撒布式鋼纖維替代部分縱筋的可行性分析

郭航,唐佳軍,楊延岐

(長春工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,長春 130012)

0 引言

撒布式鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型的混凝土結(jié)構(gòu)形式,它將整體式鋼纖維混凝土中的鋼纖維(Steel Fibe,簡稱SF)分層撒布,在保持相同力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,可節(jié)約SF的用量,從而降低工程造價[1-2];同時因SF撒布的特殊結(jié)構(gòu)形式,可避免SF的攪拌工序,降低了施工難度[3-4]。朱夢良等[5]研究了SF的撒布位置與摻量對被撒布并養(yǎng)護(hù)28 d后的混凝土抗壓強(qiáng)度、彎曲韌性與抗折強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明上布SF對混凝土強(qiáng)度的增大作用不明顯,下布SF可顯著提高混凝土的抗折強(qiáng)度;抗折強(qiáng)度與彎曲韌性隨下部SF摻量的增加而逐漸增大;撒布式SF顯著改善了混凝土的破壞形態(tài),抗壓試驗中混凝土試塊裂而不碎,抗折試驗中裂而不斷。蔣品[6]從經(jīng)濟(jì)性方面對撒布式SF混凝土進(jìn)行可行性分析,結(jié)果表明相同性能的前提下,其SF用量較整體式減少了43%,水泥用量減少了7%。

再生混凝土是一種環(huán)保型的綠色混凝土材料,它將廢棄混凝土破碎、篩分、清洗制成再生骨料,用來取代部分天然骨料,使得建筑垃圾得到再利用、固廢資源化,因而具有顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)保效益。2019年7月,中國科學(xué)技術(shù)部網(wǎng)站上發(fā)布了《科技部關(guān)于發(fā)布國家重點研發(fā)計劃“固廢資源化”等重點專項2019年度項目申報指南的通知》,旨在加強(qiáng)對固體廢棄物和垃圾的處置,推進(jìn)資源的全面節(jié)約和循環(huán)利用,為大幅度提高我國資源利用效率和促進(jìn)碳中和事業(yè)的發(fā)展提供研究支撐。

本研究將撒布式鋼纖維混凝土與再生混凝土二者結(jié)合,即撒布式鋼纖維再生混凝土(Layered Steel Fibe Recycled Aggregate Concrete,簡稱LSFRAC),從開裂彎矩與極限彎矩、延性與耗能、變形與撓度等方面,對LSFRAC梁中撒布式SF替代部分縱筋的可行性進(jìn)行分析,為撒布式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)用研究提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗方案設(shè)計

表1為本研究的方案設(shè)計,由表可知S0-R16組與S2.0-R16組梁的縱筋直徑相同、鋼纖維撒布量不同,而S1.5-R14組與S1.5-R18組則剛好相反。通過對比較低鋼纖維撒布量、較高配筋率的試驗組與較高鋼纖維撒布量、較低配筋率的試驗組,即對比S0-R16組與S1.5-R14組、S1.5-R18組與S2.0-R16組,分析撒布式SF替代部分縱筋的可行性。

表1 各試驗組理化指標(biāo)數(shù)據(jù)

1.2 試件設(shè)計與試驗方法

圖1為各試驗組梁的截面尺寸與配筋構(gòu)造圖,可以看出梁的尺寸為120 mm×180 mm×1 500 mm,凈跨為1 200 mm,剪跨為400 mm,跨中純彎段為400 mm?？v筋、架立筋、箍筋分別采用HRB400級鋼筋、HRB335級鋼筋(直徑為10 mm)與HPB300級鋼筋(直徑為8 mm,間距為100 mm)。根據(jù)前期力學(xué)性能試驗結(jié)果,當(dāng)SF撒布層數(shù)為4或7時,彈強(qiáng)比較小,混凝土抗裂性較好[7],考慮到撒布7層SF時施工較困難,故確定SF撒布層數(shù)為4,SF撒布位置如圖2所示。根據(jù)GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[8],在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)試驗梁28 d后進(jìn)行四點彎曲加載試驗,使用儀器為YAS-5000型微機(jī)控制電液伺服壓力試驗機(jī)。

圖1 配筋構(gòu)造與梁截面尺寸圖/mm

圖2 SF撒布位置示意圖/mm

2 可行性分析

為了定量研究撒布式SF替代部分縱筋的可行性,參照文獻(xiàn)[9],將縱筋的用量按質(zhì)量轉(zhuǎn)化為等效撒布量(1層)的形式,換算公式為

(1)

式中:SR為縱筋的等效撒布量,kg/m2;mR為縱筋的總質(zhì)量,kg;b為梁的寬度,m;l為梁的跨度,m。

利用式(1)換算后,配筋率為1.77%、2.31%與2.93%的縱筋對應(yīng)的等效撒布量依次為19.5 kg/m2、25.5 kg/m2和32.2 kg/m2。

2.1 開裂彎矩與極限彎矩

圖3～4分別為各試驗組梁的開裂彎矩與極限彎矩。對比分析S0-R16組與S1.5-R14組可知,前者的配筋率較后者大了0.54%(等效撒布量對應(yīng)增加了6.0 kg/m2),前者的SF撒布量比后者減少了1.5 kg/m2,而后者的開裂彎矩較前者提高了33.3%,二者的極限彎矩相等,可見4層1.5 kg/m2的撒布式SF可替代等效撒布量為6.0 kg/m2的縱筋;對比分析S2.0-R16組與S1.5-R18組可以看出,前者的SF撒布量較后者增加了0.5 kg/m2,配筋率減少了0.62%(等效撒布量對應(yīng)減少了6.7 kg/m2),而二者的開裂彎矩相同,但后者的極限彎矩較前者增大了11.5%,4層0.5 kg/m2的撒布式SF不足以代替6.7 kg/m2的縱筋。

圖3 各試驗組梁的開裂彎矩

圖4 各試驗組梁的極限彎矩

2.2 延性與耗能

圖5～6分別為各試驗組梁的位移延性系數(shù)與耗能?？梢钥闯?S0-R16組的延性與耗能能力較S1.5-R14組均有所提高,其中耗能增強(qiáng)了27.2%,位移延性系數(shù)增大了22.5%;同樣較高配筋率、較低鋼纖維撒布量的S1.5-R18組的延性與耗能能力較低配筋率、較高撒布量的S2.0-R16組也均有所提高,其中耗能增強(qiáng)了46.6%,位移延性系數(shù)增大了41.4%。因此,從延性與耗能方面考慮,4層0.5 kg/m2的撒布式SF不足以替代等效撒布量為6.7 kg/m2的縱筋,4層1.5 kg/m2的撒布式SF亦不足以代替6.0 kg/m2的縱筋。

圖5 各試驗組梁的位移延性系數(shù)

圖6 各試驗組梁的耗能

由圖5～6還可以看出,當(dāng)SF撒布量從0增加至2.0 kg/m2時,耗能能力降低了0.7%,位移延性系數(shù)減小了21.5%;當(dāng)配筋率由1.77%增大至2.93%,即縱筋等效撒布量由19.5 kg/m2增加至32.2 kg/m2時,耗能能力增強(qiáng)了85.1%,位移延性系數(shù)增大了36.0%?？梢娕浣盥蕦ρ有耘c耗能能力的增強(qiáng)作用較SF更為顯著,因此考慮延性與耗能時,撒布式SF替代部分縱筋是不可行的。

2.3 變形與撓度

圖7為S0-R16組(較低鋼纖維撒布量&較高配筋率)與S1.5-R14組(較高鋼纖維撒布量&較低配筋率)梁的荷載-撓度曲線?？梢钥闯?在彈性階段與帶裂縫工作階段,同一荷載等級下,S1.5-R14組梁對應(yīng)的撓度值均比S0-R16組小,即此階段S1.5-R14組梁的剛度較大。GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[10]規(guī)定,使用上對撓度有較高要求的受彎構(gòu)件的撓度限制為l0/250(l0<7 m時,l0為計算跨度),本研究取撓度限制為4.8 mm。S1.5-R14組梁撓度為4.8 mm時對應(yīng)的荷載值較S0-R16組大2.6 kN,增大了3.6%。S0-R16組的配筋率較S1.5-R14組大了0.54%,但二者的屈服荷載相同,均為80 kN。因此可以認(rèn)為,試件屈服之前,4層1.5 kg/m2的撒布式SF可以代替等效撒布量為6.0 kg/m2的縱筋。而試件屈服之后至荷載達(dá)到105 kN之前,相同荷載作用下S0-R16組梁對應(yīng)的撓度值較S1.5-R14組小;梁達(dá)到極限荷載110 kN時,S0-R16組梁的撓度較大、變形能力較好。這是因為鋼筋屈服之后,主要由撒布式SF承擔(dān)拉力,此時裂縫寬度較寬,部分SF被拔出而退出工作[11]。

圖7 S0-R16組與S1.5-R14組的荷載-撓度曲線

圖8為S2.0-R16組與S1.5-R18組梁的荷載-撓度曲線。由圖中對比情況可知,在屈服之前,即荷載<110 kN時,兩組梁的荷載-撓度曲線接近重合,屈服荷載亦相同,可認(rèn)為此階段4層0.5 kg/m2的撒布式SF可以代替等效撒布量為6.7 kg/m2的縱筋。試件屈服之后,同一荷載等級下S1.5-R18組梁對應(yīng)的撓度值較S2.0-R16組小,梁受力特性較好,梁被破壞時的撓度較大。可以看出,撒布式SF對梁早期的抗裂能力與剛度影響較大,而縱筋對梁后期的承載能力與變形能力影響較大。

圖8 S2.0-R16組與S1.5-R18組的荷載-撓度曲線

3 結(jié)論

1)從梁的極限與開裂荷載方面考慮,4層1.5 kg/m2的撒布式鋼纖維可替代等效撒布量為6.0 kg/m2的縱筋,而4層0.5 kg/m2的撒布式鋼纖維不足以代替等效撒布量為6.7 kg/m2的縱筋。

2)從梁的延性與耗能方面考慮,撒布式鋼纖維替代部分縱筋是不可行的,因為配筋率對位移延性系數(shù)與耗能能力有比較明顯的增強(qiáng)作用。

3)從梁的變形與撓度方面考慮,在彈性階段與帶裂縫工作階段,撒布式鋼纖維替代部分縱筋是可行的,而鋼筋屈服后階段則不可行。

4)撒布式鋼纖維對梁加載早期的抗裂能力與剛度的影響較大,而縱筋對梁加載后期的承載能力與變形能力的影響較大。