第32卷第1期 2010年2月 工程抗震与加固改造 Vo1.32,No.1 Feb.2OlO Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting [文章编号] 1002—8412(2010)O1 07O一05 再生混合钢筋混凝土梁的受弯性能试验 吴 波 ,许 拮 ,刘琼祥 ,刘 伟 (1.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室,广东广州510640;2.深圳市建筑设计研究总院,广东深圳518000) [摘要] 为揭示再生混合钢筋混凝土梁的受弯性能,开展了3根再生混合钢筋混凝土梁与1根常规混凝土梁的对比试验, 研究了试件的正截面受力与变形特性,并就现行规范计算再生混合钢筋混凝土梁开裂弯矩和抗弯承载力的有效性进行了讨 论。研究结果表明:①再生混合钢筋混凝土梁的开裂弯矩虽然较常规混凝土梁偏低,但二者的抗弯承载力却无明显差异;② 采用现行规范计算再生混合钢筋混凝土梁的抗弯承载力具有与常规混凝土梁相近的安全性;③采用现行规范计算再生混合 钢筋混凝土梁的开裂弯矩偏于不安全,需考虑0.8左右的调整系数。研究发现除开裂弯矩外,再生混合钢筋混凝土梁具有与 常规混凝土梁相近的受弯性能。 【关键词] 废弃混凝土;钢筋混凝土;梁;受弯性能 [中图分类号]TU375.1;TU317 [文献标识码] A Test on Flexural Behavior of Reinforced Concrete Beams Filled with Demolished Concrete Lump BD ,Xu Zhe ,Liu Qiong—xiang ,Liu Wei (1.State Key Laboratory ofSubtropical Building Science,South China Univ.of Technology,Guangzhou 510640,China;2.Shenzhen General Institute of Architectural Design and Research,Shenzhen 5 1 8000,China) Abstract:In order to investigate the flexural behavior of reinforced concrete(RC)beams filled with demolished concrete lump(DCL), 3 RC beams filled with DCL and 1 eonventional RC beam are tested to reveal the flexural strengths and deformations of the specimens. and the effectiveness of formulas in current design code for cracking moment and flexural capacity of RC beam filled with DCL is discussed.Test results show that:①ahhough the cracking moment of RC beam filled with DCL is less than that of conventional RC beam,the lfexural capacity of RC beam filled with DCL is almost the same as that of conventional RC beam;②the flexural capacity calculated using current design code has a similar safety margin for conventional RC beam and RC beam filled with DCL;③the cracking moment of RC beam filled with DCL can not be estimated safely by formulas in current design code for conventional RC beam, and an adjusting factor of about 0.8 should be considered.It is shown that the flexural behavior of RC beam filled with DCL is similar to that of conventional RC beam,except for the cracking moment. Keywords:demolished concrete;reinforced concrete;beam;flexural behavior E.mail:bowu@scut.edu.ell 1 引言 少固体废弃物排放、保护环境、节约资源和能源具有 重要意义。目前,国内外学者对再生骨料混凝土已 随着我国建筑和房地产业的飞速发展,无数新 的建筑拔地而起,同时众多旧有建筑因拆除而不断 开展了较多研究工作 “ ,但在我国建筑行业的应 用还较为少见。这主要是因为再生骨料(粗骨料、 细骨料)的生产过程较为繁琐,成本较高,而且消耗 大量能源,加之在再生骨料混凝土的配制过程中仍 消失,从而不可避免地产生大量建筑垃圾,其中废弃 混凝土约占48.35%…。合理利用废弃混凝土对减 [收稿日期】2oo9-o6-01 【基金项目】 广东省科技计划项目(2009B060700094);教育部新世 纪优秀人才支持计划(NCET-04-0819);亚热带建筑科 学国家重点实验室人才培养基金(2008ZB15) 需耗费大量水泥、水和能源,导致再生骨料混凝土的 环保节能效应不够彻底,同时价格相比于常规混凝 土偏高,从而阻碍了其在实际工程中的推广应用。 针对上述不足,文献[7]中提出了钢管再生混 第32卷第1期 吴 波,等:再生混合钢筋混凝土梁的受弯性能试验 合构件的概念,即将大尺度废弃混凝土直接放入钢 混凝土梁,梁长1800mm,净跨1500mm,见图1。下 管内部,然后在二者之间浇筑新混凝土形成混合构 件。与再生骨料混凝土构件相比,本构件避免了废 弃混凝土的破碎、筛分、净化等过程,以及再生骨料 混凝土的配制过程,从而显著降低了废弃混凝土的 回收利用成本。文献[8]和[9]分别对厚壁/薄壁钢 管再生混合短柱的轴压性能,以及薄壁钢管再生混 部受拉钢筋分别采用两根直径10mm、14ram和 18mm的HRB335级钢筋,根据标准试验方法 测 得其屈服强度依次为356MPa、363MPa和384MPa, 纵筋保护层厚度25mill。各试件的具体尺寸和基本 参数见表1。表中 。 和 : 分别为试验当天现浇和 废弃混凝土的实测立方体抗压强度;混合比 为试 件中废弃混凝土质量与全部混凝土质量之比;试件 编号RB表示再生混合钢筋混凝土梁,B表示常规 混凝土粱,其后数字表示下部受拉钢筋的直径。 现浇混凝土采用矿渣硅酸盐水泥P.S.A32.5、 中砂、最大粒径20mm的碎石。废弃混凝土采用华 南理工大学一年前本科教学试验多余的钢筋混凝土 合柱的剪切性能进行了试验研究。研究结果表明, 即使钢管内部混凝土的25%~50%采用大尺度废 弃混凝土,钢管再生混合构件仍具有与全现浇钢管 混凝土构件相近的受力性能。 为进一步扩展再生混合构件的种类,以适应不 同工程需要,本文提出再生混合钢筋混凝土构件的 概念。所谓再生混合钢筋混凝土构件,就是将新混 凝土和大尺度废弃混凝土交替置入预先绑扎有钢筋 的模板内部,混合振捣而形成的构件。 作为初步探讨,本文进行了3根再生混合钢筋 混凝土梁与1根常规混凝土梁的对比试验,考察了 梁,将去除了保护层、纵筋、箍筋之后的核心部分,制 备成块体备用,具体见图2。 按预定尺寸制作模板,将绑扎好的钢筋置于模 板内。首先浇筑一层厚约30mm的新混凝土,然后 将废弃混凝土块体和新混凝土交替置入模板内并不 断振捣,直至浇筑完成。图3所示为某梁的浇筑过 程。浇筑时预留多个边长150mm的立方体试块,进 行同条件养护。 废弃混凝土的当前强度,采用与一年前本科教 学试验钢筋混凝土梁同时浇注的剩余立方体试块测 试得到。 二者受弯性能的差异,以及现行规范相关计算公式 对再生混合钢筋混凝土梁的适用性。 2试验概况 2.1试件设计及制作 共制作4根截面尺寸150mm×300mm的矩形 梁,其中3根为再生混合钢筋混凝土梁,1根为常规 150 500 -- 500 . 1 500 L 1 50 T [ ....T JI-_一 0I 8@100 LL 图1试件示意图(mm) Fig.1 Schematic diagram of specimens(mm) 图2废弃混凝土块体 图3试件制作 Fig.3 Casting process 图4加载装置 Fig.4 Loading apparatus Fig.2 Demolished concrete lumps 工程抗震与加固改造 2010年2月 表1试件参数 Table 1 Parameters of specimens b h0 (/11/7]) (MPa) : (MPa) {。 (MPa) { (MPa) | (MPa) 配筋率 (%) 试件 类型 混合比 叼(%) 试件编号 RB一1O B.14 (m/i3) 146 146 270 268 45.2 44.7 32.9 42.7 44.7 28.6 29.9 2.74 2.81 0.4 0.8 混合型 全现浇 2O O RB.14 RB一18 154 150 268 266 44.7 45.2 42.3 42.7 28.3 28.6 2.73 2.74 0.7 1.3 混合型 混合型 2O 20 注 :[ 。 ・(1一 )+ : ・ ]为现浇混凝土和废弃混凝土的组合立方体抗压强度; =0.88×0.7 为现浇混凝土和 废弃混凝土的组合轴心抗压强度 =0.88×0,39 :, 为现浇混凝土和废弃混凝土的组合轴心抗拉强度。 2.2 试验加载及量测 试验采用两点加载,利用分配梁在试件中部形 成500mm的纯弯段,加载装置见图4。试验过程中 量测跨中不同高度处的混凝土应变、下部受拉钢筋 变的跳跃性增大。荷载继续增加,跨中附近新裂缝 陆续出现且向上延伸,受压区高度渐小,梁的跨中挠 度增长比弹性阶段略快。随着受拉纵筋屈服,跨中 挠度急剧增加,但荷载增加不多,最终各试件均呈现 应变、跨中挠度等。竖向油压千斤顶与分配梁之间 设置力传感器,跨中及两支座处各设置一个量程 50mm的百分表。 出适筋梁的破坏特征。总体上看,再生混合钢筋混 凝土梁的破坏过程与常规混凝土梁类似。部分试件 的破坏形态见图5。 正式加载前先预压10kN,使加载系统各部分之 间接触良好并检查各仪表是否工作正常。正式加载 时,每级荷载约为预估极限荷载的10%,持荷3rain 后采集相关数据。接近预估开裂荷载时,适当降低 3.2荷栽一跨中挠度曲线 扣除微小支座位移之后,各试件实测的荷载一 跨中挠度曲线见图6。从图中可以看出: (1)再生混合钢筋混凝土梁的荷载一跨中挠度 每级荷载增量以期较准确地获取实际开裂荷载。 3试验结果分析 3.1宏观现象 开始加载时,各试件基本处于弹性阶段,受拉钢 筋应变与同一高度处的混凝土应变相近且数值很 曲线的总体趋势与常规混凝土梁相似。 (2)对于再生混合钢筋混凝土梁,在其它参数 相近的情况下,随着受拉钢筋直径增大,初始刚度略 有增加,同时加载中后期相同跨中挠度所对应的荷 载显著增大。 小。随着荷载的增加,受拉区混凝土边缘开裂,裂缝 一(3)对比试件RB一14与B.14的初始刚度基本 相同。 出现即具有一定高度,同时可量测到受拉钢筋应 图5部分试件的破坏形态 Fig.5 Failure modes of some specimens 第32卷第1期 吴 波,等:再生混合钢筋混凝土梁的受弯性能试验 (4)对比试件RB一14与B。l4的荷载一跨中挠 土梁的抗弯承载力具有与常规混凝土梁相近的安全 性。 度曲线总体较为接近,表明在其它参数相同的情况 下,再生混合钢筋混凝土梁具有与常规混凝土梁相 (2)对比试件RB一14与B.14的抗弯承载力较 为相近。这是因为影响受弯构件抗弯承载力的主要 因素包括受拉钢筋的抗拉性能以及受压区混凝土的 抗压性能,虽然再生混合钢筋混凝土梁内部存在大 量新旧混凝土界面,但这对混凝土的受压行为影响 近的受弯性能。 250 200 150 相对较小,而对其受拉行为影响较大。 表3抗弯承载力计算值与实测值的对比 Table 3 Comparison of calculation results with 100 档 50 test results for flexural capacity O 试件编号 10 20 30 40 5O 计算值 (kN・m) 实测值 (kN・m)・ 21.5 37.6 40.4 (计算值一实测值) 实测值 —3l% 一24% 一29% 0 跨中挠度(iflm) RB一1O 14.7 28.5 28.5 图6荷载一跨中挠度曲线 Fig.6 Load—deflection curves B一14 RB一14 RB—l8 47.6 58.0 一l8% 3.3跨中弯矩 各试件的主要试验结果汇总于表2。表中开裂 注:计算过程中混凝土的轴心抗压强度取表1中的组合 轴心抗压强度 。 荷载对应跨中竖向裂缝刚出现时的荷载值,屈服荷 载对应受拉钢筋屈服时的荷载值,极限荷载对应试 3.3.2 开裂弯矩 件最终破坏时的荷载值。开裂弯矩、屈服弯矩和抗 弯承载力则是分别与开裂荷载、屈服荷载和极限荷 载对应的梁跨中弯矩。 表2试验结果 Table 2 Tests results of specimens 利用现行规范给出的相应公式… ,对各试件的 开裂弯矩进行计算,并与对应实测值进行比较,具体 见表4。从表中可以看出: 表4 开裂弯矩计算值与实测值的对比 Table 4 Comparison of calculation results with test results for cracking moment 试件编号 开裂荷载 开裂弯矩 屈服荷载 屈服弯矩 极限荷载 抗弯承载力 f kN) (kN・m) RB.10 32.5 8.13 (kN1 f kN・m1 f kN1 58 l4.5 85.9 (kN・m) 21.5 试件 计算值 实测值 (计算值一实测值) 修正值 (修正值一实测值) 编号 (kN・m) (kN・m) RB.1O 9.85 8.13 l0.63 9.38 8.75 实测值 21% 一0.4% 15% 28% (kN・m) 7.88 —— 8.64 8.97 实测值 —3% —— 一8% 3% B-14 RB.14 42.5 37.5 10.63 9.38 98 1O7 24.5 26.8 150.4 161.4 37.6 B.14 40.4 RB.14 10.80 10.59 RB一18 35.0 8.75 19O 47.5 232.1 58.0 RB.18 l1.21 3.3.1抗弯承载力 利用现行规范给出的相应公式 ,对各试件的 注:计算过程中混凝土的轴心抗拉强度取表1中的组合轴心抗拉强度 。 (1)当采用新旧混凝土的组合轴心抗拉强度 时,再生混合钢筋混凝土梁的开裂弯矩计算值较实 测值平均偏高21%,而常规混凝土梁则基本接近。 这表明采用现行规范计算得到的再生混合钢筋混凝 抗弯承载力进行计算,并与对应实测值进行比较,具 体见表3。从表中可以看出: (1)再生混合钢筋混凝土梁的计算结果比试验 结果平均偏低26%,而常规混凝土梁则偏低24%, 这表明采用现行规范计算得到的再生混合钢筋混凝 土梁的开裂弯矩偏于不安全,有必要进行修正。根 据本次试验结果,建议在再生混合钢筋混凝土梁的 ・74・ 工程抗震与加固改造 2010年2月 计算结果基础上乘以调整系数0.8,以近似考虑其 特殊性。表中数据显示,修正后开裂弯矩的计算值 较实测值平均偏低3%。 (2)在其它参数相近的情况下,试件RB-14的 开裂弯矩实测值较对比试件B—l4偏低约12%。这 是因为再生混合钢筋混凝土梁内部大量存在的新旧 混凝土界面,在处于受拉状态时可能成为薄弱区域, [4] 解决的问题[J].混凝土,2006,(4):25~28 Sun Yue—dong,Zhou De—yuan.The Present Study State and Problems to Be Solved on Recycled Concrete in China[J].Concrete,2006,(4):25~28(in Chinese) Eguchi K,Teranishi K,Nakagome A,Kishimoto H. Application of recycled coarse aggregate by mixture to concrete construction[J].Construction and Building Materials,2007,21(7):1542~1551 Limbachiya M C, Marrocchino E, Koulouris A. Chemical-mineralogical characterization of coarse 致使跨中附近的竖向裂缝更易产生和发展。 4结语 [5] 通过本文的研究,可以得到如下初步结论: (1)随着受拉钢筋直径增大,再生混合钢筋混 recycled concrete aggregate[J],Waste Management, 2007,27(2):201~208 ista L.Brito J.Mechanical behavior of concrete [6] Evaugel凝土梁的初始刚度略有增加;在其它参数相近的情 况下,再生混合钢筋?昆凝土梁具有与常规混凝土梁 基本相同的初始刚度。 (2)当混合比为20%左右时,再生混合钢筋混 凝土梁具有与常规混凝土梁相当的抗弯承载力,但 开裂弯矩却偏低约12%。 made with ifne recycled concrete aggregates[J].Cement &Concrete Composites,2007,29(5):397—401 [7] 吴波,刘琼祥,刘伟,许拮..钢管再生混合构件初探 [J].工程抗震与加固改造,2008,30(4):120~124 Wu Bo,Liu Qiong—xiang,Liu Wei,Xu Zhe.Primary Study on Recycled-・concrete--segment Filled Steel Tubular (3)采用现行规范计算得到的再生混合钢筋混 凝土梁的抗弯承载力具有与常规混凝土梁相近的安 全性。 Member[J].Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting,2008,30(4):120~124(in Chinese) [8] 刘伟.再生混合短柱的轴压性能试验研究[D].广 州:华南理工大学硕士学位论文,2009 Liu Wei.Experimental Study on Axial Behavior of Stub Columns Filled with Demolished Concrete Segment/ (4)采用现行规范计算得到的再生混合钢筋混 凝土梁的开裂弯矩偏于不安全,为考虑其特殊性,需 乘以0.8左右的调整系数。 参考文献f References): [1] 朱红兵,王顺林,熊汉林,李秀.混凝土废弃物的再生 Lump[D].Guangzhou:South China University of Technology,2009(in Chinese) [9] 许抬.再生混合构件的抗剪和抗弯性能试验研究 利用[J].公路交通技术,2005,(1):52~53,76 Zhu Hong—bing,Wang Shunlin,Xiong Hanlin,Li Xiu. [D].广州:华南理工大学硕士学位论文,2009 Xu Zhe.Experimental Research on Shear and Flexural Recycling of Concrete Debris[J].Technology of Highway and Transport,2005,(1):52~53,76(in Chinese) Behavior of Structural Members Filled with Demolished Concrete Segment/Lump[D].Guangzhou:South China University of Technology,2009 [2] 肖建庄,李佳彬,兰阳.再生混凝土技术研究最新进 展与评述[J].混凝土,2003,(10):l7~2O Xiao Jian—zhuang,Li Jia—bin,Lan Yang.Research on [10] GB/T 228—2002,金属材料室温拉伸试验方法[s] GB/T 228-2002,Metallic materials・Tensile testing at ambient temperature[S](in Chinese) GB 50010—2002,混凝土结构设计规范[s] GB 50010-2002.Code for design of concrete structures recycled aggregate concrete—A review[J].Concrete, 2003,(10):l7~20(in Chinese) [3] 孙跃东,周德源,我国再生混凝土的研究现状和需要 [s](in Chinese) [作者简介] 吴波,博士,研究员,主要从事结构抗灾和新型混凝土结构研究