機(jī)制砂再生粗骨料混凝土配筋梁正截面抗裂試驗(yàn)研究

趙順波，邵文靜，李長(zhǎng)永

(華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045)

將廢棄的混凝土經(jīng)過(guò)破碎、清理、篩分后制成級(jí)配合理的再生骨料，可全部或部分代替天然骨料而配制成新型的混凝土.再生骨料混凝土的工程應(yīng)用，一方面可以減少砂石的大量開(kāi)采，降低資源的損耗，緩解天然骨料的供需矛盾;另一方面還能減輕大量廢棄混凝土堆積對(duì)環(huán)境造成的污染，其所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益是非常顯著的［1］.

目前，機(jī)制砂作為天然河沙的合理替代資源，已經(jīng)被深入研究，機(jī)制砂、機(jī)制砂混凝土的物理力學(xué)性能已基本上被掌握［2－5］.同時(shí)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)再生混凝土梁的正截面抗裂性能進(jìn)行了一些研究［6－10］，但均沒(méi)有給出相應(yīng)的計(jì)算公式.筆者通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了一批再生混凝土梁的正截面的開(kāi)裂彎矩，通過(guò)與普通混凝土梁開(kāi)裂彎矩計(jì)算公式的對(duì)比分析，提出了再生混凝土梁的正截面開(kāi)裂彎矩計(jì)算的建議.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥:采用焦作“堅(jiān)固”牌P·O 52.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥.細(xì)骨料:機(jī)制砂，粗砂，細(xì)度模數(shù)3.131，吸水率0.901%.再生骨料:來(lái)源于土木交通科學(xué)研究中心廢棄的混凝土構(gòu)件，經(jīng)人工破碎為混凝土塊后由顎式破碎機(jī)再次破碎，篩分為5～10 mm，10～20 mm，20～26.5 mm單粒級(jí)，然后按4∶3∶3 的比例混合為連續(xù)級(jí)配的再生粗骨料，實(shí)測(cè)表觀密度為2 650 kg/m3，緊密堆積密度為1 460 kg/m3，1 h 吸水率為4.55%，壓碎指標(biāo)為24.8%.外加劑:高效減水劑.縱向受拉鋼筋采用HRB335 熱軋帶肋鋼筋，架立筋和箍筋分別采用直徑為10 mm 和8 mm 的HPB235 光圓鋼筋.縱向受拉鋼筋的實(shí)測(cè)拉伸力學(xué)性能見(jiàn)表1.

表1 鋼筋的力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了14 根機(jī)制砂再生粗骨料混凝土矩形截面梁，截面寬度為150 mm、高度為400 mm、長(zhǎng)度為3.5 m、跨度為3.2 m.按普通混凝土受彎承載力計(jì)算方法在適筋破壞配筋率范圍內(nèi)配置受拉鋼筋的原則，保護(hù)層厚度取25 mm.試驗(yàn)梁以再生混凝土強(qiáng)度和縱筋配筋率為變化參數(shù)，實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2.

試驗(yàn)梁兩端簡(jiǎn)支，加載方式采用兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)集中同步分級(jí)加載方式，支座中心到兩端距離150 mm，在跨中形成1.5 m 的純彎段.按照混凝土結(jié)構(gòu)靜載加載方法，通過(guò)放大鏡、40 倍讀數(shù)顯微鏡以及實(shí)測(cè)跨中撓度值的變化來(lái)綜合確定開(kāi)裂荷載值.①在加載過(guò)程中第一次出現(xiàn)裂縫時(shí)，取前一級(jí)荷載值為開(kāi)裂荷載的實(shí)測(cè)值;②在規(guī)定的荷載持續(xù)時(shí)間內(nèi)第一次出現(xiàn)裂縫時(shí)，取本級(jí)荷載值與前一級(jí)荷載值的平均值為實(shí)測(cè)開(kāi)裂荷載值;③在規(guī)定的荷載持續(xù)時(shí)間內(nèi)第一次出現(xiàn)裂縫時(shí)，取本級(jí)荷載值為開(kāi)裂荷載的實(shí)測(cè)值.試驗(yàn)梁的截面尺寸和混凝土強(qiáng)度的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，其中試驗(yàn)梁編號(hào)RC4－0.41－1 為再生骨料混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)為C40，配筋率0.41%;RC4－3.47鋼筋為雙層布置，其他鋼筋為單層布置.

表2 試驗(yàn)梁截面、配筋和混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 正截面開(kāi)裂彎矩影響因素分析

鋼筋混凝土正截面開(kāi)裂彎矩Mcr的計(jì)算式［11］為

式中:γm為截面抵抗矩塑性系數(shù);ft為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;W0為換算截面對(duì)受拉邊緣的彈性抵抗距.從而，可換算出試驗(yàn)梁的γm，0值:

圖1 繪出了試驗(yàn)梁γm，0值隨配筋率和混凝土強(qiáng)度的變化情況.

圖1 試驗(yàn)梁γm，0隨配筋率和混凝土強(qiáng)度的變化情況

可見(jiàn)再生混凝土梁的截面抵抗矩塑性系數(shù)隨著混凝土抗拉強(qiáng)度的提高而增大，說(shuō)明梁的抗裂性能與混凝土強(qiáng)度有直接的關(guān)系.RC－0.41，RC－0.93，RC－1.40，RC－1.81，RC－3.47 5 組梁，除了縱筋配筋率，其他條件基本相同，隨著配筋率的增加，再生混凝土梁的開(kāi)裂彎矩有增大趨勢(shì).縱筋配筋率對(duì)開(kāi)裂彎矩的影響是通過(guò)換算截面來(lái)反映的，配筋率越大，換算截面越大.

2.2 正截面開(kāi)裂彎矩計(jì)算分析

截面抵抗矩塑性系數(shù)γm，是考慮開(kāi)裂極限狀態(tài)時(shí)受拉區(qū)混凝土塑性特征對(duì)截面抗裂能力提高作用的影響系數(shù)，是按截面應(yīng)力分布圖形所得基本值γ0(矩形截面γ0=1.55)與考慮截面高度對(duì)截面受拉區(qū)混凝土塑性發(fā)展程度影響的系數(shù)γh的乘積，即γm=γ0γh，γm的大小主要取決于γh的值，而各規(guī)范對(duì)系數(shù)γh的計(jì)算方法不盡相同，表達(dá)式為:

此外，考慮縱向配筋和混凝土保護(hù)層厚度影響的γm的計(jì)算表達(dá)式［12］為

式(3)—(6)中，h 的單位為mm.式(3)中，當(dāng)h＜400 mm 時(shí)，取h=400 mm;當(dāng)h＞1 600 mm 時(shí)，取h=1 600 mm.式(4)—(5)中，當(dāng)h＜750 mm 時(shí)，取h=750 mm;h＞3 000 mm 時(shí)，取h=3 000 mm.式(6)中，γh=0.73+50/h，h＜50 mm 時(shí)，取h=50 mm;h＞2 000 mm 時(shí)，取h=2 000 mm;γcρ=1.2－(0.042c/d)+5ρ，當(dāng)c/d＞5 或ρ＜0.2%時(shí)，取γcρ=1.0;當(dāng)ρ＞2%時(shí)，取ρ=2%.

14 根試驗(yàn)梁抗裂彎矩實(shí)測(cè)結(jié)果與按式(1)，(3);(1)，(4);(1)，(5);(1)，(6)計(jì)算的結(jié)果比較見(jiàn)表3.可以看出，按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件計(jì)算公式得到的再生混凝土梁正截面開(kāi)裂彎矩均大于實(shí)測(cè)值約20%.

表3 實(shí)測(cè)開(kāi)裂彎矩與計(jì)算值的對(duì)比

應(yīng)用其他研究者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)［6－7］來(lái)驗(yàn)證開(kāi)裂彎矩計(jì)算公式的適用性(再生粗骨料取代率為100%)，計(jì)算得這些梁的正截面開(kāi)裂彎矩.將試驗(yàn)值與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表4 并如圖2 所示.

表4 其他試驗(yàn)實(shí)測(cè)開(kāi)裂彎矩與計(jì)算值的對(duì)比結(jié)果

圖2 實(shí)測(cè)Mcr，0與規(guī)范計(jì)算值的比較

由表4 及圖2 可以看出，再生混凝土梁正截面開(kāi)裂彎矩的實(shí)測(cè)值絕大部分小于規(guī)范計(jì)算值，該結(jié)果與再生粗骨料混凝土抗拉強(qiáng)度低于同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土的抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果是一致的.如果仍然用普通混凝土開(kāi)裂彎矩的計(jì)算公式將偏于不安全，必須對(duì)再生混凝土梁的正截面開(kāi)裂彎矩的計(jì)算公式加以修正.考慮到再生粗骨料鋼筋混凝土梁試驗(yàn)梁高變化較小，建議比照各計(jì)算公式，分別乘以各自的比值平均值進(jìn)行折減.

3 結(jié)語(yǔ)

混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)梁的開(kāi)裂彎矩具有重要影響，開(kāi)裂彎矩隨抗拉強(qiáng)度的提高而增大.隨著配筋率的增大，梁的開(kāi)裂彎矩有增大的趨勢(shì)，鋼筋有利于梁的正截面受拉區(qū)混凝土塑性的發(fā)展.機(jī)制砂再生粗骨料混凝土配筋梁的開(kāi)裂荷載試驗(yàn)值小于按現(xiàn)行規(guī)范和統(tǒng)計(jì)公式的計(jì)算值，建議分別按試驗(yàn)所得的試驗(yàn)值與計(jì)算所得的平均值作為折減系數(shù)加以修正.

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