再生混凝土叠合板受弯力学性能试验.pdf

2 0 1 2年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI N A C O N C R E T E A N D C E ME N T P R O D U C T S 2 0l 2 No 6 J u n e 再生混凝土叠合板受弯力学性能试验 朱永 明 ， 高 ( 1 上 海城 建物 资公 司 ， 2 0 0 0 6 2 ； 2 歌 ， 肖建庄 同济大学建筑工程系 ， 上海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要 ： 设计 了3块再 生混凝土叠合板 ， 配筋率分别 为 O 5 、 1 O 、 1 5 ， 预 制部 分采用普通混凝土 ， 叠合 部分采 用 1 0 0 再生粗骨料取 代率的再生混凝土 ， 叠合 面采用人 工粗糙 面。另外设计 了 1块整浇板 ， 全部采用 1 0 0 再生粗 骨料取代 率的再生混凝土 ， 以进行对 比试验 。 通过 受弯性 能试 验 ， 得到 了挠度和裂缝发展 规律以及破 坏特征 。 试验结 果表 明， 再生混凝 土叠合板 的受弯力学性 能和普通 混凝 土板 受弯性 能接近 ， 其极 限承载力可采 用普通混凝 土叠合 板 的计 算方法进行 计算。-3配筋率不低 于 1 时， 采 用再 生混凝土的弹性模 量， 按现有规 范短期刚度公式计算的挠度 乘 以 0 9的修 正 系数 后 仍 适 用 于再 生 混 凝 土 叠 合 板 。 关键词 ： 再生混凝土 ； 叠合板 ； 受弯性能 ； 刚度 ； 裂缝 Ab s t r a c t ：Th r e e r e c y c l e d c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b s w i t h r e i n f o r c e me n t r a t i o s o f 0 5 1 O 1 5 a r e r e s p e c t i v e l y d e s i g n e d T h e p r e f a b ri c a t e d p a r t i s p o u r e d b y c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e w h i l e t h e c a s t - i n - p l a c e p a rt u s e s r e c y c l e d c o n c r e t e wi t h 1 0 0 r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e s I n o r d e r t o c o mp a r e t h e e x p e ri me n t r e s u h s w i t h t h e c o n v e n t i o n a l c o n c r e t e s l a b ，a u n i t y r e c y c l e d c o n c r e t e s l a b wi t h 1 0 0 r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e s i s a l s o d e s i g n e d T h e mi d p o i n t d e fl e c t i o n s ，d i s t ri b u t i o n o f t h e c r a c k s a n d f a i l u r e c h a r a c t e r i s ti c s h a v e b e e n o b t a i n e d t h r o u g h t h e b e n d i n g p e r f o r ma n c e t e s t 1 1 1 e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e c y c l e d c o n c r e t e c o mpo s i t e s l a bs be h a v e s i mi l a r l y as t h e o r d i na r y c o n c r e t e s l a b s ，t he t h e o ry a nd d e s i g n me t ho d s a p p l i e d t o t h e o r d i n a r y c o n c r e t e s l a b s c a n a l s o b e s u i t a b l e t o t h e r e c y c l e d c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b s I f t h e r e i n f o r c e me n t r a t i o i s n o t l e s s t h a n 1 ，u s i n g t h e e l a s t i c mo d u l u s o f r e c y c l e d c o n c r e t e ， t h e d e f l e c t i o n c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t o t h e GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2 c a n s t i l l b e a p p l i e d t o t h e r e c y c l e d c o n c r e t e c o mp o s i t e s l a b s a f t e r mo d i f i e d b y a f a c t o r 0 9 Ke y wo r d s ：Re c y c l e d c o n c r e t e ；C o mp o s i t e s l a b s ； B e n d i n g p e r f o rm a n c e ； S t i f f n e s s ； C r a c k s 中 图 分 类 号 ： TU5 2 5 文献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 2) 0 6 4 9 0 4 0前 言 建筑业 的蓬勃发展产生 了大量 的建筑废弃物 ， 其中废混凝土约占 4 0 ，据估计 ， 2 0 0 9年我国废弃 混凝土总量达到 1 5亿 t l1 J 。如此大量的废混凝土不 仅 处 理 费 用 昂贵 ，而 且 导 致 相 关 的环 境 及 社 会 问 题 。对 大 量废 混凝 土进 行循 环再 生利 用是 解决 废 混 凝土问题最有效的措施 。再生混凝土是指利用废混 凝土破碎加工而成的再生集料 ， 部分或全部代替天 然集料配制成的新混凝土。再生粗集料取代率是指 再生粗集料 ( 5 4 0 mm) 占粗集料总质量的百分率 I 】 。 再 生 混凝 土 在 德 国 、 日本等 发 达 国 家 已经 进 入 实用 阶段 ， 其 研 究 已有 初 步成 果 ； 在 国 内还处 于试 验 、 谨 慎使用 的初步阶段 。再生混凝土是一门新技术 ， 虽 然 目前其应用 范围还 主要 在道路基层等非承重构 件上 ，但 因其 环境 友好 型和资源节约型材料 的特 点 ， 有着广阔的应用前景。 混凝土叠合结构是在混凝 土预制构件上加浇 一 层现浇混凝土而形成 的一种装配式整体结构 ( 欧 美称组合结构 c o m p o s i t e s t r u c t u r e ) 。整浇式钢筋混 凝土结 构整体性好 、 刚度 大 ， 但有很 多缺点 ， 如 费 工 、 费模板 、 施工周期长 、 现场湿作业多 、 不利于环 保等。装配式结构可使建筑构件工业化 ， 制造不受 季节 限制 ， 能加快施工进度 ， 同时提高构件质量 ， 节 约模板和支撑 ；但这种结构 的缺点是整体性差 、 不 利于抗震等。叠合结构克服了整浇式混凝土结构和 装 配式结构各 自的缺点 ， 兼有二者 的优点 ， 因而在 工程上获得广泛应用 2 1 。如果能将再 生混凝土应用 于叠 合结 构 ，必将 大大拓宽再生混凝土 的应用范 围。以往的再生混凝土的研究集 中在材料性能上 ， 对 再 生 混凝 土 构件 力 学性 能 的研 究 较少 ， 而对 再 生 混凝土叠合板未见试验先例。为了拓宽再生混凝土 的应用范围， 本文对再生混凝土叠合板 的受弯力学 性能进行试验研究 ， 得到的数据和结论可为再生混 凝土应用于叠合结构提供参考和依据。 1 试验 概况 1 1 试 件设计 与 制作 本次试验共设计三块叠合板和一块整浇板。板 长 2 6 8 0 m m，有 效 长 度 2 4 8 0 m m；板 宽 1 0 0 0 m m， 高 49 2 0 1 2年第 6期 混凝 土与 水泥 制品 总第 1 9 4期 1 6 0 mm， 其中预制部分高 7 5 ra m， 叠合部分高 8 5 ra m。 表2 混凝土和钢筋实测强度 试件具体信息见表 1 ， 配筋见图 1 图 3 。 表 1 试 件一 览表 B l一 6 0l 2 S F 一2 1 2 01 2 S F 一 2 ， RS F l l O 01 6 S F 一3 图 1 板 平 面 图 2 68 O 图 2板 A A断面图 _ _ J A N2 图 3板 B - B断 面图 试 验用 混凝 土 强度 等级 为 C 3 5 ，再 生混 凝 土 的 再生粗骨料取代率均为 1 0 0 ， 配合 比为水泥 ： 水 ： 砂 ： 粗骨料= l ： 0 5 5 ： 2 0 3 ： 3 3 1 ； 普通混凝土配合 比为 水泥 ： 水 ： 砂 ： 粗骨料= 1 ： 0 6 0 ： 2 5 8 ： 3 7 1 。本次试验所 有 试件 均 在 上海 城 建 物资 公 司下 沙 预 制场 制 作 ， 试 件浇筑时， 同期制作混凝土立方体试块 。实测混凝 土及钢 筋强 度见 表 2 。 因现场试验室条件所限 ， 无法测量混凝土抗拉 强度 、 弹性模量等值 ， 普通混凝土抗拉强度 、 弹性模 量和钢筋弹性模量按规范取值 ， 分别为混凝 土抗拉 一 5 0 一 强度 = 2 2 MP a ， 混凝土弹性模量 E= 3 1 5 G P a ， 和钢 筋 弹性模 量 E = 2 0 0 G P a 3 1 。再生 混凝 土 抗拉 强 度 、 弹 性模量取值采用 肖建庄提出的建议值 ， 分别 为再生 混 凝 土抗 拉 强度 = 1 9 3 MP a ， 再 生混 凝 土 弹性 模 量 Ec =1 6 5GP a t 。 1 2 加载方案及数据采集 试 件跨 中和 1 4跨位 置 以及 支 座位 置布 置 位移 计 以观测 试件 的变 形情 况 ；受 拉 主筋跨 中和 1 4跨 位置 粘贴 应 变 片 ， 以观 测 钢筋 应 力 发展 情 况 。试 件 加载采用 l O O t 千斤顶分级加载 ， 采用分配梁进行三 分点对称加载 ，以实现跨 中纯弯段 ，板纯 弯段 长 6 0 0 mm。 所有试验数据均由计算机 自动采集 。 本次试 验不考虑叠合构件的二次受力 。 2试验 结 果及分 析 2 1 试 验过 程 叠 合 板 受 弯 荷 载 位 移 曲线 表 现 为 三 直 线 段 形 状 ， 相应的从加载直至破坏其力学行为可分为三阶 段 。刚加 载荷 载较小 时 ， 混 凝 土未 开裂 ， 整个 试件 处 于弹性阶段 ， 荷 载和位移成正 比， 因混凝土的抗拉 强度很低 ， 这过程很短 ， 荷载位移曲线为一很短斜 率较陡的直线 ； 继续加载 ， 下部混凝土开裂后退出 工 作 ， 拉 力全 部 由钢 筋 承担 ， 试 件 刚度 降 低 ， 挠 度增 长 速 度 加 快 ， 钢 筋 应 力 达 到 屈 服 强 度 之 前 ， 钢 筋 处 于弹性 阶段 ， 因此整个试件 的荷载和挠度仍成正 比 关系 ，荷载位移 曲线为一 比之前斜率更大的直线 ； 加载至钢筋屈服后 ，钢筋应力不变而应变不 断增 长 ， 试 件 荷 载基 本 不 变 而变 形 迅 速 发展 ， 直 至 上 部 混 凝 土被 压 碎或 产 生过 大 变形 而 破坏 ， 荷 载位 移 曲 线为一大致水平的直线 。本次试验配筋全部在适筋 范 围内， 未产生少筋和超筋 的脆性破坏 。各试件荷 载位移曲线见图 4 。 2 2 裂缝 发展 分布 裂缝 发展 的大致 规 律 为 ： 第一 条 裂 缝 产生 于 纯 弯 区或弯剪区偏近荷载作用点位置 ， 之后无论纯弯 区还是弯剪区 ， 裂缝发展产生速度均较快。继续加 载一段时期后 ， 裂缝发展产生速度变缓 ， 在纯弯 区 形 成 大致 平行 数 条 主裂 缝 ， 主裂 缝 基 本 垂 直 于 试件 朱永明 ， 高歌 ， 肖建庄 再生混凝土叠合板受弯力学性能试验 板 跨 中挠 度 ram 图 4各试件荷载一 位移 曲线 轴线 ， 分布较 为均匀。邻近屈服荷载时 ， 开始在主裂 缝 周 围 出现 平 行 裂 缝 或 水 平 、 斜 向分 叉 ， 此 时 主 裂 缝均越过 了叠合面。钢筋屈服后 ， 试件挠度迅速增 加 ， 裂缝无论长度 、 宽度均迅速发展 ， 纯弯区有新裂 缝产生 ， 平行裂缝或水平 、 斜向分又大量 出现。各试 件 裂缝 分布 图见 图 5 。 2 3 破坏 特征 试件的破坏特征表现为两种 ： ( 1 )配筋率较低 的试件 ，如 S F 一 1和 S F 一 2板因配筋率低延性好 ， 表 现为变形过大而破坏。试验终止时 ， 试件的挠度很 大 、 裂 缝 很宽 ， 上 部 混凝 土未 被 压 碎 ， 继续 加 载 变形 仍能发展 。( 2 ) 配筋率较高的试件 ， 如 s F 一 3板因配 筋率高延性相对较差 ， 表现为钢筋屈服后变形迅速 发展 ， 最 后上 部 的混凝 土被压 碎而 破坏 。 试验结果表明 ， 再生混凝 土叠合构件和普通钢 筋构件一样 ， 受弯时配筋率越低 ， 延性越好。图 4中 S F 一 2板 的水 平 段 比相 应 整 浇 对 比 R S F 一 1板短 ， 并 不 能说 明 S F 一 2板 的延性 比 R S F 一 1 板 差 ， 因 为 S F - 2 板其破坏特征为变形 过大 、 裂缝过宽 ， 试 验终止时 若继续加载 ， 其变形仍能继续发展。各试件破坏形 式见 图 6 。 ( C)SF 一 3 图 5 各试件裂缝分 布图 2 4 极 限承 载力 和 刚度 取钢 筋 屈 服 时 的荷 载 为试 件 的极 限 承载 力 ， 理 论极 限承载力采用普通混凝土构件 的计算方法进 行计算 ， 各试件实测极限承载力和理论极限承载力 见表 3 。试验结果表明 ， 实测值和理论值较为接近 ， 整浇对 比板 和叠合梁板实测承载力也非常接近 ， 可 采用 普通混凝土板受弯分析理论对一次受力 的再 生混凝土叠合板进行计算和分析。 各试件实测 屈服点处挠 度和按规范受弯构 件 表 3 再生混凝 土叠合 梁板抗弯 承载力 短期 刚度公式计算所得屈服点处理论挠度见表 4 。 周静海等研究 了再生混凝土简支板后 ，提出了 1 4 51 2 0 1 2年第 6期 混凝 土 与水 泥制 品 总第 1 9 4期 图 6 各试件破坏形式 的修正系数 ，即用规 范公式计算所得挠度值乘 以 1 4后作为再生混凝土简支板 的挠度值 6 1 。无翼缘的 受弯构件规范短期刚度计算公式为 ： 曰 = E, A ,ho 式 中， E 为钢筋弹性模量 ， A 为纵向受拉钢筋面积 ， h o 为构件截面有效高度 ， 为裂缝 间纵向受拉钢筋 应 变不 均 匀 系数 ， O 为钢 筋 弹性模 量与 混凝 土 弹性 模量的比值 ， P为纵 向受拉钢筋配筋率【3 J 。 表 4 再 生混凝 土叠合梁板跨 中屈服点挠度 试验结果表明 ， 当配筋率不低于 1 时， 规范短 期刚度公式乘 以 0 9的修正系数之后仍适用于再生 混凝土叠合板 ； 而配件率为 0 5 时， 则无须修正。 本 次试验数据不多 ， 无法判断 0 5 配筋率时的情况只 是数据的离散性还是低配筋率时的普遍情况 ， 故低 配筋率 ( 小于 1 ) 时如何计算再生混凝土构件 的刚 度 ， 有待得到更多试验或实测数据之后进行分析。 2 5 叠合 面 已有的关于叠合构件的研究成果表 明， 对叠合 面进行简单的构造处理后 ， 即可保证叠合面不发生 破坏 ， 保证叠合构件整体工作圜 。本次试验未将叠合 面的滑移作为试验重点 ， 试件制作 时也只对叠合面 一 5 2 一 ( d )R S F 一 1 进 行 简单 的拉 毛处 理 ， 试验 过 程 中 肉 眼观察 叠 合 面 的情况。试验结果表明， 叠合面结合 良好 ， 所有试件 均未 发生叠 合 面破坏 。 3结论 ( 1 ) 一次受力 的再生混凝土叠合板受弯时其力 学性能和普通混凝土构件很接近 ， 可采用普通混凝 土的受弯理论和计算方法对其进行计算分析。 ( 2 ) 再生混凝土叠合板受弯时荷载位移曲线表 现为三直线 ， 其力学行为也可以混凝 土开裂 、 钢筋 屈服为界分为三个阶段。 ( 3 ) 规范 中普通混凝土的短期刚度计算公式乘 以 0 9的修正系数后仍适用于配筋率不小于 1 的 再生混凝土叠合板 ； 当配筋率小于 1 时， 如何计算 再生混凝土构件的刚度有待进一步的试验研究。 参 考 文 献 ： 【 1 肖建庄 再生混凝土 M 北京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 8 f 2 】 周 旺华 现代混凝 土叠合结构【 M 】 北 京： 中国建筑工 业出 版 社 ， 1 9 9 8 【 3 中国建筑科 学研 究院 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2混凝 土结 构设计 规范 【 M 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 4 4 肖建庄 再生混凝土单轴受压应力一 应变 全曲线试验研究 J 1 同济大学学报： 自然科学版， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 1 1 ) ： 1 4 4 5 1 4 4 9 5 肖建庄 ， 李佳彬 ， 孙振 平 ， 等 再生混凝 土的抗压强 度研究 J 】 同济大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 1 2 ) ： 1 5 5 8 1 5 6 1 6 】 周静海， 王新波， 于铁汉 再生混凝土 四边简支板 受力性能 试验 J 】 沈 阳建筑大学学报： 自然科学版， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 3 ) ：4 1 1 - 4 1 5 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 4 2 9 作者简 介： 朱永 明( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 高级工程师。 通讯作者 ： 肖建庄 ( 0 2 1 6 5 9 8 2 7 8 7 ) 通讯地址 ： 上海 市四平路 ， 同济大学建筑工程系 E - ma i l ： j z x t o n g j i e d u o n