新型火山渣混凝土简支梁受弯性能试验研究

刘 卉，查智鹏

(1.长春工程学院，长春 130012； 2.沈阳建筑大学，沈阳 110168)

0 引言

2016年9月30号国务院办公厅发布的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》中指出[1]，推广绿色节能结构的重点任务之一是开发应用品质优良、节能环保、功能良好的新型建筑材料，并加快推进绿色建材评价；强制淘汰不符合节能环保要求、质量性能差的建筑材料，确保安全、绿色、环保。由此可见，绿色节能结构、绿色建材都是未来建筑结构发展的必然趋势。轻质、价廉、天然、导热慢的火山渣就是一种安全、绿色、环保的建筑材料[2]。利用火山渣开发的新型墙体材料，不仅具有节能、节土、利废的优点[3]，而且能减轻结构自重，满足建筑承载力问题[4]。本文拟通过试验对火山渣混凝土受弯构件的受力机理和性能做初步分析。

1 材料试验

1.1 火山渣混凝土轴心抗压强度

对C20、C30两种等级的火山渣混凝土，采用标准试验方法，测定轴心抗压强度(见表1)。试验结果表明，按此配合比配置的火山渣混凝土，抗压强度和抗拉强度均能达到相应等级要求。

1.2 火山渣混凝土弹性模量的试验

制作150×150×300标准试件，加载至0.5fc，然后卸载为0，重复以上步骤10次，应力—应变曲线稳定成直线，测得该直线的斜率，即为火山渣混凝土的弹性模量。按以上方法测定，C20的火山渣混凝土弹性模量为1.1×104MPa，比同等级普通混凝土低56%。C30的火山渣混凝土弹性模量为1.55×104MPa，比同等级普通混凝土低48%。试验表明，火山渣混凝土具有较好的变形能力，且其弹性模量随混凝土等级的增加而增加；与普通混凝土相比，随着等级的增加，弹性模量差逐渐减少。

表1 火山渣混凝土轴心抗压强度 单位：MPa

2 构件试验概况

2.1 试验构件设计

本次试验共设计了4个试件模型，火山渣混凝土梁编号为HL1、HL2，普通混凝土剪梁编号为L1、L2，梁跨度为1 500 mm，试件的截面尺寸相同，均为150 mm×300 mm，采用的混凝土度等级为C30，试验钢筋均采用HRB335级。试验试件具体配筋表见表2。

2.2 加载设备

50 T压力传感器，反力架千斤顶，DH3816N型静态电阻应变仪，百分表，千分表，读书放大镜等。

2.3 测点布置

梁的正截面弯曲试验，需测量梁跨中截面的混凝土应变和跨中挠度。在梁跨中沿高度贴5排应变片，在两端1/3处各贴3个应变片。采用消除支座沉陷的方法在跨中布置一个百分表，支座两端各布置一个百分表来测量挠度，如图1。

表2 试件混凝土等级及配筋情况表

图1 测点布置及加载图

2.4 加载方式

试验梁在反力架上，使用千斤顶加载，配上50 T压力传感器与DH3816N型静态电阻应变仪控制加荷载值的大小。

2.5 加载方案

1)加载分预载、正常使用荷载、极限荷载3个阶段：预加载。预加载分为3级进行，每级加载的幅度为正常使用阶段荷载的20%，预加载的上限为开裂荷载的70%(含自重)。本试验每级荷载为5 kN，每级持荷10 min。预加载结束后，分2级卸载。

2)正式加载。正常使用荷载之前，每级加载的荷载为正常使用荷载的20%，一般分5级；正常使用荷载之后，每级加载的荷载为正常使用荷载的10%；当达到计算极限荷载的90%时，以极限荷载的5%继续加载。每级荷载加完后，持荷15 min[5]。

3 构件试验结果分析

3.1 裂缝开展情况

开始加载时，混凝土梁跨中有向下变形趋势，受压区应变计读数为负值，受拉区应变计的读数为正值；继续加载挠度变化减小；加载到6级荷载时，可听见声响，仔细观察，下部位置出现细微裂缝；在正常使用阶段，裂缝宽度满足规范要求。继续加载，挠度变化增大，受压区个别应变计退出工作，斜裂缝加大。加载到最后挠度陡增，千斤顶下方受压区边缘一小块混凝土鼓起，脱落，裂缝开展较大，多个应变计退出工作，跨中裂缝开展较大，构件达到承载力极限状态。

试件HL1加载值为35 kN时出现第一批裂缝，试件L1加载值为36 kN时出现第一批裂缝，火山渣混凝土梁开裂荷载较普通混凝土梁开裂荷载低3%。当荷载等级为16级时，加载值为120 kN时两组构件均达到极限承载。

3.2 试件挠度对比分析

从各梁跨中挠度对比图可以看出，在梁的弹性工作阶段，火山渣混凝土梁荷载挠度曲线略低于普通混凝土梁，表明火山渣混凝土梁的弹性模量小(如图2)，但在正常使用阶段，两者的变形都没有超过规范规定的容许值，说明梁的刚度能满足结构变形要求，见表3。

图2 火山渣混凝土梁、普通混凝土梁梁荷载挠度对比图

试件挠度f/mmf =1 500200=7.5 mmHL14.16f

3.3 跨中截面应力分析

试验对火山渣混凝土梁采集了跨中截面的5个不同高度处的应力。结果表明，应力发展过程与普通混凝土梁基本一致。在未开裂阶段，混凝土的应力分布图为三角形，变形的变化规律符合平截面假定。在开裂以后至钢筋屈服前，受拉区混凝土退出工作，受压区混凝土塑性变形表现得明显，但应变变化规律仍然符合平截面假定。破坏阶段的极限压应变为0.00 339，和普通混凝土的极限压应变相同。具体应力变形曲线如图3。数据分析表明，火山渣混凝土简支梁的承载力计算可以使用普通混凝土简支梁的计算公式。

图3 各级荷载作用下梁跨中截面应变图

4 结语

1)火山渣混凝土的弹性模量低于普通混凝土的弹性模量，且随着强度等级的提高而提高。

2)较普通钢筋混凝土简支梁，火山渣混凝土简支梁的开裂荷载略低，但是在正常使用阶段，可以满足裂缝要求。极限承载力和普通钢筋混凝土梁相同。

3)火山渣混凝土梁荷载挠度略大，但在正常使用阶段，变形没有超过规范规定的容许值，说明其刚度能满足结构变形要求。

4)跨中截面应变符合平截面假定。承载力计算方法可使用普通混凝土简支梁的计算公式。