輕質(zhì)混凝土裝配式建筑結(jié)構(gòu)梁力學(xué)性能試驗(yàn)分析

崔 強(qiáng) （安徽省蒙城建筑工業(yè)中等專(zhuān)業(yè)學(xué)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(chǔ)，采用輕質(zhì)陶?；蚺菽牧咸娲胀ù止橇?，得到C40 輕質(zhì)混凝土配合比，并制作了陶?；炷亮汉团菽炷亮骸４送?，通過(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，進(jìn)一步探討了輕質(zhì)混凝土梁和普通混凝土梁在正常使用條件下的力學(xué)性能。本文的研究成果將有助于進(jìn)一步了解輕質(zhì)混凝土的力學(xué)性能，促進(jìn)輕質(zhì)混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

2 試驗(yàn)方法及材料

2.1 試驗(yàn)材料

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用52.5R 水泥制作輕質(zhì)混凝土，礦粉采用活性指數(shù)大于95%的S95 礦渣粉，細(xì)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(qiáng)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(lèi)型分別為HRB500 和HPB300。這些鋼筋的力學(xué)性能如表1所示。

表1 鋼筋的力學(xué)性能（單位：MPa）

根據(jù)規(guī)范要求[3]，設(shè)定混凝土強(qiáng)度為C40，標(biāo)準(zhǔn)試件的28d 抗壓強(qiáng)度不低于 40.00MPa，抗折強(qiáng)度不低于4.40MPa。經(jīng)過(guò)各種試驗(yàn)和測(cè)試，制備了28d抗壓強(qiáng)度為41.00MPa、抗折強(qiáng)度為6.62MPa 的輕質(zhì)陶?；炷?，以及28d 抗壓強(qiáng)度為41.40MPa、抗折強(qiáng)度為12.97MPa 的泡沫混凝土?；炷粱旌媳热绫? 所示。普通混凝土、泡沐混凝土和陶?；炷恋拿芏确謩e為2480kg/m3、1900kg/m3和2000kg/m3。與普通混凝土的密度相比，這兩種輕質(zhì)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(yàn)設(shè)計(jì)

考慮到T 型梁具有較高的抗彎和抗剪能力，試驗(yàn)梁的截面設(shè)計(jì)為T(mén) 型截面。實(shí)驗(yàn)中共設(shè)計(jì)制作了5 個(gè)簡(jiǎn)支梁構(gòu)件，包括1 個(gè)素混凝土梁-C、2 個(gè)陶?；炷亮?CC1 和CC2（CC1 和CC2 為平行樣品）以及2 個(gè)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(gè)梁中是最大的，拉伸區(qū)的混凝土裂縫在整個(gè)梁中是最嚴(yán)重的，速度也是最快的，且由于連接在中跨上的應(yīng)變片容易斷裂，因此將其粘在右邊1/4的梁上。

設(shè)定混凝土保護(hù)層的厚度為30mm。根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)該超過(guò)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(cè)量點(diǎn)和配筋見(jiàn)圖1。

圖1 梁測(cè)量點(diǎn)的布置和鋼筋位置

3 試驗(yàn)現(xiàn)象

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

圖2 陶?；炷亮旱钠茐?/p>

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 荷載-撓度

圖3為試件的荷載-撓度曲線(xiàn)?？梢园l(fā)現(xiàn)，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(xiàn)性增加。隨著荷載的增加，梁逐漸開(kāi)裂，素混凝土和泡沐混凝土的荷載撓度曲線(xiàn)逐漸偏離直線(xiàn)，梁的剛度下降。陶?；炷羶筛旱暮奢d撓度數(shù)據(jù)是不連續(xù)的，強(qiáng)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(guò)程中容易上浮，導(dǎo)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(qiáng)度的離散性以及陶粒界面結(jié)合的復(fù)雜性和隨機(jī)性，都可能導(dǎo)致CC1和CC2載荷撓度數(shù)據(jù)的明顯差異。

服務(wù)人群：全球物理、生命、健康和人文科學(xué)領(lǐng)域研究人員，企業(yè)的R&D部門(mén)成員，高校教師、學(xué)生，情報(bào)人員，其他知識(shí)服務(wù)商，政府機(jī)構(gòu)與投資機(jī)構(gòu)

圖3 試樣荷載-撓度曲線(xiàn)

4.2 梁變形計(jì)算

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

4.2.1 虛功原理假設(shè)

①平均應(yīng)變分布符合平面截面假設(shè)，即截面的平均應(yīng)變沿高度線(xiàn)性分布。

②縱向張拉鋼筋和混凝土之間沒(méi)有粘結(jié)滑移。縱向鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變采用理想的彈塑性模型，表達(dá)式為：

式中，σs是鋼筋應(yīng)力；Es是鋼筋彈性模量；εy是鋼筋屈服應(yīng)變；fy是鋼筋屈服強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值。

③參考相關(guān)規(guī)范選擇普通混凝土、陶粒混凝土和泡沫混凝土的本構(gòu)模型，不考慮混凝土的拉伸效果。普通混凝土本構(gòu)模型采用我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦的公式，其表述為：

式中，σc是混凝土應(yīng)力；fc是混凝土抗壓強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值；ε0是混凝土抗壓應(yīng)力達(dá)到fc時(shí)的混凝土抗壓應(yīng)變；εcu是正截面混凝土的極限抗壓應(yīng)變；n是系數(shù)。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(jié)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(guān)系，然后根據(jù)公式（3）中的虛功原理計(jì)算梁的撓度。其中，具體參數(shù)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(shù)代入到公式（3）中計(jì)算各梁的理論撓度。計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 理論撓度（單位：mm）

由表3 可知，經(jīng)虛功原理計(jì)算得到的撓度值與實(shí)測(cè)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?yàn)榕葶寤炷猎谕夂奢d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(fā)生脆性破壞，因此導(dǎo)致理論撓度與實(shí)測(cè)撓度存在一定偏差，但誤差值在合理范圍內(nèi)。進(jìn)一步說(shuō)明本文通過(guò)虛功原理計(jì)算得到的撓度值是切實(shí)可行的。

4.2.2 應(yīng)變沿截面高度變化

為了進(jìn)一步驗(yàn)證陶粒混凝土是否滿(mǎn)足虛功原理假設(shè)，本試驗(yàn)利用粘貼在陶?；炷亮簜?cè)面的應(yīng)變計(jì)測(cè)量了梁在不同荷載作用下的混凝土應(yīng)變，從而得到截面的平均應(yīng)變分布曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)中可以找到符合普通截面假設(shè)的程度。圖4為陶?；炷两孛娴膽?yīng)變分布，其中150kN 處的應(yīng)變點(diǎn)和47mm 的截面高度由于應(yīng)變計(jì)的故障而無(wú)法收集數(shù)據(jù)。此外，本文的數(shù)據(jù)采用虛線(xiàn)連接。在較低載荷（50kN，100kN）下，梁橫截面的應(yīng)變分布在彈性階段基本上是直的。隨著載荷的增加，當(dāng)荷載達(dá)到150kN 時(shí)，截面應(yīng)變開(kāi)始偏離直線(xiàn)。截面應(yīng)變遠(yuǎn)離直線(xiàn)。同時(shí)可以觀察截面越高，應(yīng)力越大，隨著截面高度降低，應(yīng)變逐漸減少，說(shuō)明陶粒的摻入可以有效降低混凝土應(yīng)力，減少混凝土梁在荷載作用下的損傷。

圖4 陶?；炷翍?yīng)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(qiáng)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(fù)雜性和隨機(jī)性，陶?；炷亮壕哂邢鄬?duì)較大的離散性。因此，其彎曲剛度隨著載荷的增加而波動(dòng)很大。通過(guò)陶粒混凝土梁的剛度趨勢(shì)線(xiàn)，可以較好地觀察到剛度的整體變化趨勢(shì)，說(shuō)明隨著荷載的增加，剛度的整體趨勢(shì)是下降的。陶?；炷亮旱膿隙仍?00kN 時(shí)迅速下降，剛度也直線(xiàn)下降。原因是陶?；炷猎陬A(yù)載時(shí)有一些輕微的裂縫。在整個(gè)使用期內(nèi)，泡沫混凝土的彎曲剛度會(huì)隨著載荷的增加而降低。當(dāng)梁達(dá)到正常使用極限時(shí)，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(zhì)混凝土。而陶?；炷恋牟牧咸匦院筒痪鶆蚍植紝?duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，因此需要進(jìn)一步研究。

圖5 彎曲剛度

4.4 失效分析

延展性常被用來(lái)表示結(jié)構(gòu)抵抗非彈性行為的能力?；谝酝奈墨I(xiàn)，有多種計(jì)算模型用于計(jì)算位移延性系數(shù)。Park 模式是計(jì)算延性系數(shù)的常用模型，它是失效點(diǎn)位移與屈服點(diǎn)位移的比率。通過(guò)參考Park 模型和梁的服役極限要求，本文將位移系數(shù)（μ）定義為梁的服役位移值（Δu）與相應(yīng)的等效彈塑性屈服點(diǎn)位移（Δy）的比率，如公式（4）所示。為了比較輕質(zhì)混凝土梁和普通混凝土梁的延性，相對(duì)延性比ur被進(jìn)一步定義為公式（5）。

式中，μl和μp分別代表輕質(zhì)混凝土梁和普通混凝土梁的延性系數(shù)。

將混凝土梁相關(guān)參數(shù)（μl=4.6，μp=5.7）代入公式（5）中，即可得到這兩種輕質(zhì)混凝土梁的相對(duì)延性比的平均值結(jié)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?；炷亮旱难有月缘陀谒鼗炷亮?，這說(shuō)明用陶粒代替粗骨料會(huì)降低梁的質(zhì)量，但會(huì)導(dǎo)致梁的延性降低。在實(shí)驗(yàn)中，泡沫混凝土梁由于撓度達(dá)到使用極限而失效，而陶?；炷亮弘S著剪切裂縫的發(fā)展突然斷裂。陶?；炷猎?25kN 時(shí)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(qiáng)度高于水泥基石和粗骨料之間的界面強(qiáng)度，所以混凝土的破壞一般從界面開(kāi)始。但是，陶粒的強(qiáng)度相對(duì)低于水泥基石和界面的強(qiáng)度，所以陶?；炷亮旱钠茐氖怯商樟；炷亮旱拇旨祥_(kāi)裂引起的，直到穿透整個(gè)斜截面。這些現(xiàn)象與其他學(xué)者提出的觀點(diǎn)一致，即骨料強(qiáng)度是影響輕集料混凝土強(qiáng)度的主要因素。

表4 輕質(zhì)梁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本文基于C40 混凝土配合比，用輕質(zhì)陶粒和泡沫代替高強(qiáng)度混凝土的粗骨料，得到輕質(zhì)混凝土的配合比。之后，制造輕質(zhì)混凝土梁并進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，可以從本研究結(jié)果中得出以下結(jié)論。

①C40 泡沫混凝土梁的力學(xué)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?；炷亮旱牧W(xué)性能具有較大的離散性。這可能是由于陶粒的強(qiáng)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(fù)雜性和隨機(jī)性造成的。因此，在后續(xù)的研究和設(shè)計(jì)中應(yīng)高度重視上述兩點(diǎn)內(nèi)容。