钢筋碱式硫酸镁混凝土梁斜拉破坏的试验研究

曾翔超，余红发

(1.长江师范学院土木工程学院，重庆 408100；2.南京航空航天大学土木工程系，南京 210016)

0 引 言

碱式硫酸镁混凝土是一种近期研发的新型混凝土，研究中发现其具有超过同抗压强度普通混凝土一倍的抗拉强度，较大的刚度，且具有早强、抗腐蚀性能好等优点[1-5]。现已完成碱式硫酸镁混凝土柱的偏心受压、梁的受弯和剪压破坏等测试[1]，对比普通混凝土构件，发现碱式硫酸镁混凝土梁和柱的开裂荷载和极限荷载更高，延性更好，C40及以上的构件具有裂缝细而密的特点。当碱式硫酸镁混凝土梁配置较多箍筋(箍筋超配至0.48ft/fy，ft为混凝土的轴心抗拉强度设计值，fy为钢筋屈服强度设计值。)且1.1≤λ≤1.75(λ为剪跨比)时将发生常见的剪压破坏[3]。斜拉破坏也是现实中可能发生的斜截面破坏形式之一，但先前的研究没有探讨当λ>1.75或箍箍率较低条件下碱式硫酸镁混凝土梁将发生的破坏，不利于碱式硫酸镁混凝土在结构工程中的推广应用。因此，本文对6根发生斜拉破坏的碱式硫酸镁混凝土梁的力学性能进行试验研究，并与同设计条件的普通混凝土斜拉破坏梁进行对比。

1 实 验

1.1 构件的制作

1.1.1 基本原料

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，配合比见表1。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。细骨料的细度模数为2.4。所制备混凝土的表观密度约为2 400 kg/m3。普通混凝土配合比见表2，所用水泥为金羚羊牌硅酸盐水泥，强度等级为42.5。

表1 碱式硫酸镁混凝土梁混凝土配合比

表2 普通混凝土材料用量

1.1.2 梁的详图

梁均采用相同配筋，其截面配筋详图如图1所示，为了突出碱式硫酸镁混凝土的抗剪贡献，箍筋取较小直径和较大间距。设计剪跨比λ=3.2。试验梁均为矩形截面简支梁，尺寸均为b×h=80 mm×160 mm，跨度L=1 500 mm，净跨L0=1 200 mm。碱式硫酸镁混凝土强度等级为C40和C50，塌落度分别为91 mm和41 mm，混凝土保护层厚度为25 mm。钢筋均为HPB300级，纵筋为2根直径为10 mm钢筋，架立筋直径为6 mm;箍筋直径为6 mm，间距为150 mm。

图1 梁截面配筋详图

1.2 梁的试验前准备

浇筑钢筋普通混凝土和碱式硫酸镁混凝土梁后自然养护28 d。对普通混凝土梁和碱式硫酸镁混凝土梁的同批取样试块进行28 d强度测试，对应抗压强度达到C40和C50的强度要求[13]。梁的编号如表3所示。

表3 梁的编号

梁的加载点到支座间的距离为0.4 m。采用TDS-303应变采集系统记录应变值，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。试验中，发现第一条裂缝时的开裂荷载Pcr被记录下来。跨中等间距粘贴5片混凝土应变片。加载装置图见图2。

图2 加载装置示意图

2 结果与讨论

2.1 斜拉破坏梁的典型破坏形态

2.1.1 xljm50-1碱式硫酸镁混凝土梁

加载约15 kN,初始裂缝(约0.03 mm宽)出现在梁跨中附近，此时梁的跨中挠度为1.04 mm。19.9 kN时梁的底部开裂，位置与侧面开裂位置对应。随着荷载的增加，沿梁的中线两侧逐步对称出现向上的裂缝(约0.04 mm宽)。梁的裂缝展开图见图3。图中序号代表裂缝出现的顺序，旁边数字代表裂缝出现或延伸时的荷载值(单位为kN)。

图3 xljm50-1梁裂缝展开图

荷载进一步增加至18.4 kN，梁中线两侧各出现两条向上裂缝，原有裂缝进一步向上扩展，其裂缝宽度进一步增加。荷载增至42 kN时，出现支座与相邻上部加载点之间(剪压区)的未贯通斜裂缝(裂缝宽约0.03 mm)。加载至48 kN时，所有裂缝进一步变宽，但未进一步扩展。加载至50 kN时，支座与上部加载点间裂缝贯通(裂缝宽度约为0.45 mm)，其余裂缝进一步扩展，但未有其他贯通裂缝出现。加载至53 kN，支座与加载点间裂缝突然变宽，钢筋明显屈服，梁自裂缝处断成两截(见图4)。此时，跨中裂缝已扩展至受压区，跨中挠度为7.3 mm。

图4 xljm50-1梁破坏形态图

整个破坏过程中，梁的初始开裂破坏形态与弯曲破坏类似(即第一条裂缝出现在跨中附近，随着荷载增加，跨中两侧对称出现若干条裂缝，并不断向受压区扩展、变宽)，只在即将破坏时(约82%破坏荷载)才出现剪压区斜裂缝，破坏发生时跨中主裂缝即将贯通。

2.1.2 xljm50-2碱式硫酸镁混凝土梁

加载至16 kN，梁跨中两侧各出现1条裂缝，此时跨中挠度1.04 mm。随着荷载的增加，梁弯曲段的裂缝增多，但裂缝发展缓慢。加载至40 kN时，梁的剪压区靠近支座的垂直裂缝改变了方向(朝向加载点)，即延伸成为了斜裂缝；跨中裂缝不再向受压区扩展。加载至55 kN，能听到梁中轻微的响声，由支座指向加载点的斜裂缝急剧增长即将贯通，钢筋应变急剧增长，此时跨中挠度为8.21 mm。加载至60 kN时，梁由支座指向加载点的斜向裂缝贯通，其后受压区混凝土压碎，试验梁破坏(见图5)，跨中挠度11.8 mm，裂缝分布图如图6所示。

图5 xljm50-2梁破坏形态图

图6 xljm50-2梁裂缝展开图

2.1.3 xlpc50普通混凝土梁

在12 kN时，普通混凝土梁跨中附近开裂(约0.03 mm)，跨中挠度0.73 mm。加载至28 kN时，弯曲段已有裂缝进一步变宽，裂缝宽度约为0.45 mm，但未进一步扩展，出现支座与上部加载点间斜裂缝，但未贯通。随着荷载增大，斜裂缝进一步扩展。加载至37 kN，支座与加载点间斜裂缝贯通、下端变宽，钢筋明显屈服，梁自裂缝处断成两截(见图7)。此时，跨中弯曲裂缝已扩展至受压区，跨中挠度为7.9 mm。

图7 普通硅酸盐混凝土梁破坏形态

2.1.4 xljm40-1、xljm40-2和xljm40-3

破坏过程和破坏形态同xljm50-1和xljm50-2，但开裂荷载和极限荷载更低(见表4)。

2.2 梁跨中混凝土的荷载-应变关系

从图8碱式硫酸镁混凝土梁跨中荷载-应变关系曲线中可以看出，碱式硫酸镁混凝土斜拉破坏梁跨中截面在荷载较小时仍符合平截面假定。

图8 碱式硫酸镁混凝土梁跨中荷载-应变关系

2.3 梁荷载-跨中挠度

从图9梁荷载-跨中挠度对比曲线可以看出，与普通混凝土梁相比，碱式硫酸镁混凝土梁塑性阶段的挠度更大。因此，碱式硫酸镁混凝土梁的延性更好。

图9 梁荷载-跨中挠度对比曲线

2.4 梁荷载-跨中受拉纵筋应变

从图10梁荷载-跨中主筋应变对比曲线可以看出，斜拉破坏时，碱式硫酸镁混凝土梁的钢筋变形更充分，再对比破坏过程的挠度变化、裂缝开展情况等，可以得出结论：斜拉破坏时碱式硫酸镁混凝土梁的承载力更高、延性更好。

图10 梁荷载-跨中主筋应变对比曲线

2.5 试验结果分析

(1)斜拉破坏结果(见表4)显示，碱式硫酸镁混凝土梁承载力比同配筋同混凝土强度的普通硅酸盐混凝土梁提高20%以上。从碱式硫酸镁混凝土梁的破坏形态可以看出，被斜裂缝分割的梁体间不会有相对切向位移，骨料咬合作用非常有限。两种材料梁在整个破坏过程中，初始开裂形态均与受弯破坏梁的开裂情形类似，都是在垂直裂缝出现以后才出现斜裂缝，只在将要破坏时(约82%破坏荷载)才出现支座与加载点间的斜裂缝，斜拉破坏发生时跨中主裂缝即将贯通，以一条临界斜裂缝迅速扩展导致破坏为主要特征。梁的破坏由混凝土的抗拉强度控制，属于典型的脆性破坏，但比起剪压破坏更能体现碱式硫酸镁混凝土对承载力的贡献。

表4 梁承载力统计表

(2)xlpc50、xljm50-1和xljm50-2这三根梁都是纵筋先屈服，在达到正截面承载力极限状态之前，达到斜截面承载力极限状态而发生剪切破坏。通常认为，梁箍筋配筋不足或剪跨比大于2.5～3时就可能发生斜拉破坏。本试验发生斜拉破坏原因为截断架立钢筋导致箍筋部分失效(等同于配箍率大幅较低),且剪跨比λ=3.2。

(3)对比已有的研究[3]结果，梁的斜拉破坏比受弯破坏的承载力高一些。这是因为与受弯破坏梁不同，梁在斜拉破坏前，斜向主裂缝附近的混凝土都参与了受拉。碱式硫酸镁混凝土通过提高水泥组分的细度与活性，使材料内部的孔隙与微裂缝尽可能地减少，提高了碱式硫酸镁混凝土的匀质性和密实度，故相比普通混凝土其具有较高的抗拉强度[6-16]，使得碱式硫酸镁混凝土梁破坏荷载高出同条件普通混凝土梁，体现了碱式硫酸镁混凝土的优越性。碱式硫酸镁混凝土梁斜拉破坏的承载力低于剪压破坏时的承载力，因为剪压破坏梁配置的较多箍筋能充分发挥抗剪作用，而箍筋的抗剪效果比碱式硫酸镁混凝土的抗剪效果好得多。

3 矩形构件的斜拉破坏承载力计算公式

对比已有的研究[3]结果，与普通混凝土梁相同的是，碱式硫酸镁混凝土构件斜拉破坏承载力比剪切破坏承载力低，但比弯曲破坏承载力高；不同的是，碱式硫酸镁混凝土梁承载力比普通混凝土梁的开裂荷载和极限承载力提高了20%以上。

从表4中分析可得，对比普通混凝土，碱式硫酸镁混凝土在梁斜拉破坏过程中起了更大的作用。从研究[13]中可以看出，碱式硫酸镁混凝土的劈裂抗拉强度较普通混凝土有较大提高。故碱式硫酸镁混凝土的高抗拉强度能在其构件斜拉破坏中发挥较大作用，对梁的抗裂作用也很明显。C40以上碱式硫酸镁混凝土的骨料咬合力比普通混凝土高1倍以上[13]，这也是本文碱式硫酸镁混凝土斜拉破坏梁承载力比普通混凝土梁承载力高的内在原因。

无腹筋梁斜拉(剪切)破坏采用是“拱-齿”模型，裂缝之间的混凝土形成“齿”，梁的受力如同一带拉杆的“拱”，碱式硫酸镁混凝土无腹筋梁的剪力传递就是靠“拱-齿”来实现的。斜截面上的力有受压区混凝土承担的剪力、骨料咬合力和纵筋销栓力。

根据对以往试验分析，纵向受拉钢筋的配筋率ρ对无腹筋梁抗剪承载力Vc的影响可用系数βρ=0.7+20ρ来表示；通常在ρ>1.5%时，纵向受拉钢筋的配筋率ρ对无腹筋梁受剪承载力的影响才较为明显，故在公式(1)～(3)中未纳入系数βρ。

C50碱式硫酸镁混凝土对剪切的贡献：

ftbh0=0.85×4×80×125=34 kN

(1)

箍筋对斜拉破坏梁贡献：

fyvAsvh0/s=210×57×125/150=10 kN

(2)

在系数回归后，斜拉破坏梁(在λ≥3，箍筋较少时)的承载力(V)计算公式为：

V=1.3ftbh0+fyvAsvh0/s

(3)

式中：fyv为箍筋的抗剪强度，MPa；ft为碱式硫酸镁混凝土抗拉强度，MPa；Asv为箍筋截面积，mm2；s为箍筋间距,mm；h0为梁的有效高度,mm；b为梁的截面宽度,mm。

计算公式中没有考虑梁剪跨比λ的限值，因为当λ≥3时，梁也易发生弯曲破坏。如果碱式硫酸镁混凝土梁发生弯曲破坏形式，则使用修正后的弯曲梁正截面承载力计算公式[3]。

在《美国混凝土结构设计规范》[17]中，无抗剪钢筋且只受剪力和弯矩的构件，梁的抗剪承载力Vc应按式(4)计算：

(4)

《美国混凝土结构设计规范》[17]还规定，对于非预应力构件，距离支座边缘不足h0的各截面上的剪力Vu，按距离支座边缘h0处算得的剪力来进行设计。

《美国混凝土结构设计规范》[17]计算的无箍筋、不考虑碱式硫酸镁混凝土抗拉的计算结果为，C50混凝土在19.4 kN破坏，远低于实际的碱式硫酸镁混凝土梁斜拉破坏荷载。故本文计算模型相对精确。

4 结 论

(1)对比同条件的普通混凝土斜拉破坏梁，碱式硫酸镁混凝土梁塑性阶段挠度更大，开裂载荷高20%，承载力提高20%以上，即碱式硫酸镁混凝土梁延性和抗裂性能更好，承载力更高。

(2)碱式硫酸镁水泥混凝土梁斜拉破坏承载力计算公式，是对普通混凝土梁抗剪承载力计算公式的修正。

(3)在荷载较小的情况下，斜拉破坏梁跨中仍符合平截面假定。

(4)碱式硫酸镁混凝土梁的斜拉破坏比受弯破坏的承载力高，但比剪压破坏梁承载力低。