張曉磊，施小明

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封 475003）

0 引言

再生混凝土是指將廢棄的混凝土塊經(jīng)過破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合，部分或全部代替沙石等天然集料 （主要是粗集料），再加入水泥、水等配制成的新混凝土［1］。再生混凝土應(yīng)用于工程實踐，既可以減少建筑垃圾排放量，減少建筑垃圾對環(huán)境的污染，節(jié)約建筑垃圾處理費用，又可以節(jié)省建筑原材料的消耗，保護了人類的生存環(huán)境，因而具有良好的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)保效益。目前，國內(nèi)外眾多學者偏重于再生混凝土的材料性能的研究，而對再生混凝土用于構(gòu)件方面的研究還比較少，尤其是對再生混凝土梁抗剪性能的研究更少。筆者通過試驗，對再生混凝土梁抗剪問題做了一些初步研究。

1 再生混凝土試驗設(shè)計

1．1 混凝土配合比

本試驗所用混凝土粗骨料由再生粗骨料和天然粗骨料組成。再生粗骨料是人工破碎的試驗室廢棄混凝土（經(jīng)回彈儀檢測，廢棄混凝土的強度為20～40 MPa）， 粒徑為 5～20 mm； 天然粗骨料為 5～20 mm的碎石。細骨料均為天然河沙?？紤]到再生骨料吸水率高的問題［2］，再生混凝土梁澆筑時，加入0．4%的減水劑。本試驗混凝土采用的配合比如表1所示。

表1 再生混凝土1 m3配合比Table 1 Mixture proportions of recycled concrete 1 m3

1．2 試件設(shè)計

試驗考慮的主要參數(shù)是剪跨比和再生粗骨料取代率，因此，共制作13根梁（分為LC和LR兩個系列，LC系列是普通混凝土梁，LR系列是再生混凝土梁），梁的截面積為 150 mm×300 mm（寬×高），長度分為2 400 mm和2 000 mm兩種。每根試驗梁澆筑時，預(yù)留6個150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊，用于檢測混凝土的抗壓強度和劈拉強度。所有試驗梁都采用相同配筋 （如圖1所示），縱筋配筋率2．49%，縱向鋼筋為HRB335級熱軋鋼筋，直徑為25 mm，fyk＝357 MPa，fstk＝537 MPa。

圖1 梁配筋示意圖（單位：mm）Fig.1 Reinforced bar of beam(Unit:mm)

1．3 加載裝置及測試內(nèi)容

試驗采用兩點對稱集中加載，加載裝置如圖2所示。正式加載前，先進行預(yù)加載，以確定各測量儀表的工作狀態(tài)是否正常。從開始加載到試件破壞，大約需要進行10到15級荷載，每級荷載為估計承載力的1／10，每級荷載穩(wěn)定3 min后再讀數(shù)。在臨界斜裂縫產(chǎn)生后，適當降低加載等級，以便較為準確地判斷極限承載力。當荷載接近極限時，連續(xù)加載至破壞。試驗過程中，利用數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)測讀，并自動記錄試驗梁上施加的荷載值、鋼筋應(yīng)變值、混凝土應(yīng)變值；利用手持應(yīng)變儀測出跨中混凝土應(yīng)變值；利用各測點布置的百分表測出各測點撓度值，并由裂縫觀測儀測讀裂縫寬度值、記錄下裂縫的開展情況。

圖2 試驗梁的加載裝置圖Fig.2 Loading set-up of test beam

2 試驗結(jié)果及現(xiàn)象分析

2．1 試驗梁裂縫分析

通過觀察裂縫出現(xiàn)的時間順序、開展形態(tài)和速度等，可以大致判斷出構(gòu)件的受力情況。試驗觀察到的裂縫按成因可以分為彎曲裂縫、彎剪斜裂縫、腹剪斜裂縫。就裂縫類型而言，再生混凝土梁與普通混凝土梁并沒有本質(zhì)區(qū)別。但是，在相同荷載下，再生混凝土梁斜裂縫的寬度要比普通混凝土梁的稍大。

2．2 試驗梁破壞形態(tài)

試件破壞形態(tài)包括斜壓破壞、剪壓破壞和斜拉破壞。本試驗部分試驗梁的破壞形態(tài)如圖3所示。

圖3 部分試驗梁的破壞形態(tài)Fig.3 Failure mode of partial test beams

2．2．1 斜壓破壞

對再生混凝土試件，剪跨比λ＝1時，構(gòu)件發(fā)生斜壓破壞。此時，加載點與支座之間形成一斜向受壓的“短柱”。梁表面破壞時，產(chǎn)生多條大體平行的斜裂縫。梁腹發(fā)生類似于柱受壓的側(cè)向膨出，有很高的承載力。本次試驗中，LR－1．0－1的破壞形態(tài)為斜壓破壞。

2．2．2 剪壓破壞

剪跨比為 1．5≤λ≤2．5時，梁發(fā)生剪壓破壞。 在這種破壞形態(tài)中，隨著荷載的增加，彎剪斜裂縫或腹剪斜裂縫中有一條形成臨界斜裂縫，向梁頂發(fā)展。當達到破壞荷載時，在剪應(yīng)力和壓應(yīng)力共同作用下，斜裂縫頂端的混凝土被壓碎而破壞。剪壓破壞的特點是，破壞過程比斜拉破壞過程緩慢一些，破壞時的荷載明顯高于斜裂縫出現(xiàn)時的荷載。本次試驗中，梁LR－2．5－1、LC－2．5－0、LR－2．0－1、LC－2．0－0、LC－1．5－0、LR－1．5－0．3、LR－1．5－0．5、LR－1．5－0．7、LR－1．5－1等的破壞都可歸為剪壓破壞。

2．2．3 斜拉破壞

剪跨比λ＝3．0時，梁發(fā)生斜拉破壞。這種破壞的特點是，斜裂縫一旦出現(xiàn)，便很快延伸到梁頂，把梁拉裂成兩部分，即破壞與臨界斜裂縫的出現(xiàn)幾乎同時發(fā)生。斜拉破壞的原因是，混凝土余留截面上剪應(yīng)力的上升使截面上主拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強度。 本次試驗中，梁 LR－3．0－1、LC－3．0－0 屬于斜拉破壞。

2．3 試驗數(shù)據(jù)匯總

試驗中，試驗梁的實際尺寸、試塊的抗壓強度和劈拉強度、試件的開裂荷載以及極限荷載等試驗數(shù)據(jù)匯總結(jié)果如表2所示。

表2 再生混凝土梁與普通混凝土梁主要試驗結(jié)果Table 2 Main test results of recycled concrete beam and ordinary one

表3 再生混凝土梁與普通混凝土梁抗剪承載力比較Table 3 Shear capacity comparison of recycled concrete beam and ordinary one

3 再生混凝土梁抗剪承載力計算方法

3．1 抗剪承載力數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗結(jié)果，再生混凝土梁的破壞形態(tài)與普通混凝土梁相似，其梁抗剪承載力比普通混凝土有所降低，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

3．2 抗剪承載力公式擬合

在集中荷載作用下，普通鋼筋混凝土梁的抗剪承載力計算公式［3］為

式中：Vc為斜截面混凝土抗剪承載力，N；λ為剪跨比；ft為混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值，N／mm2；b為構(gòu)件截面寬度，mm；b為構(gòu)件截面有效高度，mm。

再生混凝土梁的抗剪承載力有所下降，即存在一個折減系數(shù)Ψ，因此，把式（1）改造為式（2）。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，計算出Ψ值，并且取下限，如表4所示。將承載力折減系數(shù)與再生骨料取代率擬合曲線，如圖4。

表4 不同再生骨料取代率折減系數(shù)計算值Table 4 Calculation data of different recycled coarse aggregate replacement ratio reduction factor

圖4 抗剪承載力折減系數(shù)與再生骨料取代率關(guān)系Fig.4 Relations of shear capacity reduction factor and recycled coarse aggregate replacement ratio

從圖4可以看出，當再生骨料取代率為30%和50%時，再生混凝土梁抗剪承載力和普通混凝土梁差別并不明顯；當取代率達到100%時，抗剪承載力下降明顯，承載力折減系數(shù)與再生骨料取代率近似呈線性關(guān)系。經(jīng)擬合，Ψ＝1.0591-0.021r。r為再生骨料的取代率，%。

把Ψ值代入式（2）可得到式（3）所示的再生混凝土梁抗剪承載力計算公式。

3．3 公式的應(yīng)用及分析

把公式（3）計算的結(jié)果與試驗值進行對比，如表5所示。

表5 計算值與試驗值比較Table 5 Comparison of calculation data and test data

由表5可以看出，試驗值與計算值的比值的平均值2．05，偏于保守。其原因是，規(guī)范中構(gòu)件的抗剪承載力公式是按下限得到，折減系數(shù)Ψ取的也是下限值。該計算結(jié)果適合于工程應(yīng)用，符合工程設(shè)計中“強剪弱彎”的原則。

4 結(jié)語

通過對普通混凝土梁與再生混凝土梁在集中荷載作用下抗剪承載力的對比試驗研究可以得出如下主要結(jié)論。

（1）再生混凝土梁與普通混凝土梁的破壞形式差別不大。梁的破壞主要與剪跨比有關(guān)，剪跨比λ＝1時，發(fā)生斜壓破壞；1．5≤λ≤2．5 時， 發(fā)生剪壓破壞；λ≥3．0時，發(fā)生斜拉破壞。再生混凝土梁的抗剪承載力隨著剪跨比的增大而減小。

（2）再生混凝土梁的抗剪承載力隨著再生骨料的取代率增加而減小，抗剪承載力與再生骨料取代率近似于線性關(guān)系。

（3）根據(jù)試驗結(jié)果，回歸出了再生混凝土梁抗剪承載力的計算公式。

［1］肖建莊．再生混凝土［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：4．

［2］史巍、侯景鵬．再生混凝土技術(shù)及其配合比設(shè)計方法［J］．建筑技術(shù)開發(fā)，2001，28（8）：18-20.

［3］ GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.中國建筑工業(yè)出版社，2010：56－57.