碱式硫酸镁水泥混凝土梁剪切破坏的试验
来源: http://www.cqglhg.com   发布时间: 2019-08-07 15:57   768 次浏览   大小:  16px  14px  12px


  了探索碱式硫酸镁水泥混凝土在结构工程中的应用,根碱式硫酸镁水泥混凝土梁的抗剪性能试验,测试了静载下梁的挠度、承载力、裂缝扩展、箍筋和混凝土的应变等。试验结果表明:两种材料梁的破坏模式有一定差异;对比普通混凝土梁,碱式硫酸镁水泥

  了探索碱式硫酸镁水泥混凝土在结构工程中的应用,根碱式硫酸镁水泥混凝土梁的抗剪性能试验,测试了静载下梁的挠度、承载力、裂缝扩展、箍筋和混凝土的应变等。试验结果表明:两种材料梁的破坏模式有一定差异;对比普通混凝土梁,碱式硫酸镁水泥混凝土梁在开裂荷载等方面具有一定优势(开裂弯矩大约10%);随着碱式硫酸镁水泥混凝土强度的提高,梁的抗裂、抗剪承载力提高,变形变小,但延性降低。现行的普通混凝土梁剪切刚度、挠度计算等公式适用于碱式硫酸镁水泥混凝土梁,但承载力和裂缝宽度计算公式需要修正。试验结果表明碱式硫酸镁水泥混凝土可应用于钢筋混凝土斜截面破坏梁。
  碱式硫酸镁水泥是通过现代外加剂技术,在MgO-MgSO4-H2O胶凝体系中形成一种致密结构不溶性碱式硫酸镁晶须(5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O,5·1·7相)为主要水化产物的新型胶凝材料。近期刚刚完成碱式硫酸镁水泥混凝土的不同配合比设计方案和力学性能研究,研究发现碱式硫酸镁混凝土具有超过相同抗压强度普通混凝土一倍以上的抗拉强度,且具有早强、抗碳化、抗硫酸盐腐蚀性能强、护筋等优点其很高的抗压强度、弹性模量和抗冲击韧性,可用来做高层的梁、梁和节点,可减少试件截面,增加建筑物空间。为了填补碱式硫酸镁水泥混凝土在结构领域的空白,对碱式硫酸镁水泥混凝土梁抗剪性能的研究是必不可少的一个环节。现阶段的研究认为,普通混凝土有腹筋梁抗剪承载力的主要组成部分:斜裂缝上端靠近梁顶部未开裂混凝土的抗剪力,沿斜裂缝的混凝土骨料咬合作用,纵筋的横向(销栓)力,以及箍筋和弯起筋的抗剪力。这些抗剪成分的作用和相对比例,在梁的不同受力阶段随裂缝的形成和发展而不断变化。本文依据混凝土构件测试规程[对碱式硫酸镁水泥混凝土斜截面破坏梁的抗剪性能进行试验研究,探讨了碱式硫酸镁水泥混凝土梁的破坏模式,以及开裂荷载、极限承载力等的计算公式与现行规范的适用性。


  1 斜截面破坏梁抗剪性能的试验
  1.1 构件的制作
  1.1.1 基本原料
  本实验以沈阳嘉宝寰球有限公司生产的52.5R碱式硫酸镁水泥为胶凝材料制备混凝土。所使用的砂子为河砂,含水率为0.8%;碎石(石灰岩,强度较低)为5~25 mm连续级配的碎石[3]。细骨料的细度模数为2.4。普通混凝土所用硅酸盐水泥为42.5R海螺水泥[3]。
  钢筋混凝土构件取样浇注成型边长为100 mm的混凝土立方体试件。所制备混凝土的表观密度约为2 400 kg/m3,C40碱式硫酸镁水泥混凝土的塌落度为90 mm,C50碱式硫酸镁水泥混凝土的塌落度为11 mm。
  1.1.2 试验梁
  设计构件时,为了突出碱式硫酸镁水泥混凝土的抗剪贡献,箍筋取较小直径和较大间距。设计剪跨比λ为1.75和1.16,即支座到加载点距离分别为300和200 mm。
  本次剪切试验的试验梁均为矩形截面简支梁,尺寸均为b×h=120 mm×200 mm,跨度L=1 500 mm,净跨L0=1 200 mm,配筋详图见图1。碱式硫酸镁水泥混凝土强度等级为C40和C50,混凝土保护层厚度为25 mm。纵筋为2根直径为18 mm的二级钢筋。
  钢筋和混凝土应变片的布置见图2。梁所用碱式硫酸镁水泥类型为BMSC52.5FA,水灰比为0.41时,标准稠度为18%,初凝时间为157 min,终凝时间为341 min,安定性为合格,28 d抗压强度值为53.8 MPa,28 d抗折强度为15.0 MPa。
  砂、石等材料性能指标同碱式硫酸镁水泥混凝土所用材料。浇筑普通混凝土和碱式硫酸镁水泥混凝土梁,自然养护28 d。对普通混凝土梁和碱式硫酸镁水泥混凝土梁的同批取样试块进行28 d强度测试,对应抗压强度分别达到C40和C50的强度要求;对碱式硫酸镁水泥混凝土进行抗拉强度测试,发现其强度为同标号普通混凝土抗拉强度的一倍。其他力学性能参数详见文献。
  试验方法
  在箍筋及跨中主筋处粘贴标距1 cm的钢筋应变片,用于测量箍筋和纵筋的应变;混凝土应变花一端位于加载点和支座的连线中点,应变片之间夹角呈45°,跨中底面等第一条斜裂缝最先可能出现的地方,也粘贴标距10 cm的混凝土应变片。应变值采用TDS-303应变采集系统记录。
  用10倍放大镜观察裂缝的出现与发展,用SW-LW-201裂缝观测仪测量裂缝宽度。梁的挠度曲线由跨中下表面、支座上表面的3个位移传感器测读;荷载依靠500 t荷载传感器测读。梁的荷载和挠度由Grab计算机连续采集系统自动采集,混凝土的应变使用东华静态采集系统按荷载分级采集。


  梁的试验采用两点对称集中加载(40 t千斤顶加载),加载方案按荷载控制,每级荷载增量取为4 kN。
  1.3 碱式硫酸镁水泥混凝土梁斜截面抗剪试验的力学性能1.3.1 裂缝的扩展过程及破坏形态
  梁在垂直裂缝出现后才出现斜裂缝。试验中,加载至28 kN时,首先开裂部位一般在梁中线偏固定支座一侧0.4 m处,为微细垂直裂缝,此时箍筋应变基本无变化;随着荷载增加,裂缝高度稳步增长,梁中线两侧对称出现了3条裂缝,箍筋应变仍无明显变化;在46 kN第一条侧面裂缝贯通至底部中线附近;加载至61 kN剪弯区垂直裂缝开始发展出斜裂缝,此时梁最大缝宽只有0.44 mm;上加载点与支座连线应变片数值超过67 kN才开始破坏,此时梁最大缝宽为1.07 mm。与弯曲破坏梁不同的是,斜截面破坏梁随荷载的增加不再出现新裂缝,原有4条裂缝不断变宽并向上延伸;加载至73 kN梁发出“啪啪”声,斜裂缝突然扩展、即将贯通,此时梁最大缝宽1.5 mm;荷载加至90 kN,斜裂缝截面上的箍筋屈服,梁在斜裂缝贯通处脆断,但梁底纵筋应变分别为339 με和441με,远未屈服,此时跨中挠度为8.82 mm,内部混凝土无明显压坏现象,只表现为少许的表皮压碎剥落。
  2) Jqjm50斜截面破坏梁(λ=1.75)裂缝展开梁Jqjm50三面裂缝展开如图5所示,从图5可见,加载至37 kN时,首先开裂部位在梁中线偏固定支座一侧0.3 m处,微细垂直裂缝,同时剪弯区出现斜裂缝,最大缝宽0.18 mm,此时箍筋应变基本无变化;随着荷载增加,裂缝高度稳步增长,梁中线两侧出现了3条裂缝,箍筋应变仍无明显变化;加载至65 kN,左侧剪弯区出现垂直裂缝,此时梁最大缝宽0.52 mm;上加载点与支座连线应变片数值超过80 kN才开始破坏,此时梁最大缝宽为0.65 mm。与正截面破坏梁不同的是,斜截面破坏梁随荷载的增加不再出现新裂缝,原有4条裂缝不断变宽并向上延伸;加载至120 kN梁发出“啪啪”声,斜裂缝突然贯通;荷载加至129.4 kN斜裂缝截面上的箍筋屈服,梁在斜裂缝贯通处脆断,但梁底纵筋应变为453 με和550 με,远未屈服,此时跨中挠度为11.93 mm,内部混凝土无明显压坏现象,只表现为少许的表皮压碎剥落现象。
  对比不同的试验现象,普通混凝土的裂缝要不规则的多,既有导致破坏的支座附近斜裂缝,也有很多跨中及支座附近的小裂缝,且间距更大。
  1.3.2 重庆硫酸镁平截面假定的验证
  碱式硫酸镁水泥混凝土斜截面破坏梁在弹性阶段符合平截面假定,非线性阶段大致符合平截面假定。
  1.3.3 荷载-挠度曲线
  由图7可知从加载开始到第一条斜裂缝的出现,普通混凝土梁和碱式硫酸镁水泥混凝土梁的荷载-跨中挠度曲线都呈线弹性,斜截面开裂后,曲线进入非线性阶段。碱式硫酸镁水泥混凝土梁的极限承载力比普通混凝土梁更高,但对应的跨中挠度则略小,是由于碱式硫酸镁水泥混凝土较大的弹性模量。
  相同荷载下,同强度等级碱式硫酸镁水泥混凝土梁的挠度大于普通混凝土梁挠度。
  1.3.4 裂缝宽度分析
  在C40强度等级下,碱式硫酸镁水泥混凝土梁和普通混凝土斜截面破坏梁的最大裂缝宽度接近;在C50强度等级下,碱式硫酸镁水泥混凝土梁比普通混凝土斜截面破坏梁的最大裂缝宽度小得多,结合梁的裂缝展开情况,表明随着混凝土强度等级的提高,碱式硫酸镁水泥混凝土梁的抗剪切刚度提高幅度较大。
  1.3.5 箍筋应变分析
  试验数据还显示,普通混凝土斜截面破坏梁破坏时,跨中受拉主筋应变在496~584 με变化,可以看出在梁破坏时,纵向受拉钢筋仍处于弹性工作状态。而各梁与临界斜裂缝相交的箍筋在梁破坏时都达到了屈服。
  虽然当各个试验梁出现可见裂缝时,箍筋应变急剧增大,但开裂前位于斜裂缝附近的箍筋最大拉应变均未超过90 με,可见在斜裂缝即将出现时,箍筋的应力值很小,很难起到抗裂作用。原因是箍筋的直径小,分布间距很大,而且表面光滑,很难对周围的混凝土形成有效的约束作用,因此对斜裂缝面上混凝土应力重分布的调节作用和抑制微裂缝开展的作用很。本次试验结果表明,在其他条件不变的情况下,仅依靠提高配箍率对斜截面破坏梁的抗裂性能几乎没有什么影响。