輕質混凝土裝配式建筑結構梁力學性能試驗分析

崔 強 （安徽省蒙城建筑工業中等專業學校，安徽 亳州 233500）

1 引言

因此，本研究以C40 混凝土配合比為基礎，采用輕質陶粒或泡沫材料替代普通粗骨料，得到C40 輕質混凝土配合比，并制作了陶粒混凝土梁和泡沫混凝土梁。此外，通過三點彎曲試驗，進一步探討了輕質混凝土梁和普通混凝土梁在正常使用條件下的力學性能。本文的研究成果將有助于進一步了解輕質混凝土的力學性能，促進輕質混凝土的結構應用。

2 試驗方法及材料

2.1 試驗材料

在實驗過程中，采用52.5R 水泥制作輕質混凝土，礦粉采用活性指數大于95%的S95 礦渣粉，細骨料采用粒徑小于2.36mm 的河砂，粗骨料采用體積密度為1520kg/cm3、粒徑小于15mm 的碎石。此外，還采用了密度為618kg/m3、強度為1.8MPa、粒徑為8～15mm 的陶粒和高效水泥泡沫劑。本文中，試件縱向受力鋼筋和箍筋的類型分別為HRB500 和HPB300。這些鋼筋的力學性能如表1所示。

表1 鋼筋的力學性能（單位：MPa）

根據規范要求[3]，設定混凝土強度為C40，標準試件的28d 抗壓強度不低于 40.00MPa，抗折強度不低于4.40MPa。經過各種試驗和測試，制備了28d抗壓強度為41.00MPa、抗折強度為6.62MPa 的輕質陶粒混凝土，以及28d 抗壓強度為41.40MPa、抗折強度為12.97MPa 的泡沫混凝土。混凝土混合比如表2 所示。普通混凝土、泡沐混凝土和陶粒混凝土的密度分別為2480kg/m3、1900kg/m3和2000kg/m3。與普通混凝土的密度相比，這兩種輕質混凝土的密度分別降低了23.4%和19.4%。

表2 混凝土配合比（單位：kg）

2.2 試驗設計

考慮到T 型梁具有較高的抗彎和抗剪能力，試驗梁的截面設計為T 型截面。實驗中共設計制作了5 個簡支梁構件，包括1 個素混凝土梁-C、2 個陶粒混凝土梁-CC1 和CC2（CC1 和CC2 為平行樣品）以及2 個泡沫混凝土梁-FC1 和FC2（FC1 和FC2 為平行樣品）。由于跨中彎矩在整個梁中是最大的，拉伸區的混凝土裂縫在整個梁中是最嚴重的，速度也是最快的，且由于連接在中跨上的應變片容易斷裂，因此將其粘在右邊1/4的梁上。

設定混凝土保護層的厚度為30mm。根據規范標準要求，受拉鋼筋的最小配筋率為0.2%，受壓鋼筋的配筋率不應該超過2.5%。在本文中，拉伸鋼筋的配筋率為1.9%，壓縮鋼筋的配筋率為0.4%。梁的測量點和配筋見圖1。

圖1 梁測量點的布置和鋼筋位置

3 試驗現象

泡沫混凝土和普通混凝土在整個荷載下的變形特性相似。當荷載達到約100kN 時，在梁中附近的區域發現1～3條垂直裂縫。隨著載荷的增加，垂直裂紋繼續增加并沿高度方向延伸，中性軸向上移動[4]。隨著載荷的繼續，梁的兩端開始出現單個斜裂紋，梁的撓度顯著增加。繼續增加荷載時，梁兩端的裂紋數量呈上升趨勢。當陶粒混凝土梁加載到80kN時，跨度中間出現第一個垂直裂縫，并聽到混凝土裂縫的“咔噠”聲。隨著連續荷載，可以發現裂縫數量多于普通混凝土梁，裂縫發展更快。重新加載時，沿支撐到加載點的斜裂紋逐漸形成。如圖2 所示，當載荷達到約225kN 時，試樣突然斷裂，表現出明顯的剪切脆性破壞特征。

圖2 陶粒混凝土梁的破壞

4 試驗結果

4.1 荷載-撓度

圖3為試件的荷載-撓度曲線。可以發現，在加載的初始階段，各混凝土梁的撓度隨著荷載的增加而線性增加。隨著荷載的增加，梁逐漸開裂，素混凝土和泡沐混凝土的荷載撓度曲線逐漸偏離直線，梁的剛度下降。陶粒混凝土兩根梁的荷載撓度數據是不連續的，強度明顯低于普通混凝土。由于陶粒的密度（約600kg/cm3）比水泥漿的密度（約1500kg/cm3）小得多，陶粒在混凝土凝固過程中容易上浮，導致陶粒在混凝土中分布不均勻。且混凝土中陶粒的不均勻分布、陶粒強度的離散性以及陶粒界面結合的復雜性和隨機性，都可能導致CC1和CC2載荷撓度數據的明顯差異。

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圖3 試樣荷載-撓度曲線

4.2 梁變形計算

在荷載作用下，梁構件的截面彎矩沿軸線變化，相應截面的平均剛度或曲率變化復雜，這是準確計算鋼筋混凝土構件變形的主要原因。梁的變形計算主要采用直接雙線性法、有效慣性法、曲率積分法等。例如，《混凝土結構設計》（GB 50010-2002）采用了直接雙線性方法來計算允許裂縫構件的短期剛度。本文考慮到鋼筋混凝土梁的非線性變形，采用虛擬工作原理來計算撓度。

4.2.1 虛功原理假設

①平均應變分布符合平面截面假設，即截面的平均應變沿高度線性分布。

②縱向張拉鋼筋和混凝土之間沒有粘結滑移。縱向鋼筋的應力-應變采用理想的彈塑性模型，表達式為：

式中，σs是鋼筋應力；Es是鋼筋彈性模量；εy是鋼筋屈服應變；fy是鋼筋屈服強度的設計值。

③參考相關規范選擇普通混凝土、陶粒混凝土和泡沫混凝土的本構模型，不考慮混凝土的拉伸效果。普通混凝土本構模型采用我國相關標準推薦的公式，其表述為：

式中，σc是混凝土應力；fc是混凝土抗壓強度的設計值；ε0是混凝土抗壓應力達到fc時的混凝土抗壓應變；εcu是正截面混凝土的極限抗壓應變；n是系數。本文中，C40 混凝土的ε0、εcu和n分別為0.002、0.0033和2.0。

將公式（1）和公式（2）相結合，可得到虛功原理公式：

式中，Δ 是撓度；M是虛擬梁上單位荷載的彎矩；Mp是截面的彎矩；E 是鋼筋混凝土的彈性模量；I是截面的有效慣性矩。

從公式（1）、公式（2）中可以得到曲率與彎矩的關系，然后根據公式（3）中的虛功原理計算梁的撓度。其中，具體參數為M=200kPa，Mp=100、200kPa，E=49kPa，I=2.6m4。因此，本文基于虛功原理將具體參數代入到公式（3）中計算各梁的理論撓度。計算結果如表3 所示。

表3 理論撓度（單位：mm）

由表3 可知，經虛功原理計算得到的撓度值與實測撓度值存在一定偏差，但泡沐混凝土誤差值較小，陶粒混凝土誤差值偏大。主要原因為泡沐混凝土在外荷載作用下可吸收一定能量，減少撓度的變化，而陶粒混凝土由于陶粒硬度較大，在外荷載作用下，容易發生脆性破壞，因此導致理論撓度與實測撓度存在一定偏差，但誤差值在合理范圍內。進一步說明本文通過虛功原理計算得到的撓度值是切實可行的。

4.2.2 應變沿截面高度變化

為了進一步驗證陶粒混凝土是否滿足虛功原理假設，本試驗利用粘貼在陶粒混凝土梁側面的應變計測量了梁在不同荷載作用下的混凝土應變，從而得到截面的平均應變分布曲線。從曲線中可以找到符合普通截面假設的程度。圖4為陶粒混凝土截面的應變分布，其中150kN 處的應變點和47mm 的截面高度由于應變計的故障而無法收集數據。此外，本文的數據采用虛線連接。在較低載荷（50kN，100kN）下，梁橫截面的應變分布在彈性階段基本上是直的。隨著載荷的增加，當荷載達到150kN 時，截面應變開始偏離直線。截面應變遠離直線。同時可以觀察截面越高，應力越大，隨著截面高度降低，應變逐漸減少，說明陶粒的摻入可以有效降低混凝土應力，減少混凝土梁在荷載作用下的損傷。

圖4 陶粒混凝土應變沿截面高度分布

4.3 彎曲剛度

從圖5 中可以看出，隨著荷載的增加，泡沫混凝土和普通混凝土的彎曲剛度逐漸降低。由于陶粒強度不均勻、陶粒在梁中的分布不均勻、以及陶粒界面和膠體材料組合的復雜性和隨機性，陶粒混凝土梁具有相對較大的離散性。因此，其彎曲剛度隨著載荷的增加而波動很大。通過陶粒混凝土梁的剛度趨勢線，可以較好地觀察到剛度的整體變化趨勢，說明隨著荷載的增加，剛度的整體趨勢是下降的。陶粒混凝土梁的撓度在100kN 時迅速下降，剛度也直線下降。原因是陶粒混凝土在預載時有一些輕微的裂縫。在整個使用期內，泡沫混凝土的彎曲剛度會隨著載荷的增加而降低。當梁達到正常使用極限時，泡沫混凝土梁的彎曲剛度變化約為10%，其密度比普通混凝土輕約23.4%，證明它是一種非常好的輕質混凝土。而陶粒混凝土的材料特性和不均勻分布對試驗結果有較大影響，因此需要進一步研究。

圖5 彎曲剛度

4.4 失效分析

延展性常被用來表示結構抵抗非彈性行為的能力。基于以往的文獻，有多種計算模型用于計算位移延性系數。Park 模式是計算延性系數的常用模型，它是失效點位移與屈服點位移的比率。通過參考Park 模型和梁的服役極限要求，本文將位移系數（μ）定義為梁的服役位移值（Δu）與相應的等效彈塑性屈服點位移（Δy）的比率，如公式（4）所示。為了比較輕質混凝土梁和普通混凝土梁的延性，相對延性比ur被進一步定義為公式（5）。

式中，μl和μp分別代表輕質混凝土梁和普通混凝土梁的延性系數。

將混凝土梁相關參數（μl=4.6，μp=5.7）代入公式（5）中，即可得到這兩種輕質混凝土梁的相對延性比的平均值結果，如表4 所示。與素混凝土梁相比，泡沫混凝土梁的延性是素混凝土梁延性的1.13 倍，表明泡沫混凝土梁具有較高的延性。但是，陶粒混凝土梁的延性略低于素混凝土梁，這說明用陶粒代替粗骨料會降低梁的質量，但會導致梁的延性降低。在實驗中，泡沫混凝土梁由于撓度達到使用極限而失效，而陶粒混凝土梁隨著剪切裂縫的發展突然斷裂。陶粒混凝土在225kN 時遭受脆性剪切破壞，表明其承載能力明顯低于普通混凝土。普通混凝土中粗骨料的強度高于水泥基石和粗骨料之間的界面強度，所以混凝土的破壞一般從界面開始。但是，陶粒的強度相對低于水泥基石和界面的強度，所以陶粒混凝土梁的破壞是由陶粒混凝土梁的粗集料開裂引起的，直到穿透整個斜截面。這些現象與其他學者提出的觀點一致，即骨料強度是影響輕集料混凝土強度的主要因素。

表4 輕質梁的實驗結果

5 結論

本文基于C40 混凝土配合比，用輕質陶粒和泡沫代替高強度混凝土的粗骨料，得到輕質混凝土的配合比。之后，制造輕質混凝土梁并進行三點彎曲測試。通過實驗分析，可以從本研究結果中得出以下結論。

①C40 泡沫混凝土梁的力學性能與普通混凝土梁相似。與普通混凝土梁相比，泡沫混凝土的密度降低了23.4%。此外，泡沫混凝土的延性和韌性分別提高了13%和3%。

②C40 陶粒混凝土梁的力學性能具有較大的離散性。這可能是由于陶粒的強度離散性、陶粒體在混凝土梁中的分布不均勻以及陶粒界面與膠體組合的復雜性和隨機性造成的。因此，在后續的研究和設計中應高度重視上述兩點內容。