杜運興，王佳

基于性能要求的堿激發(fā)混凝土梁彎曲性能試驗研究

杜運興，王佳

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

采用四點彎曲試驗研究基于性能要求的堿激發(fā)混凝土梁的彎曲性能。采用對比試驗研究3個堿激發(fā)混凝土梁工況和3個普通硅酸鹽水泥混凝土梁工況。通過試驗獲得了各工況的彎曲性能指標。研究結(jié)果表明：3種強度的堿激發(fā)混凝土梁的彎曲剛度、極限承載力及裂縫發(fā)展模式與相應強度的普通硅酸鹽水泥混凝土梁基本吻合；對應于正常使用極限狀態(tài)，堿激發(fā)混凝土梁比普通硅酸鹽水泥混凝土梁對應的荷載值更高。

堿激發(fā)混凝土梁；彎曲性能；極限承載力；剛度

普通硅酸鹽水泥是一種重要的建筑材料，這種材料的生產(chǎn)會消耗大量的自然資源，并排放大量的二氧化碳[1]。由于這些缺陷，堿激發(fā)膠凝材料成為了近年來研究的熱點，該材料是由含有二氧化硅(SiO2)和氧化鋁(Al2O3)的原料(礦粉、粉煤灰、偏高嶺土等)在堿性激發(fā)劑作用下生成具有水硬的膠凝材料[2?3]，其生產(chǎn)過程中耗能低，且產(chǎn)生的二氧化碳排放量相比水泥生產(chǎn)減少了50%～80%[4]。堿激發(fā)膠凝材料中的礦渣和粉煤灰是產(chǎn)量巨大的工業(yè)副產(chǎn)品，因此，這種膠凝材料應用于土木工程有助于實現(xiàn)土木工程綠色發(fā)展的要求。目前國內(nèi)外的研究成果表明，基于礦渣的堿激發(fā)混凝土在常溫養(yǎng)護條件下具有強度高、抗?jié)B性、抗凍性及抗化學侵蝕性能好的優(yōu)點，但凝結(jié)時間短、工作性能較差[5?6]?；诜勖夯业膲A激發(fā)混凝土具有流動性大、強度高、抗硫酸鹽侵蝕性能佳、抗凍性好、干縮小等優(yōu)點，但由于粉煤灰活性低、大多數(shù)粉煤灰的品質(zhì)較低，因此常溫養(yǎng)護下堿激發(fā)粉煤灰混凝土的早期強度較低，限制了其應用，需要高溫養(yǎng)護才能發(fā)揮出其作用[6?7]。在基于礦渣的堿激發(fā)混凝土中摻入粉煤灰可以有效改善凝結(jié)時間，提高混凝土工作性能，然而會降低抗壓強度[8]。堿激發(fā)劑的種類、濃度或用量也會顯著影響堿激發(fā)混凝土的性能[3]。在水玻璃中加入NaOH可以提高混凝土強度，適當混合Na2CO3，可以獲得合理的凝固時間，工作性能和抗壓強度[9]。原材料種類不同，激發(fā)劑摻量、種類不同，養(yǎng)護條件不同，所提出的優(yōu)選配比不盡相同，配制出的堿激發(fā)混凝土的力學性能和工作性能波動很大。因此，綜合各因素對堿激發(fā)混凝土性能的影響規(guī)律，LI等[10]提出了一種基于性能要求的堿激發(fā)混凝土通用混合配比指南，基于性能要求的堿激發(fā)混凝土要求在施工性能、抗壓強度、耐久性和經(jīng)濟效率之間較為平衡的堿激發(fā)混凝土。目前國內(nèi)還沒有關(guān)于這類該混凝土的相關(guān)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的研究，開展這方面的研究對推廣該類混凝土的應用有重要的意義。受彎構(gòu)件是一類重要的混凝土構(gòu)件。國外一些學者針對不同堿激發(fā)混凝土研究了受彎構(gòu)件的抗彎性能。Maranan等[11]采用四點靜力彎曲試驗研究了基于礦渣和粉煤灰的GFRP筋地聚物混凝土梁的抗彎性能和服役性能。結(jié)果表明，地聚物混凝土梁的抗彎承載力大于普通硅酸鹽水泥混凝土梁，配筋率越大，梁的服役性能越好；FAN等[12]研究了玄武巖筋無機聚合物混凝土梁的彎曲性能，研究表明，玄武巖增強無機聚合物混凝土梁的彎曲性能與普通混凝土梁相似；Adak等[13]研究了常溫養(yǎng)護粉煤灰基納米二氧化硅改性堿激發(fā)混凝土梁的彎曲性能，結(jié)果表明其抗彎承載力以及與鋼筋的黏結(jié)強度均高于普通硅酸鹽水泥混凝土；Hutagi 等[14]以混凝土的抗壓強度和配筋率為變量，研究了開裂荷載、服役荷載和極限荷載對彎曲性能的影響；Sumajouw等[15]研究了抗壓強度和配筋率對堿激發(fā)粉煤灰混凝土彎曲性能的影響，研究了梁的荷載撓度曲線、破壞模式、裂縫性能。已有的研究表明，膠凝材料不同、配合比不同對堿激發(fā)混凝土梁的彎曲性能有較大的影響，而基于性能要求配制的基于礦渣?粉煤灰的堿激發(fā)混凝土在實際結(jié)構(gòu)工程應用中，必須對相應結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能進行研究。因此，通過四點靜力彎曲試驗，研究該堿激發(fā)混凝土梁的彎曲性能，并將其與普通硅酸鹽水泥混凝土梁的性能進行對比。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

本試驗共澆筑了6根鋼筋混凝土梁。梁截面尺寸為200 mm×400 mm，長度為3 600 mm。配置的箍筋可以保證混凝土梁的受彎破壞先于受剪破壞。試驗梁的幾何尺寸及配筋信息如圖1所示。試驗梁以混凝土種類和混凝土強度進行編號，PCC代表普通硅酸鹽水泥混凝土、AAC代表堿激發(fā)混凝土，如表1所示。

單位：mm

表1 試驗工況

1.2 材料參數(shù)

本試驗中所用礦粉的密度是2 900 kg/m3，粉煤灰為F級，密度是2 200 kg/m3，激發(fā)劑由99%純度的粉末狀的NaOH，Na2CO3和硅酸鈉溶液(Na2O?SiO2?H2O，其中Na2O9.5%，SiO228.5%，H2O62%)組成[10]。粗骨料采用粒徑為5～20 mm的碎石，細骨料選用中砂。強度為C30，C50的普通硅酸鹽水泥混凝土采用42.5R硅酸鹽水泥，強度為C70的普通硅酸鹽水泥混凝土采用52.5R硅酸鹽水泥，減水劑采用減水率為16%～22%的聚羧酸粉體減水劑，硅灰平均粒徑0.2 μm，容重為1 600～1 700 kg/m3。

1.3 試件準備

本試驗使用的堿激發(fā)混凝土和普通硅酸鹽水泥混凝土的配合比如表2和表3所示。堿激發(fā)混凝土制備過程如圖2所示。1) 制備激發(fā)劑，將氫氧化鈉、硅酸鈉和水按比例混合攪拌均勻，使其充分反應，并放置24 h。2) 按順序在攪拌機中分別加入細骨料、礦粉、粉煤灰，對其進行攪拌，攪拌過程中加入Na2CO3，使其均勻混入干料。3) 將配置好的激發(fā)劑緩慢加入攪拌機中，混合均勻。4) 將石子緩慢倒入攪拌機，繼續(xù)攪拌至所有原材料完全混合均勻。由該配合比配制的堿激發(fā)混凝土梁試件在澆筑過程表現(xiàn)出非常好的和易性，初凝時間為2～3 h，坍落度大于200 mm；在室溫下養(yǎng)護即可滿足強度要求，同時具有較好的耐久性和經(jīng)濟性，可以滿足實際工程的施工要求。

圖2 堿激發(fā)混凝土的制備過程

(a) 抗壓強度測試；(b) 彈性模量測試

表2 堿激發(fā)混凝土配合比

表3 普通硅酸鹽水泥混凝土配合比

表4 混凝土的力學性能

1.4 加載裝置及測量內(nèi)容

試驗梁上的荷載通過分配梁施加，梁上的2個加載點距離支座的位置均為1 200 mm，梁上的純彎段長度為800 mm。測試裝置如圖4所示，跨中分配梁上的加載裝置為1 500 kN的液壓千斤頂，千斤頂上布置力傳感器，通過分配梁對試驗梁加載；在跨中及支座截面布置位移計測試梁的撓度。在試驗梁的跨中縱向鋼筋表面貼應變片，測量試驗梁純彎段的縱向鋼筋應變。本試驗采用力控制加載。試驗測試荷載值、撓度和鋼筋應變通過應變采集儀實時采集，在加載過程中通過裂縫寬度測量儀觀測梁縱向受拉鋼筋高度位置處混凝土外表面的裂縫寬度，記錄每級荷載下裂縫的形成與發(fā)展。

圖4 加載及測試裝置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 彎矩撓度關(guān)系

如圖5所示，AAC梁和PCC梁對應的彎矩?跨中撓度關(guān)系曲線發(fā)展規(guī)律完全吻合。所有梁從開始受力至彎曲破壞的過程可分為3個階段。第1階段，撓度隨彎矩成比例增大，梁處于未開裂狀態(tài)，當彎矩增大至開裂彎矩，梁底部出現(xiàn)裂縫，曲線出現(xiàn)第一個轉(zhuǎn)折點；第2階段，隨彎矩增大，裂縫寬度增大，并向上延伸，隔一定間距相繼出現(xiàn)新的裂縫，直至鋼筋屈服，達到屈服彎矩；第3階段，由于鋼筋屈服，應變增長快，裂縫顯著開展，梁的撓度急劇增大，最后在彎矩的微小增加下，受壓區(qū)混凝土壓碎，梁喪失承載能力而破壞。曲線的第3階段，C30梁的撓度變化最小，C50梁和C70梁的撓度變化較大，C50，C70強度等級的梁表現(xiàn)出了更好的延性，具有更大的變形能力。

圖5 彎矩?跨中撓度關(guān)系曲線

2.2 彎曲剛度

如圖6所示，彎矩?曲率關(guān)系曲線也可以反映梁受彎破壞的過程，曲線的斜率則表示梁的截面彎曲剛度。鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正常使用時正截面承受的彎矩大致是其受彎承載力的50%～70%。結(jié)合表5可知，C30，C50和C70強度的AAC梁與PCC梁相比，未開裂時的彎曲剛度分別降低了4%，2%和9%，正常使用狀態(tài)的彎曲剛度平均值分別提高了5%，3%和?22%。混凝土強度為C30和C50時，彎曲剛度基本吻合，混凝土強度達到C70時，AAC梁較PCC梁相應的各階段的剛度均有較大的降低。由圖7可知，隨著混凝土強度的提高，PCC梁與AAC梁未開裂時的彎曲剛度均呈增大趨勢，而正常使用階段的彎曲剛度平均值先減小后增大。試驗表明，AAC梁與PCC梁的彎曲剛度特征相吻合。

圖6 彎矩?曲率關(guān)系曲線

表5 彎曲剛度

注：scr表示未開裂階段的彎曲剛度；s0.5，s0.6和s0.7分別表示正常使用狀態(tài)0.5M，0.6M和0.7M時的彎曲剛度。

2.3 承載力

所有試驗梁各個階段的承載力測試結(jié)果如表6所示。相比PCC梁，C30，C50和C70工況的AAC梁的開裂彎矩分別提高了8%，20%和18%；中國規(guī)范規(guī)定了正常使用狀態(tài)梁的裂縫寬度限值和撓度限值，一般情況裂縫寬度限值是0.3 mm，簡支梁的撓度限值是0/200。本研究中撓度都滿足限值要求，因此采用裂縫寬度限值規(guī)定正常使用極限狀態(tài)，正常使用極限狀態(tài)的彎矩分別提高了13%，5%和6%；屈服彎矩分別提高了5%，?2%和10%；中國規(guī)范規(guī)定梁出現(xiàn)以下4種情況之一被認為發(fā)生破壞：鋼筋應變達到10 000me；受拉主筋處最大裂縫寬度達到1.5 mm；混凝土頂面壓碎；跨中撓度達到1/500。本試驗中主筋處最大裂縫寬度達到1.5 mm這一情況最先出現(xiàn)，因此將相對于這一情況的彎矩值作為實測極限彎矩，C30，C50和C70工況的AAC梁極限彎矩與PCC梁相比，分別提高了1%，4%和8%。由圖8可知，隨著混凝土強度提高，AAC梁和PCC梁的開裂彎矩、正常使用極限狀態(tài)的彎矩均顯著增加，而屈服彎矩和極限彎矩則略有增大。以上數(shù)據(jù)可看出，除了AAC50的屈服彎矩比PCC50降低了2%，其余工況AAC梁的各階段彎曲承載力均比PCC梁有不同幅度的提高，即說明AAC梁的彎曲性能比較穩(wěn)定，且略好于PCC梁。混凝土強度增加對正常使用階段承載力的影響較大，對于屈服和破壞的影響較小。

圖7 混凝土強度對彎曲剛度的影響

注：scr表示未開裂階段的彎曲剛度；s表示正常使用狀態(tài)的彎曲剛度平均值。

2.4 變形能力

表7用延性系數(shù)=φ/φ反映梁的變形能力，式中φ指屈服彎矩對應的曲率，φ為峰值彎矩對應的曲率。延性系數(shù)越大，則梁耗散能量能力越強，具有較強的抵抗變形能力。從表7中數(shù)據(jù)比較可知，當混凝土標號為C30，C50和C70時，AAC梁比PCC梁的延性分別提高了?5%，1%和?8%，因此，AAC梁的延性與PCC較為吻合，由圖9可看出，混凝土強度提高，延性系數(shù)顯著增大。

(a)開裂彎矩；(b) 服役彎矩(正常使用極限狀態(tài)的彎矩)；(c) 屈服彎矩；(d) 極限彎矩

表6 彎曲承載能力

注：cr表示開裂彎矩；s表示正常使用極限狀態(tài)的彎矩；y表示屈服彎矩；u表示極限彎矩。

2.5 彎矩?鋼筋應變關(guān)系

圖10為梁跨中截面處的彎矩?鋼筋應變曲線，所有工況的曲線均分3個階段，與各工況的彎矩?曲率曲線反映的規(guī)律一致，鋼筋的應變反映了梁的開裂和屈服。表8比較了彎矩曲率曲線確定的屈服彎矩與彎矩鋼筋應變關(guān)系確定的屈服彎矩，兩者比值均在1附近。由于鋼筋應變片不一定黏貼在開裂截面處，2類曲線對應的屈服彎矩存在較小的差異。

表7 構(gòu)件的延性

圖9 混凝土強度對延性的影響

圖10 彎矩?鋼筋應變關(guān)系

表8 屈服彎矩比較

注：M表示彎矩曲率關(guān)系曲線確定的屈服彎矩；M表示彎矩?鋼筋應變關(guān)系曲線確定的屈服彎矩。

2.6 裂縫行為和失效模式

圖11展示了試驗梁的裂縫形態(tài)。對于所有的試驗梁，首先在純彎段出現(xiàn)豎向裂縫，隨著荷載增加，不斷有新的裂縫出現(xiàn)，已有裂縫向上發(fā)展，荷載較大時，剪彎段也出現(xiàn)斜向裂縫，裂縫條數(shù)增多，寬度變大，一些梁在即將失效時在受壓區(qū)出現(xiàn)明顯水平裂縫。表9中列出了試驗梁純彎段的裂縫分布情況，可以看出，PCC梁的純彎段的裂縫數(shù)量多于AAC梁的裂縫數(shù)量，相應的平均裂縫間距較小，說明普通硅酸鹽水泥混凝土與縱向鋼筋的黏結(jié)性能更好。但AAC梁的最大裂縫長度與PCC梁基本一致，即混凝土受壓區(qū)高度一致，表明兩類梁的極限承載力基本吻合。AAC梁與PCC梁的失效模式相似，始于鋼筋屈服，終于受壓區(qū)混凝土壓碎。因此，AAC梁和PCC梁在失效模式上沒有差別。

(a) PCC30；(b) AAC30；(c) PCC50；(d) AAC50；(e) PCC70；(f) ACC70

表9 純彎段裂縫情況

3 結(jié)論

1) 與普通硅酸鹽水泥混凝土梁相比，低強度堿激發(fā)混凝土梁的短期剛度與其基本一致，而高強度堿激發(fā)混凝土梁的短期剛度有些降低；增加混凝土強度對彎曲剛度的提高影響較小。

2) 堿激發(fā)混凝土梁各階段的彎曲承載力均比普通硅酸鹽水泥混凝土梁高，且隨著混凝土強度的提高，2種梁的增長規(guī)律一致。

3) 不同強度的堿激發(fā)混凝土梁的延性與普通硅酸鹽水泥混凝土梁均基本吻合，延性隨著混凝土強度的提高而增大。

4) 堿激發(fā)混凝土梁的破壞模式和裂縫開展方式與普通硅酸鹽水泥混凝土梁完全一致，然而普通硅酸鹽水泥混凝土與鋼筋的黏結(jié)性能更好。

綜上所述，本文研究的基于礦渣?粉煤灰的堿激發(fā)混凝土梁的彎曲性能與普通硅酸鹽水泥混凝土梁基本吻合，因此該堿激發(fā)混凝土可作為普通硅酸鹽水泥混凝土的替代品應用于實際工程。

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Experimental study on flexural behaviour of performance-based alkali activated concrete beams

DU Yunxing, WANG Jia

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

In this paper, the flexural behavior of performance-based alkali-activated concrete beams were studied through the four-point static bending test. Three alkali-activated concrete beams and three ordinary Portland cement concrete beams were investigated by comparative experiments. The flexural performance indexes of different cases were obtained. The results show that the bending stiffness, ultimate bearing capacity and cracking behaviour of the three strength alkali-activated concrete beams are basically consistent with the corresponding strength of ordinary Portland cement concrete beams. At the serviceability limit state, the load value of alkali-activated concrete beam is higher than that of ordinary Portland cement concrete beam.

alkali-activated concrete beam, flexural performance, ultimate bearing capacity, bending stiffness

TU375.1

A

1672 ? 7029(2020)12 ?3166 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200126

2020?02?20

國家自然科學基金資助項目(51638008)；長沙市科技計劃項目(kq1907101)

杜運興(1971?)，男，河南平頂山人，教授，博士，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計研究；E?mail：duyunxing@hnu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)