最终版-混凝土结构试验报告

1、试验再生钢筋混凝土梁与普通钢筋混凝土截面受弯性能对比试验程晗土木工程系结 9220090101351.试验背景12.试验目的13.设计原理及思路14.设计过程24.1.普通混凝土梁设计24.2. 再生混凝土梁设计34.3. 混凝土配合比设计34.4. 材料用量计算85.试验实测材性参数及尺寸106.试验结果.117.试验过程及分析127.1. 试验过程图示127.2. 试验数据157.3. 试验曲线及分析168.试验感想及总结20试验1. 试验背景近二三十年来，随着世界范围内进程的加快，对原有建筑物的拆除、改造工程与日俱增，每年都会产生大量的建筑废弃物，其中尤以废弃混凝土的排放量为最大。建筑废

2、弃物多数堆积在城市郊区的公路、河道、沟壑附近。如此做环境，带来严重的二次污染。另外，堆放混凝土废弃物会占用大片场地，对于土地和空间日趋宝贵的城市是一种极大的，限制城市的发展空间，渐有包围城市之势。混凝土原材料中用量最大的砂石曾们认为是用之不竭的而随意开采。结果造成山体滑坡、河床改道，破坏了骨料原生地生态环境的可持续发展。并且天然砂石的形成需要经过漫长的地质年代，目前已经天然骨料的短缺。将废弃混凝土破碎作为再生骨料既能解决天然骨料资源紧缺问题，保护骨料产地的生态环境，又能解决城市废弃物的堆放、占地和环境污染等问题，可见废弃混凝土的再生利用有着很显著的社会效益。结合以上背景本次的设计题目确定为再生

3、钢筋混凝土梁的设计，又为了使研究更具有实际意义，采用对比的方式对再生钢筋混凝土梁与普通钢筋混凝土间的性能差异进行分析，以期为再生钢筋混凝土梁的实际运用提供参考。2. 试验目的本试验试图了解再生混凝土与使用天然骨料的普通混凝土在力学性能的差异，并简单从经济效益上分析使用再生混凝土是否能达到同时满足经济性和结构的强度的要求。3. 设计原理及思路查阅了再生混凝土研究的相关文献，在等撰写的再生混凝土截面受弯承载力计算模式研究一文中，了解到，再生混凝土梁的承载能力与钢筋级别、粗骨料取代率（即粗骨料中废弃混凝土颗粒所占的比例）有关，相关系数如下表：图 1Mu,max/ M0,max 值1试验以下是试验设计

4、的初步思路：梁截面尺寸配筋率钢筋选型普通混凝土等级保护层图 2设计初步思路流程图设计过程普通混凝土梁设计材料参数截面尺寸bh=100mm150mm100l=1000mm梁计算跨度混凝土强度等级C30受力筋型号Q2358架立筋型号Q2356箍筋型号2 铁丝100mm箍筋间距查表可知：3815C30 混凝土 ， Q235 钢筋 ，钢筋面积 等效矩形图形系数 图 3 正截面受拉纵筋配置215150分析，验证取代率为 100%的强度系数是否正确两类梁的制作与压坏实验其它参数不变，普通混凝土换为再生混凝土，形成再生混凝土设计方案设计一根普通混凝土适筋梁试验保护层厚度取为 15mm截面有效高度 4.1.2

5、. 极限荷载计算钢筋抗拉强度暂时采用标准值。 满足适筋要求。 4.2. 再生混凝土梁设计再生混凝土梁的相关参数均取为与普通混凝土梁一样，只是混凝土由原生变为了再生。考虑到使用破碎废弃混凝土作为骨料，其中含有强度较低的水泥石细颗粒和粉粒，且由于破碎不均匀，降低了混凝土各相之间界面的粘结性能，使得孔隙率增大，混凝土强度降低。因此预计再生钢筋混凝土梁的开裂荷载及极限荷载都应小于普通钢筋混凝土梁。根据前面所讲到的相关文献的研究成果，此再生梁的极限承载力应为： 这也是试验中需要验证的重要参数，以检验理论的正确性。4.3. 混凝土配合比设计根据实验原材料相关数据如下：3材料名称相关参数水泥制造厂：水泥厂P

6、.O 42.528 天实际强度：52.5MPa 密度 3.10g/ cm3砂产地：昌平 细度模数: 2.3-2.6中砂表观密度:2.60g/cm3石产地 :门头沟 最大粒径: 20mm表观密度:2.70g/ cm3粉煤灰产地 :元宝山 级灰 密度 2.80g/ cm3减水剂聚羧酸减水剂掺量:C30：1.0% 减水率 15% ；C80：2.0%减水率 30%.试验4.3.1. 确定配置强度 fcu,0本次实验要配置C30 自密实混凝土，因而取设计强度 fcu,k=30MPa。由下式确定 fcu,0：fcu,0 fcu,k 1.6454取则fcu,0301.645437MPa4.3.2. 确定坍落

7、扩展度 SF根据自密实混凝土设计与施工指南（C02-2004），对于自密实混凝土，其拌合物工作性的检测方法及指标要求如下：自密实混凝土设计与施工指南（C02-2004）同时还，对于钢筋最小净距超过粗骨料最大粒径 5 倍的混凝土构件或混凝土构件，采用自密实混凝土施工时，拌合物工作性指标可按上表中的 II 级指标要求。因而，综合以上考虑小组在后确定，将设计的坍落扩展度定在 550mm。4.3.3. 选择用水量和含气量已有的粗骨料进行配比，因而“石子最大粒径”是既定的，为 20mm，且由于利用为碎石。根据普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55-2000），性和大性混凝土量宜按下列步骤计算：以坍落度

8、90mm量为基础，按坍落度每增大 20mm，用水量4序号检测方法指标要求检测性能1坍落扩展度（SF）I 级650mmSF750mm填充性II 级550mmSF650mm2T500时间2sT5005s填充性3L 型仪（H2/H1）I 级钢筋净距 40mmH2/H10.8间隙通过性抗离析性II 级钢筋净距 60mm4U 型仪（h）I 级钢筋净距 40mmh30mm间隙通过性抗离析性II 级钢筋净距 60mm5拌合物稳定性跳桌试验（fm）fm10%抗离析性试验增加 5kg 计算出未掺外加剂时的混凝土量。查表，碎石最大粒径为 20mm，坍落度为 90mm 时对应量为 215kg，而本实验设计的自密实混

9、凝土的坍落度的设计值在 250mm 左右，因而由此规程确定量为：250 90mw0 215 223 kg20而根据自密实混凝土设计与施工指南（C02-2004）的说明，对于一般条件下体积用水量宜小于 200 kg/m3。在较低用水量下，拌和物工作性可通的自密实混凝土，过增加外加剂掺量、改善掺和料的需水性等技术措施来保证。通过与老师和小组成员的，决定将用水量定在 mw0194kg.又因为掺外加剂时的混凝土用水量可按下式计算：mwamw0（1）其中 为外加剂的减水率(%)。因而最终确定用水量为：mwa194（115%） 165 kg结合建筑材料P65 的表 37，由于骨料最大粒径为 20mm，因而

10、将拌合物的含气量 设为： 5.5%4.3.4. 选择水灰比 W/C利用公式WCAfcefcu,0 ABfce计算水灰比。其中 A0.46，B0.07， fcu,0 37MPa， fce 52.5MPa。0.46 42.5W 0.51C37 0.46 0.07 42.54.3.5. 计算水泥用量由用水量和水灰比确定水泥用量（单方）mwa 165m 323.85kgc0W / C0.514.3.6. 确定粉煤灰掺量5试验根据自密实混凝土设计与施工指南（C02-2004）的说明，混凝土中胶凝材料用量过大，易引起混凝土体积稳定性不良，而且不经济；胶凝材料用量过小，则体积量过少，难以满足拌和物自密实的工

11、作性要求，根据大量试验研究，自密实混凝土中胶凝材料总量范围宜为 450550kg/m3。而粉煤灰若采用内掺，则由步骤 5 算出的胶凝材料用量仅为 323.85kg/m3，小于 450/m3，经过决定，将内掺改为“外掺”，从而使得胶凝材料的总量达到上述的建议范围。因而而根据粉煤灰混凝土应用技术规范（GBJ146-90）中的关于粉煤灰混凝土配合比设计与粉煤灰取代水泥的最大限量的相关规定（表 4.2.1），用普通硅酸盐水泥配置中、低强度混凝土时，粉煤灰取代水泥的最大限量为 40%，因而最终将粉煤灰掺量（外掺）确定为 30%。则粉煤灰的质量（单方混凝土）为： mc0 30% 323.85 30% 97

12、.16kgmf 0此时的胶凝材料用量（单方混凝土）为：mc0 mf 0 323.85 97.16kg 421.01kg此时也与自密实混凝土设计与施工指南（C02-2004）的建议范围较为接近。4.3.7. 确定砂率根据建筑材料P66 表 3-8 可以确定混凝土的砂率。由书上的说明及普通混凝土配合比设计规程（JGJ 55-2000）的相关规定，由于设计的自密实混凝土属于坍落度大于等于 100mm 的混凝土（设计坍落度值为 250mm 左右），因而可以以原表格为基准，利用“坍落度每增大 20mm，砂率增大 1%”的原则，算得如下结果： (37 250 100 1)% 44.5%Sa20后经过小组，

13、将砂率修正为 45%。4.3.8. 利用重量法算出粗细骨料用量利用如下公式算得粗细骨料用量mg 0 和 ms 0 ：mc0 mg 0 ms0 mw0 mf 0 mcpms 0Sa100%ms 0 mg 0 2350Kgmcp这里假定了每立方米混凝土拌合物的重量为 2350kg式中，mc0 为每立方米混凝土的水泥用量；mg0 为每立方米混凝土的粗骨料用量；ms0 为6试验每立方米混凝土的细骨料用量；mw0 为每立方米混凝土量；mf0 为每立方米混凝土的粉煤灰用量；S/a 为砂率（%）。由上式算得：砂用量为 793.80Kg ；碎石用量为 970.19Kg而在当天实际操作的过程中，已知砂的含水率为

14、 3%，因而对砂用量及用水量进行调整如下：793.80 0.97 818.35Kg165 818.35 0.03 140.45Kg4.3.9. 利用体积法对上述数据的合理性进行初步检验。面 8 个步骤中，得到了混凝土配合比中每立方米混凝土的各种原材料的用量，下面将结合各种材料的已知的密度数据，从体积加和的角度，对上述数据的合理性进行初步检验。c 3100kg / m3 f 2800kg / m3g 2700kg / m3s 2600kg / m3w 1000kg / m3 mf 0 mg 0mc0 ms 0 mwa 0.01 1.00c fgsw由此可见，各原材料的体积加和近似为 1m3，故判

15、断上述数据并未出现计算性的错误。当然，这只是第一步，后面还要根据诸多实验数据的支持和反应才能确定这一配合比是否真的合理。7试验为了使数据更加清晰，下面的表格总结了上面计算所得到的最终配比数据（每立方米）：材料用量计算混凝土用量计算1）普通混凝土梁的用量： 混凝土试块的用量：1001001003109 0.003m3总混凝土用量： 0.0165 0.003 0.0195m3考虑到混凝土需留些富余，混凝土实际用量采用 0.025m3。据此混凝土中各原料实际用量如下表：8参数量值扩展度550mm碎石最大粒径20mm用水量3.511Kg减水剂用量1651%0.025=0.041Kg参数量值扩展度550

16、mm碎石最大粒径20mm用水量140.45Kg减水剂用量1651%=1.65Kg配置强度30+1.6454=37MPa水灰比50.95%水泥用量323.85Kg粉煤灰用量323.8530%=97.16Kg胶结料总用量323.85+97.16=421.01Kg砂率45%砂用量818.35Kg碎石用量970.19 Kg试验2）再生混凝土与普通混凝土同理，考虑到混凝土需留些富余，混凝土实际用量采用 0.025m3。各原料实际用量同上表。4.4.2. 钢筋用量计算1）箍筋的计算箍筋下料长度=箍筋周长 箍筋调整值式中 箍筋周长= （外包宽度+外包长度）；外包宽度 ；外包长度 ； 构件横截面宽高； 纵向钢

17、筋的保护层厚度； 箍筋直径。外包宽度 外包长度 箍筋周长= 箍筋下料长度= 2）受力筋的计算构件尺寸 钢筋直径 构件保护层 弯曲直径 9配置强度30+1.6454=37MPa水灰比50.95%水泥用量8.096Kg粉煤灰用量8.09630%=2.429Kg胶结料总用量8.096+2.429=10.525Kg砂率45%砂用量20.459Kg碎石用量24.255Kg试验弯钩平直段长度 弯钩弯曲角度 受力筋下料长度 代入数据得 3）架立筋的计算架立筋的长度 最终得到如下钢筋下料表：5. 试验实测材性参数及尺寸结合上述梁的设计、混凝土的配合比设计和钢筋笼的尺寸设计，进行了实际操作。但囿于操作水平的限制

18、以及混凝土材性的不确定性，试件的材性和尺寸与最初设计方案会存在一定偏差，而这部分偏差并不是本次试验应当分析的重点。因此在对梁进行加载之前，对试件的材性参数及尺寸进行实际测定，并以这些实测值为新的基础，继续进行后续的梁的分析。钢筋笼实际尺寸混凝土实测强度（100100100 ） ， 10第一块（kN）第二块（kN）第三块（kN）试块抗压强度平均值（N/mm2）标准试块抗压强度平均值（N/mm2）再生梁31637634834.6732.94普通梁.219.19长（mm）高（mm）上间距（mm）下间距 1（mm）下间距 2（mm）箍筋间距（mm）h0（mm）再生梁108011067323310013

19、0普通梁1075110552730100130名称单根长度/mm数量总长度/mm受力筋120267212箍筋4662210252架立筋107044280试验由此可见，钢筋笼的实际尺寸与设计尺寸相差不大，但混凝土试块的强度与的预期相差较大。其中再生混凝土试块的抗压强度平均值尽管达到了30N / mm2 以上，但其抗压强度标准值大约为32.94(11.6450.12) 26.44N / mm2 ，低于30N / mm2 ，符合的预期（即比C30 普通混凝土的性能差）。但普通混凝土的抗压强度远低于的预期，其抗压强度标准值大约为19.19(11.6450.12) 15.40N / mm2 ，远低于最初

20、设计的30N / mm2 。总结原因，问题应该出在拌合普通混凝土的过程中，由于拌合时间较短，为了使混凝土具有更好的坍落度，在实际操作中加入了过多的水（远大于设计用水量3.511Kg）。这使得混凝土实际水灰比大于设计值 50.95%，根据建筑材料的相关知识，这将使混凝土强度降低，也即导致了上述的实测结果。而与普通混凝土相比，在拌合再生混凝土时用水量适中，但减水剂用量偏大，这使得其实测强度较大，但仍在的预期范围之中。6. 试验结果纵筋采用Q235 级钢筋， ，3A8， 。取 。再生梁： 普通梁： 可见，由于再生混凝土试块的实测抗压强度大于普通混凝土试块的实测抗压强度，再生梁的承载力也随之大于普通混

21、凝土梁的值。这使得无法实现最初的试验目的，11试验即对 Mu,max/ M0,max=0.796 的验证。但仍可以基于实际混凝土强度对梁的极限承载力进行，验证混凝土截面承载力设计理论的正确性。这也是后续试验过程围绕的。试验过程及分析试验过程图示7.1.1.再生混凝土梁图 4 加载前 再生混凝土梁图 5加载前加载流程图 7加载中 出现宏观裂缝图 6 加载前 加载点与位移测微仪表图 8 加载中 裂缝标示及宽度比对图 9加载中 裂缝发展过程(I)正截面裂缝12试验图 10 加载中 裂缝发展过程(II)斜截面裂缝开始发展图 11 加载中 梁底部贯穿裂缝图 12 梁压坏 梁顶部混凝土压酥图 13 梁压坏

22、 同时出现临界斜裂缝图 14 梁压坏 另一侧面裂缝分布正截面裂缝与斜截面裂缝共存图 15 梁压坏 裂缝中 露出受拉纵筋13试验图 16 梁压坏 梁顶部混凝土压酥图 17 梁压坏 俯瞰7.1.2.普通混凝土梁图 18 加载前 普通混凝土梁图 19 加载前 加载点与位移测微仪表图 20 加载中 出现宏观裂缝正截面裂缝图 21 加载中 裂缝发展过程(I)均为正截面裂缝14试验图 22 加载中 裂缝发展过程(II)均为正截面裂缝图 23梁压坏 梁顶部混凝土压酥(I)图 24 梁压坏 梁顶部混凝土压酥(II)图 25梁压坏 梁顶部混凝土压酥(III)7.2.试验数据再生梁承载力数据15跨中位移（mm）荷

23、载读数竖向力（kN）跨中位移（mm）荷载读数竖向力（kN）1.652919.3026.1050216.049.6642613.6127.5250916.269.9343613.9329.1246414.8211.9143113.7730.5548915.6212.5045514.5432.3547815.2714.1945914.6635.0547515.1815.3246514.8639.2947315.11试验普通梁承载力数据注：仪器换算系数：31.3 kN-17.3. 试验曲线及分析根据上述数据，绘制出再生混凝土梁和普通混凝土梁的跨中挠度和竖向力的关系曲线。16跨中位移（mm）荷载读数竖

24、向力（kN）跨中位移（mm）荷载读数竖向力（kN）0.16280.894.8237011.820.38561.796.0037812.080.62842.687.2338712.360.881123.588.9439712.681.161414.5010.8840612.971.431685.3714.5641313.191.732036.4917.7942013.421.942257.1921.7442713.642.162528.0525.5643513.902.412818.9831.7843813.992.673069.7833.6644114.092.9433210.6139.864

25、4814.313.3334611.0541.7244114.093.9136011.5043.5644014.0616.4547215.0841.9547615.2117.7048415.4645.3548015.3419.2147815.2747.5048815.5920.4449215.7250.8049115.6923.2649515.8152.6248115.37试验图 26 再生混凝土中挠度-竖向力的关系曲线其中黑色曲线为为六次多项式拟合曲线竖向荷载（kN）12108642跨中挠度（mm）04050图 27 普通混凝土中挠度-竖向力的关系曲线其中黑色曲线为六次多项式拟合曲线竖向荷载（

26、kN）跨中挠度（mm）30405060试验对于再生混凝土梁和普通混凝土梁，结合以上图示过程及过程数据，小结如下：再生混凝土梁：从再生混凝土梁的挠度与承载力关系曲线可以看出，与普通混凝土梁相比，其曲线波动较大，尤其是进入钢筋屈服阶段之后，曲线有多处小幅度波动。这说明在梁的挠度不断增加的过程中，存在一些脆性的扰动使梁的承载力发生瞬间的小幅度变化，即由于存在脆性破坏带来的瞬间能量，导致曲线发生“震颤”。结合再生混凝土梁制作的过程，猜测这有可能是由再生混凝土的特性决定的。由于再生骨料是小组成员利用废弃混凝土试块手工敲碎的，存在着平均粒径较大，且粒径大小不均匀。而这也就导致拌合混凝土及浇筑时，混凝土在整

27、个的材性分布不均匀。尤其是对于较大粒径的骨料，当裂缝发育至其边界面时，由于粒径较大，因此存在着较剧烈的脆性破坏和较大的能量，而梁可能来不及通过瞬间的挠度变形吸收这一部分能量，最终表现为梁的承载力出现瞬间的波动。而对于普通混凝土梁而言，由于骨料平均粒径较小且粒径较均匀，因此材性分布均一且能量较稳定。最终表现为挠度与承载力关系曲线较为平滑。再生混凝土加载到压坏的全部过程中，正截面裂缝与斜截面裂缝几乎同时存在与发展，最终压坏尽管是由于正截面裂缝发展导致顶面混凝土压酥所致，但试验中发现此时几乎同时出现了临界斜裂缝。因此，此梁的正截面抗弯性能的发挥过程受到了斜截面裂缝发展而造成的影响，尽管此梁的设计通过

28、了正截面适筋的设计规范，但由于未进行抗剪设计，因此出现了斜截面裂缝，对正截面裂缝的发展特性造成了干扰。与此同时还发现，由于加载点并未处于垫片平面的形心，梁的裂缝在发展过程中，左右并非对称，并且压坏后和明显发现梁顶部压酥区域存在一个明显的垫块边缘的压痕。这也对试验结果造成了一定的干扰（应力集中的干扰）。在之后普通混凝土梁的加载过程中充分注意了这一点，防止类似现象再次发生。普通混凝土梁：从普通混凝土梁的挠度与承载力关系曲线可以看出，曲线较为平滑，原因已在对再生混凝土梁的分析中提及，这里不再赘述。除此以外，还能看出，与上的描述一致，在弹性受力阶段及带裂缝工作阶段，承载力对梁挠度的变化反应极为敏感，斜

29、率较大，且近似的线性。而当正截面达到屈服弯矩 M y （可求出对应的屈服承载力 Fu ）后，曲线出现明显的转折，进入屈服阶段，挠度增长很快，而承载力只有微弱增长，直至达到最大承载力。之后梁顶部混凝土出现压酥，梁破坏。18试验从裂缝的发展过程可以看出，普通混凝土加载到压坏过程中均以正截面裂缝为主，基本上未出现斜截面裂缝。这说明，正截面抗弯特性得到了较好的发挥。即达到正截面适筋要求，同时又不会收到斜截面破坏的干扰，为较为理想的状态。根据试验数据，可以确定再生混凝土梁与普通混凝土梁的极限承载力 F 、F ：uuFu 16.26kNFu 14.31kN中，值分别为：而在第六章的试验结果Fu 17.68

30、kNFu 17.12kN由此确定对再生混凝土梁和普通混凝土梁的与实测的相对偏差分别为： Fu Fu 16.26 17.68 8.0%Fu Fu Fu17.68 14.3117.12 16.4%Fu17.12可见，对于再生混凝土梁的较为精准，偏差在10% 以内，对普通混凝土梁的预测存在一定偏差，在10% 外。回顾普通混凝土梁的制作过程，这可能是由于拌制普通混凝土及浇筑普通混凝土梁的操作过程引起。在第五章试验实测材性参数中已，在拌合普通混凝土的过程中，在实际操作中加入了过多的水（远大于设计用水量 3.511Kg）。这将不仅使得混凝土实际水灰比大于设计值 50.95%，混凝土强度降低，还可能导致混凝

31、土材性分布不均。在拌合好普通混凝土后，首先进行的是浇筑梁，完成之后才将拌合板上粘结的剩余的混凝土铲起用于浇筑混凝土试块，这部分粘结的混凝土由于有一面黏附在拌合板上，因此含水量较小。而浇筑梁的混凝土由于来自拌合堆的表面及上层，因此含水量很充足，甚至出现了泌水。这一含水量的差异将导致试块无法准确反应混凝土的材料强度，试块强度偏高，因而相应的，梁承载力值也就偏高，大于梁承载力实际值。同样，对于再生混凝土梁，尽管偏差位于10% 内，但值仍大于实际值，只不过由于用水量较小，因此含水量差异所引起的偏差影响也就较小。总而言之，这可能是由于试验操作顺序引进的系统误差。19试验8. 试验感想及总结本次历时一个学期。从初期设计，到绑钢筋、拌合混凝土、浇筑，再到加载试验，一次次经历着理论与实践的双重刺激与考验。在试验进行的过程中，面临着各种来自于预期与实际结果差异的考验，并不断对实际结果进行分析，寻找原因，并调整的预期和之后的试验路线。可以说，整个实验甚至会带给一种“见风使舵”的感觉。这一方面使，为自身在变幻莫测的混凝土面前的羸弱而自叹，另一方面也是深刻体会到，工程实际中所存在的种种不确定性如今仍无法用理论模型精准地控制与描述。这告诫，在准确理解混