撒布式鋼纖維再生混凝土梁的延性與耗能

唐佳軍，裴長春

(延邊大學工學院，吉林延吉133002)

再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete, RAC)是將廢棄混凝土破碎加工成再生骨料，代替部分天然骨料應用到混凝土攪拌當中[1]，符合綠色建筑與建筑業可持續發展的要求。2010年，國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會聯合發布了GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》；2018年，住房和城鄉建設部發布了JGJ/T 443—2018《再生混凝土結構技術規程》。目前，大量學者的研究表明，在RAC中摻加鋼纖維后，可提高其各項力學性能。劉慈等[2]的試驗發現，當混雜鋼纖維摻量由0增大至2.0%時，RAC的28 d抗壓強度提高幅度為9.9%～40.1%，劈拉強度提高20.2%～124.6%，抗折強度提高31.2%～286.1%，彈性模量提高12.6%～38.1%。匡成鋼[3]的正交測試發現，鋼纖維摻率是RAC力學性能的主要顯著因子，當其摻率由0增加至1.8%時，RAC的抗壓、劈拉、抗折強度分別升高9.8%、59.2%和37.5%。但鋼纖維再生混凝土同樣也存在一些問題，限制了它在實際工程中的推廣與應用。比如說造價高(鋼纖維用量多)、施工難度大(鋼纖維易結團不易攪拌均勻且混凝土坍落度小)[4-5]。而采用撒布式鋼纖維再生混凝土(Layered Steel Fiber Recycled Aggregate Concrete, LSFRAC)結構形式時，即在結構構件中分層人為平均撒布一定量的鋼纖維，從而形成RAC與鋼纖維共同作用的加強層，加入少量的鋼纖維就能增強其抗拉、抗折強度與韌性等，這樣既節約了造價又降低了施工難度，因而具有良好的社會經濟效益與推廣應用前景[6]。目前，有關LSFRAC力學性能[7-8]、梁受彎[9-10]與抗裂性能[11-12]等方面的研究較多，而缺少LSFRAC梁延性與耗能方面的研究。

為此，本文通過改變鋼纖維的撒布層數、鋼纖維的層撒布量與縱筋的配筋率，研究其對LSFRAC梁的荷載-撓度曲線、位移延性系數和耗能能力的影響，為撒布式結構構件的實際工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗方案設計

對1組RAC梁與11組LSFRAC梁進行靜力荷載作用下的四點彎曲加載測試，梁尺寸為120 mm×180 mm×1 500 mm，凈跨為1 200 mm，剪跨段與純彎段相等，均為400 mm。縱筋采取直徑為14、16、18 mm的HRB400級鋼筋，對應配筋率分別為1.77%、2.31%、2.93%，架立筋選取直徑為10 mm的HRB335級鋼筋，箍筋采用直徑為8 mm的HPB300級鋼筋。梁的尺寸與配筋情況見圖1。鋼纖維撒布層數為0～7層，撒布位置示意見圖2，鋼纖維層撒布量有1.0、1.5、2.0 kg/m2，梁的試驗方案設計見表1。

圖1 梁截面尺寸與配筋構造(mm)

圖2 鋼纖維撒布位置示意(mm)

表1 試驗方案設計

試件編號撒布層數/層層撒布量/(kg·m-2)縱筋直徑/mmL0-S0-R160016L1-S1.5-R1611.516L2-S1.5-R1621.516L3-S1.5-R1631.516L4-S1.5-R1641.516L5-S1.5-R1651.516L6-S1.5-R1661.516L7-S1.5-R1671.516L4-S1.0-R1641.016L4-S2.0-R1642.016L4-S1.5-R1441.514L4-S1.5-R1841.518

注：L4-S1.5-R16表示鋼纖維撒布層數為4層，層撒布量為1.5 kg/m2，縱筋直徑為16 mm的簡支梁試件，其他試件編號同理。

1.2 原材料與配合比

試驗所用原材料詳見文獻[13]。本研究再生粗骨料取代率為30%，水膠比為0.25，膠凝材料中粉煤灰與硅粉所占質量比分別為20%、10%，砂率為0.45，減水劑摻量為0.8%。由于鋼纖維撒布的特殊結構形式，各試驗組均采用相同的配合比，配合比設計見表2。

表2 配合比設計 單位：kg/m3

1.3 試驗方法

試驗梁在標準條件下養護28 d后，利用延邊大學結構試驗室YAS-5000型微機控制電液伺服壓力試驗機實施四點彎曲加載測試。試驗加載過程嚴格按照GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》[14]中的規定執行，具體測試步驟為：①預加載,為了檢查壓力機與數據采集系統是否正常工作，同時使試驗梁進入正常的測試工況，需要對梁進行預加載，加載速度為50 N/s，大小為5 kN；②正式加載,試驗開始至裂縫穩定發展前階段和鋼筋屈服后至梁破壞階段，每級加載均為5 kN,裂縫穩定發展后至鋼筋屈服前，每級加載為10 kN,加載速度為100 N/s，每級荷載持續時間為5 min。

試驗過程中主要采集每級荷載下梁跨中撓度數據，以繪制荷載-撓度曲線，從而分析梁的延性與耗能；同時采集縱筋應變數據，來判斷梁的屈服荷載，進而計算位移延性系數。受壓區混凝土壓碎破壞時，結束加載，記錄梁破壞時的最大撓度。

2 試驗結果分析

2.1 荷載-撓度曲線

圖3—5分別為不同鋼纖維撒布層數、鋼纖維層撒布量與縱筋配筋率變化下各試驗組梁的荷載-撓度曲線。可以看出，各試件梁的荷載-撓度曲線大致分為3個階段：第一階段為撓度隨荷載增加呈線性增長的彈性階段；第二階段為開裂后至屈服前的帶裂縫工作階段，此時曲線接近直線變化；第三階段為鋼筋屈服后階段，此時曲線近似呈水平變化，荷載增加很小時，撓度增加較大，梁剛度明顯降低。

由圖3可知，試件屈服之前，在同一荷載等級下，隨著鋼纖維撒布層數的增加，梁對應的撓度值逐漸減小，即梁的剛度逐漸增大。而梁破壞時的撓度隨鋼纖維撒布層數增加的變化規律不明顯，與RAC梁相比，LSFRAC梁破壞時撓度有增大也有減小，其中L6-S1.5-R16組梁的撓度最大，較L0-S0-R16組增大12.8%，其他組的變化范圍為-26.8%～+6.2%(-代表降低，+代表提高)。

圖3 不同鋼纖維撒布層數的荷載-撓度曲線

圖4 不同鋼纖維層撒布量的荷載-撓度曲線

圖5 不同配筋率的荷載-撓度曲線

由圖4可知，鋼纖維層撒布量由1.0 kg/m2增加至2.0 kg/m2時，同一荷載等級對應的撓度逐漸減小，即剛度逐漸增大；梁破壞時的撓度逐漸減小，L4-S2.0-R16組較L4-S1.0-R16組減少1.6 mm，減小了5.0%。

由圖5可知，配筋率由1.77%增大至2.93%時，同一荷載等級下的跨中撓度逐漸減小，剛度增大；梁破壞時的撓度逐漸增大，L4-S1.5-R18組較L4-S1.5-R14組增加33.6%。

2.2 延性分析

位移延性系數(極限位移與屈服位移之比)是衡量鋼筋混凝土構件延性的重要指標之一，其值越大，表征構件的延性越好[15]。以縱筋屈服、梁撓度突變時對應的荷載值為屈服荷載，梁破壞時的荷載值為極限荷載，由荷載-撓度曲線可以確定屈服荷載與極限荷載對應的撓度值，即為屈服位移和極限位移，各試驗組梁的位移延性系數計算結果見表3。

表3 各試件梁的位移延性系數

由表3可知，位移延性系數隨鋼纖維撒布層數的變化規律不明顯，與L0-S0-R16組相比，僅L6-S1.5-R16組的延性系數增大8.8%，其余組的延性系數均減小，減小幅度為1.2%～28.8%。隨著鋼纖維層撒布量的增多，位移延性系數逐漸增大，L4-S2.0-R16組較L4-S1.0-R16組增大了4.1%。隨著配筋率的增大，延性系數亦逐漸增大，其中L4-S1.5-R14組與L4-S1.5-R16組僅差0.03，相差不大，L4-S1.5-R18組較L4-S1.5-R14組增大36.0%，增長顯著。由表3還可以看出，各試驗組梁的位移延性系數均滿足GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[16]中大于3的要求。

2.3 耗能分析

對荷載-撓度曲線與橫坐標軸作積分，可得到梁的耗能，圖6、表4所示為各試驗組梁從加載至破壞耗能能力的變化情況。

圖6 不同鋼纖維撒布層數的耗能

表4 不同鋼纖維層撒布量與縱筋配筋率的耗能

不同鋼纖維層撒布量/(kg·m-2)耗能/J不同縱筋配筋率/%耗能/J1.0 3 2081.772 6621.53 2132.313 2132.0 3 3612.934 928

由圖6可知，與RAC梁相比，LSFRAC梁的耗能能力有增強亦有減弱，其中L6-S1.5-R16組梁的耗能能力最強，較L0-S0-R16組提高41.8%，增強效果顯著，而其余組梁的變化范圍為-12.9%～+10.0%不等。由表4可知，隨著鋼纖維層撒布量與縱筋配筋率的增大，梁的耗能能力逐漸得到加強，其中L4-S2.0-R16組較L4-S1.0-R16組增強了4.8%，L4-S1.5-R18組較L4-S1.5-R14組增強了85.1%，可見配筋率對耗能能力的影響較為明顯。

2.4 原因分析

由以上分析可以看出，L6-S1.5-R16組梁破壞時的撓度較大、位移延性系數較大、耗能能力較強，這是因為L6-S1.5-R16組梁的破壞形式與其余組梁不同。L0-S0-R16組與L4-S1.5-R16組梁均是在跨中區域產生一條主要裂縫(圖7)，裂縫逐漸延伸至2/3梁高后開始橫向擴展，受壓區混凝土壓碎而破壞；而L6-S1.5-R16組梁加載點處產生2條對稱的主要裂縫，裂縫延伸至大約2/3梁高位置處時，加載點處混凝土擠壓破碎而破壞，破壞時純彎段下降明顯，因而撓度、位移延性系數較大，耗能能力較強。L6-S1.5-R16組梁之所以發生這種特殊形式的破壞，是因為鋼纖維撒布不均勻(跨中撒布較多，加載點處撒布較少)，導致跨中截面較強而加載點處截面較弱。因此，可以將彎矩較大部位通過撒布多層多量的鋼纖維，來控制最不利截面處的破壞，從而提高結構構件的延性與耗能。

a) L0-S0-R16

b) L4-S1.5-R16

c) L6-S1.5-R16圖7 部分試件梁的破壞形態

3 結論

a) RAC梁和LSFRAC梁的荷載-撓度曲線大致分為3個階段：彈性階段、帶裂縫工作階段和鋼筋屈服后階段。隨著鋼纖維撒布層數、鋼纖維層撒布量與縱筋配筋率的增加，梁的剛度均逐漸增大。

b) 位移延性系數與耗能能力隨鋼纖維撒布層數的變化規律不明顯，與L0-S0-R16組相比，L6-S1.5-R16組的延性系數增大8.8%，耗能能力增強41.8%，其余組有增大亦有減小。

c) 鋼纖維層撒布量由1.0 kg/m2增多至2.0 kg/m2時，LSFRAC梁的位移延性系數增大4.1%，耗能能力增強4.8%。配筋率由1.77%增大至2.93%時，LSFRAC梁的位移延性系數增大36.0%，耗能能力增強85.1%。

d) 當鋼纖維撒布層數較多(6或7層)，鋼纖維撒布不均勻時(跨中位置撒布較多，加載點處撒布較少)，LSFRAC梁破壞時的撓度較大，延性與耗能能力較好。