掺骨料混凝土配合比设计。

每个后掺率预留3个150 mm×150 mm×150 mm立方体试块以及150 mm×150 mm×300 mm棱柱体试块，利用预留试块测得各后掺率下的混凝土强度和弹性模量。各试件配筋相同，分别采用直径16 mm的HRB400级钢筋作为纵筋，采用直径8 mm的HPB300级钢筋作为箍筋，对于所采用的钢筋，分别进行基本物性试验，从而测得其屈服强度、极限强度。

1.3 模型设计

5个截面尺寸为200 mm×200 mm的后掺骨料混凝土柱根据不同的后掺率进行设计，后掺率分别为0、10%、20%、25%、30%。为方便加载，混凝土柱的上下端设计成牛腿状，钢筋配置根据规范计算后进行设计，并在牛腿处附加了斜筋进行加固，防止其发生剪切破坏，本试验模具全部采用普通建筑模板制成。

2 加载方式及测点布置

2.1 加载方式

试验在大连理工大学结构试验大厅的1 000 t试验机上进行。对偏心受压柱，首先进行对中并预先施加2 kN的荷载，此时固定柱(在刀铰支座四角布置螺栓，正式加载前撤掉)，安装LVDT。在预加载期间主要是检查各仪表是否工作正常，并初始化读数。检查完毕后进行分级加载，每级加载后持荷10 min，当荷载超过极限承载力后采用位移加载的方式，当试件承载力迅速下降时结束试验，整个试验过程用时约为4 h，试件的加载装置见图1，图中黑色矩形代表应变片，黑色矩形加短线代表位移计。

图1 试件加载装置及测量装置

2.2 位移计和应变测点布置

根据规范GBT50152—2012《混凝土结构试验方法标准》[13]中关于应变测量的相关规定，在柱子截面高度方向均匀分布3个10 cm长混凝土应变片，3个应变片之间的间距为50 cm；在受拉侧和受压侧各分布互相垂直的两个10 cm长混凝土应变片用来检测柱变形较小时的应变变化。另外，在截面侧面放置3个LVDT高精度位移计，用来测量应变片因变形较大失效后的变形，柱侧面分布3个LVDT，用来测量柱侧向挠度。试验使用IMC动态数据采集系统自动采集应变和位移数据，数据点采集间隔为500 ms。

3 试验结果分析

3.1 各试件极限承载力

图2为试件极限承载力随后掺率的变化曲线。从图2可以看出，骨料后掺率为20%时，柱子的极限承载力最大。后掺粗骨料后，各试件的小偏心受压极限承载力都得到了不同程度的提高。

图2 各试件极限承载力

3.2 应变规律

3.2.1 混凝土应变

各后掺骨料混凝土小偏心受压柱受压荷载—混凝土应变曲线如图3所示，纵轴为各试件所施加的竖向荷载，横轴为混凝土柱受压、受拉应变。从图3可以看出，当竖向荷载较小时，试件的荷载—应变曲线为直线，说明此时各小偏心受压柱在线弹性范围内工作；继续加载，应变增长速度加快，此时试件进入弹塑性工作阶段，体现在荷载—应变图像上为直线发生弯曲。受拉侧情况相似，加载初期各后掺率的混凝土柱荷载—应变呈线性变化，后期由于开裂，线性关系转变为非线性关系。

图3 荷载-混凝土应变曲线

3.2.2 钢筋应变

图4为各后掺骨料混凝土柱内钢筋应变随荷载变化曲线。从图4可以看出，各试件钢筋应变的发展趋势与混凝土应变的发展趋势大体一致，荷载较小时处于线弹性阶段，随着荷载的加大，逐渐进入弹塑性工作阶段。

当荷载较小时，各试件的钢筋荷载—应变曲线基本重合。继续加载，由于混凝土的开裂，截面应力发生重分布，各试件的曲线分开，可以看出，在受压弹塑性阶段，随着后掺率的增加，受压钢筋的应变增长速率也逐渐增加。

图4 荷载-钢筋应变曲线

3.3 延性分析

构件的延性是指构件发生破坏时的变形能力，为表征这一能力，引入延性系数的概念，延性系数是构件竖向承载力下降到85%极限承载力时的位移与构件屈服位移的比值，用μ表示，各构件的延性系数如表1所示，延性系数越大，表明构件的变形能力越强。

表1 各试件延性参数

从表1可以看出，延性最好的是后掺率为10%的混凝土柱；后掺率为20%时，混凝土柱的延性与普通混凝土柱的延性相近，后掺率为25%和30%的混凝土柱延性较差。

4 结 论

(1)后掺粗骨料后，混凝土的小偏心受压极限承载力得到了不同程度的提高，粗骨料后掺率为20%的混凝土柱极限承载力最大。

(2)从混凝土和钢筋的荷载—应变曲线中可以看出，后掺骨料混凝土柱和普通混凝土柱类似，都经历了线弹性工作阶段和弹塑性工作阶段。

(3)后掺率为10%的混凝土柱延性最好，达到20%时与普通混凝土柱相近。

(4)当后掺率为20%时，混凝土柱具有较好的受力性能及工作性能，并且因为粗骨料后掺率达到了20%，使得构件具有较好的经济性和环保性。