后摻骨料混凝土梁抗彎性能試驗研究

賈金青，周佳玉，葉 浩，李 璐

(大連理工大學， 遼寧 大連 116024)

后摻骨料混凝土是粗骨料嵌鎖技術[1-2]在建筑結構工程中的一種應用方式。它是在基準混凝土攪拌完成后拋填一定體積分數的粗骨料，經過二次攪拌，所得到的均勻混凝土拌合物。后摻骨料混凝土一方面保持了混凝土的可泵性，使其仍具有泵送混凝土勞動強度低、工作效率高的優點；另一方面，它能夠有效改善泵送混凝土的早期開裂現象，并且作為一種“綠色混凝土”[3-4]，由于后摻骨料混凝土通過摻入了粗骨料，減少了水泥的使用，從而有效減少了CO2的排放，在改善生態環境方面具有重大意義。本文以后摻骨料拋填率為研究因素，進行了6根后摻骨料混凝土梁的靜力加載試驗，探究后摻骨料混凝土受彎構件的抗彎性能。

1 試驗概況

1.1 試驗工藝與配合比設計

本試驗混凝土設計強度為C40。在試件制備過程中，需將攪拌完成的基準混凝土每隔5 min攪拌30 s，持續30 min，以模擬商品混凝土由混凝土站至澆筑工作前的實際效果，而后在基準混凝土中拋填一定比例的粗骨料(基準混凝土和后摻入部分的粗骨料均為粒徑5 mm～20 mm連續級配的花崗巖碎石)繼續攪拌30 s，以此得到后摻骨料混凝土。后摻骨料拋填率(后摻入粗骨料的體積分數)依次為0%、10%、15%、20%、25%、30%。后摻骨料混凝土配置完成后，對不同粗骨料拋填率的混凝土的坍落度進行測定，本文采用的混凝土配合比(包括后摻骨料后各材料配合比)以及各拋填率混凝土對應的坍落度見表1。

由表1中的數據可以看出，基準混凝土滿足《混凝土泵送施工技術規程》[5](JGJ/T 10—2011)中對于泵送混凝土坍落度的要求。拋填率25%以內時，各拋填率后摻骨料混凝土均能滿足規范內對于建筑結構中對于混凝土坍落度的要求；拋填率25%、30%時，混凝土漿體較少，和易性較差，若應用于工程中對于機器振搗工藝要求較高。

表1 試驗混凝土配合比

1.2 材料力學性能

用于基本力學性能測試的混凝土試件的制作與養護參照《混凝土強度檢測評定標準》[6](GB/T 50107—2010)及《混凝土結構試驗方法標準》[7](GB/T 50152—2012)進行操作。用于后摻骨料混凝土抗壓強度和彈性模量的試件尺寸分別為150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×300 mm。本試驗縱向鋼筋采用HRB400熱軋鋼筋，并對其進行抗拉試驗。材料測試結果見表2。

表2 混凝土及鋼筋材料力學性能

1.3 試件設計

本試驗共制作6根試驗梁，其中1根為后摻粗骨料拋填率為0%的基礎梁，編號為L-0；其余5根，后摻粗骨料拋填率分別為10%、15%、20%、25%、30%，依次編號為L-10、L-15、L-20、L-25、L-30。除此之外，其余條件全部相同。試件截面為150 mm×250 mm，梁長為1.9 m，跨中純彎段0.6 m。試件架立筋均采用2C10，受拉鋼筋為2C16，縱向受力筋配筋率為1.31%(按普通鋼筋混凝土適筋梁進行配置)。箍筋配筋在純彎段為A8@150，其余部分為A8@100。梁的尺寸及配筋見圖1。

圖1試驗梁配筋圖(單位：mm)

1.4 加載裝置及試驗過程

本試驗采用大連理工大學結構工程實驗室的50 t電液伺服試驗機進行加載。試驗采用兩點集中對稱同步分級加載方式進行試驗。試驗中按圖2(a)的方式通過分配梁將荷載對稱的施加到試驗梁上，在跨中形成600 mm的純彎段。跨中混凝土和鋼筋應變分別利用BX120-100AA型和BX120-3AA型應變片進行測量，跨中撓度利用GA-30型分體式LVDT進行測量。應變片粘貼及LVDT放置位置見圖2。試驗過程中，首先需對試件進行預加載并將傳感器、應變片、LVDT進行調零。隨后進入正式加載過程，在試件開裂前，按荷載加載，每級加荷載6 kN，持載5 min；試件開裂后，每級加荷載12 kN，持載5 min；試件進入屈服狀態后，加載方式按位移加載，位移增量取2 mm直至混凝土梁受壓區混凝土被壓碎，試件破壞。

圖2試驗裝置圖(單位：mm)

2 試驗結果

2.1 主要試驗現象描述

試驗加載過程中需對試驗現象進行細致觀察及記錄。就試驗觀測現象分析，6根試驗梁破壞過程較為相似。當所加荷載達到0.3Pu(Pu為極限荷載)左右時，跨中純彎段下邊緣開始出現豎向裂縫，而后隨荷載逐步增大，裂縫逐漸增多并向上延伸；剪跨段裂縫向加載點方向延伸。與此同時，梁的撓度逐漸增大，且裂縫逐漸加寬。縱筋屈服后，梁撓度和裂縫發展狀況加劇，直至試驗梁受壓區混凝土壓碎，試驗梁宣告破壞。由此可見，6根試驗梁均屬于延性破壞。試驗梁最終破壞形態見圖3。

圖3試驗梁裂縫圖

2.2 試驗梁特征點參數

6根試驗梁受彎破壞過程中的各特征點見表3，各特征點參數變化趨勢見圖4。由圖4分析可知，后摻骨料混凝土梁抗彎性能在拋填率20%時達到最優，在此之前極限荷載隨拋填率增大而增大，而之后隨拋填率增大而減小。這一點與之前所研究的各拋填率后摻骨料混凝土抗壓強度變化趨勢相匹配。從結構上分析其變化原因為：

(1) 粗骨料是混凝土組成材料中強度最高、體積穩定性最好的成分[8-9]，隨著后摻骨料的拋填，粗骨料由懸浮狀態逐步形成有效嵌鎖，在混凝土中建立一個整體骨架結構，從而發揮作用。但當后摻粗骨料過多時，又會因混凝土漿體不足，造成結構缺陷。

(2) 普通混凝土由于微區泌水[10-11]現象，使得界面處的漿體水灰比要大于遠離界面處的漿體水灰比，導致界面過渡區較為疏松。而后摻骨料的拋填，能夠將水分吸附到有孔隙的干燥骨料中去，從而加強骨料與漿體的界面過渡區，從而提高后摻骨料混凝土強度。

表3 特征點參數

圖4特征點趨勢

3 試驗分析

3.1 平截面假定適用性分析

圖5(a)～圖5(f)分別表示6根試驗梁在不同荷載作用下跨中混凝土應變沿截面高度的分布情況。由圖5可以看出后摻骨料混凝土梁在受彎過程中的一定范圍內，截面各點應變與該點到中性軸的距離近似成正比。由此可知,后摻骨料混凝土梁在受彎過程中沿截面高度的混凝土平均應變基本符合平截面假定。

圖5跨中截面應變分布

3.2 荷載-跨中撓度及荷載-跨中鋼筋應變分析

由試驗結果分析可得6根試驗梁荷載-撓度及荷載-鋼筋應變曲線見圖6。由圖6可以看出，后摻骨料鋼筋混凝土與普通鋼筋混凝土梁在受彎各階段受力性能及特征基本相同，整個受力過程基本可分為三個階段。在第1階段(由試驗開始至受拉區混凝土開裂)試驗梁處于彈性受力階段，截面應變分布符合平截面假定，荷載-撓度及荷載-鋼筋應變曲線接近直線，梁撓度及受拉鋼筋應力均較小。在第2階段(由混凝土開裂至縱向鋼筋屈服)試驗梁處于帶裂縫工作階段，截面應變分布仍然符合平截面假定，荷載-撓度及荷載-鋼筋應變曲線仍基本接近直線，但曲線斜率在受拉區混凝土開裂后產生變化，增長速率明顯加快。在第3階段(由受拉鋼筋屈服至試驗梁破壞)試驗梁處于屈服階段。在此階段，受拉鋼筋應變急劇增大，荷載-撓度及荷載-鋼筋應變曲線趨于平緩。對比6根試驗梁的荷載-撓度及荷載-鋼筋應變曲線可以看出：不同拋填率后摻骨料混凝土梁的開裂荷載較為接近，各荷載對應跨中應變及撓度相差不多，整個破壞過程比較相似。

圖6荷載-跨中撓度及荷載-鋼筋應變曲線

4 結 論

(1) 后摻骨料混凝土梁的抗彎性能隨后摻骨料拋填率的增大而增強，到達臨界值(20%)后，隨拋填率的增大而減小。且拋填率為20%時，梁的抗裂性及剛度均優于普通混凝土梁。故而，對于后摻骨料混凝土梁受彎構件的后摻粗骨料的最佳拋填率為20%。這與關于后摻骨料混凝土其他力學性能研究[12-15]所選出的最佳拋填率相吻合。

(2) 后摻骨料混凝土梁在受彎過程中跨中混凝土平均應變沿截面高度的仍基本符合平截面假定。

(3) 后摻骨料混凝土梁受彎破壞的現象與普通混凝土梁相似，仍分為彈性、帶裂縫工作和屈服三個階段，整個受力過程試驗現象和受力特征均與普通混凝土梁基本相同。

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