翼缘尺寸对地聚物混凝土T形梁抗弯性能的影响

徐 勇,毛宇光,刘翼玮,苏 捷,杜运兴,史才军

(1.湖南大学 土木工程学院 绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室,湖南 长沙 410082;2.湖南大学 湖南省绿色与先进土木工程材料国际创新合作中心,湖南 长沙 410082;3.湖南大学 建筑安全与节能教育部重点实验室,湖南 长沙 410082)

0 引 言

地聚物是一类由含有硅铝酸盐活性组分的在碱激发条件下制备的无机胶凝材料[1],其生产能耗低,二氧化碳排放少,比硅酸盐水泥更符合土木工程绿色发展的需求[2-4]。研究表明：地聚物混凝土(geopolymer concrete,GPC)相对于普通混凝土(portland cement concrete,PCC)表现出更高的早期强度[5-6],更好的耐高温性[7-8]、更优的耐化学腐蚀性[9-11]、抗渗性[12]和抗冻融性[13-14]。但GPC的弹性模量和抗拉强度较低[15-16],脆性远高于PCC[17-18],且会产生更多的干缩微裂缝[19-21]。

近年来,针对GPC结构性能的研究逐渐增多,尤其是GPC梁的抗弯性能受到了学界的重点关注。研究表明：GPC梁的抗弯性能与PCC梁类似,但GPC梁的抗弯刚度和延性要较低一些[22-25];GPC梁的承载能力随着纵筋配筋率、混凝土抗压强度和梁截面高度的增大而增强[26-29]。规范GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》及美国规范ACI 318—08中,受弯构件正截面配筋设计方法适用GPC梁[29-30]。

与矩形截面梁相比,T形截面混凝土梁具有用量少、自重轻、力学性能优等特点[31-32]。但是目前国内外关于GPC梁抗弯性能的研究大多集中在矩形截面梁,而对T形截面梁的研究较少。对于PCC梁,理论上翼缘宽度和厚度越大,抗弯性能越优,但研究表明：翼缘宽度与腹板宽度之比大于一定限值后,PCC梁抗弯承载力将不会继续增加[33-35]。可见翼缘尺寸是影响PCC T形梁抗弯性能的重要因素,但对于GPC T形梁,翼缘尺寸的影响尚不清晰,有必要进行研究。

基于此,笔者对5根GPC T形梁和1根PCC T形梁开展了四点弯曲试验,测试了梁的承载能力、挠度、纵筋应变和裂缝行为,研究了翼缘宽度和厚度对GPC T形梁抗弯性能的影响;基于试验结果对现有的PCC规范中关于GPC T形梁正截面受弯承载力的适用性进行了讨论。

1 试 验

1.1 梁试件

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》,笔者共制作了5根GPC T形梁试件和1根PCC T形梁试件,试件跨度2 100 mm,计算跨度1 800 mm,截面高度300 mm,腹板宽度120 mm。所有梁试件底部纵筋均设置90°标准弯钩,在剪弯段布置的箍筋间距为90 mm,在纯弯段布置的箍筋间距为150 mm。试件的设计参数见表1,详细尺寸和配筋见图1、图2。

表1 T形梁试件设计参数Table 1 Test parameters of T-beam specimens

图1 T形梁试件尺寸Fig.1 Dimensions of T-beam specimens

图2 T形梁试件截面尺寸及配筋Fig.2 Cross-sectional dimensions and reinforcement of T-beam specimens

1.2 材料及混凝土配合比

1.2.1 混凝土组成材料

1)水泥：42.5R普通硅酸盐水泥。

2)矿渣、粉煤灰：矿渣由湖南三泓建材有限公司提供,粉煤灰为由长安益阳发电有限公司提供的F级粉煤灰,这二者的化学组成见表2。

表2 矿渣和粉煤灰的化学组成Table 2 Chemical compositions of slag and fly ash %

3)碱激发剂：由水玻璃、氢氧化钠和碳酸钠组成,水玻璃模数为3.34,其中Na2O含量8.3%、SiO2含量26.9%、H2O含量64.8%,NaOH和Na2CO3纯度均为99%。

4)骨料：粗骨料为碎石,粒径5～20 mm;细骨料为河砂,细度模数为2.80。

1.2.2 混凝土配合比

PCC和GPC的立方体抗压强度标准值设计都为30 MPa,混凝土配合比见表3。

表3 混凝土配合比Table 3 Mix proportion of concrete kg/m3

1.2.3 钢 筋

表4为梁试件底部纵筋和箍筋选用的钢筋型号,及实验测得钢筋的直径φ、屈服强度σy、抗拉强度σt、屈服应变δ。顶部架力筋的钢筋型号为HRB400,直径为8 mm。

表4 钢筋的力学性能Table 4 Mechanical properties of rebars

1.3 梁试件制备

1.3.1 碱激发剂配制

在试件浇筑前一天,按照配合比将片状NaOH倒入水玻璃中,搅拌直至完全溶解,然后冷却至室温,密封保存。

1.3.2 GPC成型

按照配合比向搅拌机中加入碎石、河砂,搅拌3 min;加入矿渣、粉煤灰、碳酸钠干粉,干拌至均匀状态;再加入水及提前配制好的碱激发剂,搅拌5 min,使得所有原材料完全混合均匀。随即迅速将新拌的GPC混合料倒入梁试模中,用振捣棒振实,在室温环境下养护7 d,然后拆去试模。拆模后,梁试件继续在室温下养护至测试日期。

在浇注梁试件时,制备3个150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块,及6个100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试块,在室温条件下养护至28 d龄期,测得混凝土立方体抗压强度fcu,轴心抗压强度fc、弹性模量Ec,并由fc′=0.8fcu计算混凝土圆柱体抗压强度,结果见表5。

表5 混凝土的力学性能Table 5 Mechanical properties of concrete

1.4 加载方式及测试内容

采用四点弯曲试验测试T形梁的抗弯性能,加载及测试装置见图3。2个加载点位于梁计算跨度的三等分点处,梁上的剪弯段和纯弯段长度均为 600 mm,通过分配梁将单一荷载对称施加在T形梁试件上。采用量程为 1 000 kN 的液压千斤顶来施加力控制载荷,千斤顶放置在分配梁跨中处,顶上布置力传感器,为防止加载过程中偏心,在千斤顶下放置球铰。

图3 加载及测试装置Fig.3 Load and test device

在跨中及支座截面布置5个位移计,用以测试梁试件的挠度,在梁试件的跨中纵向钢筋表面粘贴电阻应变片,以测试梁试件纯弯段的纵筋应变。试验中,测试的力值、挠度、钢筋应变通过应变箱实时采集。

分级施加荷载,每级加载后等待3 min,在梁试件变形稳定后,观察梁试件上原有裂缝的发展和新裂缝的出现等情况,并进行标记绘制,采用裂缝宽度观测仪量测裂缝宽度。

2 试验结果及分析

2.1 裂缝行为和破坏模式

图4为6根T形梁试件的裂缝分布及破坏模式。

1)施加荷载后,6根T形梁试件的纯弯段均产生竖向裂缝,随后裂缝逐渐向上发展;随着荷载的增大,剪弯段腹板开始出现斜裂缝,并不断向加载点和支座方向发展,同时裂缝宽度变大、数量增多,当斜裂缝发展至腹板和翼缘交界处,并沿着交界处延伸,这一时期纯弯段裂缝发展极为缓慢。

2)当荷载继续增大时,纯弯段裂缝开始迅速发展,在即将延伸至腹板和翼缘交界处时,原有裂缝分叉,并发展至翼缘下表面,再发展至翼缘侧面直至受压区;期间翼缘侧面和下表面的交界处也产生竖向裂缝,并沿着翼缘侧面和下表面延伸;最终受压区混凝土出现水平裂缝,直至被压碎;所有试件均发生适筋梁弯曲破坏。

3)GPC-300-60相较于PCC-300-60,裂缝数量多且分布散乱,这是因为GPC内部早期相对湿度降低速度快,引起表面张力快速下降,最终导致较大的早期收缩变形,使得GPC内部基体产生的微裂缝更多[19-21];GPC-300-90相较于GPC-300-60,裂缝数量少,这说明增加翼缘厚度可以减少裂缝数量。

2.2 荷载-挠度曲线

图5为6根T形梁试件的荷载-跨中挠度曲线。由图5可见：GPC-300-60与PCC-300-60的荷载-跨中挠度曲线发展规律相似,说明混凝土类型对于T形梁受弯行为的影响不显著。所有梁试件从开始加载到弯曲破坏可分为3个阶段。

1)阶段1,6根梁试件均呈未开裂状态,处于弹性阶段,其挠度均随着荷载成比例增大;当荷载增大至开裂荷载时,梁的底部出现裂缝,荷载-挠度曲线出现第一个转折点,但由于翼缘的存在,第一个转折点不太明显。

2)梁试件进入带裂缝工作阶段即阶段2,随着荷载增大,荷载-挠度曲线开始呈现非线性变化,但曲线形状很接近直线,直到纵筋屈服。此阶段的PCC-300-60跨中挠度要小于GPC-300-60,这表示相同条件下,GPC T形梁的刚度要低于PCC T形梁;GPC-200-60、GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60的跨中挠度依次减小,GPC-300-60的跨中挠度大于GPC-300-90,这表明随着翼缘宽度和厚度增大会使得GPC T形梁的刚度增大。

3)试件进入破坏阶段即阶段3,纵筋此时已经屈服,应变快速增长,梁的挠度也快速增大,但由于翼缘板的存在,梁的延性较好,在挠度值较大时才发生受压区混凝土压碎破坏。

图5 T形梁试件的荷载-跨中挠度关系曲线Fig.5 Load-mid-span deflection curves of T-beam specimens

2.3 延 性

钢筋混凝土梁的弯曲变形能力可由延性系数μ来反映,μ= Δy/Δu(Δy为梁达到屈服荷载时对应的跨中挠度,Δu为梁承载力开始明显下降时的挠度)。表6为6根T形梁试件的延性系数。

表6 T形梁试件的延性系数Table 6 Ductility coefficient of T-beam specimens

由表6可见：

1)对比GPC-300-60与PCC-300-60的延性系数,发现GPC T形梁的延性强于PCC T形梁。

2)对比GPC-200-60、GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60、GPC-300-90的延性系数发现：增大翼缘宽度和厚度均可显著提高GPC T形梁的延性。

3)GPC-500-60的延性系数最大,达7.12,这表明该梁试件的延性最好。这是由于梁翼缘宽达到500 mm,相对受压区高度小,加载后期截面转动能力大,变形能力高,因而挠度大。同时,翼缘较宽的梁,其承载力也较高,并随着挠度的增长而缓慢增大,破坏时的承载力也较大。

2.4 承载力

表7为T形梁试件的开裂荷载Pcr、裂缝宽度0.3mm对应的荷载P0.3、屈服荷载Py和极限荷载Pu。

表7 T形梁试件的弯曲承载能力Table 7 Flexural bearing capacity of T-beam specimens

由表7可见：

1)试件GPC-300-60的开裂荷载比试件PCC-300-60低83.75%,这与GPC较低的抗拉强度有关[16]。另一方面,所有的GPC T形梁的开裂荷载相差不大,这表明增加翼缘宽度和厚度对其开裂荷载无明显影响。

2)GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》规定：结构构件在室内正常环境条件下的最大裂缝宽度限值为0.30 mm,GPC-300-60在此裂缝宽度下的荷载相比于PCC-300-60低了41.18%,这表明相同荷载下,GPC T形梁的裂缝宽度比PCC T形梁大。GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60在此裂缝宽度下的荷载比GPC-200-60分别增加了12.81%、20.77%、26.33%,这说明增加翼缘宽度,可增大GPC T形梁在裂缝宽度为0.30 mm时对应的荷载。GPC-300-90在此裂缝宽度下的荷载比GPC-300-60增加了12.74%,说明增加翼缘厚度,可增大GPC T形梁在裂缝宽度为0.30 mm时对应的荷载。

3)对于各梁的屈服荷载,GPC T形梁的屈服荷载与PCC T形梁几乎相等;GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60比GPC-200-60分别提升了5.07%、7.85%、9.15%,GPC-300-90比GPC-300-60提升了2.97%,这表明增加翼缘宽度和厚度可以推迟GPC T形梁底部纵筋达到屈服强度。

4)试验按照GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》规定、取受拉纵筋处最大裂缝宽度达到1.5 mm时的荷载值作为试件梁的实测极限荷载,测试结果显示GPC T形梁的极限荷载相近于PCC T形梁;相比于GPC-200-60,试件梁GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60的极限荷载分别增大4.46%、8.48%、10.41%,相比于GPC-300-60,GPC-300-90的极限荷载增大了4.69%,说明GPC T形梁的极限承载能力也随着翼缘宽度和厚度的增加而增大,但随着翼缘宽度的逐步增大,极限荷载的增幅逐步减小,这是因为翼缘距腹板越远,其参与的受力程度越小,越宽的翼缘也只有靠近腹板的一部分能有效承担荷载。

2.5 荷载-纵筋应变关系

图6为T形梁试件的荷载-跨中纵筋应变曲线,图中的虚线为底部纵筋屈服应变线。

图6 T形梁试件的荷载-跨中纵筋应变曲线Fig.6 Load-strain of longitudinal reinforcement at mid span curve of T-beam specimens

由图6可见：

1)当荷载增大至开裂荷载时,纵筋应变突然增加,这是由于梁底部混凝土受拉开裂,其承担的拉应力传递到了纵筋上;随后荷载继续增大,纵筋应变随之增大直至纵筋屈服,期间可以看到在相同荷载下,GPC-200-60、GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60的纵筋应变依次减小,GPC-300-60、GPC-300-90的纵筋应变也依次减小,表明增加翼缘宽度和厚度可以减小相同载荷下的跨中底部纵筋应变,有效推迟GPC T形梁底部纵筋达到屈服强度的时刻。

2)GPC T形梁的纵筋应变始终大于PCC T形梁,这是由于GPC T形梁的刚度低于PCC T形梁。

综上,跨中纵筋的应变反映了T形梁的开裂和屈服性能,与T形梁的荷载-跨中挠度关系曲线反映的规律一致。

3 讨 论

3.1 GPC T形梁与PCC T形梁对比

根据图4,GPC-300-60的裂缝比PCC-300-60更多和更宽,相应的平均裂缝间距更小,这是由于GPC在成型后的收缩变形较大,基体产生的微裂缝更多[19-21],在受力后得到发展。

根据图5,GPC-300-60的荷载-跨中挠度曲线的斜率要小于PCC-300-60,即GPC-300-60的抗弯刚度要低于PCC-300-60,在梁处于开裂前的弹性阶段,GPC较低的弹性模量[36]使得梁的抗弯刚度较低,本试验中测得的GPC弹性模量仅为PCC的63.92%,在梁处于正常使用阶段,GPC对梁抗弯刚度的贡献要小于PCC。GPC-300-60的抗弯刚度低于PCC-300-60也表现在其纵筋应变始终要大于PCC-300-60。

根据表7,GPC-300-60与PCC-300-60的极限荷载和屈服荷载均相近,但GPC-300-60的延性大于PCC-300-60,这也表现在挠度上,这也归因于GPC基体早期收缩大,产生的微裂缝较多,在承载后得到发展,导致受压区混凝土在挠度值较大(相较于PCC T形梁)时才被挤碎;GPC-300-60的开裂荷载和裂缝宽度为0.30 mm时对应的荷载均明显低于PCC-300-60,这是因为矿渣-粉煤灰基GPC的抗拉强度较PCC低约20%[16]。

总的来说,GPC T形梁的裂缝行为及破坏模式、荷载-跨中挠度关系、抗弯极限承载力、屈服荷载、荷载-纵筋应变关系与PCC T形梁无明显区别,但因为材料性能的差异,其抗弯刚度、开裂荷载和最大裂缝宽度限值下的荷载低于PCC T形梁。

3.2 翼缘尺寸对GPC T形梁抗弯强度的影响

GPC-200-60、GPC-300-60、GPC-400-60、GPC-500-60的翼缘宽度与腹板宽度之比(bf/b)分别为1.67、2.50、3.33、4.17。随着bf/b增大,GPC T形梁的抗弯极限承载力逐步增大,但增幅却越来越小,且bf/b从3.33到4.17,增加仅1.75%,这说明越宽的翼缘宽度,也只是靠近腹板的一部分宽度能有效承担荷载,但是翼缘宽度的增加能有效推迟受拉纵筋达到屈服强度,大幅提高试件延性,这与PCC T形梁的结论一致。

GPC-300-60和GPC-300-90的翼缘厚度与梁截面有效高度比值(hf/h0)分别为0.23和0.35。随着hf/h0增大,GPC T形梁的抗弯极限承载力呈增大趋势,这与增加翼缘厚度对PCC T形梁的影响一致。而且本试验中hf/h0从0.23到0.35与bf/b从2.50到3.33对抗弯性能的影响效果相近,但增加翼缘厚度经济效果更好。

3.3 现行规范正截面受弯承载力计算公式适用性

根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》和ACI 318—19[37]中的计算公式,对T形梁的正截面受弯承载力进行理论计算,并与试验测试结果进行对比分析,探讨现行规范对GPC T形梁抗弯设计的适用性。

GB50010—2010《混凝土结构设计规范》中,T形梁正截面受弯承载力计算式如式(1)、式(2)：

(1)

fyAs=α1fcbx

(2)

式中：Mu为梁的正截面承载力,kN·m;α1为混凝土压应力不均匀系数,α1= 1.0;fc为混凝土轴心抗压强度,MPa;b为截面宽度,mm;x为混凝土受压区高度,mm;h0为截面有效高度,h0= 257 mm;fy为纵向受拉钢筋设计强度,文中取屈服强度,MPa;As为受拉纵筋截面面积,As= 628 mm2。

ACI 318—19[37]中的计算式如式(3)、式(4)：

(3)

(4)

6根T形梁试件正截面受弯承载力计算值与实测值见表8。

表8 T形梁试件正截面受弯承载力计算值与实测值Table 8 The calculated and measured values of the flexural bearing capacity of the normal section of T-beam specimens

由表8可见：

1)中美现行规范计算的正截面受弯承载力均大于实测值;相较而言,GB50010—2010的计算值更接近实测值,预测结果较为准确,而ACI 318—19的设计安全储备更高一些。

2)从GPC-200-60→GPC-300-60→GPC-400-60→GPC-500-60,Mutest/MuGB和Mutest/MuACI的比值呈增大趋势,说明2个规范均略微低估了翼缘宽度对GPC T形梁抗弯强度的影响。

3)GPC-300-90相比于GPC-300-60,Mutest/MuGB和Mutest/MuACI的比值增大明显,说明2个规范均明显低估了翼缘厚度对GPC T形梁抗弯强度的贡献。

综上,GB 50010—2010和ACI 318—19的正截面受弯承载力公式适用GPC T形梁,但有提升空间,建议在原有公式的基础上多考虑翼缘厚度的影响。

4 结 论

通过四点弯曲试验,对翼缘尺寸对GPC T形梁抗弯性能的影响进行了系统的研究,探讨了现行中美2个规范正截面受弯承载力计算公式对其的适用性。研究得出以下主要结论：

1)GPC T形梁的抗弯极限荷载、屈服荷载、裂缝行为及失效模式与PCC T形梁相似,但延性更优,不过其跨中受拉纵筋应变较大,刚度、开裂荷载和最大裂缝宽度限值下的承载力较低。

2)随着翼缘宽度增加,GPC T形梁的刚度、屈服荷载、抗弯极限荷载、在最大裂缝宽度限值下的承载力和延性均增大,翼缘宽度为500 mm时的延性系数可达7.12,跨中受拉纵筋应变减小,开裂荷载基本不变。

3)随着翼缘厚度增加,GPC T形梁在最大裂缝宽度限值下的承载力提升明显,其刚度、屈服荷载、抗弯极限荷载和延性均有所增大,跨中受拉纵筋应变减小,开裂荷载无明显变化;GPC T形梁hf/h0从0.23到0.35与bf/b从2.50到3.33对抗弯性能的影响效果相近。

4)GB50010—2010和ACI 318—19的正截面受弯承载力设计公式适用GPC T形梁,但有提升空间,GB50010—2010的预测更准确,ACI 318—19的安全储备更高。