摻鋰渣再生混凝土梁裂縫及正常使用極限荷載研究

秦擁軍，侯勇輝，張偉，嚴文龍

（1.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊　830047；2.中鐵十局第八工程公司，山東 泰安　271000）

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摻鋰渣再生混凝土梁裂縫及正常使用極限荷載研究

秦擁軍1，侯勇輝1，張偉2，嚴文龍1

（1.新疆大學 建筑工程學院，新疆 烏魯木齊830047；2.中鐵十局第八工程公司，山東 泰安271000）

通過9根摻鋰渣再生混凝土受彎梁試驗，分析再生粗骨料取代率和鋰渣摻量對再生混凝土受彎梁的裂縫數(shù)量、間距和寬度，以及正常使用極限荷載的影響。結果表明，鋰渣與再生粗骨料用于混凝土的拌制，在一定程度上減小了裂縫間距和最大裂縫寬度，并提高了試驗梁的正常使用極限荷載。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，推薦適合摻鋰渣再生混凝土受彎梁最大裂縫寬度計算和正常使用極限荷載計算的公式。

混凝土受彎梁；鋰渣；再生粗骨料；裂縫寬度；正常使用極限荷載

0　引　言

再生混凝土的研究處于急速發(fā)展階段，研究“廢棄混凝土”的循環(huán)利用具有十分重要的現(xiàn)實意義，國內(nèi)外學者對其進行了大量研究?，F(xiàn)階段國內(nèi)外對于再生混凝土的研究主要集中在材料基本性能以及基本構件承載力計算方法方面，對于再生混凝土梁的裂縫寬度計算方法的研究較少［1-2］，同時對于摻鋰渣情況下的再生粗骨料混凝土梁的正常使用極限荷載和裂縫寬度的研究鮮有報道。

鋰渣是新疆地區(qū)工業(yè)化產(chǎn)生的固體廢棄物，不能得到有效利用，污染環(huán)境［3］。當鋰渣摻入到混凝土中時，不僅可以減少環(huán)境污染而且可以提高混凝土的力學性能［4-6］。

基于這種研究背景下，本文進行摻鋰渣再生粗骨料混凝土梁的裂縫試驗研究。根據(jù)試驗和分析結果，與現(xiàn)有規(guī)范［7］和其他學者［8-9］建議的混凝土受彎梁最大裂縫寬度計算式進行對比，并對正常使用極限荷載進行計算分析，供工程設計參考。

1　試　驗

1.1試驗材料

（1）水泥：新疆烏魯木齊市雁池牌P·O42.5水泥，化學成分見表1。

（2）鋰渣：取自新疆烏魯木齊市鋰鹽廠堆存的固體工業(yè)廢棄物，化學成分如表1所示。

（3）粗骨料：①天然粗骨料：選取新疆地區(qū)卵石，粒徑為4.75～31.5mm且為連續(xù)級配，性能見表2。②再生粗骨料：不同來源的廢棄混凝土經(jīng)過破碎成的粗骨料，按標準對其進行類別劃分，屬Ⅱ類，其性能見表2。

（4）細骨料：新疆中粗天然砂，細度模數(shù)為2.9，表觀密度為2640 kg/m3。

（5）水：自來水。

（6）鋼筋：HRB400E型，其性能見表3。

表1　水泥及鋰渣的化學成分　%

表2　粗骨料的性能

表3　鋼筋的性能

1.2試驗設計

在混凝土強度、鋼筋直徑、混凝土保護層厚度以及配筋率相同的情況下，以鋰渣（部分替代水泥）摻量分別為0、10%、20%及再生粗骨料取代率分別為0、30%、50%作為變量的9根受彎梁為研究對象。試驗混凝土強度設計等級為C30，水灰比為0.45，其配合比見表4。試件的幾何尺寸和配筋見圖1。

表4　試驗梁的混凝土配合比設計

圖1　試件的幾何尺寸及配筋

1.3試驗加載及數(shù)據(jù)測量

試驗按GB 50152—92《混凝土結構試驗方法標準》分級進行加載，開裂前每級加載5%，開裂后每級加載10%，構件屈服后每級加載5%至破壞，每次加載均持荷5min后讀數(shù)。本次加載測量主要內(nèi)容為：（1）試驗梁的豎向荷載；（2）裂縫觀測，試驗過程中用DJCK-2裂縫測寬儀量測裂縫的寬度，同時記錄裂縫的發(fā)展和分布現(xiàn)象；（3）通過應變片測量鋼筋和混凝土的應變情況。所有的測量數(shù)據(jù)全部通過數(shù)字采集儀DH3818連續(xù)采集，并最終生成相應曲線。測點布置詳圖見圖2。

圖2　測點布置示意

2　試驗結果分析

2.1裂縫的形態(tài)描述

與普通混凝土受彎梁相比，摻鋰渣再生粗骨料混凝土受彎梁的裂縫分布情況變化不大，即試驗梁受拉區(qū)跨中附近主要集中出現(xiàn)垂直裂縫，在試驗梁彎剪段出現(xiàn)對稱的斜裂縫，試驗梁跨中受壓區(qū)頂部通常會出現(xiàn)長而粗的水平裂縫。9根試驗梁因材料組成不同，造成其在裂縫的數(shù)量、間距、寬度和分布有所差異。部分試驗梁的具體裂縫分布形態(tài)見圖3。

圖3　試驗梁的裂縫分布

對比圖3（a）、（b）、（c），即再生粗骨料取代率為0時，隨著鋰渣摻量的增加，試驗梁裂縫總數(shù)逐漸減少，裂縫間距逐漸增大，裂縫分叉、衍生等次生裂縫現(xiàn)象逐漸減少。說明隨鋰渣摻量的增加，再生粗骨料對裂縫的約束作用越強，其對裂縫的抑制作用也較明顯。當再生粗骨料取代率30%和50%時也可得到相似的結論。

對比圖3（a）、（d）、（e）可知，即鋰渣摻量為0時，隨著再生粗骨料的增加，試驗梁裂縫分布更為復雜，試驗梁裂縫間距越來越小，裂縫數(shù)量越來越多。這是由于廢棄混凝土在破碎過程中受到了損傷，使再生粗骨料已產(chǎn)生了輕微裂紋，在相同荷載作用下，更易產(chǎn)生裂縫且裂縫的發(fā)展更加雜亂。當鋰渣摻量10%和20%時也可得到相似的結論。

2.2裂縫分析

試驗梁變量因素主要為鋰渣摻量及再生粗骨料取代率，為了準確分析兩者對試驗梁裂縫的影響規(guī)律，詳細記錄每一級荷載下試驗梁的裂縫數(shù)量與寬度，并將試驗梁在屈服荷載時的裂縫寬度作為最大裂縫寬度，對其進行研究分析。

2.2.1鋰渣摻量對裂縫的影響

再生粗骨料取代率為0時，試驗梁在每一級荷載作用下的裂縫數(shù)量曲線和最大裂縫寬度見圖4（a）、（b）。

圖4　不同鋰渣摻量時的荷載-裂縫數(shù)量曲線

圖5　不同鋰渣摻量時的載-最大裂縫寬度曲線

從圖4、圖5可以看出，在相同荷載作用下，隨著鋰渣摻量的增加，裂縫數(shù)量逐漸減少，最大裂縫寬度相應變小。這是由于鋰渣具備的特殊形貌及微集料、填充效應，起到了提高混凝土結構緊密性的作用，且鋰渣的活性效應增強了混凝土抗拉強度，由此明顯減少了試驗梁的裂縫數(shù)量。同時由于鋰渣的加入，改善了骨料與水泥漿體之間界面過渡區(qū)的微觀結構，增強了兩者的粘結強度，使整個結構體系更加密實，從而有效減小了試驗梁的最大裂縫寬度。在再生粗骨料取代率30%和50%時可以得出相似圖形和結論。

2.2.2再生粗骨料取代率對裂縫的影響

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分別繪制鋰渣摻量為0時，試驗梁在每一級荷載作用下的裂縫數(shù)量曲線和最大裂縫寬度曲線（見圖6、圖7）。

圖6　不同再生粗骨料取代率時的荷載-裂縫數(shù)量曲線

圖7　不同再生粗骨料取代率時的荷載-最大裂縫寬度曲線

從圖6、圖7可以看出，在相同荷載作用下，隨著再生粗骨料取代率的增大，裂縫數(shù)量逐漸增多，最大裂縫寬度隨之減小。由于再生粗骨料自身存在先天細微裂紋，相對于卵石更易產(chǎn)生裂縫，導致試驗梁裂縫的數(shù)量增多，進而導致其裂縫間距逐漸減小，根據(jù)粘結-滑移理論可知，試驗梁裂縫的間距與其寬度正相關，所以試驗梁裂縫寬度會隨著裂縫間距的逐漸減小而逐漸降低。在鋰渣摻量10%和20%時也可以得出相似圖形和結論。

3　最大裂縫寬度計算

3.1最大裂縫寬度理論計算

（1）參照GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》對試驗梁的最大裂縫寬度ω1進行理論計算：

式中：Es為鋼筋的彈性模量，參照規(guī)范，取Es=2.0×105N/mm2；縱向受拉鋼筋的等效直徑deq=20mm；縱向受拉鋼筋截面面積As=942mm2；最外層縱向受拉鋼筋外邊緣至受拉區(qū)底邊的距離，cs=28mm；截面有效高度h0=262mm；有效受拉鋼筋配筋率ρte=0.0314；構件受力特征系數(shù)acr=1.9；平均裂縫間距l(xiāng)m= 104.16mm，其它參數(shù)詳見表5。

（2）參照柳超［7］建議的短期荷載作用下再生混凝土梁裂縫寬度計算公式：

式中：αE為鋼筋與再生混凝土彈性模量之比通過計算可得，再生混凝土彈性模量通過前期試驗實測見表5；αc取0.85，β 取1.0；ts=1.66；As=942mm2；cs=28mm；h0=262mm；ρte=0.0314；lcr=106.94mm，其它參數(shù)參見表5。

表5　最大裂縫寬度計算基本參數(shù)

3.2理論計算結果與試驗結果對比分析

最大裂縫寬度的試驗值與計算值對比見表6。

表6　最大裂縫寬度的試驗值與計算值對比

由表6可見，按式（1）計算的試驗梁最大裂縫寬度比試驗值偏大，構件偏于安全。以實測結果與理論計算結果的比值為統(tǒng)計樣本可以發(fā)現(xiàn)規(guī)范樣本均值為0.932，標準差0.049，變異系數(shù)0.0527；文獻［7］推薦公式樣本均值為0.972，標準差0.048，變異系數(shù)0.0494。表明雖然試驗梁最大裂縫寬度的試驗值與理論計算值有一定的差異，但仍然與GB 50010—2010規(guī)定的理論計算值吻合較好，同時文獻［7］提出的公式對于摻鋰渣再生粗骨料混凝土受彎梁的最大裂縫寬度計算更為精確，說明柳超［7］等提出的公式更適用于摻鋰渣再生粗骨料受彎梁最大裂縫計算。

4　正常使用極限荷載

4.1正常使用極限荷載的影響因素分析

圖6　不同鋰渣摻量和不同再生粗骨料取代率對正常使用極限荷載的影響

不同鋰渣摻量和不同再生粗骨料取代率對正常使用極限荷載的影響見圖6。裂縫寬度發(fā)展變慢，進而使得正常使用極限荷載增大。對于摻20%鋰渣的試驗梁，當取代率為0、30%和50%的再生粗骨料時，其正常使用極限荷載較同再生粗骨料取代率的未摻鋰渣試驗梁分別提高12.79%、7.52%和11.13%。隨著再生粗骨料的增多，正常使用極限荷載整體提高，對于50%再生粗骨料取代率的試驗梁，當鋰渣摻量為10%和20%時，其正常使用極限荷載較相同鋰渣摻量的再生粗骨料取代率為0的試驗梁分別提高3.59%和2.32%。表明鋰渣及再生粗骨料均能提高試驗梁正常使用極限荷載，鋰渣對正常使用極限荷載的提升效果更加明顯。當再生粗骨料取代率50%且摻鋰渣摻量20%時的試驗梁正常使用極限荷載最高，較普通混凝土試驗梁提高15.42%。

4.2正常使用極限荷載的計算

本次試驗梁的正常使用極限荷載理論計算，參照GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》的相關規(guī)定，按式（9）進行：

式中：Mu——試驗梁的極限荷載試驗值，kN·m；

γ0——結構重要性系數(shù)，參照規(guī)范，取γ0為1.0；

γμ——荷載分項系數(shù)的平均值，本次試驗取γμ為1.4；

［γμ］——構件的承載力檢驗系數(shù)允許值，對于以主筋屈服的受彎破壞，取1.2。

根據(jù)試驗梁當裂縫寬度達到0.3mm時取荷載為極限荷載Mu的試驗值，按式（9）計算的試驗梁正常使用極限荷載見表7。

表7　正常使用極限荷載的試驗值與計算值

由表7可知，試驗梁的正常使用極限荷載實測值比理論值偏大，構件適用性較好。以實測結果與理論計算結果的比值為統(tǒng)計樣本，可以發(fā)現(xiàn)樣本平均值為1.20，標準差為0.038，變異系數(shù)為0.0319，試驗梁的正常使用極限荷載值與式（9）計算值吻合較好，且具有較高的安全系數(shù)。因此，可以參照GB 50009—2012的相關規(guī)定來設計摻鋰渣再生粗骨料混凝土受彎梁的正常使用極限荷載。

5　結論

（1）鋰渣與再生粗骨料用于混凝土的拌制，在一定程度上減小了裂縫間距和最大裂縫寬度，摻鋰渣與再生粗骨料受彎梁最大裂縫寬度計算由柳超等［7］建議的公式較為精確，具有很大的參考價值。

（2）鋰渣和再生粗骨料用于混凝土的拌制，使得正常使用極限荷載的實測值增大，當再生粗骨料取代率為50%，鋰渣摻量為20%時，正常使用極限荷載比普通混凝土試驗梁提高15.42%；正常使用極限荷載計算仍可由GB 50009—2012規(guī)定的計算方法進行計算，且具有較高的安全系數(shù)。

（3）對試驗中未考慮的剪跨比，縱筋配筋率等因素對裂縫的影響，今后需作進一步的研究。

［1］柳炳康，陳麗華，周安，等.再生混凝土框架梁柱中節(jié)點抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2010，32（11）：109-115.

［2］楊桂新，吳瑾，葉強.再生混凝土梁撓度計算方法研究［J］.工程力學，2010，28（2）：147-151

［3］韓思甜，宗亮，巴東.用鋰渣代替熟料生產(chǎn)通用硅酸鹽水泥［J］.水泥工程，2009（1）：32-33．

［4］劉來寶.摻鋰渣C50高性能混凝土的力學與徐變性能［J］.混凝土與水泥制品，2012（1）：67-69．

［5］楊恒陽，張德宇，侍克斌.鋰渣、粉煤灰高性能混凝土抗壓強度試驗研究［J］.混凝土，2012（10）：97-99，105．

［6］張?zhí)m芳.鋰渣混凝土的試驗研究［J］.混凝土，2008（4）：44-46.

［7］柳超，白國良，尹磊.基于荷載長期效應RAC梁裂縫寬度計算方法研究［J］.工程力學，2014，31（6）：124-137.

The research on the crack and ultimate load in normal operating condition of recycled aggregate concrete beam incorporated lithium slag

QIN Yongjun1，HOU Yonghui1，ZHANG Wei2，YAN Wenlong1
（1.Civil Construction College of Xinjiang University，Urumqi 830047，China；2.China Railway Ten Bureau Eighth Engineering Company，Taian 271000，China）

Based on the test results of 9 recycled aggregate concrete bending beams incorporated lithium slag，the influencing factors，such as the replacement rate of recycled coarse aggregate，the lithium slag content，on crack numbers，width，crack spacing and ultimate load in normal operating condition are studied.The results show that lithium slag and recycled coarse aggregate added into the concrete can decrease crack spacing and maximum crack widths，and improve the load in normal operating condition.By the analysis of test data，recommending the formulas of maximum crack widths and ultimate load in normal operating condition of recycled aggregate concrete beam incorporated lithium slag.

concrete bending beam，lithiumslag，recycled coarse aggregate，crack width，ultimate load in normal operating condition

TU528.72

A

1001-702X（2016）05-0061-05

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金資助項目（2012211A005）；新疆大學研究生科研創(chuàng)新項目（XJGRI2014031）

2016-03-09；

2016-04-22

秦擁軍，男，1970年生，江蘇太倉人，副教授，碩士生導師，主要從事土木工程材料、建設項目管理等教學科研工作。