后摻粗骨料泵送混凝土柱小偏心受壓性能研究

賈金青，葉 浩，周佳玉，李 璐

(大連理工大學(xué)海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024)

0 引 言

泵送混凝土是一種廣泛應(yīng)用于建筑工程施工的工藝，但是為了防止泵送管道堵塞，要求混凝土具有較大的坍落度，并且要求骨料粒徑較小。泵送混凝土這一工藝自出現(xiàn)后就發(fā)展迅速，目前作為一種性能優(yōu)良的混凝土被廣泛用于土木工程的施工中[1- 2]。然而，泵送混凝土在工程應(yīng)用中出現(xiàn)了早期開裂嚴(yán)重的問題，且水泥砂漿體積百分?jǐn)?shù)大導(dǎo)致泵送混凝土造價(jià)偏高[3- 4]。

后摻粗骨料泵送混凝土是指混凝土泵送到澆筑面后再次添加粗骨料并進(jìn)行二次攪拌，這一工藝能夠制備具有骨料嵌鎖結(jié)構(gòu)、改善骨料—漿體界面過渡區(qū)(ITZ)的新型混凝土。當(dāng)后摻率改變時，構(gòu)件的性能會相應(yīng)發(fā)生改變。

目前國內(nèi)外關(guān)于二次添加粗骨料施工工藝的研究成果已有很多[5- 11]，但對于后摻粗骨料泵送混凝土受壓構(gòu)件的研究目前還未開展，基于此，本文以后摻粗骨料混凝土小偏心受壓柱為試驗(yàn)對象，對其受力性能及破壞過程進(jìn)行研究，為后摻骨料混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用水泥采用大連小野田水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5R級普通硅酸鹽水泥，密度為3 100 kg/m3。粉煤灰為大連華能電廠生產(chǎn)的Ι級粉煤灰，表觀密度2 140 kg/m3。基準(zhǔn)和后摻粗骨料均由大連地區(qū)某采石場生產(chǎn)，粒徑為5～16 mm，為連續(xù)級配石灰石碎石，表觀密度為2 600 kg/m3。細(xì)集料為大連瓦房店產(chǎn)的河砂(中砂)，表觀密度為2 600 kg/m3。為保證混凝土攪拌物的工作性能，在混凝土中添加大連Sika公司生產(chǎn)的ViscaCrete3301聚羧酸高性能減水劑，減水率可達(dá)25%～30%左右。

1.2 基本物理性能試驗(yàn)

本文根據(jù)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[12]采用1.1中的材料并考慮各種后摻率進(jìn)行后摻骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)。

每個后摻率預(yù)留3個150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊以及150 mm×150 mm×300 mm棱柱體試塊，利用預(yù)留試塊測得各后摻率下的混凝土強(qiáng)度和彈性模量。各試件配筋相同，分別采用直徑16 mm的HRB400級鋼筋作為縱筋，采用直徑8 mm的HPB300級鋼筋作為箍筋，對于所采用的鋼筋，分別進(jìn)行基本物性試驗(yàn)，從而測得其屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度。

1.3 模型設(shè)計(jì)

5個截面尺寸為200 mm×200 mm的后摻骨料混凝土柱根據(jù)不同的后摻率進(jìn)行設(shè)計(jì)，后摻率分別為0、10%、20%、25%、30%。為方便加載，混凝土柱的上下端設(shè)計(jì)成牛腿狀，鋼筋配置根據(jù)規(guī)范計(jì)算后進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在牛腿處附加了斜筋進(jìn)行加固，防止其發(fā)生剪切破壞，本試驗(yàn)?zāi)＞呷坎捎闷胀ńㄖ０逯瞥伞?/p>

2 加載方式及測點(diǎn)布置

2.1 加載方式

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳的1 000 t試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。對偏心受壓柱，首先進(jìn)行對中并預(yù)先施加2 kN的荷載，此時固定柱(在刀鉸支座四角布置螺栓，正式加載前撤掉)，安裝LVDT。在預(yù)加載期間主要是檢查各儀表是否工作正常，并初始化讀數(shù)。檢查完畢后進(jìn)行分級加載，每級加載后持荷10 min，當(dāng)荷載超過極限承載力后采用位移加載的方式，當(dāng)試件承載力迅速下降時結(jié)束試驗(yàn)，整個試驗(yàn)過程用時約為4 h，試件的加載裝置見圖1，圖中黑色矩形代表應(yīng)變片，黑色矩形加短線代表位移計(jì)。

圖1 試件加載裝置及測量裝置

2.2 位移計(jì)和應(yīng)變測點(diǎn)布置

根據(jù)規(guī)范GBT50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]中關(guān)于應(yīng)變測量的相關(guān)規(guī)定，在柱子截面高度方向均勻分布3個10 cm長混凝土應(yīng)變片，3個應(yīng)變片之間的間距為50 cm；在受拉側(cè)和受壓側(cè)各分布互相垂直的兩個10 cm長混凝土應(yīng)變片用來檢測柱變形較小時的應(yīng)變變化。另外，在截面?zhèn)让娣胖?個LVDT高精度位移計(jì)，用來測量應(yīng)變片因變形較大失效后的變形，柱側(cè)面分布3個LVDT，用來測量柱側(cè)向撓度。試驗(yàn)使用IMC動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)點(diǎn)采集間隔為500 ms。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 各試件極限承載力

圖2為試件極限承載力隨后摻率的變化曲線。從圖2可以看出，骨料后摻率為20%時，柱子的極限承載力最大。后摻粗骨料后，各試件的小偏心受壓極限承載力都得到了不同程度的提高。

圖2 各試件極限承載力

3.2 應(yīng)變規(guī)律

3.2.1 混凝土應(yīng)變

各后摻骨料混凝土小偏心受壓柱受壓荷載—混凝土應(yīng)變曲線如圖3所示，縱軸為各試件所施加的豎向荷載，橫軸為混凝土柱受壓、受拉應(yīng)變。從圖3可以看出，當(dāng)豎向荷載較小時，試件的荷載—應(yīng)變曲線為直線，說明此時各小偏心受壓柱在線彈性范圍內(nèi)工作；繼續(xù)加載，應(yīng)變增長速度加快，此時試件進(jìn)入彈塑性工作階段，體現(xiàn)在荷載—應(yīng)變圖像上為直線發(fā)生彎曲。受拉側(cè)情況相似，加載初期各后摻率的混凝土柱荷載—應(yīng)變呈線性變化，后期由于開裂，線性關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系。

圖3 荷載-混凝土應(yīng)變曲線

3.2.2 鋼筋應(yīng)變

圖4為各后摻骨料混凝土柱內(nèi)鋼筋應(yīng)變隨荷載變化曲線。從圖4可以看出，各試件鋼筋應(yīng)變的發(fā)展趨勢與混凝土應(yīng)變的發(fā)展趨勢大體一致，荷載較小時處于線彈性階段，隨著荷載的加大，逐漸進(jìn)入彈塑性工作階段。

當(dāng)荷載較小時，各試件的鋼筋荷載—應(yīng)變曲線基本重合。繼續(xù)加載，由于混凝土的開裂，截面應(yīng)力發(fā)生重分布，各試件的曲線分開，可以看出，在受壓彈塑性階段，隨著后摻率的增加，受壓鋼筋的應(yīng)變增長速率也逐漸增加。

圖4 荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

3.3 延性分析

構(gòu)件的延性是指構(gòu)件發(fā)生破壞時的變形能力，為表征這一能力，引入延性系數(shù)的概念，延性系數(shù)是構(gòu)件豎向承載力下降到85%極限承載力時的位移與構(gòu)件屈服位移的比值，用μ表示，各構(gòu)件的延性系數(shù)如表1所示，延性系數(shù)越大，表明構(gòu)件的變形能力越強(qiáng)。

表1 各試件延性參數(shù)

從表1可以看出，延性最好的是后摻率為10%的混凝土柱；后摻率為20%時，混凝土柱的延性與普通混凝土柱的延性相近，后摻率為25%和30%的混凝土柱延性較差。

4 結(jié) 論

(1)后摻粗骨料后，混凝土的小偏心受壓極限承載力得到了不同程度的提高，粗骨料后摻率為20%的混凝土柱極限承載力最大。

(2)從混凝土和鋼筋的荷載—應(yīng)變曲線中可以看出，后摻骨料混凝土柱和普通混凝土柱類似，都經(jīng)歷了線彈性工作階段和彈塑性工作階段。

(3)后摻率為10%的混凝土柱延性最好，達(dá)到20%時與普通混凝土柱相近。

(4)當(dāng)后摻率為20%時，混凝土柱具有較好的受力性能及工作性能，并且因?yàn)榇止橇虾髶铰蔬_(dá)到了20%，使得構(gòu)件具有較好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。