火山渣混凝土剪力墻軸心受壓試驗(yàn)研究

張澤男，王玉英

(長春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130012)

0 引言

作為一種混凝土骨料，火山渣是火山爆發(fā)時(shí)的拋出物，它屬于天然輕骨料，這種天然輕骨料質(zhì)量非常小，而且成本很低，因此，價(jià)格比普通混凝土集料要便宜很多。在我國，北起黑龍江，南到海南島，火山渣在10多個(gè)省份都有著豐富的儲(chǔ)藏，它具有方便開采、節(jié)省資源、廉價(jià)成本、不需破碎的優(yōu)點(diǎn)。僅在我國吉林省輝南區(qū)域，就有3 000萬m3的火山渣輕骨料，一共儲(chǔ)藏著接近8億m3的火山渣材料，居全國首位。近些年，我國已經(jīng)使用火山渣集料制作出了新型的火山渣混凝土墻體。由于火山渣集料導(dǎo)熱系數(shù)小并且多孔，所以這種新型混凝土墻體材料，不僅擁有節(jié)約土壤、節(jié)約能源、導(dǎo)熱系數(shù)好以及廢物利用等優(yōu)點(diǎn)，而且因?yàn)榛鹕皆炷帘旧磔p質(zhì)、高強(qiáng)的特性，使用這種材料來建造建筑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的重量將會(huì)大大減輕，能夠加快現(xiàn)場施工的工作速度。對(duì)這種建筑材料的推廣利用，能夠有效地加快我國的建設(shè)發(fā)展[1]。

國內(nèi)已經(jīng)有許多研究者進(jìn)行了一系列的火山渣混凝土試驗(yàn)的研究工作，全面了解了其基本性能。大量試驗(yàn)研究結(jié)果表明了火山渣混凝土具有自重輕、保溫好、耐久性等都較好的特點(diǎn)，對(duì)鋼筋也無腐蝕作用。而且，火山渣混凝土在某些方面的性能要比普通混凝土更有優(yōu)勢。為了解火山渣混凝土剪力墻受力性能，本文進(jìn)行了火山渣混凝土剪力墻軸心受壓試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了2個(gè)試件模型，火山渣混凝土剪力墻編號(hào)為HSZ，普通混凝土剪力墻編號(hào)為PT，墻體高度為1 500 mm，試件的截面尺寸相同，均為1 000 mm×130 mm，采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，試驗(yàn)鋼筋均采用HRB400。為了使試驗(yàn)?zāi)Ｐ透臃蠈?shí)際工程，在剪力墻兩端設(shè)置邊緣約束暗柱，對(duì)暗柱內(nèi)的縱筋進(jìn)行加密，邊緣縱筋配筋率為4.5%，橫豎向分布鋼筋以及箍筋根據(jù)規(guī)范按照構(gòu)造進(jìn)行配筋[2]。試驗(yàn)試件具體配筋表見表1，試件模型立面圖以及配筋圖如圖1和圖2所示。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)試件利用液壓方法加載，選用 10 000 kN長柱式壓力試驗(yàn)機(jī)施加軸心壓力。運(yùn)用單調(diào)加載，采用力控制對(duì)荷載進(jìn)行分級(jí)加載，每1/10極限承載力為一級(jí)，當(dāng)試件接近預(yù)計(jì)破壞荷載前，根據(jù)實(shí)測應(yīng)力大小，適當(dāng)加密荷載級(jí)別，按每級(jí)1/20極限承載力加載。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件破壞特征

加載初期，線彈性階段，試件的外觀沒有出現(xiàn)明顯變化。

當(dāng)外荷載加至破壞荷載的70%左右時(shí)，混凝土部分表面出現(xiàn)若干細(xì)小的豎向裂縫。隨著荷載增加，豎向裂縫不斷發(fā)展并變寬，有些向斜向發(fā)展，最后縱筋屈服，混凝土被壓碎，試件承載力達(dá)到極限值。兩組試件破壞趨勢基本相同。兩個(gè)試件的破壞特征詳如圖3～4所示。

表1 配筋表

圖1 試件立面圖

圖2 試件截面尺寸及配筋

圖3 試件PT破壞形態(tài)圖

圖4 試件HSZ破壞形態(tài)圖

3.2 試件荷載應(yīng)變曲線分析

圖5為HSZ與PT試件破壞時(shí)的荷載—應(yīng)變對(duì)比曲線，圖中橫坐標(biāo)代表縱向壓應(yīng)變，縱坐標(biāo)代表荷載值，PTG表示普通混凝土試件鋼筋應(yīng)變，PTH表示普通混凝土試件混凝土應(yīng)變，HSZG表示火山渣試件鋼筋縱向應(yīng)變，HSZH表示火山渣混凝土試件外包混凝土縱向應(yīng)變。

圖5 荷載—應(yīng)變對(duì)比曲線

如圖5，在加載前期，荷載—應(yīng)變曲線處于線彈性階段，試件PT縱向應(yīng)變與試件HSZ縱向應(yīng)變基本重合，表明在線彈性范圍內(nèi)，普通混凝土以及火山渣混凝土性質(zhì)基本一樣。直至荷載達(dá)到80%左右時(shí)，明顯可見試件HSZ應(yīng)變發(fā)展速度變慢，承載力提升加快，總應(yīng)變小于試件PT。由圖3～5可知：普通混凝土剪力墻在接近破壞狀態(tài)時(shí)，荷載變化加快，容易發(fā)生脆性破壞。當(dāng)加載到試件墻體即將破壞時(shí)，與試件PT模型相比，從火山渣混凝土剪力墻即試件HSZ的破壞形態(tài)分析可得，承載力變化變緩，墻體不會(huì)出現(xiàn)瞬間破壞，火山渣混凝土剪力墻延性優(yōu)于普通混凝土剪力墻。

3.3 試件荷載位移曲線分析

圖6為普通混凝土剪力墻與火山渣混凝土剪力墻荷載—位移對(duì)比曲線：通過對(duì)比分析可知：在荷載前期，兩者結(jié)構(gòu)破壞形式基本相同，火山渣混凝土約束效果較好，加載到2 000 kN時(shí)，火山渣混凝土剪力墻達(dá)到極限承載力，墻體發(fā)生破壞，而普通混凝土剪力墻極限承載力略大，為2 100 kN。同時(shí)，普通混凝土剪力墻在峰值后荷載急劇下降，塑性較差，對(duì)比之下火山渣混凝土剪力墻下降階段較為平緩，塑性略好，變形能力較強(qiáng)。

圖6 試件荷載—位移對(duì)比曲線

4 火山渣混凝土的優(yōu)缺點(diǎn)

通過火山渣混凝土剪力墻的制作以及進(jìn)行火山渣混凝土剪力墻軸心受壓試驗(yàn)研究得到了火山渣混凝土的優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 火山渣混凝土的優(yōu)點(diǎn)

1)質(zhì)量輕、抗震性能好[3]。由于火山渣混凝土的表現(xiàn)密度比普通混凝土低20%～40%，所以使用火山渣混凝土制作的墻體結(jié)構(gòu)質(zhì)量較輕，因此地震的作用對(duì)這部分墻體結(jié)構(gòu)的影響較小，抗震性能好。

2)界面強(qiáng)度較高。界面區(qū)的強(qiáng)度是影響混凝土性能的重要因素之一，因?yàn)榛鹕皆p骨料表面多孔且較粗糙，所以火山渣混凝土界面處的強(qiáng)度較高。

3)抗凍性較好。為了提高抗凍性，普通混凝土總是引入一些氣體，由于火山渣集料多孔，內(nèi)部孔隙可以代替引氣的作用，因此，火山渣混凝土的抗凍性能優(yōu)于普通混凝土。

4)延性較好，通過試驗(yàn)結(jié)果分析得出火山渣混凝土的延性優(yōu)于普通混凝土。

5)抗裂性能好。在相同等級(jí)情況下，火山渣混凝土的彈性模量略小于普通混凝土，因此，在受到干縮和冷縮作用時(shí)，火山渣混凝土受到的拉應(yīng)力較小，所以抗裂性較好。而且，由于火山渣輕骨料孔隙較多，經(jīng)過養(yǎng)護(hù)的火山渣混凝土?xí)?chǔ)藏一部分水分，在后期混凝土的硬化過程中，火山渣混凝土內(nèi)部水分會(huì)進(jìn)行蒸發(fā)釋放，能夠起到內(nèi)部養(yǎng)護(hù)的作用，減小火山渣混凝土的干燥收縮。

6)耐火性、隔熱保溫性好。由于火山渣骨料多空，所以火山渣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通混凝土，因此在高溫條件下，溫度的傳遞速度很慢，能夠保護(hù)內(nèi)部鋼筋。

4.2 火山渣混凝土的缺點(diǎn)

1)強(qiáng)度略低。通過試驗(yàn)結(jié)果可知，同等級(jí)的火山渣混凝土剪力墻的極限承載力略低于普通混凝土

剪力墻的極限承載力。火山渣混凝土試件壓壞是從骨料斷裂的，而普通混凝土試件破壞一般出現(xiàn)在界面處。由于火山渣骨料強(qiáng)度略低于普通碎石骨料強(qiáng)度，火山渣骨料本身的特性限制了火山渣混凝土強(qiáng)度的提高，所以，當(dāng)火山渣混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，繼續(xù)增加水泥用量，其強(qiáng)度也很難繼續(xù)增加，因此很難配置出很高強(qiáng)度的火山渣混凝土。

2)徐變和收縮問題?；鹕皆炷恋母煽s變化與火山渣的含水率有關(guān)，將火山渣混凝土進(jìn)行預(yù)濕后，其后期干縮變化會(huì)較小。較高強(qiáng)度的火山渣混凝土水灰比較低，導(dǎo)致其收縮、徐變效果比普通混凝土高。因此，為了保證火山渣混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，減小火山渣混凝土的干縮變形的不良影響，實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)該更加注意對(duì)其的養(yǎng)護(hù)效果。

5 結(jié)語

本文主要對(duì)火山渣混凝土剪力墻進(jìn)行了軸心受壓試驗(yàn)研究，觀察試驗(yàn)過程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納得出結(jié)論。觀察火山渣混凝土剪力墻在軸心壓力作用下的破壞過程，包括裂縫的開展、鋼筋及混凝土的應(yīng)變化以及最終破壞形態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分析火山渣混凝土剪力墻的開裂荷載、極限荷載以及應(yīng)變規(guī)律。荷載—應(yīng)變曲線表明，在線彈性工作階段，鋼筋與混凝土能夠很好地進(jìn)行協(xié)同工作，變形協(xié)調(diào)。荷載—位移曲線表明，火山渣混凝土的強(qiáng)度略低于普通混凝土。

[1] 敖文秀，姜彥海.火山渣混凝土拌制工藝研究[J].內(nèi)蒙古石油化工，2015，41(20)：71-72.

[2] 李照林.高配筋率邊緣約束構(gòu)件高強(qiáng)混凝土剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[3] 楊東林，李斌，黎蔚詩，等.火山渣輕骨料混凝土在國內(nèi)外的研究應(yīng)用[J].建材世界，2017，38(2)：26-30.