周 梅，張?jiān)簭?qiáng)，楊尚諭，張渤群，張 凱

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)遼寧省煤矸石資源化利用及節(jié)能建材重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000）

隨著全球資源縮減和工業(yè)固廢引發(fā)的環(huán)境問題以及建筑工業(yè)化的發(fā)展，大摻量固廢制備裝配整體式預(yù)制構(gòu)件是行業(yè)發(fā)展的必然選擇.近年來，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開展了相關(guān)研究［1?7］，一般認(rèn)為預(yù)制-后澆材料為同品種混凝土?xí)r制備的桁架鋼筋疊合板具有良好的整體性和較高的剛度及承載力，能夠作為結(jié)構(gòu)樓板使用.但預(yù)制-后澆材料為不同品種混凝土、特別是“固廢”集料混凝土制備的桁架鋼筋疊合板，疊合面處是否會(huì)出現(xiàn)滑移有待商榷［8?11］.事實(shí)上中國(guó)裝配式建筑發(fā)展歷程中有30 a的斷檔期，導(dǎo)致了目前中國(guó)裝配式建筑無(wú)論是設(shè)計(jì)理論、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還是綠色建材的應(yīng)用等跟發(fā)達(dá)國(guó)家相比有一定的差距.

自燃煤矸石作為一種次輕級(jí)集料，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)混凝土輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫等提供技術(shù)途徑.近年來，Zhou等［12］、李少偉等［13］對(duì)自燃煤矸石集料混凝土的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究，為結(jié)構(gòu)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).閆亞杰等［14］開展了裝配式自燃煤矸石集料混凝土夾層樓板試驗(yàn)，豐富了裝配式夾層樓板形式的多樣化.本文利用自燃煤矸石粗集料取代天然碎石，制備了自燃煤矸石砂輕混凝土（SSC）單向疊合板，并開展單向疊合板（ULP）抗彎性能的靜力加載試驗(yàn)，研究其承載力、變形特征破壞形態(tài)和裂縫開展情況，為SSC單向疊合板設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

粗集料（CAG）為5~20 mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖碎石（N）和自燃煤矸石（S），其主要化學(xué)組成1）文中涉及的組成、摻量等除特殊說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).和基本性質(zhì)見表1、2；膠凝材料為P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥（C）和Ⅱ級(jí)粉煤灰（FA）；細(xì)集料（FAG）為細(xì)度模數(shù)3.06且級(jí)配合格的天然河砂；拌和水（W）、附加水均為普通自來水；外加劑為聚羧酸高效減水劑（WRA），摻量為1.5%~2.5%，減水率為20%~30%.

表1 粗集料的主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical components of coarse aggregates

1.2 單向疊合板的設(shè)計(jì)及制作

混凝土設(shè)計(jì)要求：SSC強(qiáng)度等級(jí)分別為C30、C35和C40，普通混凝土（NAC）強(qiáng)度等級(jí)為C30；混凝土拌和物坍落度為30~50 mm.由表2可知，自燃煤矸石粗骨料吸水率較高，為滿足混凝土拌和物施工的工作性要求，需要拌和前1 h按吸水率80%的附加水對(duì)其進(jìn)行預(yù)濕處理.混凝土配合比及主要力學(xué)性能見表3.

表2 粗集料的基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of coarse aggregate

表3 混凝土配合比及主要力學(xué)性能Table 3 Mix proportions and main mechanical properties of concrete

采用預(yù)制-后澆混凝土組合形式，以預(yù)制底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為變量，設(shè)計(jì)5塊相同配筋率的單向疊合板，尺寸為2 100 mm×600 mm×130 mm，其中預(yù)制底板層厚度60 mm，后澆面層厚度70 mm，計(jì)算長(zhǎng)度為1 800 mm.單向疊合板設(shè)計(jì)參數(shù)及其配筋詳圖分別見表4和圖1.

表4 單向疊合板的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 4 Design parameters of unidirectional laminated plates

所有單向疊合板均在當(dāng)?shù)仡A(yù)制構(gòu)件廠成型.由圖1可知：為提高疊合面的抗剪能力，單向疊合板預(yù)制層配有桁架鋼筋，并在預(yù)制層頂面進(jìn)行了機(jī)械拉毛處理.預(yù)制底板成型28 d后完成上部后澆層混凝土的澆筑，再養(yǎng)護(hù)28 d后運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行室內(nèi)靜力加載抗彎試驗(yàn).

1.3 加載制度

樓板一般承受均布荷載，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)采取幾個(gè)集中荷載代替均布荷載（等效均布荷載）.支撐方式為簡(jiǎn)支形式，支點(diǎn)距板端部距離為150 mm.豎向加載采用100 t液壓千斤頂，采用靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集壓力傳感器傳遞的荷載.

根據(jù)15G366—1《桁架鋼筋疊合板》、GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和GB/T 50152—2012《混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用分級(jí)逐步加載方式，每級(jí)加載完成后持續(xù)10 min，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取2.0 kN/m2.當(dāng)加載荷載小于2.0 kN/m2時(shí)，每級(jí)荷載為0.4 kN/m2；當(dāng)加載荷載大于2.0 kN/m2時(shí)，每級(jí)荷載為2.0 kN/m2；當(dāng)加載荷載接近單向疊合板的預(yù)估極限荷載時(shí)，每級(jí)荷載為1.0 kN/m2.為分析單向疊合板跨中撓度、裂縫開展等變化特征，單向疊合板制備過程中在受力鋼筋上粘貼鋼筋應(yīng)變片、在疊合板側(cè)面和底面粘貼混凝土應(yīng)變片，并在疊合板的跨中、1/3處和支座處布置了位移計(jì)，測(cè)點(diǎn)布置見圖2.

圖2 測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measure points（size：mm）

2 結(jié)果與分析

2.1 組合形式及強(qiáng)度等級(jí)對(duì)疊合板承載力的影響

表5為單向疊合板抗彎試驗(yàn)結(jié)果，其中：fcr為開裂荷載，δcr為撓度，fu為極限荷載.由表5可見：對(duì)于相同組合形式、不同預(yù)制底板強(qiáng)度的單向疊合板（N?S?P1、N?S?P2、N?S?P3），預(yù)制底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，開裂荷載和極限荷載越大；對(duì)于預(yù)制底板與后澆混凝土同品種、同強(qiáng)度的混凝土單向疊合板（N?N?P、S?S?P），N?N?P開裂荷載和極限荷載高于S?S?P，即在相同強(qiáng)度等級(jí)條件下，NAC較SSC抗裂性能好；對(duì)于預(yù)制底板和后澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同，但組合形式不一定相同的單向疊合板（N?S?P1、N?N?P、S?S?P），同品種材料制備的單向疊合板開裂和極限荷載要大一些.

表5 單向疊合板抗彎試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Flectural test results of unidirectional laminated plates

2.2 破壞特征及裂縫特點(diǎn)分析

單向疊合板破壞時(shí)板側(cè)和板底裂縫形態(tài)見表6.由表6可見：裂縫首先出現(xiàn)在彎矩較大的受拉區(qū)邊緣，然后垂直向上穿過疊合面后逐漸向頂板發(fā)展；在N?S?P1上發(fā)現(xiàn)了一條延疊合面水平方向的微裂縫，長(zhǎng)度約190 mm，之后該裂縫垂直向頂板發(fā)展；而N?S?P2和N?S?P3疊合面處均皆未發(fā)現(xiàn)水平微裂縫，說明只要適當(dāng)提高預(yù)制底板SSC的強(qiáng)度等級(jí)，半NAC-半SSC單向疊合板的疊合面處就不會(huì)出現(xiàn)滑移；在活荷載標(biāo)準(zhǔn)值2.0 kN/m2作用下，所有單向疊合板的撓度皆小于規(guī)范限值（9 mm）.結(jié)合表5、6可知，5塊單向疊合板的開裂荷載、極限荷載及撓度相差并不大，且都滿足規(guī)范要求.通過合理設(shè)計(jì)的半NAC-半SSC單向疊合板、全SSC單向疊合板均表現(xiàn)出良好的整體性，所承受的極限荷載滿足現(xiàn)有規(guī)范的要求.

表6 單向疊合板破壞時(shí)板側(cè)和板底裂縫形態(tài)及分形維數(shù)Table 6 Morphology and fractal dimension of cracks on slab side and bottom of unidirectional laminated plates during failure

由于自燃煤矸石組成復(fù)雜、均質(zhì)性較差、離散性較大，使其制備的SSC非線性動(dòng)力學(xué)行為顯著.由表6可知，單向疊合板裂縫擴(kuò)展形態(tài)具有一定的分形特征，為更好地揭示混凝土裂縫演變特征，采用分形維數(shù)表征了裂縫擴(kuò)展的復(fù)雜程度［15］.選取等邊長(zhǎng)區(qū)域作為研究對(duì)象，利用Matlab編程，首先對(duì)單向疊合板進(jìn)行裂縫特征提取，包括降噪、灰度、二值化等步驟，然后采用盒維數(shù)法計(jì)算其分形維數(shù)，再通過改變預(yù)先設(shè)定的盒子尺度r，統(tǒng)計(jì)出在該尺度下具有裂縫像素點(diǎn)的盒子數(shù)目N（r），基于最小二乘法對(duì)lnN（r）?lnr關(guān)系進(jìn)行線性擬合，由式（1）計(jì)算得到分形維數(shù)Df，其結(jié)果見表6.

由表6還可見：（1）SSC裂縫多呈豎直擴(kuò)展趨勢(shì)，NAC裂縫多呈彎曲擴(kuò)展趨勢(shì)，故S?S?P側(cè)面裂縫分形維數(shù)小，而N?N?P側(cè)面裂縫分形維數(shù)較大.從N?S?P1中發(fā)現(xiàn)，雖然半NAC-半SSC單向疊合板預(yù)制底板和后澆混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同，但由于混凝土品種不同，彈性模量相差較大，故在疊合面處出現(xiàn)了橫向水平微裂縫，裂縫復(fù)雜程度增大，分形維 數(shù) 最 大；而N?S?P2和N?S?P3提 高 了 預(yù) 制 底 板SSC強(qiáng)度等級(jí)，減小了與后澆NAC的彈性模量差，結(jié)果其疊合面處未發(fā)現(xiàn)橫向裂縫，分形維數(shù)減??；（2）從底板裂縫來看，半NAC-半SSC單向疊合板，預(yù)制底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，單向疊合板的開裂荷載和極限荷載越大，分形維數(shù)越??；同品種、同強(qiáng)度混凝土制備的單向疊合板分形維數(shù)較??；（3）從單向疊合板卸載后裂縫的閉合程度及殘余變形來看，由于NAC中天然碎石充分發(fā)揮著橋連閉合的作用，因此N?N?P破壞后整體性優(yōu)于其他單向疊合板，卸載后的殘余變形較大，底板板側(cè)裂縫閉合程度較高，底板裂縫間距大，裂縫寬度小，因此分形維數(shù)最小.

2.3 荷載-撓度曲線

圖3為單向疊合板的荷載（P）-撓度（δ）曲線.由圖3可見：（1）所有單向疊合板撓度變化規(guī)律相似，具有明顯的彈性工作、帶裂縫工作和破壞3個(gè)階段；彈性工作階段荷載和撓度值均較小，帶裂縫工作階段混凝土慢慢退出工作，桁架鋼筋承擔(dān)了一部分荷載，撓度曲線未出現(xiàn)拐點(diǎn)；所有單向疊合板破壞前特征明顯，屬于典型延性破壞；（2）單向疊合板的撓度隨荷載增加緩慢增大，開裂后撓度增長(zhǎng)速率逐步加快，底板荷載-撓度曲線的斜率逐漸減??；（3）從開始加載到破壞，N?S?P1撓度始終最大，開裂荷載和極限荷載最小，而N?S?P3的荷載最大、撓度最小，這說明預(yù)制-后澆混凝土組合形式及預(yù)制底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)單向疊合板抗彎和開裂確實(shí)存在影響，預(yù)制-后澆混凝土彈性模量差是保證二者能否協(xié)調(diào)工作的關(guān)鍵；（4）5塊單向疊合板的荷載和撓度相差不大，說明配有桁架鋼筋的半NAC-半SSC、全SSC單向疊合板都與普通混凝土制備的單向疊合板N?N?P受力性能相似，滿足規(guī)范的要求.

圖3 單向疊合板的荷載-撓度曲線Fig.3 Load?deflection curves of unidirectional laminated plates

2.4 荷載-混凝土應(yīng)變曲線

單向疊合板的荷載-混凝土應(yīng)變曲線見圖4.由圖4可見：預(yù)制底板SSC強(qiáng)度等級(jí)越高，上下2層混凝土的彈性模量越接近，二者協(xié)調(diào)工作可使混凝土拉應(yīng)變減??；加載初期混凝土應(yīng)變曲線基本重合，隨荷載增大各單向疊合板的混凝土應(yīng)變?cè)龃?，但增幅不同，S?S?P增幅最大；所有單向疊合板荷載-混凝土應(yīng)變曲線存在明顯的卸載段（近似為直線）.結(jié)合圖3、4可知，N?S?P1開裂荷載和極限荷載最小，撓度和底板混凝土應(yīng)變最大，頂板混凝土應(yīng)變最小.進(jìn)一步說明不同品種混凝土組合形式制備的單向疊合板，不僅要關(guān)注混凝土強(qiáng)度等級(jí)，更應(yīng)關(guān)注預(yù)制底板和后澆層不同混凝土的彈性模量差.

圖4 單向疊合板的荷載-混凝土應(yīng)變曲線Fig.4 Load?concrete strain curves of unidirectional laminated plates

圖5為單向疊合板板側(cè)混凝土應(yīng)變-截面高度曲線.由圖5可見：各單向疊合板板側(cè)應(yīng)變分布基本一致，板側(cè)混凝土應(yīng)變隨截面高度均呈直線分布，而且中性軸位置不會(huì)隨著荷載的增大而明顯上移，始終保持在距板底端85 mm附近，故可以判定SSC制備的單向疊合板受力符合平截面假定.

圖5 單向疊合板板側(cè)混凝土應(yīng)變-截面高度曲線Fig.5 Curves of location?concrete strain of unidirectional laminated plates

2.5 荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

圖6為荷載-鋼筋應(yīng)變曲線.結(jié)合圖4~6可見，荷載-鋼筋應(yīng)變曲線與荷載-混凝土應(yīng)變曲線基本相似：加載前鋼筋應(yīng)變隨荷載增大而增大，混凝土開裂后曲線沒有出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，荷載增至極限荷載時(shí)，鋼筋應(yīng)變沒有達(dá)到屈服狀態(tài)，說明混凝土開裂后桁架鋼筋承擔(dān)了一部分裂縫處的拉應(yīng)力，同時(shí)也承擔(dān)了一部分鋼筋的拉應(yīng)力，使得受拉鋼筋的應(yīng)變沒明顯增大.由此可見，適當(dāng)提高SSC預(yù)制底板的強(qiáng)度等級(jí)，半NAC-半SSC單向疊合板荷載-鋼筋應(yīng)變曲線優(yōu)于全NAC單向疊合板.說明只要設(shè)計(jì)合理，半NAC-半SSC單向疊合板用作結(jié)構(gòu)樓板使用是安全的.

圖6 荷載-鋼筋應(yīng)變曲線Fig.6 Load?steel bar strain curves

3 結(jié)論

（1）桁架鋼筋半普通混凝土（NAC）-半自然煤矸石砂輕混凝土（SSC）、全SSC和全NAC制備的單向疊合板，具有相似的破壞特征和破壞形態(tài).在達(dá)到極限荷載前，伴有裂縫數(shù)量增多及寬度增加的現(xiàn)象，撓度存在明顯的發(fā)展過程，延性破壞特征明顯.在樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值下，撓度均滿足現(xiàn)行規(guī)范的限值要求，SSC制備的單向疊合板作為結(jié)構(gòu)樓板使用是安全的.

（2）單向疊合板裂縫分形維數(shù)分析表明，混凝土組合形式及SCC強(qiáng)度等級(jí)對(duì)單向疊合板裂縫發(fā)展有一定影響，對(duì)半NAC-半SSC單向疊合板，更要關(guān)注預(yù)制-后澆混凝土彈性模量不同帶來的變形差異，可以通過適當(dāng)提高預(yù)制底板SSC混凝土強(qiáng)度等級(jí)來控制.

（3）桁架鋼筋、疊合面處理及預(yù)制底板SSC的增強(qiáng)等共同作用下，半NAC-半SSC及全SSC單向疊合板都表現(xiàn)出良好的整體性和較高的極限荷載.合理設(shè)計(jì)的SSC單向疊合板作為樓板使用是可行的.