自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究

周　梅，欒從起，李高年

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，阜新　123000)

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自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究

周梅，欒從起，李高年

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，阜新123000)

通過對(duì)6根相同配筋率、相同混凝土強(qiáng)度等級(jí)、不同細(xì)骨料的混凝土簡(jiǎn)支梁的抗彎試驗(yàn),探討了自燃煤矸砂全部取代天然砂制備的自燃煤矸砂混凝土受彎構(gòu)件正截面受力變形性能和破壞特征。試驗(yàn)結(jié)果表明:自燃煤矸砂混凝土梁與普通混凝土梁的受彎破壞過程基本相同，仍具有彈性、開裂、屈服和極限等4個(gè)明顯特征；正截面平均應(yīng)變服從平截面假定；相同條件下雖然自燃煤矸砂混凝土抗壓強(qiáng)度稍低于普通混凝土，但其試驗(yàn)梁的開裂彎矩和極限抗彎承載力稍高于普通混凝土梁，現(xiàn)有的普通混凝土梁計(jì)算公式適用于自燃煤矸砂配制的混凝土。

自燃煤矸砂混凝土；抗彎性能；正截面假定；開裂彎矩；極限彎矩

1　引　言

煤矸石是煤炭行業(yè)中產(chǎn)生數(shù)量最多的一種工業(yè)廢渣，其堆積不僅對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，也是一種資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。另一方面，天然砂資源日趨枯竭，開采和運(yùn)輸費(fèi)用巨大，且對(duì)砂子原產(chǎn)地的自然生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重。如何充分并合理地利用煤矸砂替代天然砂配制混凝土，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐尤為重要。目前，國內(nèi)由世歧、孫家瑛、張金喜和周梅[1-3]等對(duì)煤矸石骨料混凝土的力學(xué)性能和耐久性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，李幗昌對(duì)鋼管煤矸石骨料混凝土梁、柱進(jìn)行了研究，而針對(duì)自燃煤矸砂混凝土梁抗彎性能試驗(yàn)研究還鮮見報(bào)道。本文將自燃煤矸石經(jīng)過破碎、篩分制成粒徑小于4.75 mm的煤矸砂，完全替代天然砂制備自燃煤矸砂混凝土梁，在相同試驗(yàn)條件下，通過對(duì)自燃煤矸砂混凝土梁與普通混凝土梁抗彎試驗(yàn)，分析其受力特性及破壞特點(diǎn)，為自燃煤矸砂混凝土構(gòu)件應(yīng)用于工程實(shí)踐提供基礎(chǔ)。

2　試　驗(yàn)

2.1混凝土配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)自燃煤矸石取自阜新市清河門礦，自燃煤矸砂的制備過程詳見圖1。

由于自燃的煤矸石孔隙率較大、吸水率較高，自燃煤矸砂混凝土的配合比設(shè)計(jì)不同于普通混凝土。自燃煤矸砂細(xì)骨料在拌和前需要提前1 h吮水潤濕，這部分水稱為附加水[3]，其用量通過測(cè)定自燃煤矸砂細(xì)骨料的吸水率確定。試驗(yàn)采用的混凝土配合比詳見表1。

表1　C30混凝土試驗(yàn)梁配合比

Notes：Water absorption of spontaneous combustion gangue sand is 12.43%.

2.2試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

圖1　自燃煤矸砂骨料生產(chǎn)流程Fig.1　Spontaneous combustion gangue sand production flow

圖2　試驗(yàn)梁尺寸和配筋(單位：mm)Fig.2　Test beam size and reinforcement

本試驗(yàn)共制備6根試驗(yàn)梁，其中3根為天然砂細(xì)骨料對(duì)比梁，編號(hào)分別為H-1、H-2、H-3；3根為自燃煤矸砂混凝土梁，編號(hào)分別為G-1、G-2、G-3。為研究自燃煤矸砂細(xì)骨料特性對(duì)混凝土梁正截面受力和變形性能的影響，所有試驗(yàn)梁均采用了相同的配筋率，即縱向受拉鋼筋的配筋率為1.77%，梁的尺寸及配筋詳見圖2。

2.3試驗(yàn)裝置

圖3　試驗(yàn)梁表面應(yīng)變片 Fig.3　Strain gauge of test

圖4　鋼筋表面應(yīng)變片 Fig.4　Strain gauge of beam reinforcement

圖5　試驗(yàn)梁加載及測(cè)試裝置 Fig.5　Loading and testing device of test beam

為了消除剪力對(duì)試驗(yàn)梁正截面受彎的影響，采用兩點(diǎn)對(duì)稱加載方式。參考文獻(xiàn)[4，5]，為測(cè)試混凝土梁受力階段純彎段的應(yīng)變和跨中鋼筋應(yīng)變，在梁的表面粘貼電阻應(yīng)變片，型號(hào)BX120-80AA；在鋼筋上粘貼應(yīng)變片，型號(hào)為BX120-5AA，詳見圖3和圖4。

試驗(yàn)加載裝置為型號(hào)WAW-1000的電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，按1500 mm跨長進(jìn)行兩點(diǎn)對(duì)稱加載，跨中放置分配梁。為測(cè)得梁實(shí)際撓度并減少偏心影響，簡(jiǎn)支梁跨中位置左右兩側(cè)各安放一個(gè)百分表，應(yīng)變片的導(dǎo)線連接到MYJ-1靜態(tài)數(shù)字電阻應(yīng)變測(cè)試儀上。試驗(yàn)梁加載及測(cè)試裝置，詳見圖5所示。

2.4試驗(yàn)加載過程及主要試驗(yàn)現(xiàn)象

為確定開裂荷載，采用分級(jí)加載方式[7，8]。開始時(shí)每級(jí)按1 kN加載，并停留 3 min 后再進(jìn)行下一次加載。隨著荷載逐漸的增大，觀察裂縫并用黑筆標(biāo)出出現(xiàn)的裂縫以及延伸的裂縫，同時(shí)在裂縫處標(biāo)記此刻的荷載值。G-1梁、G-2梁、G-3 梁分別在10.5 kN、9.7 kN、10.0 kN時(shí)開始出現(xiàn)微小裂縫；繼續(xù)加載，并觀察裂縫情況，直到加載到20 kN左右，之后每級(jí)荷載增加 3 kN，并停留3 min后再加載，并觀察裂縫；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)荷載增至縱向受力筋達(dá)到屈服時(shí)，即使荷載增加的很小，自燃煤矸砂混凝土試驗(yàn)梁的裂縫和撓度也急劇增加。本試驗(yàn)G-1、G-2、G-3 試驗(yàn)梁荷載分別增加到43.1 kN、46.9 kN、48.1 kN時(shí)，試驗(yàn)梁跨中段的頂部混凝土被壓碎，試驗(yàn)梁宣告破壞；普通混凝土梁也按上面程序加載，具體試驗(yàn)結(jié)果見表3。

2.5試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)上述同批次混凝土拌合物成型的100 mm×100 mm×100 mm立方體試件、100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件，標(biāo)注養(yǎng)護(hù)至“齡期”后，進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。對(duì)縱向受力鋼筋取樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢測(cè)，主要試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2　自燃煤矸砂混凝土和鋼筋的主要性能指標(biāo)

2.6結(jié)果分析

表3　試驗(yàn)梁試驗(yàn)結(jié)果

6根試驗(yàn)梁破壞過程基本相似，都具有明顯的彈性、開裂、屈服和極限等4個(gè)受力特點(diǎn)，均屬于適筋梁破壞，即正截面先是受拉縱筋屈服，后是壓區(qū)混凝土壓碎。從表3中可以看出，雖然自燃煤矸砂混凝土立方體抗壓和軸心抗壓強(qiáng)度較普通混凝土低，都滿足C30混凝土強(qiáng)度等級(jí)要求，但自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁的開裂荷載和極限荷載均較普通鋼筋混凝土梁稍高一些。

3　結(jié)果與討論

3.1平截面假定適用性分析

圖6中a～c分別表示3根自燃煤矸砂混凝土，圖6d～f分別表示普通混凝土試驗(yàn)梁的跨中截面在不同荷載等級(jí)下應(yīng)變沿截面高度分布情況。從中可以清晰看出與普通混凝土相似，自燃煤矸砂混凝土在某一特定荷載作用下，截面上各點(diǎn)混凝土的應(yīng)變與該點(diǎn)到中性軸的距離也近似成正比。由此可知，自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁在受彎過程中，平截面假定也仍然成立。

圖6　沿梁截面高度的應(yīng)變分布(a)G-1;(b) G-2;(c)G-3;(d) H-1;(e)H-2;(f) H-3Fig.6　Strain distribution along height of beam section

3.2荷載-跨中撓度分析

每級(jí)荷載作用下梁的跨中撓度值，通過取梁兩側(cè)百分表數(shù)值與初始差值的平均值作為每級(jí)荷載下梁的跨中撓度，整理數(shù)據(jù)得到了荷載-跨中撓度曲線，詳見圖7所示。從圖7a可知，剛開始荷載較小時(shí)，梁的跨中撓度隨著荷載的增大呈線性增加，試驗(yàn)梁處于彈性工作狀態(tài)。當(dāng)荷載逐漸增加至10 kN左右時(shí)，受拉區(qū)混凝土達(dá)到極限拉應(yīng)變而發(fā)生開裂，荷載-跨中撓度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，此后，梁撓度隨荷載呈非線性增加，并且撓度增長速度變快，試驗(yàn)梁的塑形特征表現(xiàn)的越來越明顯，跨中撓度增長速度變快。最后在荷載為40～45 kN時(shí)受拉區(qū)鋼筋屈服，進(jìn)入屈服破壞階段，梁的塑性特征表現(xiàn)得更為充分，跨中撓度迅速增長，荷載-跨中撓度曲線接近水平線。自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁從加載至破壞整個(gè)過程與圖7b普通鋼筋混凝土梁相類似。

3.3裂縫開展與分布分析

6根試驗(yàn)梁的裂縫開展情況大體相似。梁的初始裂縫都是首先發(fā)生在跨中純彎段，并且，裂縫隨著荷載的增加而緩慢延伸，裂縫寬度及數(shù)量隨荷載的增大而不斷也略有增加；然而，當(dāng)縱向受力鋼筋屈服后，裂縫延伸速度突然加快，寬度急劇增大，受壓區(qū)混凝土橫向裂縫迅速增加，并伴有響聲，直至試驗(yàn)梁破壞達(dá)到承載力。

圖7　試驗(yàn)梁荷載-跨中撓度曲線Fig.7　Load-deflection curves of test beams(a)spontaneous combustion gangue sand concrete beam;(b)ordinary concrete beam

圖8　兩種試驗(yàn)梁裂縫間距及開展情況對(duì)比Fig.8　Two groups of test beam crack spacing and development case

4　現(xiàn)行規(guī)范對(duì)自燃煤矸砂混凝土梁的適用性探討

根據(jù)試驗(yàn)梁的截面尺寸、配筋情況，以及各種材料的實(shí)測(cè)值，按現(xiàn)行規(guī)范(《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010))的抗彎極限承載力計(jì)算公式，計(jì)算得到各試驗(yàn)梁的極限抗彎承載力標(biāo)準(zhǔn)值，具體結(jié)果見表4。從表4中可知，本文利用兩種不同細(xì)骨料配制的混凝土試驗(yàn)梁極限彎矩實(shí)測(cè)值都大于計(jì)算值，但值得注意的是，自然煤矸砂混凝土與普通混凝土之間的實(shí)測(cè)值相差卻很小。筆者認(rèn)為實(shí)測(cè)值偏大的主要原因是：①試驗(yàn)梁的配筋率較高。由于鋼筋在實(shí)驗(yàn)室潮濕部位存放，表面有銹斑，故配筋率選擇稍大些(經(jīng)濟(jì)配筋率0.6%～1.5%，本試驗(yàn)梁高達(dá)1.77%)，但也在適筋梁的配筋率范圍之內(nèi)；②試驗(yàn)梁養(yǎng)護(hù)溫度偏高。試驗(yàn)梁放置在常溫下的水箱中養(yǎng)護(hù)，6～7月份室內(nèi)溫度大于20℃。

表4　梁極限彎矩計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5　結(jié)　論

(1)自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁受力過程與普通鋼筋混凝土梁類似，仍具有初裂、屈服、極限等受力特征，自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁與普通鋼筋混凝土梁受力機(jī)理基本相同。自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁應(yīng)用于工程實(shí)際是可行的;

(2)自燃煤矸砂鋼筋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;

(3)自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁的破壞形式與普通混凝土梁相類似;

(4)自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁的極限彎矩略大于普通混凝土梁，采用現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的公式計(jì)算自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁的抗彎極限承載力是可行的。

[1]浦倍超.粗骨料及摻合料對(duì)自燃煤矸石砂輕混凝土性能影響研究)[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文,2013.

[2]田博宇.自燃煤矸砂預(yù)處理對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文,2013.

[3]周梅,浦倍超,徐秒，等.附加水及預(yù)濕時(shí)間對(duì)自燃煤矸石砂輕混凝土性能影響 [J].硅酸鹽通報(bào),2013,32(12):1-6.

[4]GB50152-92，混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2010)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

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Flexural Behavior on Spontaneous Combustion Gangue Sand Reinforced Concrete Beam

ZHOU Mei，LUAN Cong-qi，LI Gao-nian

(College of Civil and Architecture Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

The flexural behavior of 6 simply-supported concrete beams with same percentage of reinforcement and concrete strength grade different fine aggregate were investigate.Besides the flexural capacity of spontaneous combustion gangue sand concrete beams prepared by spontaneous combustion gangue sand instead of natural sand,the characteristics of both deflection and cracking are analyzed. Based on the experimental results,the following conclusions are drawn. Bending failure process of spontaneous combustion gangue sand concrete beams and normal concrete beams are basically the same. In bending,the spontaneous combustion gangue sand concrete also has (elastic) cracking,yield and ultimate characteristics. The average strain measured on cross-section obliges to the plane section assumption. Under same conditions,although compressive strength of spontaneous combustion gangue sand concrete is lower than normal concrete,its cracking and ultimate moment are higher than normal concrete beams. The present formula of normal concrete beam is suitable for spontaneous combustion gangue sand concrete beam.

spontaneous combustion gangue sand concrete;flexural behavior;plane section assumption;cracking moment;ultimate moment

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)與神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項(xiàng)目(U1261122)

周梅(1964-),女,教授級(jí)高工,碩導(dǎo).主要從事土木工程材料的教學(xué)與科研工作.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0341-06