活性粉末混凝土简支梁挠度变形影响因素研究

王根伟 罗丽娜 刘存鹏

摘 要： 为了研究高强钢筋活性粉末混凝土梁的承载能力和变形特点，本文考虑纵向配筋率、钢筋强度等级和高温养护等因素对试验梁的影响，制作了八根不同的活性粉末混凝土简支梁进行抗弯性能试验。试验结果表明，随着配筋率、钢筋等级的提高和高温养护，简支梁的承载能力和刚度也随之提高，纵向钢筋进入塑性阶段的时间得以延长，减小了梁在加载阶段的挠度，有效地约束了裂缝的发展。

关键词： 高强钢筋；挠度；试验研究

基金项目： 广西壮族自治区中青年教师基础能力提升项目“竹筋珊瑚混凝土粘结性能及抗弯性能试验研究”（KY2016YB908）

活性粉末混凝土（简称RPC）具有强度高、韧性好和高耐久性等特点，是一种力学性能能够长期保持保持稳定的一种新型材料，将会是水泥基复合材料未来的一个发展趋势[1-2]。将高强钢筋与RPC相结合，可以发挥这两种材料各自的优势，显著提高结构的安全性和耐久性。郑文忠等人通过6根简支梁试验建立了RPC梁的正截面受弯承载力、刚度和裂缝的计算方法[3]，Vool等通过改变钢纤维的掺量和预应力的大小，对7根预应力RPC无腹筋梁进行了抗剪承载力试验研究[4]。李莉对六根RPC试验梁抗弯性能进行了试验研究，并结合国内外众多试验结果，系统地分析钢筋RPC试验梁的弯曲性能[5]。管巧艳对12根钢筋钢纤维高强混凝土梁受弯构件荷载—挠度试验曲线进行分析计算，得出适合钢筋钢纤维高强混凝土梁的刚度计算公式[6]。本文参照国内外学者的试验研究成果，考虑纵向配筋率和钢筋等级等因素对RPC梁的影响，进而分析活性粉末混凝土简支梁挠度变形的影响因素。

1 试验概况

1.1 试件材料

试验梁制作主要采用河北钢铁集团生产的HRB500高强钢筋，直径为25mm，屈服强度和极限抗拉强度分别为835.7Mpa和1082.9Mpa，，天津市思腾纤维科技开发有限公司生产的HRH钢纤维，直径0.22mm，长13mm，抗拉强度大于2000Mpa，水泥采用普通硅酸盐水泥PO52.5。活性粉末混凝土（RPC）配合比为水泥：石英砂：硅粉：石英粉：13mm钢纤维：减水剂：水=1：0.9：0.35：0.2：0.1：0.015：0.28

为探究高强钢筋的强度等级和配筋率对RPC梁受弯挠度及变形的影响规律，根据钢筋强度等级和配筋率的不同，制作了八根RPC简支梁。编号分别用HF-1， HF-2，HF-3，HF-4，HF-5，HF-6，HF-7和HF-8表示。试验梁参数见表2，

1.2试验加载

（1）加载制度。按照不大于预估荷载的5%进行分级加载，直至构件破坏。

（2）量测点布置。分别在试验梁的两端支座和跨中设置3个测点观测变形情况，利用位移计测量挠度，在分级加载过程中记录下位移计相对应的读数，试验梁加载示意图见图1。

1—支墩；2—固定铰支座；3—滚动铰支座；4—试验梁；

5—分配梁固定铰支座；6—分配梁滚动铰支座；7—垫板；

8—分配梁；9—千斤顶；10—传感器；11—反力架；12—位移计

图1.试验梁加载示意图

2 荷载一挠度曲线试验结果

荷载—挠度曲线图2可以看出，当施加荷载比较小时，高强钢筋活性粉末混凝土梁基本上处于弹性状态，此时荷载—挠度曲线为一条条倾斜的直线，这与匀质的弹性材料试验梁具有相同的特点，从图中可知抗弯刚度无明显变化。当施加荷载至受拉区边缘的RPC达到极限应变时，试验梁的表面开始出现了裂缝，试验梁的挠度逐渐增加，增加幅度都不是很大。随着荷载的继续增大，荷载—挠度曲线出现第一个转折点，继续施加荷载，曲线的斜率呈减小趋势，且继续逐渐上升，但曲线变化比较缓。主要是因为RPC梁与普通混凝土梁不同，RPC梁中掺有钢纤维，由于钢纤维的阻裂作用以及钢筋承担拉力的作用，使得裂缝截面处钢筋应力降低，极大减缓裂缝高度的增长速度和减小了裂缝宽度，从而增加了高强钢筋活性粉末混凝土梁的整体刚度。当加载到钢筋屈服，试验梁的破坏为顶部受压区混凝碎，由于混凝土被压碎，引起荷载-挠度曲线在破坏点发生转折，荷载—挠度曲线又出现一转折点，转折点的位置先后不一，说明参数的变化，对于试验梁进入塑性阶段的延缓程度都不一样。继续增加荷载，接近钢筋屈服，曲线的斜率明显下降，曲线末端发展较平缓，近似于水平，从纵向钢筋屈服到试验梁破坏的过程中荷载的增加幅度很小，而试验梁的变形却很大，说明RPC梁有良好的延性。

3影响因素分析

3.1 配筋率对RPC梁刚度的影响

观察图2曲线可以看出，曲线一共分为三个阶段，分别反映梁加载过程所经历的开裂前弹性阶段、开裂后弹塑性阶段以及钢筋屈服后的塑性发展阶段。在第一阶段各梁均处在弹性阶段，曲线的斜率基本保持一致，这说明配筋率对梁弹性阶段的影响作用不大；在曲线的第二阶段，随着配筋率的增加曲线斜率呈上升趋势，这表明配筋率提高有助于梁刚度的提高；在进入曲线的第三阶段可以看出，各梁之间的曲线斜率又保持了一致，只是进入第三阶段的拐点有所不同。这说明配筋较高时，延缓了钢筋进入塑性阶段的时间。

3.2 钢筋强度对RPC梁刚度的影响

从图3中可以看出，随着纵筋屈服强度的提高，极限荷载和跨中极限挠度也随着缓慢的增大。由于这组对比梁只是纵筋屈服强度的不同，其他参数完全一样，所以在第一阶段的曲线变化几乎完全一致，开裂荷载也相同，混凝土开裂后曲线开始分开，钢筋进入屈服阶段，纵筋屈服强度较高的梁相对来说挠度都变化稍显得缓慢一点。纵筋屈服强度较低的梁在混凝土开裂之后不久，迅速进入了屈服状态，达到了极限荷载。

3.3 高温养护对RPC梁刚度的影响

高温养护处理作用体现为可以使得掺合料的火山灰反应加速显著，也改变水化物内部微观结构，形成了致密的胶凝体结构，降低了界面薄弱层的孔隙率，增强了密实度。所以在一定时间内对试件进行高温养护，特别有利于试件强度的提高。所以高温养护相对于标准养护而言很大程度上提高RPC的强度。从而充分发挥两者的作用。随着混凝土强度的提高，其他条件相同的情况下挠度相对较小，充分说明高强度混凝土对挠度发展具有抑制作用。

4结语

通过改变纵筋配筋率、钢筋等级和养护条件等因素对RPC簡支梁进行抗弯性能试验研究，得出以下结论：

1）在活性粉末混凝土梁中采用高强钢筋可使两者的性能得到充分发挥，试验研究结果表明，在钢筋的强度等级不变的情况下，随着配筋率的提高RPC梁的承载力逐渐提高。

2）在纵筋配筋率保持不变的情况下，RPC梁随着受压区钢筋强度等级的提高而增大，随着受拉区钢筋强度等级的降低而减小，此外高温养护也可以提高RPC的强度。

3）纵筋配筋率和钢筋等级是影响高强钢筋RPC梁荷载-挠度曲线的重要因素，随着纵筋配筋率的增加，试验梁的承载能力和刚度也随之提高，纵向钢筋进入塑性阶段的时间得以延长，减小了梁在加载阶段的挠度，有效地约束了裂缝的发展。

参考文献

[1]ROUX，N. Experimental Study of Durability of Reactive Powder Concretes[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 1996 ； 8 （ 1 ） ： 1 —6.

[2]屈文俊，秦宇航.活性粉末混凝土（RPC）研究与应用评述[J].结构工程师，2007； 23（5）：86—92.

[3]郑文忠，李莉，卢姗姗.钢筋活性粉末混凝土简支梁正截面受力性能试验研究[J].建筑结构学报，2011； 32（6）：125—134.

[4]Voo，Yen Lei. Shear Strength of Fiber Reinforced Reactive Powder Concrete Prestressed Girders without Stirrups[J]. Journal of Advanced Concrete Technology， 2006 ； 4 （ 1 ） ： 123 —132.

[5]李莉.活性粉末混凝土梁受力性能及设计方法研究[J].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010；85—88.

[6]管巧艳，贾燕，张明恩.钢筋钢纤维高强混凝土梁受弯性能研究[J].新型建筑材料，2007；（12）：15—18.