废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法.pdf

1、 年 月第卷 第 期沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().收稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年项目()辽宁省教育厅高等学校创新团队()作者简介:周静海()男教授博士主要从事再生混凝土力学性能与耐久性能等方面研究文章编号:():./.:.废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法周静海赵冰野梁意博康天蓓(沈阳建筑大学土木工程学院辽宁 沈阳 沈阳建筑大学绿色宜居乡村建设研究院辽宁 沈阳)摘 要 目的 提出废弃纤维再生混凝土受弯构件的裂缝宽度计算方法为废弃纤维再生混凝土受弯构件的设计和工程应用提供参考 方法 对 根废弃纤维再生混凝土梁进行正截面受弯静力加载试验分析试验梁的裂缝

2、发展过程和分布规律 评估不同规范中废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法的适用性在现有规范基础上对计算公式进行修正 结果 随着再生骨料取代率的增加梁构件主裂缝的宽度增加适量地掺入废弃纤维可以抑制次生裂缝的产生 将不同规范中裂缝宽度计算值与试验值对比采用中国规范计算的平均偏差最小而采用欧洲规范计算的平均偏差最大 结论 利用笔者推导得出的公式计算得到的裂缝宽度计算值与试验值的平均偏差值为 该公式适用于废弃纤维再生混凝土受弯构件的裂缝宽度计算关键词 废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度中图分类号 文献标志码 ():.第 期周静海等:废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法 .:建筑业的可持续发展

3、正受到建筑垃圾无处安放和自然资源枯竭 的双重压力再生混凝土的综合开发与利用符合节约资源、保护环境的要求 将建筑垃圾中约占质量分数 的废弃混凝土循环使用制备成再生混凝土逐渐成为研究焦点 再生混凝土的产生使混凝土形成了一个“产生废弃重生”的循环是一种环境友好型的绿色建筑材料与普通混凝土相比再生混凝土的力学性能均有所降低 采用废弃纤维作为再生混凝土的加强纤维不仅可以提高再生混凝土抗压强度与抗劈裂强度使再生混凝土构件具有更好的延性和抗弯性能更具有“以废治废”的重要意义 纤维与水泥基胶凝材料结合优化了再生混凝土内部细观结构 周静海等 研究表明废弃纤维的体积分数为 时对废弃纤维再生混凝土梁的抗弯性能提升效

4、果较好废弃纤维体积分数过大时不易分散均匀易在水泥基体中形成薄弱区因此废弃纤维存在较优掺量 等提出纤维在细观尺度上的桥接作用在宏观尺度上表现为纤维混凝土的抗拉强度和抗裂性能提高 王晓初等研究表明梁开裂后碳纤维对混凝土梁受力钢筋的应变影响不明显 陈君君等研究表明聚丙烯纤维通过抑制裂缝的发展从而提高了再生混凝土的力学性能 苏俊等研究表明在荷载作用下普通混凝土呈明显的脆性破坏特征纤维混凝土呈延性破坏特征废弃纤维再生混凝土作为一种新型绿色建材现有规范中的裂缝计算公式是否适用于废弃纤维再生混凝土梁受弯构件裂缝的计算还未明确 基于此笔者利用中国规范混凝土结构设计规范()(简称中国规范)、美国规范()(简称)

5、和欧洲规范()(简称)中普通混凝土受弯构件裂缝宽度的计算式来计算废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度并在评估计算结果的基础上对中国规范 中公式进行修正以期得到更适合废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度的计算公式 试 验 试验材料再生粗骨料来自于强度 的废弃梁柱节点经过破碎、筛选、清理等步骤后制备而成 再生粗骨料的表观密度为 /堆积密度为 /压碎指标 天然 粗 骨 料 为 天 然 碎 石 表 观 密 度 为 /堆积密度为 /压碎指标 两种粗骨料的粒径均为 细集料采用天然河砂细度模数为 选取 普通硅酸盐水泥 废弃纤维源自废弃的丙纶地毯经人工拆分为废弃纤维束(见图)沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然

6、 科 学 版)第 卷图 废弃纤维 废 弃 纤 维 束 长 度 为 密 度 为 /断裂伸长率 吸水率小于 在制备废弃纤维再生混凝土时可忽略废弃纤维吸水率带来的影响 配合比普通混凝土()和废弃纤维再生混凝土()的配合比列于表 中 有效水灰质量比均为 拌合水分为自由水和附加水两部分有效水灰质量比采用自由水进行计算而附加水的目的是减小再生骨料高吸水率对 废 弃 纤 维 再 生 混 凝 土 配 合 比 的 影响 表 混凝土配合比 编号(水泥)(砂)(天然骨料)(再生骨料)(自由水)(附加水)抗压、抗拉强度及弹性模量的试验分别按照中国规范、美国规范 和欧洲规范 执行试验结果见表 废弃纤维再生混凝土编号分别

7、为、对应废弃纤维体积分数分别为、再生粗骨料取代率均为表 试件力学性能 编号规范抗压强度/抗拉强度/弹性模量/试验设计及加载方案试验共设计制作 根简支试验梁保护层厚度为 试验梁的长为 宽为 高为 纵向受力钢筋和弯剪区架立钢筋采用直径为 的 热轧钢筋箍筋采用直径 的 热轧钢筋 为消除剪力对废弃纤维再生混凝土梁正截面受弯性能的影响在跨中/内均不设架立筋以及箍筋 形成 的纯弯段保证梁的跨中只受弯矩影响而不受剪力影响 试件配筋情况如图 所示图 废弃纤维再生混凝土梁配筋图 第 期周静海等:废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法 钢筋骨架绑扎完成后在纯弯段粘贴 个钢筋应变片用于测定在加载过程中纵向钢筋的

8、应变 粘贴后的应变片如图 所示图 钢筋应变片 试验采用跨中两点对称集中加载加载装置如图 所示 支座处和跨中底部设置位移计测定挠度跨中沿高度方向粘贴混凝土应变片配备 静态应变测试仪读取试验过程中钢筋和混凝土应变加载过程中利用裂缝观测仪和裂缝观测卡尺测定梁在不同等级荷载下的主裂缝宽度值和主裂缝之间的裂缝间距值图 加载装置 试验现象图 图 分别为试验梁在不同荷载下裂缝的分布图 所有试验梁均在荷载达到 时出现第一条裂缝对比试件 和 可知废弃纤维的加入在一定程度上抑制了裂缝的发展梁表面裂缝宽度和数量均减小 分析原因是由于废弃纤维在细观尺度上具有桥接作用抑制了裂缝在水泥基体中的开展同时废弃纤维可以在一定程

9、度上减小混凝土早期收缩从而抑制混凝土开裂 当废弃纤维体积分数为 时由于废弃纤维交叠或分布不均匀在试件内部形成薄弱区从而造成了试件梁表面裂缝增加但多为细小裂缝图 为试验梁的荷载平均裂缝宽度曲线图 为荷载最大裂缝宽度曲线 由图可知再生混凝土的裂缝数量和宽度均多于普通混凝土再生混凝土的多重界面性图 试件 裂缝分布及形貌 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷图 试件 裂缝分布及形貌 图 试件 裂缝分布及形貌 图 试件 裂缝分布及形貌 降低了抗裂性能掺入废弃纤维后抗裂能力有所改善 当试验荷载小于试验梁开裂荷载时试验梁表面无裂缝产生随着荷载的增大试验梁底面开始出现横向微裂缝随着荷载的

10、继续增大底部微裂缝开始向梁侧面发展纯弯段裂缝数量不断增加并逐渐向梁顶延伸 值得注意的是在再生骨料取代率不变的情况下试验梁的抗裂能力并非随着废弃纤维的掺量增加而增强试验梁 的抗裂能力明显优于试验梁 说明废弃纤维掺量不是越大越好所以笔者选取 进行后文分析图 试验梁荷载平均裂缝宽度曲线 第 期周静海等:废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法 图 试验梁荷载最大裂缝宽度曲线 现有规范裂缝宽度计算方法 最大裂缝宽度计算方法中国规范 规定普通钢筋混凝土受弯构件最大裂缝宽度计算式为.()式中:为构件受力特征系数取 为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数为纵向受拉钢筋应力为钢筋弹性模量为平均裂缝间距美国规范

11、通过对混凝土保护层厚度、钢筋应力和钢筋在受拉区混凝土中的分布情况等影响因素对裂缝宽度控制的效果进行评价 其中 公式和 公式应用最广泛两个公式都是以黏结无滑移理论为基础建立的 裂缝宽度 计算公式为 .()式中:为构件受拉表面至中和轴距离与钢筋中心至中和轴的距离之比为裂缝处钢筋应力为受拉面至最近钢筋中心的距离 为包围全部钢筋且形心与钢筋重心相同的有效受拉区面积 裂缝宽度计算式为 (/).()式中:为钢筋间距欧洲规范 中混凝土裂缝宽度计算包括钢筋平均应变与混凝土平均应变之差和最大裂缝间距两部分 最大裂缝间距 按照式()计算:.()式中:为钢筋黏结特征系数取 为应变分布系数取 、为欧洲规范 规定值为有

12、效配筋率三种规范用于废弃纤维再生混凝土的计算需明确以下几点:三种规范最主要的区别是理论基础不同计算试验梁所受荷载时中国规范 和欧洲规范 是按照准永久荷载组合值计算的考虑了时间因素 和荷载分项系数 使计算出来的加载弯矩值偏大 美国规范 直接采用加载力未考虑折减系数因此美国规范 更接近于实际的短期加载对于裂缝处钢筋应力中国规范 采用了受弯截面内力平衡来计算其中涉及了内力臂系数对计算结果的影响美国规范 和欧洲规范 采用材料力学纯弯曲正应力的求解过程计算 各规范的适用性试件 的荷载裂缝宽度的试验值和三种规范的计算值对比如图 所示从图中可以看出梁最大裂缝宽度中国规范 的计算值在 以后略小于试验值 以前略

13、大于试验值 美国规范 的 和 公式求解出来的裂缝宽度均小于裂缝宽度试验值 欧洲规范 与美国规范 有相似的结果 计算值与试验值产生差异的主要原因:与普通混凝土相比再生粗骨料的多界面性易于裂缝开展但废弃纤维在裂缝间起到桥接作用在持续荷载的作用下中国规范 中 的贡献度增加因此随着荷载的增加计算值与试验值偏差变大由于再生骨料的掺入导致混凝土梁的收缩变形加大利于裂缝的产生 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷由图 可知三种规范中使用中国规范 得到的最大裂缝宽度计算值与试验值平均误差值最小为 欧洲规范 平均误差值最大为 美国规范 中 和 计算得到的平均误差值界于中国规范 和欧洲规范

14、之间 因此中国规范 更适用于废弃纤维再生混凝土受弯构件最大裂缝宽度的计算图 荷载与最大裂缝宽度 废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法 根据上述研究可知不论是普通混凝土还是废弃纤维再生混凝土 中国规范 计算结果都更接近于试验值因此笔者以中国规范 为基础提出废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法 通过引入废弃纤维和再生骨料影响系数建立废弃纤维再生混凝土受弯构件的裂缝宽度计算公式废弃纤维和再生骨料的加入会影响钢筋与混凝土的粘结性能进而影响裂缝间距和裂缝宽度 在应用中国规范 进行计算时主要体现在三方面:废弃纤维和再生骨料的加入会影响纵向受拉钢筋应变不均匀系数在计算平均裂缝宽度时会用到裂缝处钢

15、筋和混凝土的应变差混凝土的影响简化为裂缝间混凝土自身伸长对裂缝宽度的影响系数废弃纤维的加入抑制了裂缝的开展从而影响了平均裂缝间距和平均裂缝宽度 钢筋应力计算钢筋应力值为混凝土裂缝宽度计算中的一个重要参数中国规范 中受弯构件的钢筋应力 计算式为.()式中:为正常使用阶段裂缝截面处内力臂系数对于常用的普通混凝土强度等级可近似取 为按荷载效应的标准组合计算的弯矩值为受拉区纵向钢筋截面面积为截面有效高度式()中 为与混凝土材料相关的系数因此通过试验实测钢筋应力试验值来修正 本次试验中测得了在不同加载力的情况下受弯段各处的钢筋应变试验值 根据胡克定律可以求出对应的钢筋应力试验值内力臂系数试验值 和钢筋应

16、力试验值 结果见表 将内力臂系数试验值 去掉最大值 和最小值 取平均值 代入式()中得到废弃纤维再生混凝土钢筋应力 计算式.()利用式()计算废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝处钢筋应力计算值 结果见表表 钢筋应力试验值 和计算值 荷载/()/第 期周静海等:废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法 不同荷载下废弃纤维再生混凝土钢筋应力的计算值和试验值见图 从图中数据可以计算得出计算值和试验值的平均偏差值为 在规范允许范围内图 钢筋应力计算值与试验值对比 钢筋不均匀系数钢筋不均匀系数 与混凝土抗拉强度、有效受拉配筋率、钢筋与混凝土的粘结性能和裂缝处的钢筋应力等因素有关中国规范 规定:.()式中:

17、为混凝土轴心抗拉强度和 为系数为按有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率/用符号 表示钢筋不均匀系数试验值 为裂缝区内钢筋应变的平均值 与最大裂缝处钢筋应变值 的比值即.()由式()和式()计算可得 和 结果见表 其中 中的 取表 中的 值 对 和 值进行线性拟合可求得适用于废弃纤维再生混凝土的系数 、将系数带入式()中可得到适用于废弃纤维再生混凝土的钢筋不均匀系数:.()的计算结果见表 表 钢筋不均匀系数 荷载/通过表 得出适合于梁 的钢筋不均匀系数的计算值和试验值的平均偏差值为 偏差值在规范允许范围内 平均裂缝宽度中国规范 中平均裂缝宽度的计算式为.()式中:为裂缝间混凝土自身伸长

18、对裂缝宽度的影响系数普通混凝土构件 近似取 为得到适用于废弃纤维再生混凝土的值把、带入式()中可得到 将 去掉最大值和最小值后取平均值可得到废弃纤维再生混凝土 取 则有废弃纤维再生混凝土受弯构件平均裂缝宽度计算式为.()由式()计算得出废弃纤维再生混凝土平均裂缝宽度结果见表 通过表中数据计算得出试验值与计算值平均偏差值为 满足规范要求 沈 阳 建 筑 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 卷表 平均裂缝宽度 荷载/最大裂缝宽度中国规范 规定对于矩形、形、倒 形和 形截面的钢筋混凝土受拉、受弯和偏心受压构件按荷载效应的准永久组合并考虑长期作用影响的最大裂缝宽度 按式()计算为了考虑废弃纤维再生

19、混凝土材料特点对裂缝宽度的影响引入宽度影响系数:.()影响系数 通过试验值确定不同荷载下的试验值 可按式()计算.()式中:为最大裂缝宽度试验值 和结果见表 表 最大裂缝宽度 荷载/将 去掉最大值和最小值后取平均值可得到废弃纤维再生混凝土的宽度影响系数为 则废弃纤维再生混凝土受弯构件最大裂缝宽度计算式为.()的计算结果见表 按照式()计算的废弃纤维再生混凝土受弯构件最大裂缝宽度计算值与试验值见图 由图可知荷载达到 后试验值与计算值的吻合程度较高平均偏差值为 符合规范要求由此可以得出笔者推导的计算式合理图 最大裂缝宽度计算值与试验值对比 结 论()再生骨料的掺入会加大梁的主裂缝宽度而废弃纤维对减

20、小再生混凝土梁主裂缝宽度效果明显适量的废弃纤维可以抑制次生裂缝的产生废弃纤维的掺量并非越大越好本次试验中最优掺量为 ()以废弃纤维再生混凝土梁 的试验数据为基础使用三种规范计算得到的最大裂缝宽度计算值与试验值平均偏差的关系:欧洲规范 结果大于美国规范 结果美国规范 结果大于中国规范 结果 中国规范 更适用于废弃纤维再生混凝土受弯构件最大裂缝宽度的计算第 期周静海等:废弃纤维再生混凝土受弯构件裂缝宽度计算方法()文中给出的废弃纤维再生混凝土受弯构件最大裂缝宽度建议公式计算值与试验值的平均偏差值为 建议公式适用性良好参考文献 姚宇峰金宝宏梁少阳等.干湿再生粗骨料对再生混凝土力学性能的影响.混凝土(

21、):.(.():.)彭勇军.再生混凝土性能影响因素分析及耐久性研究.建筑结构():.(.():.).:.:.王磊李泉龙陈杏.再生粗骨料混凝土的变形性能及影响因素分析建筑结构():.(.():.)刘书贤魏小刚王伟等.再生粗骨料对再生混凝土性能的影响.建筑结构():.(.():.).:.:.():.():.周静海林东野康天蓓等.废弃纤维再生混凝土梁抗弯性能研究.工业建筑():(.():.)周静海张东杨永生.废弃纤维再生混凝土梁受弯性能试验.沈阳建筑大学学报(自然科学版)():.(.()():.).():王晓初刘洪涛.碳纤维混凝土受弯构件抗弯性能试验研究.混凝土():.(.():.)陈君君关晓迪马迪.不同纤维对再生混凝土材料性能的影响.合成纤维():.(.():.)苏骏赵家玉李磊.钢 混杂纤维再生混凝土梁抗弯性能试验研究.混凝土与水泥制品():.(.():.)(责任编辑:杨永生 英文审校:刘永军)