高鈦型高爐重渣梁抗剪性能研究

馮士千，李小偉，鄭 權(quán)，張正偉，楊軍鋒

(攀枝花學(xué)院， 四川攀枝花 617000)

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高鈦型高爐重渣梁抗剪性能研究

馮士千，李小偉，鄭 權(quán)，張正偉，楊軍鋒

(攀枝花學(xué)院， 四川攀枝花 617000)

為研究高鈦型高爐重渣梁的抗剪性能以及斜裂紋的萌生、生長(zhǎng)和發(fā)展規(guī)律。制作了6根高鈦型高爐重渣混凝土梁，其中，用半礦渣混凝土(高鈦型高爐渣細(xì)骨料制備的混凝土)制作了3根梁試件，用全礦渣混凝土(高鈦型高爐渣細(xì)骨料及高鈦型高爐渣粗骨料制備的混凝土)制作了3根梁試件。通過(guò)靜力加載試驗(yàn)和分析表明：配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力；高鈦型高爐渣梁的正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關(guān)系不大；半礦渣梁的各項(xiàng)抗剪能力指標(biāo)均優(yōu)于全礦渣梁。

高鈦型高爐重渣； 混凝土梁； 抗剪性能

混凝土梁是建筑結(jié)構(gòu)體的重要承重結(jié)構(gòu)，隨著高鈦型高爐渣材料研究的不斷進(jìn)展，高爐渣混凝土試塊、配合比設(shè)計(jì)、施工工藝等研究工作已取得較多成果[1-11]。但是這些成果主要是材料學(xué)科的研究者的研究結(jié)果，由于學(xué)科的限制，這些成果與土木工程學(xué)科混凝土領(lǐng)域所需的材料性能參數(shù)聯(lián)系不是很緊密，致使混凝土主要應(yīng)用領(lǐng)域的土木工程研究人員在應(yīng)用高鈦型高爐渣混凝土?xí)r缺乏依據(jù)，只能用現(xiàn)行規(guī)范中普通混凝土的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

目前，高鈦型高爐渣混凝土在攀枝花的市場(chǎng)份額基本占到一半[12]，這些大量建造的結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)依據(jù)是根據(jù)普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的。所以，目前用高鈦型高爐渣混凝土建造的結(jié)構(gòu)物可靠度是未知的。

共設(shè)計(jì)了6根高鈦型高爐渣混凝土梁，然后通過(guò)試驗(yàn)及試驗(yàn)橫、縱向?qū)Ρ鹊贸隽烁髁旱墓羌芮€，全、半礦渣梁抗剪能力強(qiáng)弱等結(jié)論。

1 梁抗剪性能試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

高鈦型高爐重渣梁尺寸為2 500 mm×200 mm×400 mm。試驗(yàn)制作的半礦渣梁混凝土梁，試件編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)；試驗(yàn)制作的全礦渣梁混凝土梁，試件編號(hào)為4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)。各梁的配筋形式如圖1所示。

(a)1、4號(hào)梁 (b)2、5號(hào)梁 (c)3、6號(hào)梁圖1 高鈦型高爐重渣梁配筋(單位:mm)

1.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的布置

1.2.1 位移計(jì)布置

梁的滾軸鉸布置在離梁端470 mm處，梁下部跨中布置2號(hào)位移計(jì)以測(cè)量跨中位移，梁上部支座部位布置1號(hào)、3號(hào)位移計(jì)以測(cè)量支座沉降，剪跨區(qū)布置4號(hào)、5號(hào)位移計(jì)測(cè)量剪應(yīng)變(圖2)。

圖2 位移計(jì)布置(單位:mm)

1.2.2 混凝土梁上測(cè)點(diǎn)布置

梁混凝土表面應(yīng)變花、應(yīng)變片布置如圖3所示。

圖3 剪跨區(qū)應(yīng)變花(右)、應(yīng)變片(左)布置(單位:mm)

1.2.3 鋼筋上測(cè)點(diǎn)布置

(1)為了測(cè)量主筋的應(yīng)變梯度，梁底部一排鋼筋中，中間一根鋼筋設(shè)置應(yīng)變片，其布置如圖4所示。

(2)為了測(cè)量剪跨區(qū)箍筋的應(yīng)變情況，為更加方便的捕捉到箍筋上應(yīng)變敏感部位和方便鋼筋籠骨架的綁扎，在剪跨區(qū)的每個(gè)箍筋上布置3個(gè)應(yīng)變片(圖5)。

圖4 主筋應(yīng)變片布置(單位:mm)

圖5 箍筋表面應(yīng)變片布置

1.3 試驗(yàn)裝置

豎向加載設(shè)備采用shore-west公司生產(chǎn)的電液伺服加載系統(tǒng)加載。試驗(yàn)的應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)采集由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集，本試驗(yàn)所使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)于日本，型號(hào)為T(mén)DS-602。荷載與內(nèi)位移由shore-west公司生產(chǎn)的電液伺服加載系統(tǒng)采集。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試件試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)開(kāi)始前，首先檢查應(yīng)變片、應(yīng)變花及其測(cè)試設(shè)備是否異常，通過(guò)梁頂?shù)呢Q向千斤頂以0.1倍的預(yù)加豎向荷載加卸載一次，來(lái)消除試驗(yàn)裝置的初始缺陷。此后，根據(jù)計(jì)算的梁的承載力，將試驗(yàn)的荷載分為10級(jí)，按承載力的0.1、0.2、

0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1倍進(jìn)行豎向加載，每級(jí)荷載持荷10 min，直至梁破壞。

2.2 試件失效形式

在剪跨范圍內(nèi)，梁下部剪拉區(qū)存在斜向主拉應(yīng)力，當(dāng)達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)變值時(shí)，產(chǎn)生斜裂紋。隨著荷載的增大，將發(fā)生沿斜裂紋的斜截面強(qiáng)度破壞。當(dāng)梁在剪跨內(nèi)沿斜截面發(fā)生破壞時(shí)，由于配箍率、剪跨比等因素不同將會(huì)出現(xiàn)剪壓破壞、斜拉破壞和斜壓破壞。

本次試驗(yàn)的梁最終破壞形式皆為斜截面受剪破壞，最終破壞形態(tài)如圖6所示，其斜裂紋破壞狀態(tài)皆為腹剪斜裂紋。試件試驗(yàn)過(guò)程中裂紋發(fā)展主要階段見(jiàn)表1。

圖6 礦渣混凝土梁破壞形態(tài)

特征點(diǎn)1號(hào)梁特征點(diǎn)位移/mm力/kN2號(hào)梁特征點(diǎn)位移/mm力/kN3號(hào)梁特征點(diǎn)位移/mm力/kN4號(hào)梁特征點(diǎn)位移/mm力/kN5號(hào)梁特征點(diǎn)位移/mm力/kN6號(hào)梁特征點(diǎn)位移/mm力/kN跨中正截面裂紋初裂0.5978.910.98117.910.7790.910.8371.910.4553.910.2739.91斜裂紋初裂2.39281.812.39287.812.36275.812.4169.811.74212.811.53198.81梁抗剪破壞條件4.69550.813.73427.813.76403.814.71542.814.11436.812.51290.81最大抗剪能力7.25792.817.33700.817.26585.818.72759.818.06636.816.17516.81

3 輔助試驗(yàn)

3.1 混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)

半礦渣混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊與全礦混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊配合比中除粗骨料摻加量不一樣以外，水泥、高鈦型高爐重渣細(xì)骨料、外加劑等用量完全一樣，兩組試塊及梁試件同條件養(yǎng)護(hù)?；炷翗?biāo)準(zhǔn)試件壓力極限值由試驗(yàn)測(cè)得，強(qiáng)度計(jì)算見(jiàn)表2、表3?？梢?jiàn)，半礦渣梁試塊立方體抗壓強(qiáng)度稍低于全礦渣梁試塊的立方體抗壓強(qiáng)度(混凝土立方體抗壓標(biāo)準(zhǔn)值=混凝土強(qiáng)度總體分布的平均值-1.645倍標(biāo)準(zhǔn)差)。

表2 半礦渣混凝土強(qiáng)度

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試件的受力計(jì)算

單位長(zhǎng)度梁的自重25×0.2×0.4=2 kN/m，將均布的梁自重等效為跨中集中合力加上作動(dòng)器初始配重，梁的跨中

表3 全礦渣混凝土強(qiáng)度

初始等效荷載為3.81 kN。表1中試驗(yàn)記錄荷載均已加上梁自重等效荷載及作動(dòng)器初始配重荷載。

4.2 礦渣梁的受力分析

4.2.1 礦渣梁受力分析

由表1礦渣梁試驗(yàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象特征點(diǎn)，可得半礦渣1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)梁的骨架曲線如圖7所示?？梢?jiàn)，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關(guān)系不大。

圖7 半礦渣梁骨架曲線

4.2.2 全礦渣梁受力分析

由表1礦渣梁試驗(yàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象特征點(diǎn)，可得全礦渣4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)梁的骨架曲線如圖8所示?？梢?jiàn)，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關(guān)系不大。

圖8 全礦渣梁骨架曲線

4.2.3 礦渣梁最大抗剪能力對(duì)比

半礦渣1號(hào)梁與全礦渣4號(hào)梁的配筋完全一致，混凝土配合比中除粗骨料摻加量不一樣以外，水泥、高鈦型高爐重渣細(xì)骨料、外加劑等用量完全一樣，由表1礦渣梁試驗(yàn)的試驗(yàn)現(xiàn)象特征點(diǎn)可得，1號(hào)半礦渣梁的最大抗剪能力為792.81kN，4號(hào)全礦梁的最大抗剪能力為759.81kN。盡管半礦渣梁試塊立方體抗壓強(qiáng)度稍低于全礦渣梁試塊的立方體抗壓強(qiáng)度，但1號(hào)半礦渣梁的正截面初裂承載力、斜裂紋初裂承載力、抗剪承載力和最大抗剪能力都優(yōu)于4號(hào)全礦渣梁。

2號(hào)、5號(hào)梁及3號(hào)、6號(hào)梁同理，盡管半礦渣梁試塊立方體抗壓強(qiáng)度稍低于全礦渣梁試塊的立方體抗壓強(qiáng)度，但半礦渣梁的正截面初裂承載力、斜裂紋初裂承載力、抗剪承載力和最大抗剪能力都優(yōu)于相對(duì)應(yīng)的全礦渣梁。

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)可以得出如下結(jié)論：

(1)梁截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等已定條件下，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，但正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關(guān)系不大。

(2)半礦渣混凝土試塊與全礦渣試塊的配合比中，水泥、高鈦型重礦渣砂、外加劑的使用量完全一樣，半礦渣混凝土的粗骨料使用的是攀枝花產(chǎn)的碎石，全礦渣混凝土的粗骨料使用的是高鈦型重礦渣粗骨料。通過(guò)試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試可知，全礦渣混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度略高于半礦渣混凝土試塊。

(3)半礦渣梁的抗剪能力各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于全礦渣梁。

[1] 馬保國(guó).綠色高性能混凝土與礦物摻合料的研究進(jìn)展[J]. 武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(5):29-31.

[2] 蔣家?jiàn)^.礦渣微粉在水泥混凝土中的應(yīng)用的概述[J].混凝土與水泥制品，2002(3):3-6.

[3] 余頌國(guó).攀鋼西渣場(chǎng)開(kāi)發(fā)利用可行性研究[D].昆明理工大學(xué)，2002.

[4] 俞家范.高爐礦渣微粉混凝土研究、配制和應(yīng)用的小結(jié)[C]//礦渣微粉研究和應(yīng)用論文集.上海遠(yuǎn)東出版社，2003.

[5] 肖斐.鈦渣混凝土性能的研究「D].重慶大學(xué)，2004.

[6] 王雪松.攀枝花高鈦型高爐渣開(kāi)發(fā)利用回顧與展望[J].攀枝花科技與信息，2005(增刊):1-4.

[7] 孫金坤.全高鈦重礦渣混凝土應(yīng)用基礎(chǔ)研究「D].重慶大學(xué)，2006.

[8] 何小龍.全高鈦礦渣混凝土的研究與應(yīng)用[D].重慶大學(xué)，2006.

[9] 游天才.高鈦重渣混凝土應(yīng)用技術(shù)研究[D].武漢科技大學(xué),2007.

[10] 楊華美. 高鈦礦渣作為水工混凝土摻和料及骨料性能研究[D].武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院,2010.

[11] 江海民.高鈦重礦渣集料制備高性能混凝土的研究與應(yīng)用[D].武漢理工大學(xué),2011.

[12] 汪杰.CFRP加固不同損傷高鈦型高爐渣混凝土梁試驗(yàn)研究[D].成都：西華大學(xué),2014.

馮士千(1991～)，男，本科。

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[定稿日期]2016-05-23