清水再生混凝土梁的裂縫和破壞形態分析★

王宗強 方光秀 方曉俊

(延邊大學工學院土木工程專業，吉林 延吉 133002)

0 引言

近年來，清水混凝土因其獨特的自然感、清潔感及素材感得到社會的廣泛關注[1]。在國外建筑中被大量應用，但在國內建筑中應用較少。隨著清水混凝土的利用規模和范圍越來越大，在國內相關的論文也相繼被發表。然而，基本局限在施工工藝與配合比設計領域，關于力學性能方面的研究甚少[2]。同時，在清水混凝土中利用廢棄骨料取代部分天然骨料、粉煤灰取代部分水泥，可有效降低清水混凝土的成本。但是，隨著廢棄骨料和粉煤灰的取代率變化，將對清水再生混凝土梁的力學性能帶來一定影響。對此，本文主要針對清水再生混凝土梁的裂縫和破壞形態進行研究分析。

1 配合比設計

本次試驗的清水再生混凝土強度等級為C35，首先根據清水混凝土配合比計算公式[3]，得到基準配合比為：水泥∶水∶砂子∶石子∶減水劑∶消泡劑=450∶148∶717.2∶1 568.3∶1.7∶2.22，再生骨料以及粉煤灰取代率如表1所示。

2 梁構件設計及加載方案

本次試驗設計的梁構件底部受拉鋼筋的直徑為14 mm，上部架力筋的直徑為12 mm，箍筋采用直徑為6 mm的圓鋼。整個梁構件長1 500 mm，寬120 mm，高200 mm，保護層厚度為25 mm。在梁兩端設置了加密區，箍筋間距為100 mm，之后箍筋間距為200 mm，如圖1所示。

表1 再生骨料以及粉煤灰取代率

2.1 加載裝置

梁加載示意圖如圖2所示。

2.2 加載程序

根據GB/T 50152—2012混凝土結構試驗方法標準，本試驗的加載程序分為預加載和正式加載。第一階段為預加載：其加載速度為10 N/s，施加荷載值為5 kN，每次加荷載至少停留15 min。第二階段為正式加載：在試件產生裂縫之前，每次施加荷載值為前一次荷載值的基礎上增加5 kN，開裂后為10 kN；每次施加荷載前在次級荷載上停留15 min。達到預估值的90%后，每次施加荷載值為前一次荷載值的基礎上增加5 kN，直至構件完全失去承載能力。

3 梁裂縫與破壞形態分析

清水再生混凝土梁與普通混凝土梁的破壞形態一致，均為適筋破壞。

裂縫與開裂荷載以及極限荷載如表2所示。隨著荷載增加至18 kN～21 kN時，受拉混凝土邊緣達到極限應變，兩加載點之間出現第一條裂縫，此時鋼筋應力突然增大，裂縫垂直向上延伸，同時中性軸上移。荷載繼續增加時，試驗梁不斷出現新裂縫且裂縫不斷開展，且裂縫寬度越來越大，梁撓度越來越大，同時受壓區混凝土塑性越來越明顯。當荷載增加至61 kN～65 kN時，受拉鋼筋被屈服，試驗梁的裂縫和撓度急劇增加，直至梁頂邊緣混凝土壓碎，試驗梁破壞[4]。

表2 裂縫與開裂荷載以及極限荷載

由表2可知，以N2為參照組，在粉煤灰取代率為10%的情況下，隨著再生骨料取代率從40%逐漸增加至50%,60%，第一條裂縫出現時對應的開裂荷載呈降低趨勢，N3,N4的開裂荷載分別降低了3.00%,5.97%，而梁破壞的極限荷載也呈降低趨勢；N3,N4的極限荷載分別降低了0.85%,1.23%。因此，當粉煤灰摻量不變時，再生骨料取代率的增加會降低梁的抗拉性能。這是因為再生粗骨料中含有大量砂漿且有裂縫，導致再生混凝土成型時內部出現過多界面和細微裂縫，對抗拉強度的影響比較明顯[5]。

同樣，在再生骨料取代率為40%的情況下，隨著粉煤灰取代率從10%逐漸增加至20%,30%，而N5,N6的極限荷載分別比N2高0.43%，1.26%，而N5,N6的極限荷載分別比N2高0.43%，1.26%。因此，當再生骨料取代率不變時，隨著粉煤灰取代率的增加，將提高梁的抗拉性能。這可能是由于粉煤灰與混凝土產生難溶于水的水化硅酸鈣凝膠，填充了混凝土內部孔隙，使混凝土內部更加密實[6,7]。N6的開裂荷載比N2,N3,N4,N5分別高于2.88%,6.1%,9.4%,0.1%，但比N1低于1.24%，而N6的極限荷載比N2,N3,N4,N5分別高于1.26%,2.12%,2.52%,0.83%，但比N1低于2.38%。因此，N6組，即：再生骨料取代率為40%、粉煤灰取代率為10%的清水再生混凝土梁抗拉性能最佳。

4 結語

1)再生粗骨料對再生混凝土梁的抗拉性能具有降低作用，粉煤灰對再生混凝土梁的抗拉性能具有提高作用。且在本試驗取值范圍內，隨著再生粗骨料取代率越大、構件的抗拉性能降低越多，粉煤灰取代率越大、構件的抗拉性能提高越多。

2)N6梁相比普通混凝土梁，其開裂荷載與極限荷載分別低于1.24%,2.38%；但比其他清水再生混凝土梁，其開裂荷載與極限荷載均要高。最終，確定本試驗的最佳再生骨料取代率為40%、最佳粉煤灰取代率為30%。