撒布式钢纤维替代部分纵筋的可行性分析

郭航,唐佳军,杨延岐

(长春工程学院 土木工程学院,长春 130012)

0 引言

撒布式钢纤维混凝土结构是一种新型的混凝土结构形式,它将整体式钢纤维混凝土中的钢纤维(Steel Fibe,简称SF)分层撒布,在保持相同力学性能的基础上,可节约SF的用量,从而降低工程造价[1-2];同时因SF撒布的特殊结构形式,可避免SF的搅拌工序,降低了施工难度[3-4]。朱梦良等[5]研究了SF的撒布位置与掺量对被撒布并养护28 d后的混凝土抗压强度、弯曲韧性与抗折强度的影响,结果表明上布SF对混凝土强度的增大作用不明显,下布SF可显著提高混凝土的抗折强度;抗折强度与弯曲韧性随下部SF掺量的增加而逐渐增大;撒布式SF显著改善了混凝土的破坏形态,抗压试验中混凝土试块裂而不碎,抗折试验中裂而不断。蒋品[6]从经济性方面对撒布式SF混凝土进行可行性分析,结果表明相同性能的前提下,其SF用量较整体式减少了43%,水泥用量减少了7%。

再生混凝土是一种环保型的绿色混凝土材料,它将废弃混凝土破碎、筛分、清洗制成再生骨料,用来取代部分天然骨料,使得建筑垃圾得到再利用、固废资源化,因而具有显著的社会经济效益与环保效益。2019年7月,中国科学技术部网站上发布了《科技部关于发布国家重点研发计划“固废资源化”等重点专项2019年度项目申报指南的通知》,旨在加强对固体废弃物和垃圾的处置,推进资源的全面节约和循环利用,为大幅度提高我国资源利用效率和促进碳中和事业的发展提供研究支撑。

本研究将撒布式钢纤维混凝土与再生混凝土二者结合,即撒布式钢纤维再生混凝土(Layered Steel Fibe Recycled Aggregate Concrete,简称LSFRAC),从开裂弯矩与极限弯矩、延性与耗能、变形与挠度等方面,对LSFRAC梁中撒布式SF替代部分纵筋的可行性进行分析,为撒布式结构构件的应用研究提供参考。

1 试验概况

1.1 试验方案设计

表1为本研究的方案设计,由表可知S0-R16组与S2.0-R16组梁的纵筋直径相同、钢纤维撒布量不同,而S1.5-R14组与S1.5-R18组则刚好相反。通过对比较低钢纤维撒布量、较高配筋率的试验组与较高钢纤维撒布量、较低配筋率的试验组,即对比S0-R16组与S1.5-R14组、S1.5-R18组与S2.0-R16组,分析撒布式SF替代部分纵筋的可行性。

表1 各试验组理化指标数据

1.2 试件设计与试验方法

图1为各试验组梁的截面尺寸与配筋构造图,可以看出梁的尺寸为120 mm×180 mm×1 500 mm,净跨为1 200 mm,剪跨为400 mm,跨中纯弯段为400 mm。纵筋、架立筋、箍筋分别采用HRB400级钢筋、HRB335级钢筋(直径为10 mm)与HPB300级钢筋(直径为8 mm,间距为100 mm)。根据前期力学性能试验结果,当SF撒布层数为4或7时,弹强比较小,混凝土抗裂性较好[7],考虑到撒布7层SF时施工较困难,故确定SF撒布层数为4,SF撒布位置如图2所示。根据GB/T 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》[8],在标准条件下养护试验梁28 d后进行四点弯曲加载试验,使用仪器为YAS-5000型微机控制电液伺服压力试验机。

图1 配筋构造与梁截面尺寸图/mm

图2 SF撒布位置示意图/mm

2 可行性分析

为了定量研究撒布式SF替代部分纵筋的可行性,参照文献[9],将纵筋的用量按质量转化为等效撒布量(1层)的形式,换算公式为

(1)

式中:SR为纵筋的等效撒布量,kg/m2;mR为纵筋的总质量,kg;b为梁的宽度,m;l为梁的跨度,m。

利用式(1)换算后,配筋率为1.77%、2.31%与2.93%的纵筋对应的等效撒布量依次为19.5 kg/m2、25.5 kg/m2和32.2 kg/m2。

2.1 开裂弯矩与极限弯矩

图3～4分别为各试验组梁的开裂弯矩与极限弯矩。对比分析S0-R16组与S1.5-R14组可知,前者的配筋率较后者大了0.54%(等效撒布量对应增加了6.0 kg/m2),前者的SF撒布量比后者减少了1.5 kg/m2,而后者的开裂弯矩较前者提高了33.3%,二者的极限弯矩相等,可见4层1.5 kg/m2的撒布式SF可替代等效撒布量为6.0 kg/m2的纵筋;对比分析S2.0-R16组与S1.5-R18组可以看出,前者的SF撒布量较后者增加了0.5 kg/m2,配筋率减少了0.62%(等效撒布量对应减少了6.7 kg/m2),而二者的开裂弯矩相同,但后者的极限弯矩较前者增大了11.5%,4层0.5 kg/m2的撒布式SF不足以代替6.7 kg/m2的纵筋。

图3 各试验组梁的开裂弯矩

图4 各试验组梁的极限弯矩

2.2 延性与耗能

图5～6分别为各试验组梁的位移延性系数与耗能。可以看出,S0-R16组的延性与耗能能力较S1.5-R14组均有所提高,其中耗能增强了27.2%,位移延性系数增大了22.5%;同样较高配筋率、较低钢纤维撒布量的S1.5-R18组的延性与耗能能力较低配筋率、较高撒布量的S2.0-R16组也均有所提高,其中耗能增强了46.6%,位移延性系数增大了41.4%。因此,从延性与耗能方面考虑,4层0.5 kg/m2的撒布式SF不足以替代等效撒布量为6.7 kg/m2的纵筋,4层1.5 kg/m2的撒布式SF亦不足以代替6.0 kg/m2的纵筋。

图5 各试验组梁的位移延性系数

图6 各试验组梁的耗能

由图5～6还可以看出,当SF撒布量从0增加至2.0 kg/m2时,耗能能力降低了0.7%,位移延性系数减小了21.5%;当配筋率由1.77%增大至2.93%,即纵筋等效撒布量由19.5 kg/m2增加至32.2 kg/m2时,耗能能力增强了85.1%,位移延性系数增大了36.0%。可见配筋率对延性与耗能能力的增强作用较SF更为显著,因此考虑延性与耗能时,撒布式SF替代部分纵筋是不可行的。

2.3 变形与挠度

图7为S0-R16组(较低钢纤维撒布量&较高配筋率)与S1.5-R14组(较高钢纤维撒布量&较低配筋率)梁的荷载-挠度曲线。可以看出,在弹性阶段与带裂缝工作阶段,同一荷载等级下,S1.5-R14组梁对应的挠度值均比S0-R16组小,即此阶段S1.5-R14组梁的刚度较大。GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[10]规定,使用上对挠度有较高要求的受弯构件的挠度限制为l0/250(l0<7 m时,l0为计算跨度),本研究取挠度限制为4.8 mm。S1.5-R14组梁挠度为4.8 mm时对应的荷载值较S0-R16组大2.6 kN,增大了3.6%。S0-R16组的配筋率较S1.5-R14组大了0.54%,但二者的屈服荷载相同,均为80 kN。因此可以认为,试件屈服之前,4层1.5 kg/m2的撒布式SF可以代替等效撒布量为6.0 kg/m2的纵筋。而试件屈服之后至荷载达到105 kN之前,相同荷载作用下S0-R16组梁对应的挠度值较S1.5-R14组小;梁达到极限荷载110 kN时,S0-R16组梁的挠度较大、变形能力较好。这是因为钢筋屈服之后,主要由撒布式SF承担拉力,此时裂缝宽度较宽,部分SF被拔出而退出工作[11]。

图7 S0-R16组与S1.5-R14组的荷载-挠度曲线

图8为S2.0-R16组与S1.5-R18组梁的荷载-挠度曲线。由图中对比情况可知,在屈服之前,即荷载<110 kN时,两组梁的荷载-挠度曲线接近重合,屈服荷载亦相同,可认为此阶段4层0.5 kg/m2的撒布式SF可以代替等效撒布量为6.7 kg/m2的纵筋。试件屈服之后,同一荷载等级下S1.5-R18组梁对应的挠度值较S2.0-R16组小,梁受力特性较好,梁被破坏时的挠度较大。可以看出,撒布式SF对梁早期的抗裂能力与刚度影响较大,而纵筋对梁后期的承载能力与变形能力影响较大。

图8 S2.0-R16组与S1.5-R18组的荷载-挠度曲线

3 结论

1)从梁的极限与开裂荷载方面考虑,4层1.5 kg/m2的撒布式钢纤维可替代等效撒布量为6.0 kg/m2的纵筋,而4层0.5 kg/m2的撒布式钢纤维不足以代替等效撒布量为6.7 kg/m2的纵筋。

2)从梁的延性与耗能方面考虑,撒布式钢纤维替代部分纵筋是不可行的,因为配筋率对位移延性系数与耗能能力有比较明显的增强作用。

3)从梁的变形与挠度方面考虑,在弹性阶段与带裂缝工作阶段,撒布式钢纤维替代部分纵筋是可行的,而钢筋屈服后阶段则不可行。

4)撒布式钢纤维对梁加载早期的抗裂能力与刚度的影响较大,而纵筋对梁加载后期的承载能力与变形能力的影响较大。