摻鋰渣鋼筋混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)研究

許開成，聶　行，陳夢成，陽翌舒(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，建筑過程模擬與控制江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌　330013)

?

摻鋰渣鋼筋混凝土梁的受彎性能試驗(yàn)研究

許開成，聶行，陳夢成，陽翌舒
(華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，建筑過程模擬與控制江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013)

摘要:為了研究摻鋰渣鋼筋混凝土梁的抗彎機(jī)理和受彎性能，對6根試驗(yàn)梁進(jìn)行兩點(diǎn)集中對稱加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:在相同配筋情況下，鋰渣取代率對梁極限承載力無顯著影響;當(dāng)鋰渣取代率為10% ～15%時(shí)，相比普通混凝土梁，摻鋰渣混凝土梁的開裂荷載有一定提高，表現(xiàn)出較好的抗裂性;在適筋范圍內(nèi)提高受拉鋼筋的配筋率可提高摻鋰渣混凝土梁的開裂荷載;摻鋰渣混凝土梁的正截面應(yīng)變服從平截面假定，采用現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的計(jì)算公式對試件的承載力進(jìn)行計(jì)算是可行的，計(jì)算結(jié)果偏于安全。

關(guān)鍵詞:鋰渣鋼筋混凝土模型梁受彎性能

鋰渣是鋰輝石經(jīng)1 200℃鍛燒后生產(chǎn)碳酸鋰時(shí)產(chǎn)生的工業(yè)廢(殘)渣，色澤淺黃，其主要成分為SiO2，Al2O3，CaO等。由于鋰渣含有較多的無定形SiO2和Al2O3，具有較高的火山灰活性［1-3］，它可作為高活性優(yōu)質(zhì)摻合料應(yīng)用于混凝土中。研究表明，鋰渣混凝土具有微膨脹、內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密的特點(diǎn)，大大提高了混凝土的抗?jié)B性［4-5］和抗裂性［6-7］，同時(shí)運(yùn)用鋰渣取代部分水泥配制出的高強(qiáng)高性能混凝土表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗凍性、抗沖磨性［8-10］。目前國內(nèi)外學(xué)者對鋰渣混凝土材料基本力學(xué)性能的研究較多，對再生鋼筋混凝土構(gòu)件的試驗(yàn)也較為多見［11-12］，但對鋰渣混凝土構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的研究尚少，尚未有針對鋰渣混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的研究?；诖?，本文設(shè)計(jì)了1根普通鋼筋混凝土梁和5根摻鋰渣鋼筋混凝土梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)研究。

1　試驗(yàn)簡介

1.1試驗(yàn)材料及配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)使用的鋰渣為宜春銀鋰新能源股份有限公司通過“變溫碳化法”制備碳酸鋰時(shí)產(chǎn)生的廢渣，經(jīng)高低溫干燥和球磨機(jī)粉磨后，測得45 μm篩余約為8%，密度約為2 100 kg/m3。配制C40混凝土所采用的材料有洋房牌42.5級水泥、天然河砂、天然碎石(粗骨料粒徑約為5～20 mm)、自來水，混凝土配合比見表1。

表1　混凝土配合比　kg

1.2試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共制作了6根梁，其中1根為普通鋼筋混凝土梁，其余5根為摻鋰渣鋼筋混凝土梁，梁的尺寸及配筋見圖1，試件基本參數(shù)見表2。

1.3試件加載及測點(diǎn)布置

為消除剪力對正截面受彎的影響，試驗(yàn)采用兩點(diǎn)對稱加載，通過分配梁對稱地同步分級加載方式將荷載施加到梁上，在梁跨中形成400 mm的純彎段。在長度為400 mm的純彎段內(nèi)和支座處布置位移傳感器，以觀察加載后梁的變形全過程。鋼筋應(yīng)變片的布置位置參見圖1，試件加載裝置及應(yīng)變和位移測點(diǎn)布置見圖2。在正式加載前先進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓至5 kN后卸載，使測試儀進(jìn)入正常工作狀態(tài)，試驗(yàn)操作過程嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

1.4試驗(yàn)過程描述

6根試件的試驗(yàn)過程基本相似，加載初期，由于荷載較小，荷載與撓度大致呈直線增長關(guān)系，試件處于彈性工作狀態(tài)。隨著荷載的增大，受拉區(qū)混凝土的應(yīng)變增長速度加快，當(dāng)荷載達(dá)到12 kN左右時(shí)，試驗(yàn)梁跨中開裂，受拉鋼筋應(yīng)變突然變大。隨著荷載繼續(xù)增大，梁的撓度逐漸增大，梁跨中裂縫開始沿梁高向上延伸，純彎段裂縫增多，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變增長速度加快，塑性特征表現(xiàn)得越來越明顯。當(dāng)受拉鋼筋屈服后，荷載增加緩慢，而試驗(yàn)梁的撓度急劇增加，直至梁頂混凝土被壓碎，試驗(yàn)梁破壞。

圖1　梁的尺寸及配筋(單位:mm)

表2　試件基本參數(shù)

圖2　試驗(yàn)加載與測試裝置

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1平截面假定適用性

不同鋰渣取代率試驗(yàn)梁跨中截面應(yīng)變見圖3。從圖3中可以看出，在試件受力后，截面各點(diǎn)混凝土和鋼筋縱向應(yīng)變沿截面高度方向近似呈直線變化。這表明摻鋰渣混凝土梁在受彎過程中平截面假定是成立的。

圖3　不同鋰渣取代率試驗(yàn)梁跨中截面應(yīng)變

2.2鋼筋應(yīng)變及跨中撓度

由各試件中受拉鋼筋上的鋼筋應(yīng)變片測得的應(yīng)變作出的荷載—鋼筋應(yīng)變曲線如圖4所示。從圖4可以看出，曲線大致可以分為直線段、曲線段、水平段。在試驗(yàn)加載初期，荷載較小，受拉區(qū)混凝土尚未開裂，受拉鋼筋的應(yīng)變隨荷載增加呈線性增長。隨著荷載的增加，試驗(yàn)梁跨中附近出現(xiàn)裂縫，鋼筋應(yīng)變突然增大，此后鋼筋應(yīng)變增長速度較開裂前快。在加載后期，鋼筋達(dá)到屈服，荷載幾乎不再增加，鋼筋應(yīng)變卻迅速增加，直至構(gòu)件破壞。在相同配筋率下，摻鋰渣混凝土梁和普通混凝土梁跨中鋼筋應(yīng)變相差不大;在相同荷載作用下，配筋率越大鋼筋平均應(yīng)變越小。這說明摻鋰渣混凝土梁與普通混凝土梁一樣，受拉區(qū)受到的拉力主要由縱向受拉鋼筋承擔(dān)。

圖4　荷載—鋼筋應(yīng)變曲線

圖5分別列出各試驗(yàn)梁的彎矩—跨中撓度曲線。從圖5中可以看出:各試驗(yàn)梁在鋼筋屈服后均表現(xiàn)出良好的延性;配筋率是影響摻鋰渣混凝土梁撓度的主要因素;在相同配筋情況下，鋰渣取代率的變化對試驗(yàn)梁的極限承載力和撓度影響均較小。

圖5　彎矩—撓度曲線

2.3開裂彎矩及正截面承載力

圖6對比了不同鋰渣取代率的試驗(yàn)梁在相同配筋情況下的開裂彎矩。從圖6中可以看出，試驗(yàn)梁的開裂荷載隨鋰渣取代率的增加先增后減，鋰渣取代率為10%時(shí)，開裂荷載最大。與普通混凝土梁對比，鋰渣取代率為10%～15%的試驗(yàn)梁表現(xiàn)出相對較好的抗裂性能。主要原因在于，鋰渣細(xì)顆粒能夠起到微集料填充效應(yīng)，密實(shí)了膠凝材料漿體結(jié)構(gòu)，改善了混凝土的孔隙特征，從而提高了混凝土界面的粘結(jié)能力。

圖6　鋰渣取代率—開裂彎矩曲線

圖7對比了鋰渣取代率為15%的試驗(yàn)梁在3種不同配筋情況下的開裂荷載。由圖7可知，開裂彎矩隨配筋率的增加而增大，即配筋率適當(dāng)?shù)奶岣哂兄谔岣吡旱目沽研阅堋?/p>

圖7　梁配筋率—開裂彎矩曲線

本次試驗(yàn)梁開裂彎矩和極限彎矩見表3。表3列出了試驗(yàn)梁的實(shí)測極限彎矩Mtuc與理論計(jì)算極限彎矩Mc

uc，其中計(jì)算極限彎矩Mcuc是根據(jù)實(shí)測材料強(qiáng)度數(shù)據(jù)采用現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［13］(GB 50010—2010)中的抗彎極限承載力公式求得。由表3可知，相同配筋情況下的4根梁的極限彎矩相差很小，鋰渣取代率為10%和15%的試驗(yàn)梁的實(shí)測極限彎矩與計(jì)算極限彎矩的比值均大于1，計(jì)算值小于實(shí)測值，故鋰渣取代率為10%和15%的梁正截面承載力計(jì)算方法可按現(xiàn)行規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果偏于安全。

表3　試驗(yàn)梁開裂彎矩和極限彎矩

3　結(jié)論

通過對比分析6根試驗(yàn)梁的試驗(yàn)過程和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步得出以下結(jié)論:

1)摻鋰渣混凝土梁與普通混凝土梁在試驗(yàn)過程中有相似的破壞形態(tài)和抗彎機(jī)理。摻鋰渣混凝土梁在受力過程中正截面應(yīng)變變化基本符合平截面假定，其受拉區(qū)的拉力主要由縱向受拉鋼筋承擔(dān)。

2)6根試驗(yàn)梁均表現(xiàn)出較好的延性。鋰渣取代率的變化對梁的極限承載力和撓度影響均較小，鋰渣混凝土梁的承載力和撓度主要由配筋率決定。

3)當(dāng)鋰渣取代率為10%～15%時(shí)，相比普通混凝土梁，摻鋰渣混凝土梁具有較好的抗裂性能，且在適筋范圍內(nèi)提高配筋率有助于提高摻鋰渣混凝土的抗裂彎矩。

4)采用現(xiàn)行規(guī)范公式計(jì)算鋰渣取代率為10%～15%的鋰渣混凝土梁的極限彎矩是可行的，計(jì)算結(jié)果偏于安全。

參考文獻(xiàn)

［1］李春紅，費(fèi)文斌.淺談鋰渣在建材工業(yè)中的研究與應(yīng)用［J］.世界有色金屬，2000(10):21-24.

［2］費(fèi)文斌.利用鋰渣取代部分水泥配制混凝土［J］.水泥技術(shù)，1998(6):36-40.

［3］曾祖亮.鋰渣的來源和鋰渣混凝土的增強(qiáng)抗?jié)B機(jī)理探討［J］.四川有色金屬，2000(4):49-52.

［4］丁建彤，白銀，蔡躍波.鋰渣粉對堿—硅反應(yīng)的抑制效果及其自身微膨脹的分離［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，36(6):824-827.

［5］溫勇，劉國君，秦志勇，等.鋰渣粉對混凝土氯離子滲透性的影響［J］.混凝土，2011(8):76-78.

［6］王國強(qiáng)，努爾開力·依孜特羅甫，侍克斌，等.鋰渣細(xì)度對鋰渣混凝土早期抗裂性能影響及分形評價(jià)［J］.粉煤灰綜合利用，2010(5):23-25，28.

［7］楊恒陽，周海雷，侍克斌，等.鋰渣—粉煤灰高性能混凝土早期抗裂性能試驗(yàn)研究［J］.混凝土，2012(1):65-67.

［8］張?zhí)m芳.高性能鋰渣混凝土的試驗(yàn)研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，26(6):877-880.

［9］張?zhí)m芳，陳劍雄，李世偉，等.鋰渣混凝土的性能研究［J］.施工技術(shù)，2005，34(8):59-60，68.

［10］張善德，侍克斌，裴成元，等.高性能鋰渣混凝土的試驗(yàn)研究［J］.粉煤灰綜合利用，2011(3):3-5，24.

［11］吳瑾，丁東方，楊曦.再生混凝土梁正截面開裂彎矩分析與試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(2):112-114.

［12］陳宗平，范杰，葉培歡，等.鋼筋再生混凝土梁受力性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2013，43(9):92-95，9.

［13］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

(責(zé)任審編趙其文)

Experimental Study on Flexural Performance of Reinforced Concrete Girder Mixed with Lithium Slag

XU Kaicheng，NIE Hang，CHEN Mengcheng，YANG Yishu

(School of Civil Engineering and Architecture，Key Laboratory of Construction Process Simulation and Control，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China)

Abstract:In order to study flexural performance and mechanism of reinforced concrete girders mixed with lithium slag，6 girders were tested with two concentrated loads symmetrically.T he results show that the substitution rate of lithium slag has little effect on the ultimate bearing capacity when the reinforcement ratio was the same for girders.W hen the rate was 10% through 15%，compared with the ordinary concrete girders，the cracking load of girders mixed with lithium slag had slightly improved with better crack resistance.T he cracking load of girders mixed with lithium slag could be improved by increasing the reinforcement ratio in the range of suitable reinforcement.T he average strain measured on cross-section meets the plane section assumption，and it is feasible and conservative to calculate the bearing capacity of the girders mixed with lithium slag by using the formula in the current code for design of concrete structures.

Key words:Lithium slag;Reinforced concrete;M odel girder;Flexural behavior

作者簡介:許開成(1973—)，男，教授，博士。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(51468017，51378206)，江西省自然科學(xué)基金(20133BCB24008，20143ACB20008)

收稿日期:2015-09-03;修回日期:2015-12-02

文章編號:1003-1995(2016)03-0013-04

中圖分類號:U448.34;TU317+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.04