再生粗骨料玄武巖大纖維混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)研究

李曉晶

(山西一建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030012)

0 引 言

近幾十年來(lái)，我國(guó)大規(guī)模城鎮(zhèn)化建設(shè)加劇了對(duì)天然砂石的需求，與此同時(shí)，隨著城市化進(jìn)程步伐的加快，建筑廢棄物也在以驚人的速度增長(zhǎng)[1]。因此，如何節(jié)約天然骨料以及建筑垃圾的資源化利用成為研究者越來(lái)越關(guān)注的課題。很多學(xué)者對(duì)再生混凝土骨料進(jìn)行了大量的研究。朱青龍等[2]采用3 種類型溶液通過化學(xué)試劑浸泡法對(duì)再生混凝土骨料進(jìn)行了改性，從而改善了再生混凝土的各項(xiàng)基本性能。高丹盈和朱倩[3]提出了考慮再生骨料取代率和纖維體積率影響的鋼筋與鋼纖維再生混凝土黏結(jié)-滑移本構(gòu)模型，并對(duì)其黏結(jié)-滑移性能進(jìn)行了研究。陳愛玖等[4]對(duì)預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋再生混凝土梁受彎承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，建立了預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼筋再生混凝土梁的受彎承載力計(jì)算公式。曹萬(wàn)林等[5]對(duì)6根再生混凝土足尺梁進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)750 d 的長(zhǎng)期穩(wěn)定加載，研究了不同骨料取代率對(duì)梁撓度和徐變系數(shù)的影響，并進(jìn)行了非線性擬合分析。摻加纖維可改善混凝土的力學(xué)性能，常用增強(qiáng)纖維包括玄武巖纖維(BF)，BF 是一種由火山噴發(fā)形成的玄武巖礦石經(jīng)高溫熔融、拉絲而成的無(wú)機(jī)纖維材料，其顏色較深，與碳纖維顏色相近。BF 具有良好的物理性能，如耐腐蝕性、耐高溫性以及抗凍性，而且BF 的密度與混凝土密度接近，可以與混凝土更好地結(jié)合，具有良好的應(yīng)用前景。

本文研究了玄武巖大纖維(BMF)體積摻量和再生粗骨料(RCA)取代率對(duì)鋼筋混凝土梁抗彎性能和極限承載力的影響，對(duì)裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展進(jìn)行了觀測(cè)記錄。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1)天然粗骨料(NCA)：為輝長(zhǎng)巖，是一種火成巖，顏色較深；再生粗骨料(RCA)：取自拆除的混凝土結(jié)構(gòu)。2 種粗骨料的粒徑均為5～25 mm，級(jí)配曲線見圖1，技術(shù)性能見表1，可以看出，RCA 的密度較NCA 小，吸水率和壓碎指標(biāo)較NCA 高。

圖1 NCA 和RCA 的級(jí)配曲線

表1 天然粗骨料和再生粗骨料的技術(shù)性能

(2)其他材料：細(xì)度模數(shù)為3.2 的水洗砂；P·O42.5 水泥；自來(lái)水；縱向加固用鋼筋，直徑分別為8、16 mm，力學(xué)性能見表2。

表2 試驗(yàn)用鋼筋的力學(xué)性能

(3)玄武巖大纖維(BMF)：安徽中企新材料有限公司研發(fā)，是由玄武巖石材制成的一種無(wú)腐蝕的離散細(xì)纖維，上面涂有適合混凝土使用的溶液，平均直徑0.65 mm，長(zhǎng)度45 mm，抗拉強(qiáng)度達(dá)1080 MPa，彈性模量為44 GPa。

1.2 混凝土配合比

本試驗(yàn)主要研究RCA 取代率(等質(zhì)量取代NCA)和BMF體積摻量對(duì)普通混凝土梁彎曲性能的影響，RCA 取代率分別為 0、25%、50%、100%，BMF 體積摻量分別為 0、0.5%、1.0%、1.5%，共設(shè)計(jì)16 根試驗(yàn)梁。此外，還進(jìn)行了混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和棱柱體抗彎強(qiáng)度測(cè)試，研究了RCA 取代率和BMF摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的影響。

與NCA 相比，RCA 由于附著舊砂漿具有較高的吸水率，因此，混凝土混合料中游離水含量對(duì)混凝土硬化性能的發(fā)展起著重要的作用。所以，RCA 和NCA 在混合前先用水沖洗并浸泡24 h，然后用濕布將表面水分擦干。主要是為了確保2 種骨料在混凝土攪拌時(shí)都處于飽和面干狀態(tài)。骨料飽和吸水率不包括在水灰比計(jì)算中，目的是為了確保剩余的水量大致相同，并保證水泥顆粒在混凝土混合物中的水化作用。采用直接體積置換(DVR)配合比設(shè)計(jì)方法計(jì)算混凝土配合比，對(duì)于所有混凝土試件，每立方米混凝土中RCA 與NCA 的體積總和保持不變，混凝土配合比如表3 所示。

表3 混凝土配合比

1.3 試件制作

16 根試件梁的尺寸均相同，長(zhǎng)度為2700 mm、有效跨度2300 mm、寬150 mm、高250 mm、箍筋的直徑為8 mm、縱向底部鋼筋的直徑為16 mm、混凝土保護(hù)層厚度為25 mm，試件尺寸及配筋如圖2 所示。試驗(yàn)裝置及LVDT 位移傳感器布置如圖3 所示。對(duì)攪拌后的混凝土進(jìn)行取樣檢測(cè)，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，試件A13 由于攪拌機(jī)故障使得和易性不符合GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》的要求，因此未對(duì)該試件進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。其余所有混凝土試件的和易性均符合GB 50164—2011的要求。

圖2 混凝土梁的尺寸與配筋

圖3 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖及LVDT 布置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 RCA 取代率和BMF 摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響(見表4)

表4 RCA 取代率和BMF 摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表4 可以看出，用RCA 取代NCA 對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響較小，主要是因?yàn)榛炷僚浜媳炔捎昧薉VR 混合設(shè)計(jì)方法。此外，BMF 摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響也較小。

2.2 RCA 取代率和BMF 摻量對(duì)混凝土梁抗彎強(qiáng)度的影響

混凝土梁抗彎強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，采用四點(diǎn)加載試驗(yàn)在彎曲試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果見圖4。

由圖4 可以看出：

圖4 RCA 取代率和BMF 摻量對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度的影響

(1)隨著BMF 摻量的增加，各組混凝土梁的抗彎強(qiáng)度都呈逐漸提高的趨勢(shì)，說明混凝土的抗彎性能有了顯著的改善。由于BMF 作為混凝土梁中的主動(dòng)受力筋，因此，當(dāng)梁中出現(xiàn)微裂縫時(shí)，BMF 可以提供即時(shí)的承載力，從而在一定程度上限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)RCA 取代率為100%時(shí)，BMF 體積摻量為0.5%、1.0%的混凝土梁抗彎強(qiáng)度較未摻加BMF 的混凝土梁分別提高了17.01%、33.78%。當(dāng)RCA 取代率為50%時(shí)，BMF 體積摻量為0.5%、1.0%、1.5%的混凝土梁抗彎強(qiáng)度較未摻加 BMF 的混凝土梁分別提高了 5.9%、25.73%、36.34%。

(2)RCA 取代率對(duì)混凝土梁的抗彎強(qiáng)度影響不大，二者沒有明顯的相關(guān)性。

2.3 試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)及參數(shù)分析

在試驗(yàn)過程中，對(duì)梁逐漸均勻加載，直至試件破壞。對(duì)每根混凝土梁的裂縫發(fā)展進(jìn)行記錄，表5 為各組混凝土梁的開荷載Pc、屈服荷載Py、極限荷載Pu以及開裂彎矩Mc、屈服彎Mcy、極限彎矩Mcu、最大跨中撓度△max和延性系數(shù)(DI)。

表5 各組混凝土梁的參數(shù)

2.3.1 BMF體積摻量對(duì)混凝土梁性能的影響

表5 結(jié)果表明，在混凝土中加入BMF 會(huì)提高混凝土梁的極限抗彎承載力，與未摻纖維的梁相比，BMF 增強(qiáng)混凝土梁具有更高的開裂和極限彎矩。不同BMF 體積摻量梁的延性系數(shù)為2.17～3.62，摻加BMF 可顯著提高試驗(yàn)梁的吸能能力和延性。此外，隨著BMF 纖維體積摻量的增加，混凝土梁在破壞時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的撓度，圖5 對(duì)比了不同BMF 摻量混凝土梁的荷載-撓度、荷載-應(yīng)變曲線。

圖5 不同BMF 摻量混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果

由圖5(a)可見，對(duì)于RCA 取代率為100%的混凝土梁，當(dāng)BMF 體積摻量分別增加到0.5%、1.0%、1.5%時(shí)，梁破壞時(shí)的最大撓度較未摻BMF 纖維的分別增加了11.76%、34.78%、44.44%。由圖5(b)可見，對(duì)于RCA 取代率為0 的混凝土梁，當(dāng)BMF 體積摻量為0.5%時(shí)，梁破壞時(shí)的最大撓度較未摻BMF纖維的增加了16.67%；當(dāng)BMF 的體積摻量進(jìn)一步增加到1.0%時(shí)，梁破壞時(shí)的最大撓度較未摻BMF 纖維的增加了22.22%，主要是因?yàn)樵谄茐钠矫嫔习l(fā)生了裂縫橋接。由圖5(c)可見，對(duì)于RCA 取代率為50%的混凝土梁，摻入BMF 使得混凝土的破壞應(yīng)變?cè)龃?，?dāng)BMF 體積摻量從0 增大到1.5%，梁的破壞應(yīng)變從約 2900 με 增加到約 3700 με。

2.3.2 RCA 取代率對(duì)混凝土梁性能的影響

圖6 對(duì)比了不同RCA 取代率混凝土梁的荷載-撓度、荷載-應(yīng)變曲線。

圖6 不同RCA 取代率混凝土梁的試驗(yàn)結(jié)果

由圖6(a)、(b)可以看出，隨著RCA 取代率的增大，梁的極限抗彎強(qiáng)度和破壞撓度略有減小。當(dāng)RCA 的取代率分別增大到25%、50%和100%時(shí)，梁在破壞時(shí)最大撓度較未摻BMF和RCA 的降低了8.57%、11.43%和14.29%，極限抗彎承載力較未摻BMF 和RCA 的分別降低了8.82%，6.95%和5.18%。摻加0.5%BMF 但RCA 取代率不同的混凝土梁中也能觀察到同樣的結(jié)果。然而，對(duì)于摻加1.0%、1.5%BMF 的混凝土梁，RCA 產(chǎn)生的影響減小，如圖6(c)、(d)所示。可以注意到，用RCA 代替NCA 幾乎不會(huì)對(duì)摻1.0%或更多BMF 的梁在破壞時(shí)的最大撓度產(chǎn)生影響。圖6(e)為不同RCA 取代率下未摻BMF 梁的荷載-應(yīng)變曲線，可以看出，混凝土梁的應(yīng)變與RCA取代率之間沒有明顯的相關(guān)性，增大RCA 的取代率并不影響混凝土梁的壓縮應(yīng)變。之后，通過對(duì)無(wú)纖維梁跨中縱向鋼筋的拉應(yīng)變測(cè)試，研究了不同RCA 取代率對(duì)混凝土梁的影響，由圖6(f)可見，RCA 取代率分別為25%、50%和100%時(shí)，與RCA取代率為0 的混凝土梁相比，其鋼筋的最大拉應(yīng)變分別降低了21.61%、21.5%和37.77%，這表明隨著RCA 取代率的增加，鋼筋應(yīng)變呈下降趨勢(shì)。采用RCA 制備的梁其延性略低，但摻加BMF 后降低了這種影響。

2.3.3 混凝土梁的破壞形態(tài)(見圖7)

圖7 各組混凝土梁的破壞形態(tài)。

由圖7 梁破壞時(shí)的裂縫形態(tài)和分布情況來(lái)看，RCA 梁的裂縫形態(tài)與NCA 梁的裂縫形態(tài)較為相似。對(duì)比A1、A5 與A9的破壞形態(tài)可以看出，BMF 梁的裂縫間距更大，彎曲裂縫更小，這是在由于混凝土中增加BMF 摻量會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力重新分布。

觀察加載過程可以發(fā)現(xiàn)，在靜力荷載作用下，所有試驗(yàn)梁均在純彎段出現(xiàn)第1 次裂縫，在第1 次彎曲裂縫出現(xiàn)之前，試驗(yàn)梁表現(xiàn)出陡峭的線彈性，隨著荷載的增加，彎曲裂縫沿著梁不斷擴(kuò)展，進(jìn)一步向上移動(dòng)，梁的撓度明顯增加，大部分彎曲裂縫垂直延伸，之后開始出現(xiàn)斜彎剪裂縫。隨著荷載的進(jìn)一步增大，縱向鋼筋屈服，最終導(dǎo)致混凝土梁在受壓區(qū)破碎，這也標(biāo)志著梁發(fā)生了破壞。在施加的荷載下降到極限值的80%左右時(shí)，試驗(yàn)停止，記錄下每根梁的破壞模式，可以發(fā)現(xiàn)，跨中撓曲破壞是梁發(fā)生破壞的主要形式。

3 結(jié) 論

(1)由于使用了體積置換法使RCA 和NCA 處于飽和面干狀態(tài)，因此，RCA 取代率對(duì)混凝土的抗壓和抗彎強(qiáng)度的影響很小。

(2)混凝土的抗壓強(qiáng)度受BMF 摻量的影響較小，但抗彎強(qiáng)度隨BMF 摻量的增加而顯著提高。

(3)與未摻BMF 纖維的對(duì)照試件梁相比，摻加BMF 的試件梁抗彎強(qiáng)度顯著提高，梁破壞時(shí)的跨中最大位移增大；由于BMF 對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度的提高作用，BMF 試件梁破壞時(shí)裂縫較對(duì)照試件梁更少。

(4)BMF 試件梁的延性較未摻BMF 纖維的對(duì)照試件梁更高，且隨著纖維摻量的增加，延性改善更明顯。

(5)RCA 取代率對(duì)梁的抗彎強(qiáng)度影響較小；在BMF 摻量較高(1.5%)時(shí)，梁的抗彎強(qiáng)度隨RCA 取代率的增加而降低。