竹筋、機(jī)制砂混凝土梁抗彎性能試驗研究★

王楊君，何 瑾，張津津，李 博

(1.浙江交工國際工程有限公司，浙江 杭州 311103；2.溫州大學(xué)建筑工程系，浙江 溫州 325035； 3.溫州市韌性城市生命線工程智慧防護(hù)技術(shù)研究中心，浙江 溫州 325035)

1 概述

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因為其優(yōu)越的性能和相對低廉的價格，被廣泛地應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。然而，若河砂和鋼筋在施工中被廣泛地使用，將大量的消耗不可再生資源，同時會產(chǎn)生一系列的環(huán)境問題。基于此，國內(nèi)外眾多學(xué)者們一直都在尋求經(jīng)濟(jì)且環(huán)境友好的鋼筋、河砂代替材料[1-4]。竹筋作為可再生資源，以其優(yōu)越的抗拉性能備受關(guān)注；天然砂的供需矛盾，機(jī)制砂作為天然砂的替代品應(yīng)運而生。

竹材纖維結(jié)構(gòu)致密，它既能承受拉伸，又能承受壓縮載荷。19世紀(jì)初,Chow[5]最先提出將竹材應(yīng)用于混凝土中。李海濤等[6]系統(tǒng)介紹了原生竹材在巖土工程、道路工程、水利工程、橋梁工程、建筑工程等領(lǐng)域的應(yīng)用情況。Dey等[7]測試發(fā)現(xiàn)竹子的平均抗拉強(qiáng)度為250 N/mm2，能達(dá)到鋼筋抗拉強(qiáng)度的50%～75%，但是其強(qiáng)度質(zhì)量比卻是傳統(tǒng)鋼筋的6倍，竹子具有足夠的強(qiáng)度特性，且既能承受拉伸，又能承受壓縮荷載，非常適合工程用途。竹子的一個主要缺點是它在用混凝土加固時的吸水性。未經(jīng)處理的竹子因吸水而產(chǎn)生的尺寸變化會導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)混凝土出現(xiàn)微觀甚至宏觀裂縫，竹子的膨脹將混凝土推開，在養(yǎng)護(hù)期過后，竹子失去水分，幾乎收縮回原來的尺寸，在其周圍留下空隙。除了原竹的吸水性外，混凝土基體的堿性環(huán)境也會加速竹纖維的化學(xué)分解[8-11]。因此，若竹筋應(yīng)用于混凝土構(gòu)件，首先需要解決竹筋的防水與防腐問題。鄒立華等[12]提出了多種竹筋的改性方法，以解決由于竹筋材料性能與鋼筋差異較大引起的竹筋混凝土結(jié)構(gòu)問題。

同時，基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步發(fā)展和社會環(huán)境保護(hù)意識的加強(qiáng),天然砂愈發(fā)緊缺，機(jī)制砂的使用已成為必然趨勢。王稷良[13]從粒形、級配、顆粒含量等方面將機(jī)制砂與天然砂進(jìn)行了對比研究，發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂與天然砂有較多相似之處。Chaparro等[14]確定了天然河流和人造砂中的微量礦物和主要礦物，結(jié)果表明，機(jī)制砂可作為傳統(tǒng)河砂的合適替代品。Yang等[15]通過X射線和電鏡掃描，研究了機(jī)制砂石粉含量對混凝土水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)的影響。謝開仲等[16]對不同顆粒級配機(jī)制砂混凝土分別開展了強(qiáng)度試驗,并與天然砂混凝土進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.90左右時,機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能數(shù)值達(dá)到峰值,且最大值高于天然砂混凝土。劉凱等[17]論述了武漢某超高層混凝土工程項目中機(jī)制砂混凝土的制備與應(yīng)用，證實機(jī)制砂可以滿足現(xiàn)場施工作業(yè)的需求。

然而，以往的研究均單一集中在竹筋混凝土或機(jī)制砂混凝土構(gòu)件，尚未有研究涉及竹筋、機(jī)制砂混凝土的協(xié)同工作性能和實際工程的可行性。在交通土建工程中，特別是偏遠(yuǎn)山區(qū)，項目周邊往往分布較為廣泛的巖石、竹材資源，所以河砂、鋼筋的匱乏顯得尤其突出，需采用較長運距的運輸。如果能就地取材，以機(jī)制砂代替河砂、竹筋取代鋼筋，運用到一些臨時性梁板構(gòu)件中，可以大幅地降低工程成本，且很好地保障工程的進(jìn)度。本文將利用混凝土梁抗彎測試系統(tǒng)，通過開展竹筋、機(jī)制砂混凝土梁靜載試驗研究，揭示不同配筋率、機(jī)制砂摻入量，混凝土梁的受力規(guī)律，對比普通鋼筋混凝土梁力學(xué)性能，為工程應(yīng)用提供設(shè)計施工依據(jù)。

2 材料力學(xué)性能

竹材選用浙江溫州產(chǎn)3年期毛竹,本品種毛竹具有良好的機(jī)械和物理性能，在我國分布極為廣泛，經(jīng)自然風(fēng)干后水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%左右。取5組長度330 mm、厚度5 mm、兩端寬度10 mm、中部變寬的竹筋試件，測定其各項力學(xué)性能。竹筋試件和竹筋抗拉試驗見圖1，表1。

表1 竹筋抗拉試驗

竹筋在拉伸試驗過程中，荷載曲線無明顯的屈服點，加載初期應(yīng)力應(yīng)變成線性關(guān)系。隨著荷載的增加，內(nèi)層的竹黃先受拉斷裂，緊接著中層竹黃和竹青被相繼拉斷，荷載-時間曲線在加載試驗后期出現(xiàn)震蕩區(qū)(見圖2)。竹筋的拉斷過程近似于脆性材料，在計算竹筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值時，參照無明顯屈服點鋼筋的計算方法：條件屈服點取殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時，即f0.2=(0.8～0.9)fst=0.8×220.56=176.45 MPa為竹筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，為滿足安全儲備及不可控誤差，取安全系數(shù)0.8，得竹筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值140 MPa。

細(xì)骨料選用天然河砂及石灰?guī)r機(jī)制砂，測得河砂細(xì)度模數(shù)為2.94，機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)為2.58，兩者均屬于2區(qū)中砂，顆粒粒徑級配曲線見圖3。選取粒徑5 mm～15 mm的石灰石碎石作為粗骨料，普通硅酸鹽水泥采用325標(biāo)號，質(zhì)量配合比為水泥∶砂子∶石子∶水=1∶2.643∶4.454∶0.711。

制作一批150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方體試塊，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后測得其立方體抗壓強(qiáng)度，對比不同機(jī)制砂摻量對混凝土強(qiáng)度的影響。當(dāng)機(jī)制砂摻入量小于50%時，混凝土的流動性、黏聚性、保水性等性能良好，當(dāng)機(jī)制砂摻入量大于50%時，需額外加入用水量以保持混凝土的流動性。

3 試驗方案

3.1 試件制備

試件為矩形截面的簡支梁，橫截面尺寸寬120 mm，高150 mm，保護(hù)層厚度5 mm,梁長度為1 500 mm。為了更好地比較普通鋼筋混凝土梁構(gòu)件與竹筋混凝土構(gòu)件的受彎性能，試件箍筋仍采用直徑為6 mm的 HPB300 鋼筋，竹筋用作縱向上部架立筋和下部受力筋。竹筋為長條形，橫截面尺寸為厚5 mm，寬10 mm，長度1 450 mm。在竹筋兩端30 cm 刻槽糙化處理以增大竹筋與混凝土的機(jī)械咬合力，中點兩側(cè)各粘貼一片應(yīng)變片，隨后整根竹筋噴兩遍生漆，起到防水防腐效果。

參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算BC梁的配筋率。從竹筋拉伸試驗可知，竹筋在拉伸過程中無明顯屈服點，試驗梁的界限受壓高度可按下式計算：

(1)

其中，F(xiàn)y為竹筋的抗拉強(qiáng)度;εcu為混凝土的極限壓應(yīng)變;ES為竹筋的抗拉彈性模量。

最大配筋率:

(2)

最小配筋率:

(3)

其中，fc為混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度;ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。

故取最小配筋率ρmin=0.41%。

根據(jù)計算結(jié)果設(shè)計竹筋籠,布筋方式見圖4。

為確保振搗的充實,分三層將混凝土澆筑在模具內(nèi),完成竹筋混凝土梁的澆筑。隨著機(jī)制砂摻入量的增加,石粉含量增大,需較設(shè)計配合比額外加入用水量,以保證混凝土的工作性。澆筑了8組不同配筋率、機(jī)制砂摻入量的試驗梁,詳見表2。

表2 試件參數(shù)

3.2 測試方法

如圖5所示,對試件進(jìn)行三點彎曲試驗,試驗支座間距1.2 m,采用跨中一點,分級加載的方式,每級加載2 kN,直至試件破壞失效,跨中設(shè)位移計監(jiān)測撓度。沿試件跨中截面高度,均勻布置3片混凝土應(yīng)變片,在底部跨中位置布置1片混凝土應(yīng)變片。后將試件一側(cè)面刷白并畫上間距30 mm的網(wǎng)格線,以觀察裂縫發(fā)展情況。加載過程的荷載、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)通過靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀實時采集。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 裂縫發(fā)展情況

鋼筋混凝土梁(Reinforced Concrete,以下簡稱RC梁)與竹筋混凝土梁(Bamboo Reinforced Concrete,以下簡稱BC梁)的裂縫發(fā)展情況存在一定差別。各試驗梁的主要裂縫均集中在跨中加載點附近。在達(dá)到開裂荷載后,一開始就出現(xiàn)較大寬度的裂縫并迅速發(fā)展至截面中心位置。這是因為相較于鋼筋,竹筋的彈性模量較小,屬于脆性材料,當(dāng)混凝土梁開裂進(jìn)入帶裂縫工作階段后,全部應(yīng)力由竹筋承擔(dān)。隨著荷載的增加,裂縫寬度逐漸增大,當(dāng)增加到一定值時,竹筋被拉斷,構(gòu)件破壞,其過程與鋼筋混凝土梁的少筋破壞相似。BC梁破壞特征表現(xiàn)為:破壞過程裂縫發(fā)展迅速,寬度較大,數(shù)量較少。不同的配筋率裂縫發(fā)展情況差異較明顯:配筋率越高,試件初始裂縫寬度越小,裂縫發(fā)展速度也越慢。同時可以發(fā)現(xiàn)機(jī)制砂梁(Crushed Sand,以下簡稱CS梁)的初始裂縫寬度稍大于普通砂梁(Natural Sand,以下簡稱NS梁),且隨著機(jī)制砂摻入量增大,最終裂縫寬度亦有增大的趨勢。這可能是因為機(jī)制砂的摻入需要更多配比的用水量,原配比的用水量不足導(dǎo)致的(見圖6)。

4.2 承載能力分析

各規(guī)格試驗梁按式(4)，式(5)計算承載力(自重影響較小,忽略不計)。

跨中彎矩設(shè)計值:

(4)

跨中荷載設(shè)計值:

(5)

將各參數(shù)代入上述公式,計算結(jié)果見表3。

表3 試件開裂荷載和極限荷載

試驗結(jié)果表明,CS梁和NS梁的開裂荷載均為3 kN左右,該值主要取決于混凝土的抗拉強(qiáng)度和截面形式[18]。配筋率對極限承載力影響明顯,隨著配筋率提高,BC梁的極限承載力相應(yīng)地增大。試驗所測得的極限抗彎承載力均小于理論設(shè)計值,且與理論計算值相差較大,兩者間存在約為0.6的折減系數(shù)。比較NS梁極限荷載實測值與理論計算值的比值,發(fā)現(xiàn)該值隨著配筋數(shù)量的增加有增大的趨勢,說明配筋數(shù)量的增加可促進(jìn)竹筋與混凝土的黏結(jié)性,可以提高強(qiáng)度的實現(xiàn)率;對比不同機(jī)制砂摻量的CS梁,其極限荷載實測值與理論計算值的比值均要大于NS梁,這可能是由于機(jī)制砂顆粒棱角分明,機(jī)制砂骨料的片狀、針狀顆粒增加了混凝土骨料與竹筋的機(jī)械咬合力。但是在100%機(jī)制砂摻量的試驗梁中,該比值卻是相同配筋率梁中最小的,這可能是因為過多摻量的機(jī)制砂帶入了部分石粉,增加了混凝土的需水量,減少了混凝土顆粒與竹筋之間黏結(jié)能力,使兩者之間產(chǎn)生了滑移。適量的機(jī)制砂摻入量可以改善竹筋與混凝土的黏結(jié)性能,提高BC梁的抗彎性能;機(jī)制砂過量摻入反而會降低BC梁的抗彎性能。

4.3 荷載與撓度關(guān)系

試件開裂前,對比不同機(jī)制砂摻量的4號～8號試驗梁,荷載-撓度曲線出現(xiàn)了2種不同于天然砂梁的線型。易發(fā)現(xiàn)4號試驗梁的抗彎剛度要大于8號試驗梁,卻小于5號～7號試驗梁。這可能是因為機(jī)制砂的表面較為粗糙,使骨料之間結(jié)合更加緊密,從而間接提高了混凝土抵抗變形的能力,但是大比例的機(jī)制砂摻量,會帶入過量的石粉影響其抗彎剛度,同時也造成原配比用水量偏少,機(jī)制砂會與水泥爭奪水量,從而最終導(dǎo)致抗彎剛度有所下降。反觀不同配筋率的普通砂混凝土梁,配筋率的大小對構(gòu)件截面開裂荷載影響并不明顯,其在混凝土開裂前的撓度變化情況基本相同,這印證了混凝土構(gòu)件的抗彎剛度主要由構(gòu)件截面形式和混凝土強(qiáng)度等級決定。

在試件開裂后,區(qū)別于RC梁荷載-撓度曲線會出現(xiàn)一個荷載增量不大,跨中撓度卻持續(xù)增大的屈服平臺,BC梁的荷載-撓度曲線變化仍然呈線性關(guān)系直至破壞。在下部受拉區(qū)混凝土開裂后,荷載主要由竹筋承擔(dān),故不同機(jī)制砂摻量的試驗梁表現(xiàn)出相似的抗彎性能;不同配筋率的試驗梁,其抗彎性能與配筋率具有正相關(guān)性,配筋率越大,構(gòu)件瞬間撓度越小,撓度增長也越慢(見圖7)。

4.4 應(yīng)變分析

如圖8所示,各組混凝土的應(yīng)變均基本呈線性分布,同一試件的應(yīng)變關(guān)于中性軸對稱,與普通RC梁無差異性,不同CS梁的截面平均應(yīng)變符合平截面假定,抗拉剛度性能大小排序與抗彎剛度一致。當(dāng)混凝土開裂后,混凝土的應(yīng)變與竹筋的應(yīng)變差值迅速擴(kuò)大,隨著裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大,應(yīng)變片被破壞,混凝土應(yīng)變無法繼續(xù)監(jiān)測。

取所有竹筋應(yīng)變的均值作為試驗梁竹筋的應(yīng)變。試驗梁開裂前,竹筋與混凝土協(xié)同工作共同承擔(dān)荷載,竹筋應(yīng)變較小,應(yīng)變與荷載呈線性增長趨勢。隨著荷載的增加,試驗梁出現(xiàn)裂縫,竹筋的應(yīng)變在開裂瞬間出現(xiàn)一次突變,且應(yīng)變增幅明顯。不同位置竹筋的應(yīng)變相差較大,最大應(yīng)變多出現(xiàn)在下層竹筋,竹筋從此處開始發(fā)生斷裂。但也有最大應(yīng)變出現(xiàn)在上層內(nèi)側(cè)竹筋,這可能是由于試件縮尺效應(yīng),截面尺寸較小,從而導(dǎo)致竹筋周邊混凝土包裹不充分、厚度不夠,最終造成了上層竹筋應(yīng)變大于下層竹筋的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

對比鋼筋混凝土梁的破壞試驗,分析試驗梁的承載能力、撓度、應(yīng)變等抗彎性能指標(biāo)得出以下結(jié)論:

1)竹筋的力學(xué)性能優(yōu)越,具有很高的強(qiáng)重比;竹筋、機(jī)制砂混凝土構(gòu)件可以承受較大荷載,滿足現(xiàn)場臨時性構(gòu)件使用要求。2)在抵抗裂縫發(fā)展與承載能力方面,RC梁與BC梁具有一定差異性,普通RC梁的設(shè)計計算方法不完全適用于BC梁,建議在實際應(yīng)用中,可按RC梁承載力計算方法乘以0.6的折減系數(shù)來設(shè)計BC梁。3)配筋率對混凝土梁的開裂荷載影響不大,該值由截面形式及混凝土性能確定。4)機(jī)制砂混凝土與天然混凝土的力學(xué)性能相似,適當(dāng)摻入量的機(jī)制砂,可以增加竹筋與混凝土的黏結(jié)性能、增大混凝土的強(qiáng)度和剛度,當(dāng)配筋率為2.22%、機(jī)制砂摻入比例為66.7%時,其工作性能最佳。