楊文瑞， 袁 嬌， 黎惠瑩， 馮中敏， 張 頡

(東華理工大學土木與建筑工程學院， 南昌 330012)

0 引言

近年來，中國經(jīng)濟增長迅速，因而產(chǎn)生的大量建筑垃圾對環(huán)境造成了一定程度的污染，因此，將廢棄混凝土破碎后經(jīng)過篩分，部分或全部替代天然粗骨[1-3]成為近年來研究的一個熱點。再生混凝土相對于普通混凝土抗壓強度更低、抗裂性能更差，有關研究[4-7]表明加入鋼纖維能彌補再生混凝土的缺陷，目前對鋼纖維再生混凝土力學性能的研究相對較多[8-9]，而有關鋼纖維再生混凝土構(gòu)件性能各方面的研究相對較少[10-12]，僅在鋼纖維再生混凝土柱、梁這一方面有少量研究，而梁、板、柱是建筑結(jié)構(gòu)中的主體構(gòu)件，因此，鋼纖維再生混凝土梁、板、柱等構(gòu)件具有一定的研究價值。

蒸汽養(yǎng)護(簡稱蒸養(yǎng))預制構(gòu)件具有周期短、成本低、方便施工等優(yōu)點，由于蒸養(yǎng)與標準養(yǎng)護方式相比有著明顯的優(yōu)勢，因此，在工程中應用廣泛，尤其是在高速鐵路工程建設中運用較多。近年來，對蒸養(yǎng)的研究主要體現(xiàn)在蒸養(yǎng)制度對構(gòu)件的損傷變化規(guī)律[13-14]、蒸養(yǎng)制度對構(gòu)件性能的影響[15]、在蒸養(yǎng)的情況下加入外加劑或替代部分原材料對構(gòu)件的影響規(guī)律[16]這三個方面，由此可見，從這三個方面深入研究蒸養(yǎng)具有一定的研究價值和工程意義。

混凝土中鋼筋的腐蝕是降低構(gòu)件使用壽命的一個關鍵因素，玻璃纖維筋(glass fiber rein forced plastic，GFRP)具有更強的耐腐蝕性能、更高性價比等優(yōu)勢，因此，用其代替鋼筋運用于混凝土構(gòu)件中能彌補鋼筋的不足，相關研究[17]表明使用GFRP筋，混凝土構(gòu)件能表現(xiàn)出更好的性能。然而目前對蒸養(yǎng)GFRP筋混凝土構(gòu)件的研究相對較少。

綜上所述，為了能夠使蒸養(yǎng)混凝土、鋼纖維再生混凝土、GFRP筋三者有機結(jié)合在一起并發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，探究三者有機結(jié)合在一起時構(gòu)件的相關性能及變化規(guī)律，本試驗制作了4根不同鋼纖維體積率的GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁并對其進行蒸養(yǎng)；研究不同鋼纖維體積率對蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁受彎性能的影響，為蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土結(jié)構(gòu)在工程中的應用提供參考。

1 試驗設計

1.1 試件設計

1.1.1 GFRP筋和鋼筋

本試驗使用的GFRP筋由無堿玻璃纖維(E-glass)與乙烯基樹脂(vinyl ester)通過拉擠成型，其螺距為14mm，深度為0.325mm，直徑為10mm，如圖1所示。GFRP筋抗拉強度為1 090MPa，極限拉力為93.3kN，屈服強度為939MPa，彈性模量為50.9GPa(通過拉伸試驗獲得)。鋼筋為HRB400熱軋帶肋鋼筋，直徑為14mm，如圖2所示。

圖1 GFRP筋

圖2 熱軋帶肋鋼筋

1.1.2 鋼纖維再生混凝土

圖3 鋼纖維照片

鋼纖維再生混凝土養(yǎng)護模式為先蒸養(yǎng)再標養(yǎng)，目標強度為30MPa，本試驗所使用水泥為32.5級普通硅酸鹽水泥，細骨料為天然河沙，粗骨料為天然碎石，再生粗骨料原料為本學院實驗室廢棄混凝土，鋼纖維再生混凝土配合比根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ 55—2011)進行配比，再生混凝土配合比為水泥∶水∶砂∶碎石=1∶0.42∶1.27∶2.96，水灰比為0.42，砂率為30%。鋼纖維照片如圖3所示，抗拉強度為450MPa，長度為40mm，長徑比為41。

1.2 試件制作

為研究鋼纖維體積率對蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁受彎性能的影響，本試驗共制作4根截面為120mm×200mm、長度為1 500mm的試驗梁；箍筋選用直徑為6mm的普通鋼筋，箍筋間距為150mm。本試驗將普通鋼筋作為受壓筋，GFRP筋作為受拉筋，試件相關尺寸及配筋見圖4。4根試驗梁蒸養(yǎng)制度根據(jù)高速鐵路橋涵工程質(zhì)量驗收標準中相關規(guī)定確定，蒸養(yǎng)過程為常溫下靜停4h→升溫4h→恒溫8h→降溫4h，共20h，恒溫溫度(60±5)℃。蒸養(yǎng)過程中通過溫度感應片監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度，以此保證蒸養(yǎng)過程中混凝土內(nèi)部溫度為恒溫(60±5)℃，蒸養(yǎng)結(jié)束后進行標養(yǎng)，達到規(guī)定齡期后進行試驗。詳細試件設計參數(shù)見表1。試驗梁澆筑同時制作尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體試塊，用以實測試驗梁的抗壓強度、觀測鋼纖維對再生混凝土脆性的改善情況。

圖4 試件尺寸及配筋圖

試件設計參數(shù) 表1

1.3 加載制度及測量方法

試驗梁采用四分點加載，并且嚴格按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB/T 50152—2012)中有關規(guī)定對所有試驗梁進行同步分級加載，加載方式為荷載控制。預估標準荷載通過計算約為70kN，試驗梁出現(xiàn)裂縫之前，每級荷載為5kN；當出現(xiàn)裂縫并且荷載未達到使用荷載時，每級荷載為10kN；當達到使用荷載時，每級荷載為5kN，構(gòu)件破壞時停止加載，圖5為試件加載照片。

圖5 試件加載照片

在受拉鋼筋受拉一側(cè)粘貼鋼筋應變片得到受拉鋼筋應力變化情況，為得到試驗梁跨中垂直于梁底方向的混凝土荷載-應變變化曲線，在試驗梁的側(cè)面均勻粘貼3個混凝土應變片；為得到試驗梁荷載-撓度變化曲線，在試驗梁受拉一側(cè)的中間及兩側(cè)共放置3個位移計，梁頂部兩側(cè)共放置2個位移計，用以記錄試驗梁撓度變化情況；為方便觀測試驗梁在加載過程中的破壞形態(tài)以及裂縫開展情況，試驗前在試驗梁的一側(cè)均勻涂刷一層白色涂料，待干燥后用馬克筆畫出100mm×100mm方格網(wǎng)(每個網(wǎng)格尺寸為5cm×5cm)，試驗時根據(jù)裂縫開展情況，用馬克筆標注裂縫開展走向以及裂縫出現(xiàn)時的荷載值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 再生混凝土立方體試塊抗壓強度及破壞形態(tài)

圖6 不同鋼纖維體積率的再生混凝土立方體試塊抗壓強度折線圖

不同鋼纖維體積率的再生混凝土立方體試塊抗壓強度折線圖如圖6所示，摻入鋼纖維體積率為0%，0.5%，1.0%，1.5%的再生混凝土立方體試塊的抗壓強度分別為26.5，29.4，32.1，29.8MPa。由此可見，摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊比未摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊抗壓強度更高，鋼纖維摻入量為0.5%，1.0%，1.5%的再生混凝土立方體試塊相比于未摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊的抗壓強度分別提高了10.94%，21.13%，12.45%，分析其主要原因在于鋼纖維能填充再生混凝土內(nèi)部的細小縫隙，增強了再生混凝土的密實度。從圖6中可以看出，當鋼纖維體積率小于1.0%時，再生混凝土立方體試塊抗壓強度隨鋼纖維體積率的增大而增大；當鋼纖維體積率大于1.0%時，再生混凝土立方體試塊抗壓強度隨鋼纖維體積率的增大而減??；鋼纖維體積率為1.0%時，再生混凝土立方體試塊抗壓強度為最優(yōu)，此時鋼纖維在再生混凝土內(nèi)分散性較好，混凝土流動性大且密實度最佳，因而鋼纖維再生混凝土立方體試塊抗壓強度最大。

圖7 不同鋼纖維體積率的再生混凝土立方體試塊抗壓破壞形態(tài)

不同鋼纖維體積率的再生混凝土立方體試塊抗壓破壞形態(tài)如圖7所示，與未摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊相比，摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊破壞前無明顯現(xiàn)象，裂縫也相對較少，且破壞時試塊較為完整，只有少量混凝土的剝落。未摻入鋼纖維的再生混凝土立方體試塊破壞時的現(xiàn)象與普通混凝土立方體試塊相似，破壞前均出現(xiàn)大量裂縫，并有大量混凝土剝落，破壞時試塊不完整。鋼纖維和混凝土之間有一定黏性，較好地保持了再生混凝土破壞時的完整性。因此，摻入鋼纖維可在一定程度上改善混凝土的脆性。

2.2 蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁受彎性能

2.2.1 平截面假定

圖8為不同荷載等級下混凝土應變隨截面高度變化的結(jié)果。鋼纖維體積率相同時，隨著荷載增加，4根試驗梁的混凝土應變持續(xù)增加，相對于受壓區(qū)，受拉區(qū)混凝土應變變化更快。在試驗梁加載到一定程度時，隨著荷載的增加，受拉區(qū)混凝土應變增大速率加快，受壓區(qū)混凝土應變增大速率緩慢。受拉區(qū)與受壓區(qū)再生混凝土的應變分布隨著荷載的增大整體表現(xiàn)出三角形狀，試驗梁基本符合平截面假定。

圖8 試驗梁混凝土應變分布

2.2.2 破壞形態(tài)及抗彎承載力

試驗梁受彎破壞形態(tài)如圖9所示。從圖9中可看出，4根試驗梁的破壞結(jié)果基本相似，均屬于正截面受彎破壞。開裂前4根試驗梁均無明顯變化，當荷載達到開裂荷載時，在試驗梁底部受拉區(qū)域中部會出現(xiàn)一條垂直裂縫；隨著荷載的增加，裂縫擴展并向上延伸，同時伴有其他細小裂縫出現(xiàn)。當荷載值小于20kN時，4根試驗梁的主裂縫數(shù)量沒有明顯區(qū)別；當荷載大于30kN時，相比未摻入鋼纖維的試驗梁，摻入鋼纖維的試驗梁的細小裂縫數(shù)量有所增加，但主裂縫數(shù)量減少。鋼纖維和混凝土之間的黏性延緩了混凝土的破碎。從主裂縫的數(shù)量來看，鋼纖維的摻入能在一定程度上抑制裂縫的發(fā)展。

試驗梁的抗彎承載力如表2所示，試驗梁開裂前由混凝土承擔主要的拉應力，此時鋼纖維承擔了一部分拉應力，因而鋼纖維試驗梁開裂荷載比未摻入鋼纖維的試驗梁高，鋼纖維體積率越大，試驗梁開裂荷載提高越明顯?；炷灵_裂后，由GFRP筋和鋼纖維承擔主要拉應力。鋼纖維摻入量越多，試驗梁的極限荷載提高越明顯。

試驗梁抗彎承載力 表2

2.2.3 GFRP筋荷載-應變曲線

不同鋼纖維體積率試驗梁中的GFRP筋荷載-應變曲線如圖10所示。從圖10中可以看出，加載初期，混凝土處于彈性工作階段，主要由混凝土和鋼纖維承擔主要的拉應力。隨著荷載的增加，GFRP筋的荷載-應變曲線基本呈線性上升趨勢。當混凝土開裂退出工作后，由GFRP筋和鋼纖維承擔主要拉應力，鋼筋應變驟然增大，此時GFRP筋荷載-應變曲線有一個突變，斜率減小。隨荷載進一步增加，GFRP筋應變隨之增大，此時荷載-應變曲線斜率基本保持不變。相同荷載下，相比未摻入鋼纖維的試驗梁，摻入鋼纖維的試驗梁的GFRP筋應變較小，原因在于鋼纖維在整個加載過程中分擔了一部分拉應力。相比未摻入鋼纖維的試驗梁，鋼纖維摻入量為0.5%，1.0%，1.5%的試驗梁GFRP筋的應變分別降低了25.8%，20.16%，6.8%。

2.2.4 試驗梁荷載-跨中撓度曲線

圖11為試驗梁荷載-跨中撓度變化曲線?？梢钥闯?，4根試驗梁在加載初期的跨中撓度變化曲線基本相似，呈直線變化趨勢。當混凝土出現(xiàn)裂縫時，摻入鋼纖維的試驗梁跨中撓度曲線變化較為平緩，未摻入鋼纖維的試驗梁跨中撓度曲線變化較快，曲線斜率增大。從最大跨中撓度來看，由于摻入鋼纖維的試驗梁極限荷載增大，因此摻入鋼纖維的試驗梁跨中撓度均有所增大，其中跨中撓度最大的為L-G-1.5試驗梁，比未摻入鋼纖維的試驗梁跨中撓度提高了40.92%。在未達到使用荷載時，相同荷載下?lián)饺脘摾w維的試驗梁跨中撓度更小。鋼纖維與混凝土之間有一定黏性，抑制了裂縫的發(fā)展，提高了試驗梁的剛度和延性。

圖10 不同鋼纖維體積率試驗梁中的GFRP筋荷載-應變曲線

圖11 不同鋼纖維體積率試驗梁的荷載-跨中撓度曲線

圖12 鋼纖維影響系數(shù)擬合分析

3 撓度驗算分析

由2.2.1節(jié)可知，試驗梁在荷載作用下符合平截面假定，根據(jù)相關構(gòu)件計算方法，本試驗梁的最大撓度計算公式為：

(1)

式中：f為梁的最大撓度；M為跨中最大彎矩；l0為構(gòu)件計算跨度；Bfs為鋼纖維再生混凝土梁短期荷載下的剛度。

根據(jù)相關規(guī)范[18-19]，GFRP矩形截面梁短期剛度Bs的計算公式為：

(2)

式中：h0為截面有效高度；Es為鋼筋彈性模量；φ為裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數(shù)，φ=1.1-0.65ftk/ρteσfk，其中ftk為鋼纖維混凝土抗拉強度標準值，ρte為以有效受拉混凝土截面面積Ate計算的有效縱向鋼筋配筋率，σfk為縱向受拉鋼筋的應力，當φ<0.2時取φ=0.2，當φ>1時取φ=1；?E為鋼筋彈性模量與混凝土彈性模量的比值，即Es/Ec；ρ為縱向受拉鋼筋配筋率，ρ=As/bh0，其中As為縱向受拉鋼筋的截面面積，b為截面寬度。

根據(jù)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》(ECS 38∶2004)[19](簡稱纖維混凝土規(guī)程)，受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫的纖維混凝土矩形截面受彎構(gòu)件的短期剛度Bfs計算公式為：

Bfs=Bs(1+βBλf)

(3)

式中：λf為鋼纖維含量特征值；βB為此鋼纖維對蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土受彎構(gòu)件短期剛度的影響系數(shù)，根據(jù)纖維混凝土規(guī)程，鋼纖維再生混凝土強度等級在C20～C80時，取βB=0.35。

正常使用情況下,正截面受彎承載力大概是受彎承載力Mu的50%～70%，因此取0.7Mu作為彎矩最大值進行計算，將試驗測得的數(shù)據(jù)代入公式(1)，可得出計算撓度，將撓度試驗值與計算值進行對比分析，具體如表3所示。

撓度值對比分析 表3

從表3可以看出，試驗撓度與計算撓度之比的平均值為1.32,標準差為0.068 2,變異系數(shù)為5.17%，4根試驗梁的撓度試驗值比計算值大。其原因可能在于鋼纖維的加入提高了試驗梁的極限荷載值，增強了試驗梁的延性，GFRP筋替代鋼筋作為受拉筋也一定程度上提高了試驗梁的撓度。因此，公式(1)計算得出的GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁撓度較保守。

以鋼纖維的體積率η為自變量，對蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁最大撓度影響系數(shù)μ進行擬合分析，如圖12所示。

由圖12可得，蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁最大撓度影響系數(shù)μ的擬合公式為：

μ=-0.104η+1.398

(4)

將鋼纖維體積率數(shù)值代入到公式(4)中，可得到修正后的計算撓度值，將修正后的計算值、試驗值進行對比，如表4所示。

撓度對比分析 表4

從表4中可看出，試驗撓度與修正后計算撓度之比的平均值為1，標準差為0.030 8，變異系數(shù)為3.08%，4根試驗梁的撓度試驗值與計算值基本吻合。

4 結(jié)論

(1)鋼纖維能有效提高再生混凝土的抗壓強度，改善混凝土的脆性，以鋼纖維摻入量為1.0%時的再生混凝土抗壓強度為最優(yōu)。

(2)鋼纖維體積率越大，蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁的開裂荷載和極限荷載值越大、主裂縫數(shù)量減小，微裂紋的數(shù)量增加，添加鋼纖維可有效抑制裂縫的發(fā)展。

(3)不同鋼纖維體積率的蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁基本符合平截面假定。蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁受彎時，鋼纖維承擔了一部分的拉應力，摻入鋼纖維試驗梁的GFRP筋的拉應變比未摻入鋼纖維的更小，GFRP筋的拉應變隨著鋼纖維體積率的增大而減小。

(4)當試驗梁均達到極限荷載時，摻入鋼纖維的試驗梁因其極限荷載增大，則極限撓度更大。在試驗梁均未達到使用荷載之前，摻入鋼纖維的試驗梁比未摻入鋼纖維的試驗梁撓度值更小，鋼纖維可一定程度上降低試驗梁的撓度。

(5)基于試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)對相關計算公式進行修正，提出對蒸養(yǎng)GFRP筋鋼纖維再生混凝土梁最大撓度影響系數(shù)μ與鋼纖維含量之間的模型。