竹筋、機制砂混凝土梁抗彎性能試驗研究★

王楊君，何 瑾，張津津，李 博

(1.浙江交工國際工程有限公司，浙江 杭州 311103；2.溫州大學建筑工程系，浙江 溫州 325035； 3.溫州市韌性城市生命線工程智慧防護技術研究中心，浙江 溫州 325035)

1 概述

鋼筋混凝土結構因為其優越的性能和相對低廉的價格，被廣泛地應用于土木工程領域。然而，若河砂和鋼筋在施工中被廣泛地使用，將大量的消耗不可再生資源，同時會產生一系列的環境問題。基于此，國內外眾多學者們一直都在尋求經濟且環境友好的鋼筋、河砂代替材料[1-4]。竹筋作為可再生資源，以其優越的抗拉性能備受關注；天然砂的供需矛盾，機制砂作為天然砂的替代品應運而生。

竹材纖維結構致密，它既能承受拉伸，又能承受壓縮載荷。19世紀初,Chow[5]最先提出將竹材應用于混凝土中。李海濤等[6]系統介紹了原生竹材在巖土工程、道路工程、水利工程、橋梁工程、建筑工程等領域的應用情況。Dey等[7]測試發現竹子的平均抗拉強度為250 N/mm2，能達到鋼筋抗拉強度的50%～75%，但是其強度質量比卻是傳統鋼筋的6倍，竹子具有足夠的強度特性，且既能承受拉伸，又能承受壓縮荷載，非常適合工程用途。竹子的一個主要缺點是它在用混凝土加固時的吸水性。未經處理的竹子因吸水而產生的尺寸變化會導致養護混凝土出現微觀甚至宏觀裂縫，竹子的膨脹將混凝土推開，在養護期過后，竹子失去水分，幾乎收縮回原來的尺寸，在其周圍留下空隙。除了原竹的吸水性外，混凝土基體的堿性環境也會加速竹纖維的化學分解[8-11]。因此，若竹筋應用于混凝土構件，首先需要解決竹筋的防水與防腐問題。鄒立華等[12]提出了多種竹筋的改性方法，以解決由于竹筋材料性能與鋼筋差異較大引起的竹筋混凝土結構問題。

同時，基礎設施的進一步發展和社會環境保護意識的加強,天然砂愈發緊缺，機制砂的使用已成為必然趨勢。王稷良[13]從粒形、級配、顆粒含量等方面將機制砂與天然砂進行了對比研究，發現機制砂與天然砂有較多相似之處。Chaparro等[14]確定了天然河流和人造砂中的微量礦物和主要礦物，結果表明，機制砂可作為傳統河砂的合適替代品。Yang等[15]通過X射線和電鏡掃描，研究了機制砂石粉含量對混凝土水化產物和微觀結構的影響。謝開仲等[16]對不同顆粒級配機制砂混凝土分別開展了強度試驗,并與天然砂混凝土進行對比，發現當機制砂細度模數為2.90左右時,機制砂混凝土力學性能數值達到峰值,且最大值高于天然砂混凝土。劉凱等[17]論述了武漢某超高層混凝土工程項目中機制砂混凝土的制備與應用，證實機制砂可以滿足現場施工作業的需求。

然而，以往的研究均單一集中在竹筋混凝土或機制砂混凝土構件，尚未有研究涉及竹筋、機制砂混凝土的協同工作性能和實際工程的可行性。在交通土建工程中，特別是偏遠山區，項目周邊往往分布較為廣泛的巖石、竹材資源，所以河砂、鋼筋的匱乏顯得尤其突出，需采用較長運距的運輸。如果能就地取材，以機制砂代替河砂、竹筋取代鋼筋，運用到一些臨時性梁板構件中，可以大幅地降低工程成本，且很好地保障工程的進度。本文將利用混凝土梁抗彎測試系統，通過開展竹筋、機制砂混凝土梁靜載試驗研究，揭示不同配筋率、機制砂摻入量，混凝土梁的受力規律，對比普通鋼筋混凝土梁力學性能，為工程應用提供設計施工依據。

2 材料力學性能

竹材選用浙江溫州產3年期毛竹,本品種毛竹具有良好的機械和物理性能，在我國分布極為廣泛，經自然風干后水的質量分數在25%左右。取5組長度330 mm、厚度5 mm、兩端寬度10 mm、中部變寬的竹筋試件，測定其各項力學性能。竹筋試件和竹筋抗拉試驗見圖1，表1。

表1 竹筋抗拉試驗

竹筋在拉伸試驗過程中，荷載曲線無明顯的屈服點，加載初期應力應變成線性關系。隨著荷載的增加，內層的竹黃先受拉斷裂，緊接著中層竹黃和竹青被相繼拉斷，荷載-時間曲線在加載試驗后期出現震蕩區(見圖2)。竹筋的拉斷過程近似于脆性材料，在計算竹筋抗拉強度設計值時，參照無明顯屈服點鋼筋的計算方法：條件屈服點取殘余應變為0.2%時，即f0.2=(0.8～0.9)fst=0.8×220.56=176.45 MPa為竹筋抗拉強度標準值，為滿足安全儲備及不可控誤差，取安全系數0.8，得竹筋抗拉強度設計值140 MPa。

細骨料選用天然河砂及石灰巖機制砂，測得河砂細度模數為2.94，機制砂的細度模數為2.58，兩者均屬于2區中砂，顆粒粒徑級配曲線見圖3。選取粒徑5 mm～15 mm的石灰石碎石作為粗骨料，普通硅酸鹽水泥采用325標號，質量配合比為水泥∶砂子∶石子∶水=1∶2.643∶4.454∶0.711。

制作一批150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方體試塊，經標準養護28 d后測得其立方體抗壓強度，對比不同機制砂摻量對混凝土強度的影響。當機制砂摻入量小于50%時，混凝土的流動性、黏聚性、保水性等性能良好，當機制砂摻入量大于50%時，需額外加入用水量以保持混凝土的流動性。

3 試驗方案

3.1 試件制備

試件為矩形截面的簡支梁，橫截面尺寸寬120 mm，高150 mm，保護層厚度5 mm,梁長度為1 500 mm。為了更好地比較普通鋼筋混凝土梁構件與竹筋混凝土構件的受彎性能，試件箍筋仍采用直徑為6 mm的 HPB300 鋼筋，竹筋用作縱向上部架立筋和下部受力筋。竹筋為長條形，橫截面尺寸為厚5 mm，寬10 mm，長度1 450 mm。在竹筋兩端30 cm 刻槽糙化處理以增大竹筋與混凝土的機械咬合力，中點兩側各粘貼一片應變片，隨后整根竹筋噴兩遍生漆，起到防水防腐效果。

參考《混凝土結構設計規范》計算BC梁的配筋率。從竹筋拉伸試驗可知，竹筋在拉伸過程中無明顯屈服點，試驗梁的界限受壓高度可按下式計算：

(1)

其中，Fy為竹筋的抗拉強度;εcu為混凝土的極限壓應變;ES為竹筋的抗拉彈性模量。

最大配筋率:

(2)

最小配筋率:

(3)

其中，fc為混凝土的軸心抗壓強度;ft為混凝土軸心抗拉強度設計值。

故取最小配筋率ρmin=0.41%。

根據計算結果設計竹筋籠,布筋方式見圖4。

為確保振搗的充實,分三層將混凝土澆筑在模具內,完成竹筋混凝土梁的澆筑。隨著機制砂摻入量的增加,石粉含量增大,需較設計配合比額外加入用水量,以保證混凝土的工作性。澆筑了8組不同配筋率、機制砂摻入量的試驗梁,詳見表2。

表2 試件參數

3.2 測試方法

如圖5所示,對試件進行三點彎曲試驗,試驗支座間距1.2 m,采用跨中一點,分級加載的方式,每級加載2 kN,直至試件破壞失效,跨中設位移計監測撓度。沿試件跨中截面高度,均勻布置3片混凝土應變片,在底部跨中位置布置1片混凝土應變片。后將試件一側面刷白并畫上間距30 mm的網格線,以觀察裂縫發展情況。加載過程的荷載、位移、應變等數據通過靜態數據采集儀實時采集。

4 試驗結果與分析

4.1 裂縫發展情況

鋼筋混凝土梁(Reinforced Concrete,以下簡稱RC梁)與竹筋混凝土梁(Bamboo Reinforced Concrete,以下簡稱BC梁)的裂縫發展情況存在一定差別。各試驗梁的主要裂縫均集中在跨中加載點附近。在達到開裂荷載后,一開始就出現較大寬度的裂縫并迅速發展至截面中心位置。這是因為相較于鋼筋,竹筋的彈性模量較小,屬于脆性材料,當混凝土梁開裂進入帶裂縫工作階段后,全部應力由竹筋承擔。隨著荷載的增加,裂縫寬度逐漸增大,當增加到一定值時,竹筋被拉斷,構件破壞,其過程與鋼筋混凝土梁的少筋破壞相似。BC梁破壞特征表現為:破壞過程裂縫發展迅速,寬度較大,數量較少。不同的配筋率裂縫發展情況差異較明顯:配筋率越高,試件初始裂縫寬度越小,裂縫發展速度也越慢。同時可以發現機制砂梁(Crushed Sand,以下簡稱CS梁)的初始裂縫寬度稍大于普通砂梁(Natural Sand,以下簡稱NS梁),且隨著機制砂摻入量增大,最終裂縫寬度亦有增大的趨勢。這可能是因為機制砂的摻入需要更多配比的用水量,原配比的用水量不足導致的(見圖6)。

4.2 承載能力分析

各規格試驗梁按式(4)，式(5)計算承載力(自重影響較小,忽略不計)。

跨中彎矩設計值:

(4)

跨中荷載設計值:

(5)

將各參數代入上述公式,計算結果見表3。

表3 試件開裂荷載和極限荷載

試驗結果表明,CS梁和NS梁的開裂荷載均為3 kN左右,該值主要取決于混凝土的抗拉強度和截面形式[18]。配筋率對極限承載力影響明顯,隨著配筋率提高,BC梁的極限承載力相應地增大。試驗所測得的極限抗彎承載力均小于理論設計值,且與理論計算值相差較大,兩者間存在約為0.6的折減系數。比較NS梁極限荷載實測值與理論計算值的比值,發現該值隨著配筋數量的增加有增大的趨勢,說明配筋數量的增加可促進竹筋與混凝土的黏結性,可以提高強度的實現率;對比不同機制砂摻量的CS梁,其極限荷載實測值與理論計算值的比值均要大于NS梁,這可能是由于機制砂顆粒棱角分明,機制砂骨料的片狀、針狀顆粒增加了混凝土骨料與竹筋的機械咬合力。但是在100%機制砂摻量的試驗梁中,該比值卻是相同配筋率梁中最小的,這可能是因為過多摻量的機制砂帶入了部分石粉,增加了混凝土的需水量,減少了混凝土顆粒與竹筋之間黏結能力,使兩者之間產生了滑移。適量的機制砂摻入量可以改善竹筋與混凝土的黏結性能,提高BC梁的抗彎性能;機制砂過量摻入反而會降低BC梁的抗彎性能。

4.3 荷載與撓度關系

試件開裂前,對比不同機制砂摻量的4號～8號試驗梁,荷載-撓度曲線出現了2種不同于天然砂梁的線型。易發現4號試驗梁的抗彎剛度要大于8號試驗梁,卻小于5號～7號試驗梁。這可能是因為機制砂的表面較為粗糙,使骨料之間結合更加緊密,從而間接提高了混凝土抵抗變形的能力,但是大比例的機制砂摻量,會帶入過量的石粉影響其抗彎剛度,同時也造成原配比用水量偏少,機制砂會與水泥爭奪水量,從而最終導致抗彎剛度有所下降。反觀不同配筋率的普通砂混凝土梁,配筋率的大小對構件截面開裂荷載影響并不明顯,其在混凝土開裂前的撓度變化情況基本相同,這印證了混凝土構件的抗彎剛度主要由構件截面形式和混凝土強度等級決定。

在試件開裂后,區別于RC梁荷載-撓度曲線會出現一個荷載增量不大,跨中撓度卻持續增大的屈服平臺,BC梁的荷載-撓度曲線變化仍然呈線性關系直至破壞。在下部受拉區混凝土開裂后,荷載主要由竹筋承擔,故不同機制砂摻量的試驗梁表現出相似的抗彎性能;不同配筋率的試驗梁,其抗彎性能與配筋率具有正相關性,配筋率越大,構件瞬間撓度越小,撓度增長也越慢(見圖7)。

4.4 應變分析

如圖8所示,各組混凝土的應變均基本呈線性分布,同一試件的應變關于中性軸對稱,與普通RC梁無差異性,不同CS梁的截面平均應變符合平截面假定,抗拉剛度性能大小排序與抗彎剛度一致。當混凝土開裂后,混凝土的應變與竹筋的應變差值迅速擴大,隨著裂縫進一步擴大,應變片被破壞,混凝土應變無法繼續監測。

取所有竹筋應變的均值作為試驗梁竹筋的應變。試驗梁開裂前,竹筋與混凝土協同工作共同承擔荷載,竹筋應變較小,應變與荷載呈線性增長趨勢。隨著荷載的增加,試驗梁出現裂縫,竹筋的應變在開裂瞬間出現一次突變,且應變增幅明顯。不同位置竹筋的應變相差較大,最大應變多出現在下層竹筋,竹筋從此處開始發生斷裂。但也有最大應變出現在上層內側竹筋,這可能是由于試件縮尺效應,截面尺寸較小,從而導致竹筋周邊混凝土包裹不充分、厚度不夠,最終造成了上層竹筋應變大于下層竹筋的現象。

5 結論

對比鋼筋混凝土梁的破壞試驗,分析試驗梁的承載能力、撓度、應變等抗彎性能指標得出以下結論:

1)竹筋的力學性能優越,具有很高的強重比;竹筋、機制砂混凝土構件可以承受較大荷載,滿足現場臨時性構件使用要求。2)在抵抗裂縫發展與承載能力方面,RC梁與BC梁具有一定差異性,普通RC梁的設計計算方法不完全適用于BC梁,建議在實際應用中,可按RC梁承載力計算方法乘以0.6的折減系數來設計BC梁。3)配筋率對混凝土梁的開裂荷載影響不大,該值由截面形式及混凝土性能確定。4)機制砂混凝土與天然混凝土的力學性能相似,適當摻入量的機制砂,可以增加竹筋與混凝土的黏結性能、增大混凝土的強度和剛度,當配筋率為2.22%、機制砂摻入比例為66.7%時,其工作性能最佳。