不同构造形式绿色混凝土叠合板受弯性能试验

黄炜 罗斌 李斌 徐学坤 苏衍江

摘   要：为推动绿色再生类材料在叠合楼板中的应用，将不同性能要求的钢纤维增强绿色混凝土材料应用于叠合板中，研究不同构造形式所组成的钢纤维绿色混凝土叠合板受弯性能差异. 开展了6块钢纤维增强绿色混凝土叠合板和2块普通混凝土叠合板足尺试件的抗弯性能对比试验. 得到了其破坏形态、荷载-跨中挠度曲线、荷载-跨中板底受力钢筋应变曲线及荷载-跨中板顶面混凝土压应变曲线等特征参数，对比分析了各试件的破坏机理、变形特征、裂缝分布规律. 研究结果表明，钢纤维增强绿色混凝土叠合板与普通混凝土叠合板相比受弯破坏过程类似，均经历了弹性阶段、弹塑性阶段及破坏阶段，且裂缝、挠度发展均较为充分，未有突然断裂或沿叠合面出现水平裂缝等破坏现象，均具有较好的延性;同时，不同的预制底板构造形式对叠合楼板的受弯性能也有较大影响，其中配置钢筋桁架的叠合板，尤其是附肋钢筋桁架对叠合板的受力性能有较为显著的提高;开裂荷载及极限承载力计算应考虑构造形式及不同混凝土材料预制底板对所组成叠合板受弯性能的影响.

关键词：绿色混凝土;预制混凝土;叠合板;静力试验;受弯性能

中图分类号：TU375.2                             文献标志码：A

Abstract： Steel fiber reinforced green concrete was applied to the composite slab in order to promote the application of green ecological materials in the composite slab. The flexural behavior of the steel fiber reinforced green concrete composite slab with different structural forms were studied. Full-scale comparative test of six steel fiber reinforced green concrete composite slabs and two ordinary concrete composite slabs were carried out. The characteristic parameters， such as failure mode， load-deflection curves， load-rebar strain curves， and load-concrete strain curves， were obtained. Further， the failure mechanism， deformation characteristics， and crack distribution were comparatively analyzed. The results show that the flexural processes of eight specimens are similar， which experienced elastic stage， elastic-plastic stage and failure stage. All specimens are bonded well on the connection interface，without any break-off and other phenomenon but with good cooperative work performance. Meanwhile， different structure forms of prefabricated base slabs have significant influence on the flexural behavior of the composite slab. It is noted that steel bar truss with ribs improves the flexural behavior of the composite slab significantly. In addition， the cracking strength and ultimate load-carrying capacity of the composite slab were affected by the effects of different structural forms and different material on flexural behaviour of prefabricated base slab.

Key words： green concrete;prefabricated concrete;composite slab;static tests;flexural behavior

發展装配式建筑是建造方式的重大变革，是实现建筑业节能减排、提升劳动生产效率的必由之

路[1].已有研究表明[2-4]，叠合楼板作为装配式结构重要的部品，其具有整体性好、施工速度快、节约模板等优点，近年来随着我国政府层面推广装配式建筑力度的不断加大，而越来越广泛地应用于实际工程中. 但目前国内外装配整体式建筑中叠合板采用的材料大多为天然骨料制备的普通混凝土，如果能将大量的建筑固废垃圾进行循环再生利用，在混凝土制备中用再生骨料代替天然骨料，制备出绿色混凝土[5-8]，并将其应用于装配式部品工业化生产中，形成绿色预制部品，不仅能有效缓解天然骨料的过度消耗而造成的生态隐患，减少建筑垃圾排放对环境的污染，亦符合我国目前大力提倡的“建筑产业现代化、绿色建筑”发展方向.

但由于再生类骨料所制备的混凝土普遍存在表观密度小、内部微裂纹、压碎指标值高等诸多先天缺陷，致使其力学性能普遍不如传统天然骨料混凝土，这在一定程度上制约了其在工程中的应

用[9-10].针对上述问题，课题组前期将钢纤维和绿色混凝土有机地结合起来，制备出多种钢纤维增强绿色混凝土材料[11-12].本次课题组将所制备材料研究成果应用于叠合板体系中，同时为设计受力性能更佳的叠合板，提出底部采用不同构造形式的钢纤维绿色混凝土预制底板，顶部后浇层采用普通天然骨料混凝土的叠合板，并通过8块足尺试件静载试验，对比分析了采用不同种类混凝土及不同构造形式预制底板的叠合板抗弯性能，重点研究了不同钢纤维增强绿色混凝土材料及不同构造形式预制底板所组成的叠合板与普通混凝土叠合板的受弯性能异同，得到的数据和结论可为此类叠合板研究及设计提供参考.

1   试验概况

1.1   试件设计

共设计了8块单向板试件，试件编号及基本参数见表1. 预制底板中：钢纤维淤泥陶粒混凝土是用城市地下淤泥制作的陶粒作为混凝土的粗骨料（取代率为100%），并掺入1%钢纤维，细骨料采用天然砂，制备的钢纤维增强绿色混凝土;钢纤维再生混凝土是用经破碎筛分后的废弃混凝土作为混凝土的粗骨料（取代率为100%），并掺入1%钢纤维，细骨料采用天然砂，制备的钢纤维增强绿色混凝土. 配置钢筋桁架的预制底板，其钢筋桁架采用A90型;配置带肋的预制底板在肋内配2？准8构造钢筋. 所有试件预制底板中的纵向受力钢筋均采用8@160、横向分布钢筋采用？准8@240;为防止试件起吊时开裂，在后浇层中配置？准8@200的纵向构造钢筋及？准6@240的横向构造钢筋. 试件构造形式及配筋如图1及图2所示.

1.2   试件制作

试件制作过程主要包括预制底板及后浇层制作两道工序. 1）预制底板制作：首先清理车间钢结构模胎，固定底模及侧模，并涂刷脱模剂，然后在底模内绑扎钢筋，之后再固定好加强肋的模板（若有），最后浇筑混凝土，待混凝土初凝后将其表面进行人工拉毛处理;2）后浇层制作：待预制底板达到一定强度后，以预制底板为底模（本次试验在预制底板制作完成10 d后进行后浇层混凝土浇筑），四周固定好侧模，绑扎钢筋，待确认无误后，浇筑后浇层混凝土，形成叠合板试件. 需要说明的是，由于本次试验研究对象为一阶段受力叠合板，所以在后浇层混凝土制作过程中，始终保证预制底板具有可靠支撑，避免加载前预制底板提前受力[13].

1.3   材料性能

8块试件为同批次制作，试件混凝土设计强度等级均为C30. 试件浇筑时，同期制作立方体及棱柱体试块，标准养护28 d后，实测预制底板中：普通混凝土的立方体抗压强度平均值为31.9 MPa，轴心抗压强度平均值为25.7 MPa;钢纤维淤泥陶粒混凝土立方体抗压强度平均值为32.4 MPa，轴心抗压强度平均值为21.7 MPa;钢纤维再生混凝土立方体抗压强度平均值为43.0 MPa，轴心抗压强度平均值为32.7 MPa. 实测8块试件后浇层的普通混凝土立方体抗压强度平均值为35.9 MPa，轴心抗压强度平均值为26.7 MPa.

试件中除预制底板纵向受力钢筋采用HRB400外，其余钢筋均采用HPB300，实测性能见表2. 6块钢纤维增强绿色混凝土叠合板中的钢纤维采用薄板剪切型钢纤维，长度35.00 mm，直径0.56 mm，抗拉强度2.3×103 MPa，弹性模量2.0×104 MPa.

1.4   加载方案

试验采用在板跨度四分点位置施加2个相等的竖向集中荷载模拟均布荷載的方法，加载点使用500 t油压千斤顶，由液压伺服仪进行加载. 加载装置如图3所示.

依据文献[14]，加载分为预加载与正式加载2个过程，预加载分三级加载、三级卸载，每级加（卸）载取值为2 kN;进入正式加载阶段后，开裂前每级荷载增量取2 kN，直至混凝土出现裂缝后，每级荷载增量调整为4 kN，加载至极限荷载理论计算值的90%后，再次将每级加载增量调整为2 kN，直到加载至试件破坏，随后进行卸载.

本次试验，当试件跨中挠度达到跨度的1/200或最大裂缝的宽度超过0.2 mm时，认定试件达到正常使用极限状态;当试件跨中挠度达到跨度的1/50、板底混凝土裂缝宽度达到1.5 mm、钢筋应变达到0.01、叠合面破坏、受压区混凝土压坏或受拉主筋断裂的条件之一时，认定试件已达到承载能力极限状态并停止加载.

1.5   测点布置

钢筋应变片粘贴于板底纵向受拉钢筋跨中和1/4跨位置，对于试件CS-2、CS-7及CS-8分别在其钢筋桁架的上、下弦及腹杆跨中位置及1/4跨处布置了钢筋应变片;位移计及混凝土应变片布置如图4所示.

2   试验结果及其分析

2.1   试验过程及破坏形态

试件最终破坏形态如图5所示. 通过8块叠合板试件破坏过程对比分析，可以发现：

1）从整个加载过程来看，8块试件的反应基本相似，均经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，最终破坏均是由于挠度、最大裂缝或者受拉主筋应变值超过限值要求而宣告试件破坏，呈现典型的弯曲破坏特征.

2）对比不同混凝土预制底板所构成的叠合板，从试件最终的裂缝分布来看，预制底板为钢纤维再生混凝土的叠合板，其裂缝数量最少，预制底板采用钢纤维淤泥制陶粒混凝土的叠合板裂缝数量次之，普通混凝土叠合板裂缝数量最多，且其裂缝宽度最大. 这是因为6块钢纤维增强绿色混凝土叠合板中的钢纤维在基体混凝土中呈乱向分布状态，阻碍了混凝土内部裂缝的扩展，有效提高了基体的抗拉、抗裂能力，使裂缝发展较为缓慢[15].

3）对比不同构造形式预制底板所构成的叠合板，文献[16]研究表明，对于普通混凝土或高强混凝土叠合板采用自然振捣、抹光、拉毛、设抗剪钢筋4种不同叠合面作法均可保证叠合面有足够的抗剪能力，不发生沿叠合面的剪切破坏. 本次试验得出与上述研究相似的结论，所有试件在整个加载过程中其预制底板与后浇层均未发生沿叠合面滑移现象，亦未出现叠合面黏结破坏现象（如图5（b）所示，仅以CS-3为例），表明采用拉毛、单纵肋、十字肋、钢筋桁架、附肋钢筋桁架的叠合面处理方式均可保证该类叠合板的预制底板与后浇层协同工作性能.

2.2   荷载-挠度曲线

根据实测跨中位移均值绘制的跨中荷载-挠度曲线（如图6所示）可以看出：

1）从整个加载过程来看，8块试件的跨中荷载-挠度曲线均呈现明显的三段式分布. 加载初期，曲线近似为一条直线，此时试件刚度较大，挠度较小;随着荷载的增大，挠度值的增大幅度开始变大;当受拉钢筋逐渐屈服后，试件刚度急剧下降，荷载上升缓慢，挠度迅速发展，出现近似平直段，直至试件达到承载能力极限状态.

2）对比不同混凝土预制底板所构成的叠合板，在同级荷载下，底板材质为钢纤维淤泥制陶粒混凝土的试件挠度较大，且极限承载力较低，底板材质为钢纤维再生混凝土的试件在同级荷载下挠度最小，极限承载力最高.

3）对比不同构造形式的预制底板所构成的叠

合板，试件在弹性阶段挠度发展趋势相似，进入弹塑性阶段后，随着荷载不断增大及试件混凝土裂缝的不断开展，曲线呈现明显的差异. 试件CS-3刚度明显削弱，表现为曲线斜率明显减小，试件挠度迅速增大，曲线偏向挠度轴一侧，承载能力基本不再增大;采用单肋形式的预制底板次之;试件CS-2、CS-7、CS-8挠度发展最慢，与文献[17]得出“与普通混凝土板相比，设置桁架钢筋的普通混凝土板，可有效提高试件的后期刚度，抑制裂缝的发展，减小跨中挠度”的结论相似. 可见采用钢筋桁架形式是提高混凝土受弯板类构件力学性能最为行之有效的措施之一. 尤其是本次试验所采用附肋钢筋桁架叠合板，其挠度增长最慢，后期刚度最大，极限承载力最高.

2.3   荷载-钢筋应变曲线

根据板底跨中位置的钢筋应变读数，取平均值后得各试件荷载-钢筋应变曲线（如图7所示），分析可知：

1）从整个加载过程来看，8块试件的板底荷载-钢筋应变曲线均由混凝土开裂前的直线段、开裂后到钢筋屈服前的曲线爬升段及钢筋屈服后至试件达到承载能力极限状态时的平缓段组成.

2）对比不同混凝土预制底板所构成的叠合板，在混凝土开裂后，试件CS-1、CS-2受拉区裂缝处拉应力完全由板底纵向受拉钢筋承担，因此曲线出现明显的转折点. 而预制底板采用钢纤维增强绿色混凝土的6块试件，由于混凝土基体刚刚出现裂缝时，钢纤维混凝土并未立即破坏，而是随着裂缝的稳定扩展，承载力继续上升，跨越裂缝的钢纤维将裂缝两侧混凝土联结在一起共同受力，所以其曲线在混凝土开裂后并没有明显的转折点;但随着荷载的增大，当板底受力钢筋屈服后，由于钢纤维的长度有限，且在基体内随机分布，其方向和形状没有规律，锚固长度无法得到充分保证，因此钢纤维在高应力作用下逐根地发生滑动，并渐渐地被拔出，甚至出现拉断的现象. 此时曲线才出现较明显拐点，随后呈平缓趋势发展[18].

3）对比不同构造形式的预制底板所构成的叠

合板，试件CS-2、CS-7、CS-8，虽在破坏阶段板底纵向受拉钢筋均超过屈服应变，但其钢筋应变明显小于其他5块试件. 这是由于钢筋桁架上、下弦及腹杆均参与受力，分担了混凝土开裂后底部受拉钢筋所承担的荷载，如图8所示. 与文献[19]对叠合板中钢筋桁架的受力结论相似.

1）对比不同混凝土预制底板所构成的叠合板，8块试件的板顶混凝土荷载-应变曲线基本相似，整个加载过程中所有试件的受压区混凝土均未出现压碎现象.

2）对比不同构造形式的预制底板所构成的叠合板，CS-2、CS-7及CS-8由于钢筋桁架中的上弦钢筋参与板顶受力，分担了板顶混凝土中的压应力，使其板顶混凝土压应变直至构件破坏仍呈线性增长，而其他5块试件板顶混凝土表现出塑性状态，曲线逐级趋于平缓.

3   影响受弯承载力的因素及分析

根据本次试验加载过程实测数据，得到的各试件开裂荷载（Pcr）、正常使用极限荷载（PL /200）、屈服荷载（Py）、极限荷载（Pu）、板底最大裂缝宽度（ωmax）及最大挠度（δmax）详见表3.

3.1   3种不同混凝土预制底板的影响

预制底板中：采用钢纤维再生混凝土的试件的特征荷载值（Pcr、PL /200、Py及Pu）普遍较大，而其最大裂缝宽度与挠度最小;采用普通混凝土的试件特征荷载值普遍略小于钢纤维再生混凝土试件，但其最大裂缝宽度与挠度在3种材料中最大;采用钢纤维淤泥陶粒混凝土的试件特征荷载值普遍较小.

3.2   不同预制底板构造形式的影响

1）对比CS-1与CS-2，CS-2的开裂荷载比CS-1提高了13.33%，正常使用极限荷载提高了32.44%，屈服荷载提高了44.19%，极限荷载提高了55.95%，表明钢筋桁架对试件开裂后的承载能力提高较为显著.

2）对比CS-3、CS-4及CS-5，CS-5的开裂荷载、正常使用极限荷载、屈服荷载、极限荷载最大，分别比CS-4提高了44.59%、16.56%、11.28%、11.48%，比CS-3提高了59.70%、24.20%、20.00%、14.98%;CS-4比CS-3的开裂荷载、正常使用极限荷载、屈服荷载、极限荷载分别提高了10.45%、6.56%、6.46%、5.51%. 说明十字肋对提高叠合楼板的承載能力较单纵肋更为显著.