新型火山渣混凝土簡(jiǎn)支梁受彎性能試驗(yàn)研究

劉 卉，查智鵬

(1.長春工程學(xué)院，長春 130012； 2.沈陽建筑大學(xué)，沈陽 110168)

0 引言

2016年9月30號(hào)國務(wù)院辦公廳發(fā)布的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》中指出[1]，推廣綠色節(jié)能結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)任務(wù)之一是開發(fā)應(yīng)用品質(zhì)優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保、功能良好的新型建筑材料，并加快推進(jìn)綠色建材評(píng)價(jià)；強(qiáng)制淘汰不符合節(jié)能環(huán)保要求、質(zhì)量性能差的建筑材料，確保安全、綠色、環(huán)保。由此可見，綠色節(jié)能結(jié)構(gòu)、綠色建材都是未來建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然趨勢(shì)。輕質(zhì)、價(jià)廉、天然、導(dǎo)熱慢的火山渣就是一種安全、綠色、環(huán)保的建筑材料[2]。利用火山渣開發(fā)的新型墻體材料，不僅具有節(jié)能、節(jié)土、利廢的優(yōu)點(diǎn)[3]，而且能減輕結(jié)構(gòu)自重，滿足建筑承載力問題[4]。本文擬通過試驗(yàn)對(duì)火山渣混凝土受彎構(gòu)件的受力機(jī)理和性能做初步分析。

1 材料試驗(yàn)

1.1 火山渣混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

對(duì)C20、C30兩種等級(jí)的火山渣混凝土，采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，測(cè)定軸心抗壓強(qiáng)度(見表1)。試驗(yàn)結(jié)果表明，按此配合比配置的火山渣混凝土，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均能達(dá)到相應(yīng)等級(jí)要求。

1.2 火山渣混凝土彈性模量的試驗(yàn)

制作150×150×300標(biāo)準(zhǔn)試件，加載至0.5fc，然后卸載為0，重復(fù)以上步驟10次，應(yīng)力—應(yīng)變曲線穩(wěn)定成直線，測(cè)得該直線的斜率，即為火山渣混凝土的彈性模量。按以上方法測(cè)定，C20的火山渣混凝土彈性模量為1.1×104MPa，比同等級(jí)普通混凝土低56%。C30的火山渣混凝土彈性模量為1.55×104MPa，比同等級(jí)普通混凝土低48%。試驗(yàn)表明，火山渣混凝土具有較好的變形能力，且其彈性模量隨混凝土等級(jí)的增加而增加；與普通混凝土相比，隨著等級(jí)的增加，彈性模量差逐漸減少。

表1 火山渣混凝土軸心抗壓強(qiáng)度 單位：MPa

2 構(gòu)件試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4個(gè)試件模型，火山渣混凝土梁編號(hào)為HL1、HL2，普通混凝土剪梁編號(hào)為L1、L2，梁跨度為1 500 mm，試件的截面尺寸相同，均為150 mm×300 mm，采用的混凝土度等級(jí)為C30，試驗(yàn)鋼筋均采用HRB335級(jí)。試驗(yàn)試件具體配筋表見表2。

2.2 加載設(shè)備

50 T壓力傳感器，反力架千斤頂，DH3816N型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，百分表，千分表，讀書放大鏡等。

2.3 測(cè)點(diǎn)布置

梁的正截面彎曲試驗(yàn)，需測(cè)量梁跨中截面的混凝土應(yīng)變和跨中撓度。在梁跨中沿高度貼5排應(yīng)變片，在兩端1/3處各貼3個(gè)應(yīng)變片。采用消除支座沉陷的方法在跨中布置一個(gè)百分表，支座兩端各布置一個(gè)百分表來測(cè)量撓度，如圖1。

表2 試件混凝土等級(jí)及配筋情況表

圖1 測(cè)點(diǎn)布置及加載圖

2.4 加載方式

試驗(yàn)梁在反力架上，使用千斤頂加載，配上50 T壓力傳感器與DH3816N型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀控制加荷載值的大小。

2.5 加載方案

1)加載分預(yù)載、正常使用荷載、極限荷載3個(gè)階段：預(yù)加載。預(yù)加載分為3級(jí)進(jìn)行，每級(jí)加載的幅度為正常使用階段荷載的20%，預(yù)加載的上限為開裂荷載的70%(含自重)。本試驗(yàn)每級(jí)荷載為5 kN，每級(jí)持荷10 min。預(yù)加載結(jié)束后，分2級(jí)卸載。

2)正式加載。正常使用荷載之前，每級(jí)加載的荷載為正常使用荷載的20%，一般分5級(jí)；正常使用荷載之后，每級(jí)加載的荷載為正常使用荷載的10%；當(dāng)達(dá)到計(jì)算極限荷載的90%時(shí)，以極限荷載的5%繼續(xù)加載。每級(jí)荷載加完后，持荷15 min[5]。

3 構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 裂縫開展情況

開始加載時(shí)，混凝土梁跨中有向下變形趨勢(shì)，受壓區(qū)應(yīng)變計(jì)讀數(shù)為負(fù)值，受拉區(qū)應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)為正值；繼續(xù)加載撓度變化減小；加載到6級(jí)荷載時(shí)，可聽見聲響，仔細(xì)觀察，下部位置出現(xiàn)細(xì)微裂縫；在正常使用階段，裂縫寬度滿足規(guī)范要求。繼續(xù)加載，撓度變化增大，受壓區(qū)個(gè)別應(yīng)變計(jì)退出工作，斜裂縫加大。加載到最后撓度陡增，千斤頂下方受壓區(qū)邊緣一小塊混凝土鼓起，脫落，裂縫開展較大，多個(gè)應(yīng)變計(jì)退出工作，跨中裂縫開展較大，構(gòu)件達(dá)到承載力極限狀態(tài)。

試件HL1加載值為35 kN時(shí)出現(xiàn)第一批裂縫，試件L1加載值為36 kN時(shí)出現(xiàn)第一批裂縫，火山渣混凝土梁開裂荷載較普通混凝土梁開裂荷載低3%。當(dāng)荷載等級(jí)為16級(jí)時(shí)，加載值為120 kN時(shí)兩組構(gòu)件均達(dá)到極限承載。

3.2 試件撓度對(duì)比分析

從各梁跨中撓度對(duì)比圖可以看出，在梁的彈性工作階段，火山渣混凝土梁荷載撓度曲線略低于普通混凝土梁，表明火山渣混凝土梁的彈性模量小(如圖2)，但在正常使用階段，兩者的變形都沒有超過規(guī)范規(guī)定的容許值，說明梁的剛度能滿足結(jié)構(gòu)變形要求，見表3。

圖2 火山渣混凝土梁、普通混凝土梁梁荷載撓度對(duì)比圖

試件撓度f/mmf =1 500200=7.5 mmHL14.16f

3.3 跨中截面應(yīng)力分析

試驗(yàn)對(duì)火山渣混凝土梁采集了跨中截面的5個(gè)不同高度處的應(yīng)力。結(jié)果表明，應(yīng)力發(fā)展過程與普通混凝土梁基本一致。在未開裂階段，混凝土的應(yīng)力分布圖為三角形，變形的變化規(guī)律符合平截面假定。在開裂以后至鋼筋屈服前，受拉區(qū)混凝土退出工作，受壓區(qū)混凝土塑性變形表現(xiàn)得明顯，但應(yīng)變變化規(guī)律仍然符合平截面假定。破壞階段的極限壓應(yīng)變?yōu)?.00 339，和普通混凝土的極限壓應(yīng)變相同。具體應(yīng)力變形曲線如圖3。數(shù)據(jù)分析表明，火山渣混凝土簡(jiǎn)支梁的承載力計(jì)算可以使用普通混凝土簡(jiǎn)支梁的計(jì)算公式。

圖3 各級(jí)荷載作用下梁跨中截面應(yīng)變圖

4 結(jié)語

1)火山渣混凝土的彈性模量低于普通混凝土的彈性模量，且隨著強(qiáng)度等級(jí)的提高而提高。

2)較普通鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，火山渣混凝土簡(jiǎn)支梁的開裂荷載略低，但是在正常使用階段，可以滿足裂縫要求。極限承載力和普通鋼筋混凝土梁相同。

3)火山渣混凝土梁荷載撓度略大，但在正常使用階段，變形沒有超過規(guī)范規(guī)定的容許值，說明其剛度能滿足結(jié)構(gòu)變形要求。

4)跨中截面應(yīng)變符合平截面假定。承載力計(jì)算方法可使用普通混凝土簡(jiǎn)支梁的計(jì)算公式。