裝配式建筑結構中混凝土彎曲抗折性能分析*

袁誠欣

(湖北工業大學 武漢 430068)

1 裝配式混凝土建筑概念

用預制部品部件在工地裝配而成的建筑，裝配式建筑包括結構系統、外圍護系統、設備與管線系統、內裝系統四大模塊，如圖1所示。具有工業化水平高、建造速度快、施工質量好、減少工地揚塵和建筑垃圾等優點，可以提高建筑質量和生產效率，降低成本，有效實現“四節一環保”的綠色發展要求。裝配式混凝土建筑結構在美國、歐洲、日本、新西蘭等以及我國的臺灣、香港地區都有廣泛應用。

圖1 裝配式混凝土建筑

2 裝配式混凝土建筑發展背景

裝配式建筑規劃自2015年密集出臺，決定2016年全國全面推廣裝配式建筑,并取得突破性進展；《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》(國辦發〔2016〕71號)，深入指導裝配式混凝土居住建筑技術體系發展，進一步推動裝配式建筑產業化，并對裝配式混凝土建筑重要城市和建筑區域都進行明確指導。各地也先后制定了一系列的政策指導，從而推動了裝配式建筑的迅猛發展。其具有巨大的發展潛力。

3 裝配式混凝土建筑結構分類

3.1 裝配整體式框架結構

裝配整體式框架結構是常見的結構體系，主要應用于空間要求較大的建筑，如商店、學校、醫院等。其傳力途徑為：樓板→次梁→主梁→柱→基礎→地基，結構傳力合理，抗震性好。

技術特點：預制構件標準化程度高，構件種類較少，各類構件重量差異較小，起重機械性能利用充分，技術經濟合理性較高；建筑物拼裝節點標準化程度高，有利于提高工效；機械化施工程度高、質量可靠、結構安全、現場環保等特點。

3.2 裝配整體式剪力墻結構

裝配整體式剪力墻結構是住宅建筑中常見的結構體系，其傳力途徑為：樓板→剪力墻→基礎→地基，采用剪力墻結構的建筑物室內無突出于墻面的梁、柱等結構構件，室內空間規整。

技術特點：預制構件標準化程度較高，預制墻體構件、樓板構件均為平面構件，生產、運輸效率較高。

4 實驗研究

筆者通過對混凝土彎曲抗折性能實驗，找到滿足裝配式混凝土結構強度要求的金剛砂摻入量，以此達到環保經濟且符合實際裝配式混凝土建筑工程應用的目的。

4.1 試驗

(1)原材料。水泥：PO 42.5級普通硅酸鹽水泥。粗骨料：天然粗骨料粒徑為5～31.5 mm，表觀密度為2 758 kg/m3;再生粗骨料粒徑為5～31.5 mm，表觀密度為2 432 kg/m3。細骨料：普通天然河砂細度模數2.65，粒徑<5 mm;機制砂細度模數3.10，粒徑<5 mm。金剛砂：粒徑為0～2 mm，表觀密度為3 208 kg/m3。摻合料：I級粉煤灰，細度8.0%；S95等級礦粉，密度為2.9 g/cm3。外加劑：聚羧酸減水劑，減水率24%～26%，含氣量為4.8%。

(2)配合比。本實驗中配合比以C30混凝土為基礎，再生骨料的替代率為30%，金剛砂的摻入量分別為5%、10%、15%、20%。各組試件的配合比設計如表1所示。

表1 各組試件配合比設計(kg/m3)

4.2 抗折試驗設計

(1)試樣是150 mm×150 mm×550 mm的標準小梁試樣，每種配合比制備3個相同的試樣，共18個。本次試驗在MTS微機控制電子壓力試驗機上進行，采用三分點加載方式進行加載，如圖2所示。

圖2 三分點加載方式示意圖

圖3 四點彎曲抗折試驗

將試件從養護室拿出來并用打磨機把與試驗機支座接觸的地方打磨平整和支座對齊，讓試件和支座接觸穩定。先手動調試盡量讓加載點靠近試件，然后再以0.05 MPa/s的加載速度，使試驗機開始工作，如圖3所示。

表2 彎曲抗折強度試驗結果

(2)各組試件實驗結果見表2。從表2可以看到，天然混凝土、再生混凝土與金剛砂改性再生混凝土的破壞過程都是試件純彎段底部最開始出現裂縫，隨著荷載的增大裂縫寬度也增大，在聽見“嘭”的一聲后，試件突然斷裂，此時已達到破壞荷載，具有明顯的脆性破壞特征。

4.3 結果分析

(1)破壞截面分析。根據破壞截面來分析，天然混凝土的破壞界面較為平滑整潔，且在試件純彎段的中線附近，斷面由粗骨料斷面和水泥砂漿斷面共同組成，可以看到內部蜂窩狀的氣孔較少。再生混凝土的破壞界面則較為粗糙和凹凸不平，雖然在純彎段內但是分布在兩邊，這是由于再生混凝土里的粗骨料表面情況比較復雜，存在新舊水泥砂漿界面區導致的不均勻性，內部有空洞。摻入了金剛砂的再生混凝土破壞界面則介于兩者之間，因為金剛砂的加入改善了空洞現象，使得再生混凝土內部分布更均勻一些，如圖4所示。

圖4 RC(左)和SRC(右)斷面

(2)抗折強度分析。根據抗折強度試驗結果分析，摻入30%的再生骨料使混凝土的抗折強度明顯降低，這與文獻的結果一致，降幅為15.6%，原因可能是再生粗骨料孔隙率大、吸水率高，導致與水泥砂漿截面的粘接性較差，所以再生混凝土內部有較多空洞，密實度低，影響了抗折強度。金剛砂混凝土隨著金剛砂摻量的增加抗折強度有不同程度的增強，SRC1、SRC2、SRC3、S4RC較RC的抗折強度分別提高了6.4%、15.7%、19.7%、21.1%；SRC1和SRC2較C的抗折強度分別降低了10.6%和2.9%，SRC3和SRC4較C的抗折強度分別提升了0.5%和1.7%。這說明在合適的金剛砂摻量下，能夠彌補再生骨料帶來的強度缺陷，并且隨著金剛砂摻量的增加，抗折強度也不斷地提升，能達到同等配合比天然混凝土的抗折強度。但是在金剛砂的摻入量高于15%時，抗折強度沒有繼續大幅度的提升，此時明顯已經達到最佳的增益效果(見圖5、圖6)。

圖5 各組試件抗折強度值

圖6 各組試件抗折強度比

由以上論述，可得出以下結論：

(1)再生粗骨料的摻入明顯降低了混凝土的抗折強度。

(2)金剛砂摻入再生混凝土中可以很好地改善因再生混凝土內部新舊砂漿界面區粘結力較弱而產生的空洞現象，從而提升再生混凝土的抗折性能。

(3)當金剛砂替換率為15%的時候，再生混凝土能達到與普通混凝土同等的抗折強度，既能最大程度地回收利用建筑垃圾，也能滿足實際工程的強度需求。