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

(長春工程學院 土木工程學院,長春 130012)

0 引言

撒布式鋼纖維混凝土結構是一種新型的混凝土結構形式,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,在保持相同力學性能的基礎上,可節約SF的用量,從而降低工程造價[1-2];同時因SF撒布的特殊結構形式,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護28 d后的混凝土抗壓強度、彎曲韌性與抗折強度的影響,結果表明上布SF對混凝土強度的增大作用不明顯,下布SF可顯著提高混凝土的抗折強度;抗折強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,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]從經濟性方面對撒布式SF混凝土進行可行性分析,結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濟效益與環保效益。2019年7月,中國科學技術部網站上發布了《科技部關于發布國家重點研發計劃“固廢資源化”等重點專項2019年度項目申報指南的通知》,旨在加強對固體廢棄物和垃圾的處置,推進資源的全面節約和循環利用,為大幅度提高我國資源利用效率和促進碳中和事業的發展提供研究支撐。

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行分析,為撒布式結構構件的應用研究提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗方案設計

表1為本研究的方案設計,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 各試驗組理化指標數據

1.2 試件設計與試驗方法

圖1為各試驗組梁的截面尺寸與配筋構造圖,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)。根據前期力學性能試驗結果,當SF撒布層數為4或7時,彈強比較小,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撒布層數為4,SF撒布位置如圖2所示。根據GB/T 50152—2012《混凝土結構試驗方法標準》[8],在標準條件下養護試驗梁28 d后進行四點彎曲加載試驗,使用儀器為YAS-5000型微機控制電液伺服壓力試驗機。

圖1 配筋構造與梁截面尺寸圖/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[9],將縱筋的用量按質量轉化為等效撒布量(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,其中耗能增強了27.2%,位移延性系數增大了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,其中耗能增強了46.6%,位移延性系數增大了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

圖6 各試驗組梁的耗能

由圖5～6還可以看出,當SF撒布量從0增加至2.0 kg/m2時,耗能能力降低了0.7%,位移延性系數減小了21.5%;當配筋率由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,耗能能力增強了85.1%,位移延性系數增大了36.0%?？梢娕浣盥蕦ρ有耘c耗能能力的增強作用較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《混凝土結構設計規范》[10]規定,使用上對撓度有較高要求的受彎構件的撓度限制為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到105 kN之前,相同荷載作用下S0-R16組梁對應的撓度值較S1.5-R14組小;梁達到極限荷載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?？梢钥闯?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與耗能能力有比較明顯的增強作用。

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。