宋建雄,毛宇光,劉翼瑋,蘇 捷,杜運興,史才軍

(1. 湖南大學 土木工程學院 綠色先進土木工程材料及應用技術(shù)湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410082;2.湖南大學 湖南省綠色與先進土木工程材料國際創(chuàng)新合作中心,湖南 長沙 410082;3. 湖南大學 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室,湖南 長沙 410082)

T形梁是一類由翼緣和梁肋結(jié)合而成的梁,廣泛應用于橋梁和公路工程中。相較于矩形梁,T形梁具有成本低、自重輕、承載力高的優(yōu)勢。研究表明:T形梁的力學性能與混凝土有著密切關(guān)系[1-3]。與普通混凝土(portland cement concrete, PCC)相比,地聚物混凝土(geopolymer concrete, GPC)具有更高的早期強度[4-5],更好的耐高溫[6-7]、耐酸堿[8-11]、耐磨性[12]和抗凍融性[13-14];但GPC存在著收縮徐變較大,彈性模量和抗拉強度較低的問題[15-17]。這說明GPC梁的結(jié)構(gòu)性能與PCC梁存在著較大差異,分析GPC梁的性能對該構(gòu)件推廣具有積極作用。

在GPC梁的抗剪性能方面,C.K.MADHES-WARAN等[18]得出了鋼筋GPC梁剪切失效載荷隨著箍筋間距減小而增加的結(jié)論。目前為止,尚未見到關(guān)于翼緣尺寸對GPC梁抗剪性能影響的相關(guān)報道。大量試驗結(jié)果表明:普通混凝土T形梁抗剪承載力明顯大于相同條件下的矩形梁[19-22],這是因為T形梁比矩形梁具有更有利于混凝土受壓區(qū)壓力傳遞的結(jié)構(gòu)[23];隨著翼緣寬度(厚度)增加,普通混凝土T形梁抗剪承載力顯著增大,但當翼緣寬度與腹板寬度比值大于一定限值時,其抗剪承載力不再繼續(xù)增大[24-25]。由此可見,翼緣尺寸是影響T形梁抗剪性能的重要因素之一?；诖?筆者以T形梁的翼緣厚度和寬度為研究對象,研究了其對GPC梁抗剪性能影響;并基于此討論了現(xiàn)行設計規(guī)范的適用性。

1 試驗概況

1.1 試件制作

本次試驗制作了1根普通混凝土T形梁和4根地聚物混凝土T形梁。試件梁長為2 150 mm,梁高為400 mm,有效高度為330 mm,腹板寬為150 mm,剪跨比為2.5,幾何尺寸及配筋如圖1;4種翼緣尺寸如圖2。

圖1 T形梁試件的尺寸及配筋Fig. 1 Dimensions and reinforcement of T-beam specimens

圖2 T形梁試件的截面尺寸及配筋Fig. 2 Cross-sectional dimensions and reinforcement of T-beam specimens

試件底部縱筋均采用90°標準彎鉤,配置縱筋理論上能保證試件剪切破壞發(fā)生在彎曲破壞前。試件以混凝土種類和翼緣尺寸命名,PCC代表普通硅酸鹽水泥混凝土,GPC代表地聚物混凝土,例如:編號GPC-T1代表翼緣寬度、高度分別為300、 80 mm的地聚物混凝土T形梁。所有試件相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 T形梁試件設計參數(shù)Table 1 Design parameters of T-beam specimens

1.2 試件材料

GPC采用礦渣和粉煤灰作為膠凝組分,礦渣密度為2 880 kg/m3,粉煤灰為F級,密度為2 300 kg/m3。其中:PCC所用水泥為普通硅酸鹽水泥P.O 42.5,化學組成見表2。

表2 礦渣和粉煤灰的化學組成Table 2 Chemical compositions of slag and fly ash w.t.%

堿性激發(fā)劑由NaOH、Na2CO3和水玻璃組成,NaOH采用99%純度的片狀NaOH,Na2CO3采用99%純度的粉狀Na2CO3,水玻璃模數(shù)為3.31,其中Na2O、SiO2和水的含量分別為8.3%、26.9%和64.8%。本試驗中的GPC和PCC強度等級均為C30,其配合比見表3。

表3 PCC和GPC配合比Table 3 Mix proportion of PCC and GPC kg/m3

試件底部縱筋均采用直徑為20 mm的HRB400熱軋帶肋鋼筋;箍筋和架立筋均采用直徑為8 mm的HPB300光圓鋼筋。鋼筋標準長度為500 mm,每組3根,按照GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》[26]進行鋼筋的抗拉強度性能測試,實測結(jié)果如表4。

表4 鋼筋的力學性能Table 4 Mechanical properties of rebars

表5 混凝土的力學性能Table 5 Mechanical properties of concrete

1.3 試件制作

在澆筑前一天,將NaOH按比例溶解在水玻璃中并冷卻至室溫,蓋好塑料薄膜,防止水分蒸發(fā)。GPC的澆筑過程如下:① 按照配合比將砂、Na2CO3、粉煤灰和礦渣加入攪拌機中;② 開啟攪拌機,將配置好的堿性激發(fā)劑和水加入攪拌機中;③ 加入石子繼續(xù)攪拌至均勻。將新拌的GPC漿體立即倒入梁模具中,并用針式振搗器壓實。梁試件拆除模具后在室溫下養(yǎng)護至測試日。

1.4 加載裝置及測試

為研究T形梁試件的抗剪性能,采用三點加載方式,在梁跨中位置作用集中荷載,如圖3。采用量程為1 000 kN的液壓千斤頂施加載荷,荷載值由力傳感器測得;為防止加載過程中偏心,在千斤頂下放置球鉸,并在球鉸下放置鋼墊塊避免應力集中造成局部破壞;在試件跨中和支座截面處布置位移計測試梁的撓度,在箍筋和縱筋上黏貼電阻應變片測試鋼筋應變。試驗采用分級加載,每級加載后等待3 min,待試件變形穩(wěn)定后觀察混凝土裂縫的開展情況,并繪制裂縫擴展圖,采用裂縫寬度觀測儀測量裂縫寬度。試驗過程中的荷載、撓度、鋼筋應變由應變箱實時采集。

圖3 T形梁試件的加載Fig. 3 Loading of T-beam specimen

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 荷載-跨中撓度關(guān)系

T形梁試件的荷載-撓度關(guān)系曲線如圖4。在加載初期,試件未開裂,GPC梁和PCC梁的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線均呈直線增長,GPC梁的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線重合在一起;當加載至125 kN時,GPC梁的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線開始分離,其原因主要是在相同強度情況下PCC抗拉強度通常高于GPC梁。在相同荷載下,GPC-T1的跨中撓度始終大于PCC-T1,因此GPC-T1的剛度小于PCC-T1,這說明GPC梁的剛度比相同條件下的PCC梁要小,這與GPC梁較低的彈性模量有關(guān)[16];隨著荷載增大,GPC-T1、GPC-T2、GPC-T3的跨中撓度依次減小,而GPC-T4與GPC-T1接近,這表明GPC梁的剛度隨翼緣厚度增大而增加,未隨翼緣寬度增大而增加。

圖4 T形梁試件的荷載-撓度關(guān)系曲線Fig. 4 Load-deflection relationship curve of T-beam specimens

表6列出了T形梁試件的抗剪試驗結(jié)果,包括試件的斜截面開裂荷載Psc、極限承載力Pu、極限承載力對應的跨中撓度Δm、抗剪承載力Vu、試件破壞時跨中的縱筋應變和失效模式。

表6 T形梁試件的抗剪試驗結(jié)果Table 6 Shear test results of T-beam specimens

由表6可知:GPC-T1的極限承載力與PCC-T1基本相等,但在極限承載力下的跨中撓度比PCC-T1大29.6%。GPC-T1、GPC-T2、GPC-T3的極限承載力和對應的跨中撓度依次增大;GPC-T2、GPC-T3的極限承載力分別比GPC-T1大8.6%、12.7%,對應跨中撓度分別比GPC-T1大15.7%、25.4%;GPC-T4的極限承載力和對應跨中撓度與GPC-T1接近。由此可知,GPC梁的極限承載力和對應跨中撓度隨著翼緣厚度的增大而增加,隨翼緣寬度的增大變化不明顯。

2.2 裂縫擴展和失效模式

試件破壞時的裂縫形態(tài)和失效模式如圖5。由圖5可知:GPC-T1的裂縫數(shù)量比PCC-T1多,臨界斜裂縫寬度比PCC-T1大。這是因為GPC梁較強的收縮使得基體上產(chǎn)生了更多初始微裂紋[15,27-28],且GPC梁較低的彈性模量和抗拉強度使得裂縫的寬度更大[16-17]。在加載初期,所有試件均是先出現(xiàn)彎曲裂縫,接著在剪跨區(qū)腹板上出現(xiàn)斜裂縫;所有試件的首條斜裂縫均為腹剪型斜裂縫。隨著荷載增加,斜裂縫數(shù)量增多、寬度增大,并向加載點和支座延伸,而彎曲裂縫緩慢地向加載點延伸。當斜裂縫延伸至腹板和翼緣交界處時,先沿翼緣底面擴展,然后向加載點延伸。當載荷接近極限荷載時,臨界斜裂縫寬度迅速擴展增大并貫通至翼緣頂部,試件破壞失效,所有試件均發(fā)生剪壓破壞。當臨界斜裂縫擴展至腹板和翼緣交界處時,由于翼緣存在,臨界斜裂縫并非直接向加載點延伸,而是呈“V”字曲折地向加載點延伸。這說明翼緣能阻礙臨界斜裂縫擴展,且在文中翼緣厚度范圍內(nèi),翼緣越厚,這種阻礙作用越明顯。

圖5 T形梁試件的裂縫形態(tài)和失效模式Fig. 5 Crack morphology and failure mode of T-beam specimens

試件斜裂縫寬度隨載荷增加的變化如圖6。由圖6可知:GPC-T1的斜截面開裂荷載低于PCC-T1,這與GPC梁較低的抗拉強度有關(guān)[29]。所有GPC梁的斜截面開裂荷載沒有明顯差異,這說明翼緣厚度或?qū)挾仍黾訉PC梁的斜截面開裂荷載沒有顯著影響。在相同荷載下,GPC-T1的斜裂縫寬度顯著大于PCC-T1,這說明地聚物混凝土T形梁具有比普通混凝土T形梁更大的脆性。GPC梁的自收縮和干燥收縮大于PCC梁,因而其基體中存在更多的初始微裂紋[28]。筆者制作的GPC梁和PCC梁所使用骨料一致,但GPC梁的骨料含量比PCC梁低,因此GPC梁的彈性模量低于PCC梁[27];在相同強度情況下,GPC梁的抗拉強度通常低于PCC梁[17]。因此,GPC梁較低的彈性模量和抗拉強度及基體中更多的初始微裂紋,使得其表現(xiàn)出比PCC梁更大的脆性[30],故GPC梁中的微裂紋發(fā)展得比PCC梁更快,斜裂縫寬度更大。在相同荷載下,GPC-T1、GPC-T2、GPC-T3的斜裂縫寬度依次減小,且GPC-T4的斜裂縫寬度小于GPC-T1。由此可見,翼緣厚度或?qū)挾仍龃竽芴岣逩PC梁的抗裂性。

圖6 荷載與PCC和GPC梁斜裂縫寬度關(guān)系Fig. 6 Relationship between load and the width of inclined crack of PCC and GPC beams

2.3 荷載-鋼筋應變關(guān)系

2.3.1 荷載-縱筋應變變化規(guī)律及分析

在對縱筋應變分析時,取第1排縱筋上的兩個應變數(shù)據(jù)平均值繪制了荷載-跨中縱筋應變曲線,如圖7。在相同荷載下,GPC-T1的跨中縱筋應變始終大于PCC-T1,而GPC梁的跨中縱筋應變隨著翼緣厚度或?qū)挾仍龃蠖鴾p小,這說明翼緣厚度或?qū)挾仍龃竽軠p小相同載荷下的跨中縱筋應變。

圖7 T形梁試件的荷載-跨中縱筋應變曲線Fig. 7 Load-mid-span longitudinal reinforcement strain curve of T-beam specimens

當梁被破壞時,PCC-T1、GPC-T1、GPC-T2、GPC-T3、GPC-T4所對應的跨中縱筋應變分別為1 872、2 356、 2 557、 2 594、 2 235 με。由于翼緣厚度增加,使得GPC梁極限承載力增加,故翼緣厚度越大,梁被破壞時的縱筋應變越大。此外,當PCC梁被破壞時,其縱筋應變小于屈服應變(2 065 με),這表明剪切失效發(fā)生在彎曲破壞之前,PCC梁發(fā)生剪切破壞;所有的GPC梁被破壞時,跨中縱筋應變均超過屈服應變,但其荷載-撓度關(guān)系曲線并未出現(xiàn)較為明顯的延性屈服變形階段,也沒有典型的彎曲破壞特征,故發(fā)生剪切破壞。

2.3.2 荷載-箍筋應變變化規(guī)律及分析

試件剪跨區(qū)左、右兩側(cè)箍筋在5個不同荷載水平(0.2、0.4、0.6、0.8、1.0Pu)下的應變分布如圖8。總體而言,箍筋拉伸應變隨荷載的增加而增大。當荷載較小時,斜裂縫未出現(xiàn),此時試件的剪力主要由混凝土承擔,箍筋應變值非常小,可忽略不計;當斜裂縫出現(xiàn)時,混凝土對抗剪強度的貢獻降低,與斜裂縫相交等等箍筋應變顯著增加,這說明箍筋對剪切強度有極大貢獻。

圖8 T形梁試件的箍筋應變Fig. 8 Stirrup strain of T-beam specimens

在相同荷載水平下,GPC-T1箍筋應變比PCC-T1更大。與PCC-T1相比,相同荷載水平下的GPC-T1斜裂縫寬度更大、數(shù)目更多,且跨中位移更大,導致箍筋形變更大。在Pu時,GPC-T1有6根箍筋發(fā)生屈服,而PCC-T1只有右側(cè)2根箍筋發(fā)生屈服,這是因為PCC-T1在左側(cè)無明顯的斜裂縫。對于GPC梁,不同位置的箍筋應變差異明顯,剪跨區(qū)中部的應變值最大,靠近集中荷載作用點和靠近支座的箍筋應變值較小。

3 討論與分析

3.1 GPC梁和PCC梁的對比

由圖4可知:GPC-T1在極限承載力下的跨中撓度比PCC-T1大,撓度與剛度成反比,GPC-T1剛度低于PCC-T1。由表5可知:GPC-T1基體混凝土的彈性模量比PCC-T1低28.4%,更高的彈性模量使得PCC梁在相同荷載下位移更小。由表6可知:GPC-T1的斜截面開裂荷載比PCC-T1低10.7%,抗剪承載力比PCC-T1高1.7%,這是因為礦渣-粉煤灰基的GPC抗拉強度低于PCC[17],導致其斜截面開裂所需的荷載較低[29]。由圖5可知:與PCC-T1相比,GPC-T1裂縫數(shù)量更多且更寬,這是因為GPC梁早期收縮大于PCC梁,導致其基體有更多的初始微裂縫[15,27-28],且GPC梁較低的彈性模量和抗拉強度使得這些微裂縫在受到剪力后將以更快的速度擴展延伸[16-17]。

表7 混凝土的歸一化抗剪強度Table 7 Normalized shear strength of concrete

3.2 翼緣尺寸對GPC梁抗剪強度影響

根據(jù)試驗結(jié)果,翼緣的存在對GPC梁的抗剪承載力影響顯著。由表6可知:GPC-T2、GPC-T3的抗剪承載力相對于GPC-T1分別增大了8.6%、12.7%,這表明GPC梁的抗剪承載力隨著hf/h0的增大而增加。由表7可知:GPC-T1、GPC-T2、GPC-T3的歸一化抗剪強度依次增大,GPC-T2、GPC-T3分別比GPC-T1增大了18.6%、25.3%,這說明翼緣厚度增大能提高GPC對GPC梁抗剪強度的貢獻。隨著翼緣厚度增大,GPC梁剛度增大,跨中縱筋應變減小,同時翼緣對臨界斜裂縫向加載點擴展的阻礙作用增大,即抗裂性增強,故抗剪承載力增大。

GPC-T1、GPC-T4的抗剪承載力基本相等,且這兩者歸一化抗剪強度幾乎相同。這說明翼緣寬度過寬并不能繼續(xù)提高GPC梁的抗剪強度,這與文獻[24]的結(jié)論一致。由于剪力滯效應[33-34],僅有部分翼緣寬度能有效承擔剪力。

3.3 現(xiàn)有設計規(guī)范的適用性

筆者將試驗結(jié)果與文獻[35]、文獻[36]和文獻[37]的抗剪承載力計算值進行比較,探究其對GPC梁設計的適用性。各規(guī)范受剪承載力的計算見表8。各規(guī)范計算值與試驗值比較結(jié)果如表9。

表8 混凝土梁抗剪強度設計方法Table 8 Design methods for shear strength of concrete beam

表9 PCC和GPC梁試驗結(jié)果與不同規(guī)范的抗剪承載力計算值比較Table 9 Comparison between the test results of PCC and GPC beams and the calculated values of shear bearing capacity of different specifications

由表9可看出:文獻[35]、文獻[36]和文獻[37]的計算值均遠小于試驗值,嚴重低估了GPC梁的抗剪承載力,究其原因在于現(xiàn)行的規(guī)范均沒有考慮翼緣對抗剪承載力貢獻;文獻[37]的安全儲備最高,試驗與計算的比值平均值為1.79;文獻[35]的計算值最接近試驗值,試驗與計算的比值平均值為1.27,在實際工程中最為經(jīng)濟。因為GPC梁抗剪承載力與PCC梁基本相等,故在進行GPC梁抗剪設計時,基于GPC脆性更大特性和經(jīng)濟性考慮,建議采用文獻[35]的值。為進一步提高經(jīng)濟性,建議在混凝土的受剪承載力計算時增加翼緣有效部分來提供剪力項。

4 結(jié) 論

1)在集中荷載作用下,GPC梁和PCC梁均發(fā)生剪壓破壞。與PCC梁相比,GPC梁具有相似的抗剪承載力、裂縫擴展及破壞模式,但GPC較低的彈性模量和抗拉強度使得其脆性較普通混凝土更大,其剛度和斜截面開裂荷載較低,而跨中縱筋應變和箍筋應變較大。

2)隨著翼緣厚度增大,GPC梁剛度增大、跨中縱筋應變減小,抗剪承載力提高了8.6%～12.7%,GPC的歸一化抗剪強度增大了18.6%～25.3%,且翼緣對臨界斜裂縫擴展阻礙作用增大,抗裂性增強,而斜截面開裂荷載沒有明顯變化。

3)隨著翼緣寬度增大,GPC梁的跨中縱筋應變減小,而剛度、斜截面開裂荷載、抗剪承載力和地聚物混凝土的歸一化抗剪強度沒有明顯變化。

4)文獻[35]～文獻[37]的抗剪承載力計算值均偏于安全。其中:文獻[35]最接近試驗值,可采用文獻文獻[35]進行GPC梁的抗剪設計;為了更好預測抗剪承載力,建議考慮翼緣有效部分所提供的剪力。