再生粗骨料预制混凝土桁架板受弯性能试验

夏小龙,周新刚,刘津成,宋国强,赵亚菲,沈学斌

(1.烟台大学土木工程学院,山东 烟台 264005;2.枫林环保科技有限公司,山东 烟台 264000)

工程建设固废的再生循环利用是土木工程可持续发展的重要研究方向[1-3]。建筑无机固体废弃物经过拆分、分选、破碎、筛分、水洗等工艺加工成各种类型的再生骨料,可用于道路与基础的水稳垫层、建筑砂浆及混凝土中[4-7]。但由于再生骨料来源的多样性及其相对较差的界面特性,直接在混凝土中应用会显著影响混凝土的力学性能。虽然通过分选、筛分、界面改性或合理的配合比设计等措施,可以降低再生骨料对混凝土性能的影响,但再生骨料在结构构件中的应用仍有很多的问题,尤其是含有砖瓦等软弱颗粒的再生骨料。装配式建筑是建筑现代化的重要发展方向[8-9]。楼板作为装配式建筑中的水平构件,具有承受楼面的恒活荷载和增加楼层的平面刚度等功能,且不需要考虑抗震延性;其所处的环境相对较好,对材料的耐久性要求也比其他构件略低。因此,在预制叠合板中应用再生骨料,可能是其在结构构件中应用的最佳出路。而且预制构件采用工厂化生产,更容易进行严格的质量控制。为此,本文对使用再生骨料的预制桁架板进行了受弯性能试验研究。

1 试验概况

1.1 试验粗骨料及其性能

本次试验用的全部粗骨料粒径均为5～25 mm连续级配,有三种类型:(1)CAⅠ—天然岩石加工的碎石骨料;(2)CAⅡ—混凝土破碎加工的再生骨料,原生混凝土的强度为C30,但含有一定量的其他强度等级(C15—C45)的原生混凝土,两者质量比约7∶3;(3)CAⅢ—含砖瓦等软弱颗粒的再生骨料,原生混凝土颗粒与黏土砖瓦等软弱颗粒的质量比约6.5∶3.5。实测三种骨料的物理性能及骨料筛分曲线和骨料成品见表1和图1、2。

表1 粗骨料部分质量参数

图1 粗骨料筛分结果

图2 不同粗骨料成品

1.2 配合比设计

采用三种粗骨料配制强度等级为C25的混凝土。水泥采用42.5R级复合硅酸盐水泥;细骨料采用机制砂,细度模数3.0,含泥量1.0%;外加剂选用聚羧酸减水剂,按《混凝土外加剂》[10]检测减水率约为20%。经过试验和调整,试件制作中用的混凝土配合比见表2,实测混凝土力学性能见表3。

表2 混凝土配合比

表3 混凝土实测力学性能平均值

从力学性能测试结果看,尽管三种配合比的混凝土强度实测结果相近,基本达到了C25混凝土的强度要求,但使用再生骨料的混凝土弹性模量相对较低。

1.3 试件设计

表4 试件分组及其截面组合

图3 桁架板配筋

1.4 试验装置与加载方案

实验加载见图4,采用简支板集中加载形式,加载装置见图5。四个集中力由同步作动器等幅、等增量加载。试验过程中,由力传感器测量竖向荷载;在跨中板底布置三个LVDT位移传感器测量板的挠度;在支座处板面布置两个倾角仪测量板变形后支座处的转角;在受力筋、桁架上弦和下弦筋的跨中布置钢筋应变片测量钢筋应变变化;跨中板侧布置混凝土应变片测量板侧面的混凝土应变变化。

图4 试验加载

图5 加载装置

2 试验结果及分析

2.1 加载与测量

正式试验前,首先进行预加载,预加载值为预估开裂荷载的70%。通过预加载,检查试验装置、作动器、传感器及数据采集系统工作是否正常。各部分工作正常后,卸载至0,再开始正式加载。正式加载采用分级加载,试件开裂前,每级荷载为开裂荷载预估值的20%,每级加载后持荷时间约300 s,采集和读取试验数据,观察试验现象;试件开裂之后,调整每级荷载值为极限荷载计算值的10%;钢筋屈服后,采用l0/250位移分级加载至试件破坏。

2.2 试验现象与破坏过程

各类板的最终破坏情况如图6。从破坏情况可看出,尽管各类板基层和叠合层所使用的混凝土不同,但板的最终破坏形态基本相似,都有明显的挠曲变形,裂缝分布也基本一致。图7、8为板的跨中挠度及钢筋平均应变随跨中弯矩变化曲线。综合分析图7、8可知,从加载到最终破坏,各类板都经历了未开裂的弹性阶段,开裂后到钢筋屈服、拉区混凝土裂缝发展的带裂缝工作阶段,以及钢筋屈服后到破坏的塑性变形阶段,均有明显的特征点。不同的是,各类板特征点处的值有所不同。

图6 各试件破坏形式

图7 各试件弯矩-挠度曲线

图8 各试件弯矩-钢筋应变曲线

2.2.1 拉区开裂前的弹性阶段 从开始加载到观察到第一条板底裂缝,板的弯矩挠度曲线基本呈直线分布,挠度及钢筋平均应变增长缓慢,此时板基本处于弹性工作状态。当跨中弯矩加载至6～9 kN·m时,板底可观察到第一条裂缝,此时各板的跨中弯矩及挠度值均不同。开裂前各试件特征参数如表5。

表5 开裂前各试件特征参数

从表5可知,开裂前各板挠度为(1/1000～1/750)l0时,跨中弯矩为极限弯矩的23%～30%,且使用了再生骨料的各类板开裂弯矩及根据实测数据计算的初始刚度均有所降低。

2.2.2 拉区混凝土开裂至受拉钢筋屈服的带裂缝工作阶段 板底混凝土开裂后,裂缝处混凝土退出工作,钢筋应变及挠度增长加快,从图7、8可知曲线斜率降低。随着荷载逐级增加,板底不断有新裂缝产生,且主裂缝不断加宽,板侧裂缝向混凝土受压区延伸,挠度不断增大。在钢筋屈服前,裂缝基本出齐,不再有新裂缝产生。钢筋屈服时各类板的特征参数如表6所示。

表6 钢筋屈服时各试件特征参数

从表6可知,钢筋屈服时各类板挠度为19～26 mm,板跨长的1/135～1/100;屈服弯矩为卸荷前极限弯矩的60%～75%;刚度在初始刚度的20%左右。

2.2.3 钢筋屈服后的破坏阶段 板底纵向钢筋屈服后,竖向荷载缓慢增加,但跨中挠度快速增长,板的主裂缝宽度不断发展,板侧裂缝持续向板顶延伸。由于板中的纵向受拉钢筋经过冷拉处理,没有明显的屈服台阶,因此,钢筋屈服后并没有荷载不能增加、弯矩不变的发展阶段,而是进入弯矩缓慢增加的强化阶段。随着挠度的不断增大,板顶开始出现轻微的压碎现象,实测各试件板顶混凝土的压应变为0.003 5～0.005,此时跨中挠度大于或等于l0/25,认为板达到了破坏状态,停止加载。此时,各板刚度约为初始弹性刚度的3.5%,钢筋屈服时刚度的18%左右。在卸载前后各类板的特征值见表7。

表7 各试件卸载前后特征参数

从表7可知,各板从板底钢筋屈服到最终破坏,板的承载能力没有显著降低;板的变形在卸荷后有所恢复,实测各板残余挠度与最大挠度的比值为76.54%～80.11%;卸载前刚度为0.09×103～0.14×103kN·m2。板的跨中挠度从钢筋屈服时的约20 mm发展到104～140 mm,延性比为4.9～6.7,表现出了良好的变形性能。即使板在比较大的变形情况下,也未见基层和叠合层出现滑移现象,说明虽然叠合层和基层使用了不同的混凝土,但其界面黏结性能可保证板整体较大变形和延性的需要。

2.3 极限承载力

表8为各板极限承载力的实测值与计算值。各类板停止加荷时,板顶混凝土压应变实测为0.003 5～0.005,均超过了理论的0.003 3,所以极限弯矩计算值Mu′均按以下规范[11]公式(1)计算。

(1)

式中:fy为受拉钢筋屈服强度实测值,As为受拉钢筋截面面积,h0为截面有效高度,b为截面宽度。

试验结果表明:使用了再生粗骨料的叠合板抗弯承载力同样较好,说明尽管再生骨料自身较软弱、组成复杂且混凝土内部缺陷更多,但混凝土强度设计相当及使用条件同等时,各类板实测极限承载力均大于规范的计算值的1.1倍以上;且挠度大于l0/25时,各类板无明显破坏现象。说明按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[11]计算的极限承载力安全可行。

表8 各试件极限承载力实测值与计算值

2.4 裂缝

在试验过程中各类板裂缝发展分布规律大致如下:第一条裂缝产生于纯弯段靠近荷载作用处,随着荷载增加,各类板在纯弯段和弯剪区相继产生多条大致平行的新裂缝,且裂缝与板轴线大致垂直;当弯剪区不再有新裂缝产生时,平均裂缝间距为120～150 mm,实测挠度为8.5～11.1 mm,小于l0/200;在挠度达到规范正常使用状态限值l0/200时,实测各类板的裂缝宽度为0.167～0.197 mm,均小于规范限值0.2 mm。钢筋屈服后,各类板挠度及钢筋应变迅速增大,主裂缝不断变宽,纯弯段产生较多斜向分叉的裂缝,最终各类板裂缝分布见图9。

图9 各试件板底和板侧裂缝分布

试验结果表明:各试件的裂缝发展规律及分布相似;即使基层和叠合层都使用了不同的再生骨料,挠度及裂缝仍未超文献[11]中正常使用状态限值,满足正常使用的要求。

2.5 刚度

试验表明,各试件在开裂前,弯矩与挠度基本呈线性变化,板底钢筋应变也随弯矩呈线性变化,板的初始刚度B0=EcI0,I0为换算截面的惯性矩。但在接近开裂时,板在受拉区塑性变形有所发展,刚度有所下降。根据试验数据分析,考虑受拉区塑性变形的影响,开裂前的受弯刚度B′=0.74B0,比普通骨料混凝土不出现裂缝时的截面刚度下降10%左右。说明受软弱颗粒骨料的影响,板开裂前的刚度比普通骨料混凝土板有所降低。截面刚度随弯矩的变化如图10所示。受拉区开裂后,截面的刚度按公式(2)[12]计算:

(2)

式中,M为试件弯矩,h0为截面有效高度,εsm为受拉钢筋平均拉应变,εcm为板顶混凝土压应变。

试验结果表明,各类板刚度随弯矩变化的规律相似。加载初期,各试件处于全截面受力状态,初始刚度最大,但使用了再生骨料的各类板初始刚度均有不同程度的降低,说明不管是CAⅡ还是CAⅢ,再生骨料较软、来源组成复杂等因素使混凝土内部缺陷更多,导致弹模降低,初始弯曲刚度相对较低。从图10来看,试件开裂,各类板曲线在直线①附近出现拐点,刚度迅速降低,使用了再生骨料的板曲线更陡,刚度退化速度更快,说明再生骨料软导致混凝土内部缺陷多,使基层开裂后钢筋应变和板顶混凝土压应变迅速增大,刚度随之迅速降低,裂缝更快出齐。M∶My为1时曲线再次出现拐点,此时各板刚度在0.6×103kN·m2左右,相当于初始刚度的18%～22%。钢筋屈服后,经过冷拉的钢筋荷载缓慢增加,钢筋及板顶混凝土应变迅速增长,曲线缓慢降低。在停止加荷时,各板刚度约为初始刚度的3.3%。

图10 截面刚度随弯矩的变化曲线

3 结 论

(1)无论使用再生骨料做基层还是做叠合层,或是全使用再生骨料,其板的受力过程及从开裂、钢筋屈服至最终破坏的特征点都与常规混凝土板的相似,符合钢筋混凝土适筋受弯构件的受力及破坏特征。基层与叠合层界面有良好的协同性能,能保证在整个受力过程中叠合层和基层整体受力。

(2)使用再生骨料做基层、叠合层或全部使用再生骨料,虽然开裂弯矩略低、刚度略小、带裂缝工作阶段的裂缝稍大,挠度略大,裂缝和挠度值能控制在规范受弯构件正常使用极限状态的允许限值内。

(3)尽管再生骨料混凝土的峰值应变、极限应变与普通骨料混凝土不同,但最终极限受弯承载能力影响不明显,且按规范计算方法确定的计算结果安全可行。