装配式建筑结构中混凝土弯曲抗折性能分析*

袁诚欣

(湖北工业大学 武汉 430068)

1 装配式混凝土建筑概念

用预制部品部件在工地装配而成的建筑，装配式建筑包括结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统四大模块，如图1所示。具有工业化水平高、建造速度快、施工质量好、减少工地扬尘和建筑垃圾等优点，可以提高建筑质量和生产效率，降低成本，有效实现“四节一环保”的绿色发展要求。装配式混凝土建筑结构在美国、欧洲、日本、新西兰等以及我国的台湾、香港地区都有广泛应用。

图1 装配式混凝土建筑

2 装配式混凝土建筑发展背景

装配式建筑规划自2015年密集出台，决定2016年全国全面推广装配式建筑,并取得突破性进展；《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发〔2016〕71号)，深入指导装配式混凝土居住建筑技术体系发展，进一步推动装配式建筑产业化，并对装配式混凝土建筑重要城市和建筑区域都进行明确指导。各地也先后制定了一系列的政策指导，从而推动了装配式建筑的迅猛发展。其具有巨大的发展潜力。

3 装配式混凝土建筑结构分类

3.1 装配整体式框架结构

装配整体式框架结构是常见的结构体系，主要应用于空间要求较大的建筑，如商店、学校、医院等。其传力途径为：楼板→次梁→主梁→柱→基础→地基，结构传力合理，抗震性好。

技术特点：预制构件标准化程度高，构件种类较少，各类构件重量差异较小，起重机械性能利用充分，技术经济合理性较高；建筑物拼装节点标准化程度高，有利于提高工效；机械化施工程度高、质量可靠、结构安全、现场环保等特点。

3.2 装配整体式剪力墙结构

装配整体式剪力墙结构是住宅建筑中常见的结构体系，其传力途径为：楼板→剪力墙→基础→地基，采用剪力墙结构的建筑物室内无突出于墙面的梁、柱等结构构件，室内空间规整。

技术特点：预制构件标准化程度较高，预制墙体构件、楼板构件均为平面构件，生产、运输效率较高。

4 实验研究

笔者通过对混凝土弯曲抗折性能实验，找到满足装配式混凝土结构强度要求的金刚砂掺入量，以此达到环保经济且符合实际装配式混凝土建筑工程应用的目的。

4.1 试验

(1)原材料。水泥：PO 42.5级普通硅酸盐水泥。粗骨料：天然粗骨料粒径为5～31.5 mm，表观密度为2 758 kg/m3;再生粗骨料粒径为5～31.5 mm，表观密度为2 432 kg/m3。细骨料：普通天然河砂细度模数2.65，粒径<5 mm;机制砂细度模数3.10，粒径<5 mm。金刚砂：粒径为0～2 mm，表观密度为3 208 kg/m3。掺合料：I级粉煤灰，细度8.0%；S95等级矿粉，密度为2.9 g/cm3。外加剂：聚羧酸减水剂，减水率24%～26%，含气量为4.8%。

(2)配合比。本实验中配合比以C30混凝土为基础，再生骨料的替代率为30%，金刚砂的掺入量分别为5%、10%、15%、20%。各组试件的配合比设计如表1所示。

表1 各组试件配合比设计(kg/m3)

4.2 抗折试验设计

(1)试样是150 mm×150 mm×550 mm的标准小梁试样，每种配合比制备3个相同的试样，共18个。本次试验在MTS微机控制电子压力试验机上进行，采用三分点加载方式进行加载，如图2所示。

图2 三分点加载方式示意图

图3 四点弯曲抗折试验

将试件从养护室拿出来并用打磨机把与试验机支座接触的地方打磨平整和支座对齐，让试件和支座接触稳定。先手动调试尽量让加载点靠近试件，然后再以0.05 MPa/s的加载速度，使试验机开始工作，如图3所示。

表2 弯曲抗折强度试验结果

(2)各组试件实验结果见表2。从表2可以看到，天然混凝土、再生混凝土与金刚砂改性再生混凝土的破坏过程都是试件纯弯段底部最开始出现裂缝，随着荷载的增大裂缝宽度也增大，在听见“嘭”的一声后，试件突然断裂，此时已达到破坏荷载，具有明显的脆性破坏特征。

4.3 结果分析

(1)破坏截面分析。根据破坏截面来分析，天然混凝土的破坏界面较为平滑整洁，且在试件纯弯段的中线附近，断面由粗骨料断面和水泥砂浆断面共同组成，可以看到内部蜂窝状的气孔较少。再生混凝土的破坏界面则较为粗糙和凹凸不平，虽然在纯弯段内但是分布在两边，这是由于再生混凝土里的粗骨料表面情况比较复杂，存在新旧水泥砂浆界面区导致的不均匀性，内部有空洞。掺入了金刚砂的再生混凝土破坏界面则介于两者之间，因为金刚砂的加入改善了空洞现象，使得再生混凝土内部分布更均匀一些，如图4所示。

图4 RC(左)和SRC(右)断面

(2)抗折强度分析。根据抗折强度试验结果分析，掺入30%的再生骨料使混凝土的抗折强度明显降低，这与文献的结果一致，降幅为15.6%，原因可能是再生粗骨料孔隙率大、吸水率高，导致与水泥砂浆截面的粘接性较差，所以再生混凝土内部有较多空洞，密实度低，影响了抗折强度。金刚砂混凝土随着金刚砂掺量的增加抗折强度有不同程度的增强，SRC1、SRC2、SRC3、S4RC较RC的抗折强度分别提高了6.4%、15.7%、19.7%、21.1%；SRC1和SRC2较C的抗折强度分别降低了10.6%和2.9%，SRC3和SRC4较C的抗折强度分别提升了0.5%和1.7%。这说明在合适的金刚砂掺量下，能够弥补再生骨料带来的强度缺陷，并且随着金刚砂掺量的增加，抗折强度也不断地提升，能达到同等配合比天然混凝土的抗折强度。但是在金刚砂的掺入量高于15%时，抗折强度没有继续大幅度的提升，此时明显已经达到最佳的增益效果(见图5、图6)。

图5 各组试件抗折强度值

图6 各组试件抗折强度比

由以上论述，可得出以下结论：

(1)再生粗骨料的掺入明显降低了混凝土的抗折强度。

(2)金刚砂掺入再生混凝土中可以很好地改善因再生混凝土内部新旧砂浆界面区粘结力较弱而产生的空洞现象，从而提升再生混凝土的抗折性能。

(3)当金刚砂替换率为15%的时候，再生混凝土能达到与普通混凝土同等的抗折强度，既能最大程度地回收利用建筑垃圾，也能满足实际工程的强度需求。