裝配式建筑結(jié)構(gòu)中混凝土彎曲抗折性能分析*

袁誠欣

(湖北工業(yè)大學(xué) 武漢 430068)

1 裝配式混凝土建筑概念

用預(yù)制部品部件在工地裝配而成的建筑，裝配式建筑包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)四大模塊，如圖1所示。具有工業(yè)化水平高、建造速度快、施工質(zhì)量好、減少工地?fù)P塵和建筑垃圾等優(yōu)點(diǎn)，可以提高建筑質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低成本，有效實(shí)現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)保”的綠色發(fā)展要求。裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)在美國、歐洲、日本、新西蘭等以及我國的臺(tái)灣、香港地區(qū)都有廣泛應(yīng)用。

圖1 裝配式混凝土建筑

2 裝配式混凝土建筑發(fā)展背景

裝配式建筑規(guī)劃自2015年密集出臺(tái)，決定2016年全國全面推廣裝配式建筑,并取得突破性進(jìn)展；《國務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》(國辦發(fā)〔2016〕71號(hào))，深入指導(dǎo)裝配式混凝土居住建筑技術(shù)體系發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)裝配式建筑產(chǎn)業(yè)化，并對(duì)裝配式混凝土建筑重要城市和建筑區(qū)域都進(jìn)行明確指導(dǎo)。各地也先后制定了一系列的政策指導(dǎo)，從而推動(dòng)了裝配式建筑的迅猛發(fā)展。其具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)分類

3.1 裝配整體式框架結(jié)構(gòu)

裝配整體式框架結(jié)構(gòu)是常見的結(jié)構(gòu)體系，主要應(yīng)用于空間要求較大的建筑，如商店、學(xué)校、醫(yī)院等。其傳力途徑為：樓板→次梁→主梁→柱→基礎(chǔ)→地基，結(jié)構(gòu)傳力合理，抗震性好。

技術(shù)特點(diǎn)：預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度高，構(gòu)件種類較少，各類構(gòu)件重量差異較小，起重機(jī)械性能利用充分，技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性較高；建筑物拼裝節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化程度高，有利于提高工效；機(jī)械化施工程度高、質(zhì)量可靠、結(jié)構(gòu)安全、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保等特點(diǎn)。

3.2 裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)

裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)是住宅建筑中常見的結(jié)構(gòu)體系，其傳力途徑為：樓板→剪力墻→基礎(chǔ)→地基，采用剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物室內(nèi)無突出于墻面的梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，室內(nèi)空間規(guī)整。

技術(shù)特點(diǎn)：預(yù)制構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化程度較高，預(yù)制墻體構(gòu)件、樓板構(gòu)件均為平面構(gòu)件，生產(chǎn)、運(yùn)輸效率較高。

4 實(shí)驗(yàn)研究

筆者通過對(duì)混凝土彎曲抗折性能實(shí)驗(yàn)，找到滿足裝配式混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的金剛砂摻入量，以此達(dá)到環(huán)保經(jīng)濟(jì)且符合實(shí)際裝配式混凝土建筑工程應(yīng)用的目的。

4.1 試驗(yàn)

(1)原材料。水泥：PO 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。粗骨料：天然粗骨料粒徑為5～31.5 mm，表觀密度為2 758 kg/m3;再生粗骨料粒徑為5～31.5 mm，表觀密度為2 432 kg/m3。細(xì)骨料：普通天然河砂細(xì)度模數(shù)2.65，粒徑<5 mm;機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)3.10，粒徑<5 mm。金剛砂：粒徑為0～2 mm，表觀密度為3 208 kg/m3。摻合料：I級(jí)粉煤灰，細(xì)度8.0%；S95等級(jí)礦粉，密度為2.9 g/cm3。外加劑：聚羧酸減水劑，減水率24%～26%，含氣量為4.8%。

(2)配合比。本實(shí)驗(yàn)中配合比以C30混凝土為基礎(chǔ)，再生骨料的替代率為30%，金剛砂的摻入量分別為5%、10%、15%、20%。各組試件的配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 各組試件配合比設(shè)計(jì)(kg/m3)

4.2 抗折試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試樣是150 mm×150 mm×550 mm的標(biāo)準(zhǔn)小梁試樣，每種配合比制備3個(gè)相同的試樣，共18個(gè)。本次試驗(yàn)在MTS微機(jī)控制電子壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用三分點(diǎn)加載方式進(jìn)行加載，如圖2所示。

圖2 三分點(diǎn)加載方式示意圖

圖3 四點(diǎn)彎曲抗折試驗(yàn)

將試件從養(yǎng)護(hù)室拿出來并用打磨機(jī)把與試驗(yàn)機(jī)支座接觸的地方打磨平整和支座對(duì)齊，讓試件和支座接觸穩(wěn)定。先手動(dòng)調(diào)試盡量讓加載點(diǎn)靠近試件，然后再以0.05 MPa/s的加載速度，使試驗(yàn)機(jī)開始工作，如圖3所示。

表2 彎曲抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(2)各組試件實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。從表2可以看到，天然混凝土、再生混凝土與金剛砂改性再生混凝土的破壞過程都是試件純彎段底部最開始出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增大裂縫寬度也增大，在聽見“嘭”的一聲后，試件突然斷裂，此時(shí)已達(dá)到破壞荷載，具有明顯的脆性破壞特征。

4.3 結(jié)果分析

(1)破壞截面分析。根據(jù)破壞截面來分析，天然混凝土的破壞界面較為平滑整潔，且在試件純彎段的中線附近，斷面由粗骨料斷面和水泥砂漿斷面共同組成，可以看到內(nèi)部蜂窩狀的氣孔較少。再生混凝土的破壞界面則較為粗糙和凹凸不平，雖然在純彎段內(nèi)但是分布在兩邊，這是由于再生混凝土里的粗骨料表面情況比較復(fù)雜，存在新舊水泥砂漿界面區(qū)導(dǎo)致的不均勻性，內(nèi)部有空洞。摻入了金剛砂的再生混凝土破壞界面則介于兩者之間，因?yàn)榻饎偵暗募尤敫纳屏丝斩船F(xiàn)象，使得再生混凝土內(nèi)部分布更均勻一些，如圖4所示。

圖4 RC(左)和SRC(右)斷面

(2)抗折強(qiáng)度分析。根據(jù)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析，摻入30%的再生骨料使混凝土的抗折強(qiáng)度明顯降低，這與文獻(xiàn)的結(jié)果一致，降幅為15.6%，原因可能是再生粗骨料孔隙率大、吸水率高，導(dǎo)致與水泥砂漿截面的粘接性較差，所以再生混凝土內(nèi)部有較多空洞，密實(shí)度低，影響了抗折強(qiáng)度。金剛砂混凝土隨著金剛砂摻量的增加抗折強(qiáng)度有不同程度的增強(qiáng)，SRC1、SRC2、SRC3、S4RC較RC的抗折強(qiáng)度分別提高了6.4%、15.7%、19.7%、21.1%；SRC1和SRC2較C的抗折強(qiáng)度分別降低了10.6%和2.9%，SRC3和SRC4較C的抗折強(qiáng)度分別提升了0.5%和1.7%。這說明在合適的金剛砂摻量下，能夠彌補(bǔ)再生骨料帶來的強(qiáng)度缺陷，并且隨著金剛砂摻量的增加，抗折強(qiáng)度也不斷地提升，能達(dá)到同等配合比天然混凝土的抗折強(qiáng)度。但是在金剛砂的摻入量高于15%時(shí)，抗折強(qiáng)度沒有繼續(xù)大幅度的提升，此時(shí)明顯已經(jīng)達(dá)到最佳的增益效果(見圖5、圖6)。

圖5 各組試件抗折強(qiáng)度值

圖6 各組試件抗折強(qiáng)度比

由以上論述，可得出以下結(jié)論：

(1)再生粗骨料的摻入明顯降低了混凝土的抗折強(qiáng)度。

(2)金剛砂摻入再生混凝土中可以很好地改善因再生混凝土內(nèi)部新舊砂漿界面區(qū)粘結(jié)力較弱而產(chǎn)生的空洞現(xiàn)象，從而提升再生混凝土的抗折性能。

(3)當(dāng)金剛砂替換率為15%的時(shí)候，再生混凝土能達(dá)到與普通混凝土同等的抗折強(qiáng)度，既能最大程度地回收利用建筑垃圾，也能滿足實(shí)際工程的強(qiáng)度需求。