大掺量粉煤灰混凝土简支梁的试验研究

张景华，田莉梅，孟令兵

(1.中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000;2.河北省廊坊师范学院建筑工程学院，河北廊坊065000)

在混凝土中掺入粉煤灰，不仅能提高混凝土的综合性能，更是变害为宝、化害为利、缓解矿物能源危机的有效途径。然而目前粉煤灰掺量一般不超过30%，而且主要用在建材、道路、回填等工程中，所以本文通过梁的静载试验，来研究大掺量粉煤灰混凝土构件梁的裂缝分布、应变、挠度情况，从而为大掺量粉煤灰混凝土用于结构工程提供了理论依据。

1 原材料和配合比

1.1 原材料

北京兴发水泥厂生产的拉发基P.O42.5水泥;丰台Ⅰ级粉煤灰;涿州碎石;天然中砂;减水率为20%的泵送剂;自来水;箍筋 φ 8，受力筋 φ 12、φ 20。

1.2 配合比

表1 混凝土配合比

2 梁的弯曲试验设计

2.1 梁的设计

梁L1、L2、L3的截面尺寸和配筋相同，详见图1。

图1 构件梁详图/mm

2.2 梁的静载试验设计

试验加载方式为三分点处对称集中加载;在跨中布置5个电阻应变片，观察应变发展;在跨中受拉主筋上布置2个电阻应变片，测得受拉筋的应变;在梁支座上布置了2块百分表，在跨中布置一个位移传感器，观察试验梁的挠度。详见图2。

图2 测点布置图

3 试验结果与分析

3.1 裂缝宽度和裂缝分布

为了较好观测梁L1、L2、L3的裂缝开展全过程，用读数显微镜，测读裂缝宽度，并在梁上随时标明每级荷载时裂缝走向及分布。

从加载过程中可见，当荷载比较小时，简支梁处于弹性工作阶段，没有裂缝产生。基准梁L1加载至60 KN时，在第11格和第9格同时出现肉眼可见的裂缝，试验梁L2、L3加载至50 KN时，在第11格出现肉眼可见的裂缝。随着荷载的逐步增加，出现新的垂直裂缝，裂缝宽度随荷载的增加而逐渐变宽，并逐步往梁顶延伸。随后在剪弯段靠近加载点的梁底出现斜裂缝，其裂缝宽度始终不超过纯弯段的裂缝宽度，且裂缝没有延伸至加载点。

表2 梁裂缝宽度

从表2可以看出，L1和L2的6组裂缝宽度数据相差不大，L1在302 KN时的裂缝宽度为0.26 mm，L2的裂缝宽度为0.28 mm;而L3的裂缝几乎是L1和L2的2倍，在荷载为300 KN时的L3裂缝宽度为0.50 mm。这说明了粉煤灰掺量40%的混凝土构件梁在裂缝控制方面并不比基准混凝土差，而是同样具有基准混凝土的韧性和整体安全性。

图3 L1、L2、L3 裂缝分布图

从图3可以看出，L3的裂缝分布更加密集，裂缝已经贯通，所有裂缝都朝着受压区扩展，当荷载继续增大时，钢筋应力达到屈服，这时表现为受拉区裂缝不断发展，中和轴继续上升，跨中挠度急剧增加，受压区面积缩小，当受压区混凝土边缘应变达到极限压应变时，该区混凝土呈鳞片状隆起，试验梁破坏。而L2、L3的裂缝发展比较相似，即裂缝比较分散，发展比较缓慢，发展中出现许多小裂缝，有些裂缝发展甚至中止。由于试验条件的限制，L2、L3最终没有达到钢筋屈服。由此只能说:L2、L3具有和基准梁相当的受弯承载力。

3.2 应变及挠度

3.2.1 试验梁的截面应变 应变量测结果表明，L1、L2、L3都能较好的符合平截面假定。根据量测结果，绘制应变图如图4～6。

图4 L1荷载-应变曲线

图5 L2荷载-应变曲线

图6 L3荷载-应变曲线

应变片1贴在梁的上表面，处在受压区，所以应变读数为负。L1、L2在荷载低于300 KN时，应变增长基本趋于一致，在 300 KN时，应变分别为1.410μm、1.644μm。L2的应变稍大于 L1，但应变仍呈正比增长，说明L1和L2还远没有破坏。L3荷载在300 KN时，应变迅速增大，315 KN时梁破坏，应变为3.209μm。

应变片2贴在距梁上表面48 mm处，处在受压区，应变读数为负。在加载的整个过程中，L2应变稍大于L1应变，两者应变一直呈线性增长，加载到300 KN时，应变分别为615μm、747μm。而L3加载到300 KN后，应变出现急剧增长，应变为1.744μm。

应变片3贴在距梁上表面95 mm处，L1、L2应变读数一直为正，所以一直处于受压区，并且两者应变相差不大，一直呈线性增长。而L3加载到300 KN之后，应变由负转为正，受压变为受拉，说明此时中和轴已经偏移到应变片3处，随着裂缝的扩张，拉应变的读数不断增大，在300 KN时破坏，应变片3的拉应变在1150μm。

应变片4贴在中和轴上方8mm处，L1、L2、L3均在加载至50 KN左右时，应变值由负值变为正值，说明应变片4处于中和轴稍偏上的位置，随着荷载增大，中和轴上移，所以应变片4的位置由受压变为受拉。随后的加载中L1、L2的应变稳定增长，L3在加载315 KN时，应变出现激增，梁破坏。

应变片5贴在受拉钢筋的形心位置，拉应变的大小基本上是:L3＞L2＞L1。在301 KN时L3应变迅速增长，L3将要破坏，最大应变为6.752μm。而 L1、L2的拉应变在300 KN的加载过程中，增长平稳且拉应变最大为4.000μm。

应变片6、7贴在受拉钢筋上，L1、L2、L3的钢筋应变相差不大，只是L3加载至301 KN时有明显增大，即钢筋有较大的塑性变形，随后裂缝急剧开展，挠度激增，构件梁受压破坏。

所以L3在300 KN之前，发生的是弹性变形，应力与应变比值趋于一条直线。之后，由弹性转为弹塑性，混凝土塑性变形阶段荷载的提高很小，而变形发展很快，混凝土很快就发生破坏。L2和L1应变变化相似，即在300 KN范围内，发生的是弹性变形，应变速度相对比较缓慢，变形和承载能力还有相当大的空间，这说明粉煤灰掺量40%时，由于粉煤灰的二次水化，生成较多的C-S-H凝胶，增强了混凝土强度，同样能够阻止裂缝发展，改善混凝土梁力学性能，使之具有和基准梁相似的抗拉能力。

3.2.2 试验梁的挠度 构件破坏过程可分为截面开裂前的弹性工作阶段、从截面开裂到受拉筋屈服的带裂缝工作阶段、从受拉筋屈服到受压区混凝土被压碎的破坏阶段。根据实测挠度值，绘制挠度图如图7。

图7 L1 L2 L3荷载-挠度

由图7可以看出，L1的挠度稍大于L2、L3，在加载过程中，L1和L2的挠度呈正比增长，即使加载到300 KN时，仍看不出破坏的迹象，这表明掺入40%的粉煤灰并没有降低受弯混凝土梁的承载能力，反而其挠度有所减少。而L3在荷载加到300 KN时，其挠度急剧增大，随后被压坏，表明了受弯承载能力不如梁L1和L2，但梁L3也满足了设计要求。

4 结论

通过构件加载试验，我们认为一定量粉煤灰的掺入，并没有对混凝土的整体强度、变形性能、混凝土的韧性等带来不利的影响，而是有助于改善混凝土结构，使混凝土在受力时吸收了大量能量，从而有效减少了应力集中，阻碍了混凝土中微细裂缝的迅速扩展，从而提高了混凝土梁的使用寿命。通过试验数据的分析和比较，我们可知:

(1)相同条件下，粉煤灰混凝土梁与基准混凝土梁的实测开裂弯矩Mcr和实测极限弯矩Mu相差不大，裂缝开展及裂缝间距无显著不同。在整个加载过程中，粉煤灰掺量40%的混凝土梁与基准混凝土梁裂缝开展和裂缝宽度相近，均没有破坏。而粉煤灰掺量50%混凝土梁在加载至300 KN时，达到极限破坏阶段。

(2)粉煤灰混凝土梁和普通混凝土梁沿梁高的应变均能较好的符合平截面假定。

(3)其它条件相同的情况下，粉煤灰混凝土与基准混凝土梁的荷载—挠度曲线差别不大，由于粉煤灰掺量40%混凝土梁和基准混凝土梁没有被压坏，所以荷载—挠度曲线经历了一个转折点，而粉煤灰掺量50%混凝土梁经历了两个转折点。

［1］ GBJ50152-92，混凝土结构试验方法标准［S］.

［2］ 覃维祖.粉煤灰在混凝土中的应用技术［J］.商品混凝土，2006(2):13-17.

［3］ 林旭健，林锋挺.大掺量低品质粉煤灰混凝土简支梁受弯试验［J］.福州大学学报，2004(2):178-183.

［4］ 郭成举.混凝土的物理和化学［M］.北京:中国铁道出版社，2003

［5］ 宋少民，刘娟红.大掺量改性粉煤灰泵送混凝土的试验研究［J］.粉煤灰综合利用，1998(4):45-48.