張景華，田莉梅，孟令兵

(1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北廊坊065000;2.河北省廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院，河北廊坊065000)

在混凝土中摻入粉煤灰，不僅能提高混凝土的綜合性能，更是變害為寶、化害為利、緩解礦物能源危機(jī)的有效途徑。然而目前粉煤灰摻量一般不超過(guò)30%，而且主要用在建材、道路、回填等工程中，所以本文通過(guò)梁的靜載試驗(yàn)，來(lái)研究大摻量粉煤灰混凝土構(gòu)件梁的裂縫分布、應(yīng)變、撓度情況，從而為大摻量粉煤灰混凝土用于結(jié)構(gòu)工程提供了理論依據(jù)。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

北京興發(fā)水泥廠生產(chǎn)的拉發(fā)基P.O42.5水泥;豐臺(tái)Ⅰ級(jí)粉煤灰;涿州碎石;天然中砂;減水率為20%的泵送劑;自來(lái)水;箍筋 φ 8，受力筋 φ 12、φ 20。

1.2 配合比

表1 混凝土配合比

2 梁的彎曲試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 梁的設(shè)計(jì)

梁L1、L2、L3的截面尺寸和配筋相同，詳見(jiàn)圖1。

圖1 構(gòu)件梁詳圖/mm

2.2 梁的靜載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)加載方式為三分點(diǎn)處對(duì)稱集中加載;在跨中布置5個(gè)電阻應(yīng)變片，觀察應(yīng)變發(fā)展;在跨中受拉主筋上布置2個(gè)電阻應(yīng)變片，測(cè)得受拉筋的應(yīng)變;在梁支座上布置了2塊百分表，在跨中布置一個(gè)位移傳感器，觀察試驗(yàn)梁的撓度。詳見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 裂縫寬度和裂縫分布

為了較好觀測(cè)梁L1、L2、L3的裂縫開(kāi)展全過(guò)程，用讀數(shù)顯微鏡，測(cè)讀裂縫寬度，并在梁上隨時(shí)標(biāo)明每級(jí)荷載時(shí)裂縫走向及分布。

從加載過(guò)程中可見(jiàn)，當(dāng)荷載比較小時(shí)，簡(jiǎn)支梁處于彈性工作階段，沒(méi)有裂縫產(chǎn)生?；鶞?zhǔn)梁L1加載至60 KN時(shí)，在第11格和第9格同時(shí)出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂縫，試驗(yàn)梁L2、L3加載至50 KN時(shí)，在第11格出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂縫。隨著荷載的逐步增加，出現(xiàn)新的垂直裂縫，裂縫寬度隨荷載的增加而逐漸變寬，并逐步往梁頂延伸。隨后在剪彎段靠近加載點(diǎn)的梁底出現(xiàn)斜裂縫，其裂縫寬度始終不超過(guò)純彎段的裂縫寬度，且裂縫沒(méi)有延伸至加載點(diǎn)。

表2 梁裂縫寬度

從表2可以看出，L1和L2的6組裂縫寬度數(shù)據(jù)相差不大，L1在302 KN時(shí)的裂縫寬度為0.26 mm，L2的裂縫寬度為0.28 mm;而L3的裂縫幾乎是L1和L2的2倍，在荷載為300 KN時(shí)的L3裂縫寬度為0.50 mm。這說(shuō)明了粉煤灰摻量40%的混凝土構(gòu)件梁在裂縫控制方面并不比基準(zhǔn)混凝土差，而是同樣具有基準(zhǔn)混凝土的韌性和整體安全性。

圖3 L1、L2、L3 裂縫分布圖

從圖3可以看出，L3的裂縫分布更加密集，裂縫已經(jīng)貫通，所有裂縫都朝著受壓區(qū)擴(kuò)展，當(dāng)荷載繼續(xù)增大時(shí)，鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服，這時(shí)表現(xiàn)為受拉區(qū)裂縫不斷發(fā)展，中和軸繼續(xù)上升，跨中撓度急劇增加，受壓區(qū)面積縮小，當(dāng)受壓區(qū)混凝土邊緣應(yīng)變達(dá)到極限壓應(yīng)變時(shí)，該區(qū)混凝土呈鱗片狀隆起，試驗(yàn)梁破壞。而L2、L3的裂縫發(fā)展比較相似，即裂縫比較分散，發(fā)展比較緩慢，發(fā)展中出現(xiàn)許多小裂縫，有些裂縫發(fā)展甚至中止。由于試驗(yàn)條件的限制，L2、L3最終沒(méi)有達(dá)到鋼筋屈服。由此只能說(shuō):L2、L3具有和基準(zhǔn)梁相當(dāng)?shù)氖軓澇休d力。

3.2 應(yīng)變及撓度

3.2.1 試驗(yàn)梁的截面應(yīng)變 應(yīng)變量測(cè)結(jié)果表明，L1、L2、L3都能較好的符合平截面假定。根據(jù)量測(cè)結(jié)果，繪制應(yīng)變圖如圖4～6。

圖4 L1荷載-應(yīng)變曲線

圖5 L2荷載-應(yīng)變曲線

圖6 L3荷載-應(yīng)變曲線

應(yīng)變片1貼在梁的上表面，處在受壓區(qū)，所以應(yīng)變讀數(shù)為負(fù)。L1、L2在荷載低于300 KN時(shí)，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)基本趨于一致，在 300 KN時(shí)，應(yīng)變分別為1.410μm、1.644μm。L2的應(yīng)變稍大于 L1，但應(yīng)變?nèi)猿收仍鲩L(zhǎng)，說(shuō)明L1和L2還遠(yuǎn)沒(méi)有破壞。L3荷載在300 KN時(shí)，應(yīng)變迅速增大，315 KN時(shí)梁破壞，應(yīng)變?yōu)?.209μm。

應(yīng)變片2貼在距梁上表面48 mm處，處在受壓區(qū)，應(yīng)變讀數(shù)為負(fù)。在加載的整個(gè)過(guò)程中，L2應(yīng)變稍大于L1應(yīng)變，兩者應(yīng)變一直呈線性增長(zhǎng)，加載到300 KN時(shí)，應(yīng)變分別為615μm、747μm。而L3加載到300 KN后，應(yīng)變出現(xiàn)急劇增長(zhǎng)，應(yīng)變?yōu)?.744μm。

應(yīng)變片3貼在距梁上表面95 mm處，L1、L2應(yīng)變讀數(shù)一直為正，所以一直處于受壓區(qū)，并且兩者應(yīng)變相差不大，一直呈線性增長(zhǎng)。而L3加載到300 KN之后，應(yīng)變由負(fù)轉(zhuǎn)為正，受壓變?yōu)槭芾?，說(shuō)明此時(shí)中和軸已經(jīng)偏移到應(yīng)變片3處，隨著裂縫的擴(kuò)張，拉應(yīng)變的讀數(shù)不斷增大，在300 KN時(shí)破壞，應(yīng)變片3的拉應(yīng)變?cè)?150μm。

應(yīng)變片4貼在中和軸上方8mm處，L1、L2、L3均在加載至50 KN左右時(shí)，應(yīng)變值由負(fù)值變?yōu)檎?，說(shuō)明應(yīng)變片4處于中和軸稍偏上的位置，隨著荷載增大，中和軸上移，所以應(yīng)變片4的位置由受壓變?yōu)槭芾ｋS后的加載中L1、L2的應(yīng)變穩(wěn)定增長(zhǎng)，L3在加載315 KN時(shí)，應(yīng)變出現(xiàn)激增，梁破壞。

應(yīng)變片5貼在受拉鋼筋的形心位置，拉應(yīng)變的大小基本上是:L3＞L2＞L1。在301 KN時(shí)L3應(yīng)變迅速增長(zhǎng)，L3將要破壞，最大應(yīng)變?yōu)?.752μm。而 L1、L2的拉應(yīng)變?cè)?00 KN的加載過(guò)程中，增長(zhǎng)平穩(wěn)且拉應(yīng)變最大為4.000μm。

應(yīng)變片6、7貼在受拉鋼筋上，L1、L2、L3的鋼筋應(yīng)變相差不大，只是L3加載至301 KN時(shí)有明顯增大，即鋼筋有較大的塑性變形，隨后裂縫急劇開(kāi)展，撓度激增，構(gòu)件梁受壓破壞。

所以L3在300 KN之前，發(fā)生的是彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變比值趨于一條直線。之后，由彈性轉(zhuǎn)為彈塑性，混凝土塑性變形階段荷載的提高很小，而變形發(fā)展很快，混凝土很快就發(fā)生破壞。L2和L1應(yīng)變變化相似，即在300 KN范圍內(nèi)，發(fā)生的是彈性變形，應(yīng)變速度相對(duì)比較緩慢，變形和承載能力還有相當(dāng)大的空間，這說(shuō)明粉煤灰摻量40%時(shí)，由于粉煤灰的二次水化，生成較多的C-S-H凝膠，增強(qiáng)了混凝土強(qiáng)度，同樣能夠阻止裂縫發(fā)展，改善混凝土梁力學(xué)性能，使之具有和基準(zhǔn)梁相似的抗拉能力。

3.2.2 試驗(yàn)梁的撓度 構(gòu)件破壞過(guò)程可分為截面開(kāi)裂前的彈性工作階段、從截面開(kāi)裂到受拉筋屈服的帶裂縫工作階段、從受拉筋屈服到受壓區(qū)混凝土被壓碎的破壞階段。根據(jù)實(shí)測(cè)撓度值，繪制撓度圖如圖7。

圖7 L1 L2 L3荷載-撓度

由圖7可以看出，L1的撓度稍大于L2、L3，在加載過(guò)程中，L1和L2的撓度呈正比增長(zhǎng)，即使加載到300 KN時(shí)，仍看不出破壞的跡象，這表明摻入40%的粉煤灰并沒(méi)有降低受彎混凝土梁的承載能力，反而其撓度有所減少。而L3在荷載加到300 KN時(shí)，其撓度急劇增大，隨后被壓壞，表明了受彎承載能力不如梁L1和L2，但梁L3也滿足了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)構(gòu)件加載試驗(yàn)，我們認(rèn)為一定量粉煤灰的摻入，并沒(méi)有對(duì)混凝土的整體強(qiáng)度、變形性能、混凝土的韌性等帶來(lái)不利的影響，而是有助于改善混凝土結(jié)構(gòu)，使混凝土在受力時(shí)吸收了大量能量，從而有效減少了應(yīng)力集中，阻礙了混凝土中微細(xì)裂縫的迅速擴(kuò)展，從而提高了混凝土梁的使用壽命。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和比較，我們可知:

(1)相同條件下，粉煤灰混凝土梁與基準(zhǔn)混凝土梁的實(shí)測(cè)開(kāi)裂彎矩Mcr和實(shí)測(cè)極限彎矩Mu相差不大，裂縫開(kāi)展及裂縫間距無(wú)顯著不同。在整個(gè)加載過(guò)程中，粉煤灰摻量40%的混凝土梁與基準(zhǔn)混凝土梁裂縫開(kāi)展和裂縫寬度相近，均沒(méi)有破壞。而粉煤灰摻量50%混凝土梁在加載至300 KN時(shí)，達(dá)到極限破壞階段。

(2)粉煤灰混凝土梁和普通混凝土梁沿梁高的應(yīng)變均能較好的符合平截面假定。

(3)其它條件相同的情況下，粉煤灰混凝土與基準(zhǔn)混凝土梁的荷載—撓度曲線差別不大，由于粉煤灰摻量40%混凝土梁和基準(zhǔn)混凝土梁沒(méi)有被壓壞，所以荷載—撓度曲線經(jīng)歷了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而粉煤灰摻量50%混凝土梁經(jīng)歷了兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

［1］ GBJ50152-92，混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］ 覃維祖.粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)［J］.商品混凝土，2006(2):13-17.

［3］ 林旭健，林鋒挺.大摻量低品質(zhì)粉煤灰混凝土簡(jiǎn)支梁受彎試驗(yàn)［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(2):178-183.

［4］ 郭成舉.混凝土的物理和化學(xué)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2003

［5］ 宋少民，劉娟紅.大摻量改性粉煤灰泵送混凝土的試驗(yàn)研究［J］.粉煤灰綜合利用，1998(4):45-48.