最佳替代率下石墨尾礦混凝土柱抗震性能擬靜力試驗

王東旭 公茂盛

摘要：為研究石墨尾礦替代砂子最佳比率及石墨尾礦混凝土柱抗震性能，對4種比率（10%、20%、30%、40%）下石墨尾礦部分替代砂子的混凝土進(jìn)行了抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜力受壓彈性模量等試驗，將試驗結(jié)果與普通混凝土進(jìn)行對比，確定了石墨尾礦替代砂子的最佳比率，然后以該替代率下的混凝土制作了一個柱試件并進(jìn)行了擬靜力試驗，最后根據(jù)石墨尾礦混凝土柱破壞特征、滯回曲線、骨架曲線、剛度特性及耗能能力等結(jié)果分析了其抗震性能。結(jié)果表明：30%替代率下的石墨尾礦混凝土抗壓強度和抗拉強度均最高，彈性模量高于其他替代率，且與普通混凝土相差較小，說明30%為最佳替代率；石墨尾礦混凝土柱在低周往復(fù)擬靜力加載下呈現(xiàn)彎曲破壞特征，滯回曲線飽滿圓滑并具有較好延性，且隨著加載位移的增加，試件的割線剛度逐漸減小，等效黏滯阻尼比逐漸增大，整體表現(xiàn)出良好的耗能能力和抗震性能。

關(guān)鍵詞：石墨尾礦混凝土；力學(xué)性能；擬靜力試驗；滯回曲線；抗震性能

中圖分類號：TU375.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2024）03-0474-08

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0049

0引言

石墨尾礦（Graphite Tailing，簡稱GT）是石墨進(jìn)行選礦時產(chǎn)生的一種工業(yè)尾渣。我國是石墨的使用大國，在石墨開采的過程中產(chǎn)生了大量的尾礦，我國石墨尾礦的總體存儲量在1億噸以上（唐詩洋等，2022；劉磊等，2019）。經(jīng)過多年的開采，石墨尾礦固體廢物的積累已經(jīng)造成了許多環(huán)境問題，不僅占用土地資源，而且會對大氣環(huán)境、地下水和土壤造成污染，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境（Torres et al，2017）。寧方文等（2008）和韓雪冰等（2011）對石墨尾礦廢棄地周圍土壤進(jìn)行了污染特性研究，指出石墨尾礦周圍土壤中含有大量污染元素，會對其附近的土壤有機質(zhì)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重危害。為解決這一問題，何保羅和薛東才（2001）提出了一種高效率的尾礦回收工藝，在一定程度上緩解了石墨尾礦對環(huán)境的破壞。也有些學(xué)者提出了各種經(jīng)濟環(huán)保的選礦流程，這些方法雖然對緩解石墨尾礦的污染起到了一定的作用，但是相比于我國巨大的石墨尾礦堆存量，這些方法的作用還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)從石墨尾礦本身的特性出發(fā)，嘗試對其二次利用來解決尾礦的污染問題。石墨尾礦主要包含石英、云母族、長石、方解石、綠泥石和鐵鈣閃石等礦物（海韻等，2015），早期我國針對石墨尾礦的二次利用方法主要是將其中的礦物進(jìn)行回收，近年來，越來越多的學(xué)者嘗試將石墨尾礦處理后作為一種新型建材應(yīng)用于土木領(lǐng)域。王麗娜和申保磊（2012）用石墨尾礦取代天然砂生產(chǎn)水泥砂漿并應(yīng)用于道路磚面層，試驗得到的磚經(jīng)檢測符合國家標(biāo)準(zhǔn)。潘春娟（2013）以試驗驗證了用石墨尾礦摻入水泥作為公路底基層這一做法的可行性，并通過試驗對比得出了65%石墨尾礦砂+35%風(fēng)化粒料的最佳混合料配比。

隨著建筑行業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們對混凝土的需求日益增加，混凝土生產(chǎn)過程中大量原材料的使用，特別是作為細(xì)骨料的天然河砂的過度開采，已經(jīng)造成了河岸滑坡和河床降低等一系列生態(tài)問題，對河流及其周邊的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的不利影響（Xu et al，2018；Zheng et al，2018）。由于石墨尾礦與砂子在成分上相似（劉洪波，2019），所以用石墨尾礦部分替代砂子作為細(xì)骨料來制備石墨尾礦混凝土（Graphite Tailing Concrete，簡稱GTC）的做法便應(yīng)運而生。這樣既解決了石墨尾礦的污染問題，又可以規(guī)避天然砂的過度開采帶來的生態(tài)破壞，促進(jìn)了石墨工業(yè)和建筑行業(yè)的雙向可持續(xù)發(fā)展。國內(nèi)很多學(xué)者在這方面展開了研究，張大雙（2015）在分析石墨尾礦混凝土強度時，發(fā)現(xiàn)影響抗壓強度的主要因素是石墨尾礦摻量和水灰比，并且其抗壓強度隨石墨尾礦摻入量的增大而減小，通過研究分析得到石墨尾礦最佳含量是10%左右。孫偉軒（2019）對3種配比的石墨尾礦混凝土進(jìn)行耐久性能研究，發(fā)現(xiàn)石墨尾礦取代率10%較為適宜，此時混凝土收縮變形可降低12.6%～21.1%。張琛等（2021）利用石墨尾礦、水泥、天然河砂、花崗巖石子、建筑廢棄物粗骨料制備混凝土，研究了力學(xué)性能的變化，根據(jù)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土抗壓強度先隨石墨尾礦摻量增加而增大，然后隨石墨尾礦摻量的增加而減小，當(dāng)石墨尾礦摻入量為20%時，混凝土強度最大。

目前國內(nèi)外關(guān)于GTC的研究主要集中于混凝土本身的力學(xué)和材料性能等，但其在墻、柱和梁等混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的應(yīng)用研究卻鮮有開展。因此，本文旨在通過不同砂子替代率下GTC的抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜力受壓彈性模量試驗結(jié)果等力學(xué)性能指標(biāo)來評價其最佳替代比例，并以最佳替代率的GTC制作柱試件，通過擬靜力試驗分析其抗震性能。

1材料性能試驗

為探究石墨尾礦最佳替代率，依照我國《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55—2011）進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計，石墨尾礦來源于黑龍江省雞西市某石墨礦業(yè)公司，經(jīng)晾曬烘干符合《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006）規(guī)定后使用，共制備了0、10%、20%、30%、40%等5組不同石墨尾礦替代率下的GTC試塊，編號分別為GTC-0（普通混凝土）、GTC-10、GTC-20、GTC-30、GTC-40，混凝土設(shè)計強度均為C30。根據(jù)我國《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2019）對養(yǎng)護(hù)達(dá)到齡期（28天）后的試塊分別進(jìn)行抗壓強度試驗、劈裂抗拉強度試驗和靜力受壓彈性彈性模量試驗，探究石墨尾礦混凝土的最佳替代率，并對制作柱子所用的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗以確保其符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

1.1混凝土力學(xué)性能試驗

混凝土按照體積配比法進(jìn)行配合比的設(shè)計，參考我國現(xiàn)行的混凝土配合比設(shè)計規(guī)范進(jìn)行計算，得出普通混凝土的配合比，然后將石墨尾礦分別按照GTC-0中砂子質(zhì)量的10%、20%、30%、40%進(jìn)行替代得出GTC的配合比，見表1。

材性試驗共制備了30個150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試塊，其中，不同編號試塊各6塊，把每類混凝土分為兩組，每組3塊，分別用于抗壓強度和劈裂抗拉強度測試，測試完畢后采用平均值作為測試結(jié)果。同時，制備30個150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體混凝土試塊，不同編號試塊各6塊，均用于靜力受壓彈性模量試驗。制備好的試塊在（20±5）℃的環(huán)境中靜置，如圖1所示，24小時后脫模，然后將所有試塊放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28天后進(jìn)行試驗。

材性試驗的儀器采用中國地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動重點實驗室的萬能試驗機，儀器在試驗前經(jīng)測試均滿足試驗規(guī)范要求。各試驗加載過程如圖2所示。材性試驗結(jié)果見表2，表中變化率為不同替代率下GTC相對于GTC-0材性試驗結(jié)果增加（或減少）的比率?？梢钥吹剑珿TC-30具有最高的抗壓強度和抗拉強度，分別比普通混凝土（GTC-0）高出14.5%和28.7%，并且其彈性模量高于其他替代率下的混凝土，且與GTC-0的相差不大，僅小3.7%。

薛景（2019）對石墨尾礦和砂子的基本物理性質(zhì)進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果見表3。由表3可知，石墨尾礦的表觀密度比砂子大，但細(xì)度模數(shù)較小，應(yīng)當(dāng)屬于“特細(xì)砂”，其與作為細(xì)骨料的中砂和作為粗骨料的碎石混合后優(yōu)化了混凝土的級配，提高了混凝土的和易性。另外，由于石墨尾礦的pH值大于7，說明石墨尾礦呈堿性，這對于混凝土材料所需的堿性環(huán)境來說是有利的。因此用適量的石墨尾礦替代砂子可以提升混凝土的強度。但如果石墨尾礦含量過大反而會使GTC的強度減小，原因是石墨尾礦的吸水率較大，大量尾礦的加入會吸收很多水分導(dǎo)致水泥基材中的水含量缺失，影響膠凝材料的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致GTC的強度下降。本文認(rèn)為石墨尾礦替代砂子的最佳比例為30%，后續(xù)將采用GTC-30制作柱試件進(jìn)行擬靜力試驗。

1.2鋼筋力學(xué)性能試驗

制作柱子所用縱筋及箍筋的鋼筋等級均為HRB400，鋼筋材料性能依據(jù)《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）要求的拉伸試驗獲得。

試驗中儀器的拉伸速率控制為20（N/mm2）·s-1，根據(jù)萬能試驗機所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定鋼筋的上屈服點和下屈服點，并以下屈服點所對應(yīng)的應(yīng)力作為鋼筋的屈服強度；以峰值應(yīng)力點處對應(yīng)的應(yīng)力作為鋼筋的抗拉強度，對應(yīng)的應(yīng)變作為極限應(yīng)變；以彈性階段的應(yīng)力與應(yīng)變的比值作為彈性模量，每類鋼筋測試3根，計算各指標(biāo)的平均值，試驗結(jié)果見表4。

2擬靜力試驗

2.1試件設(shè)計

本文依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）設(shè)計并制作了1根最佳替代率下的石墨尾礦混凝土柱試件?；炷敛捎肎TC-30，縱筋和箍筋所用的鋼筋等級均為HRB400。試件為倒T形，由柱子和基座兩部分組成，其中柱的橫截面尺寸為450 mm×450 mm，柱高為1 900 mm，基座尺寸為600 mm×600 mm×1 200 mm，柱身與基座在綁扎鋼筋和支模完畢后整體澆筑混凝土。

試驗豎向加載的軸壓比取為0.3，水平作動器中心點距柱頂高度為300 mm。試件基本參數(shù)見表5，幾何形狀和配筋形式如圖3所示。

2.2加載裝置及加載制度

本次擬靜力試驗采用中國地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動重點實驗室的擬靜力加載系統(tǒng)對試件進(jìn)行低周往復(fù)加載，試驗裝置如圖4所示。

試驗加載方案根據(jù)《建筑抗震試驗規(guī)程》（JGJ/T 101—2015）確定。加載時，首先由豎向千斤頂施加荷載至軸壓力設(shè)計值，并在試驗期間始終保持不變。柱端水平方向的加載程序采用荷載-變形雙重控制方法，正式加載前先進(jìn)行預(yù)加載測試，施加反復(fù)荷載試驗二次，每次正向和負(fù)向加載位移值均為1 mm，確認(rèn)加載裝置和數(shù)采系統(tǒng)正常后開始正式加載。

正式加載時，在試件屈服前先采用荷載控制并分級進(jìn)行加載，以水平作動器施加推力為正方向。拉力為負(fù)方向，每級荷載往復(fù)一次，接近屈服時減小荷載級差。試件屈服后采用變形控制，變形值取屈服時試件的最大位移，并以該位移值的倍數(shù)為級差進(jìn)行控制加載，每級位移往復(fù)兩次，直至試件的承載力完全喪失時停止試驗，加載制度如圖5所示。

2.3試驗現(xiàn)象

觀察試驗過程發(fā)現(xiàn)，在試件屈服前，隨著荷載的逐漸增加，試件幾乎無變化。當(dāng)達(dá)到屈服荷載后，隨著水平位移的增加，在接近柱根部出現(xiàn)首條裂縫，然后水平裂縫對角形成并逐漸增多，在柱縱軸附近合并為交叉裂縫。當(dāng)接近峰值位移時，縱筋產(chǎn)生屈曲，裂縫急劇加寬增大，柱根部混凝土部分破碎剝離，并且能夠聽到混凝土碎裂的聲音。繼續(xù)加載，最終整個柱截面呈現(xiàn)出一種向外凸出的燈籠狀破壞形態(tài)，此時柱底部的混凝土已基本被全部壓碎，位移達(dá)到峰值，試件承載力完全喪失，試驗結(jié)束。

鋼筋屈曲的位置發(fā)生在離柱底10 cm左右的高度處，試件最終破壞形態(tài)如圖6所示。在加載的全過程中，試件表現(xiàn)出良好的塑性，前期水平荷載隨著位移增加而不斷提升，至峰值荷載后一段時間內(nèi)幾乎不變，直到后期試件屈曲較為嚴(yán)重時，水平荷載才開始逐漸下降，說明在0.3軸壓比加載下的石墨尾礦混凝土柱的破壞特征基本屬于彎曲破壞，體現(xiàn)出較好的延性性能。

3.1滯回曲線與骨架曲線

用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄水平方向作動器的荷載（P）與加載點處的位移（Δ），并以此為依據(jù)得到試件的P-Δ滯回曲線，將滯回曲線上同向各次加載的荷載峰值點依次連接起來得到的包絡(luò)曲線即為試件的骨架曲線，如圖7所示。

由圖7可以看出，試件的滯回曲線較為飽滿圓滑，滯回環(huán)整體呈現(xiàn)出弓形形狀。其骨架曲線在加載過程的中后期基本保持水平不變或略微下降，說明在0.3軸壓比加載下石墨尾礦混凝土柱的塑性變形能力較強，有較好的抗震性能。

根據(jù)滯回曲線和骨架曲線可得，試件的正向承載力最大值為290.0 kN，負(fù)向承載力最大值為282.4 kN，試件承載力下降至85% 峰值荷載時所對應(yīng)的位移Δy=18.8 mm，試件的屈服位移Δu由等能量法確定（Park，1988），Δu=74.6 mm，延性系數(shù)μ=Δu/Δy=4.0。試驗數(shù)據(jù)表明：試件有較強的承載能力，并且位移延性系數(shù)較大，體現(xiàn)了石墨尾礦混凝土柱良好的吸收和耗散能量的能力。

3.2剛度特性分析

試件在往復(fù)載荷作用下會進(jìn)入彈塑性階段且損傷會逐漸累積，導(dǎo)致其剛度隨著載荷和位移的增加而不斷降低，這種現(xiàn)象被稱為剛度退化。常用割線剛度曲線表征試件的剛度退化大小，割線剛度（K）的定義為每次循環(huán)的正向或負(fù)向最大載荷與相應(yīng)位移的比值，如圖8所示。

由圖8可知，在加載初期，試件處于彈性狀態(tài)，剛度較大。繼續(xù)加載至混凝土開始開裂，此時，由于截面變小，試件剛度急速退化。當(dāng)試件進(jìn)入屈服階段時，由于很少有新的裂紋產(chǎn)生，剛度退化速度減小。試驗進(jìn)入后期時，試件破壞嚴(yán)重，剛度持續(xù)降低，至最終破壞時割線剛度接近0，說明此時試件的恢復(fù)力已基本喪失。

3.3耗能能力分析

耗能能力是指構(gòu)件在往復(fù)荷載作用下吸收能量的大小，在工程抗震中，常用等效黏滯阻尼比來衡量構(gòu)件的耗能能力。

等效黏滯阻尼比指的是試件往復(fù)一周的單圈耗能與定義每個周期相關(guān)彈性能量的直角三角形面積之比，試件的等效黏滯阻尼比如圖9所示。

由圖9可知，隨著加載位移的增加，試件的等效黏滯阻尼比逐漸變大，且前期增速相對較慢，后期增速相對較快，試件等效粘滯阻尼比最大值為0.37。說明石墨尾礦混凝土柱能夠吸收和耗散較多的能量，其滯回耗能的能力較強。

4結(jié)論

本文通過不同砂子替代率下的GTC力學(xué)性能試驗確定石墨尾礦的最佳替代率，并根據(jù)最佳替代率下石墨尾礦混凝土柱的擬靜力試驗分析，得到結(jié)論如下：

（1）石墨尾礦混凝土的最佳替代率為30%，其抗壓強度和劈裂抗拉強度均大于其它替代率下的混凝土，彈性模量與普通混凝土接近，故可認(rèn)為30%為石墨尾礦部分替代砂子的最佳比率。

（2）當(dāng)軸壓比為0.3時，最佳替代率下石墨尾礦混凝土柱在水平往復(fù)加載下的破壞形式呈現(xiàn)出彎曲破壞特征，屬于延性破壞，延性系數(shù)可達(dá)到4.0左右，滯回曲線較為飽滿，表現(xiàn)出良好的延性性能，可以滿足在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用需求。

（3）柱試件在擬靜力加載下的割線剛度呈現(xiàn)逐漸退化的趨勢，前期退化速度較快，后期退化速度較慢，至完全破壞時剛度已基本下降為0；而等效粘滯阻尼比呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，前期增速較慢，后期增速較快，最大值達(dá)到0.37，表現(xiàn)出較好的耗能能力和抗震性能。

本文只對軸壓比為0.3時的石墨尾礦混凝土柱開展了試驗，并討論了其抗震性能，對于其他軸壓比下石墨尾礦混凝土柱力學(xué)性能，仍有待于進(jìn)一步開展試驗和分析。

本文試驗所用石墨尾礦由黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院劉洪波教授提供，在此深表謝意！

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Pseudo-static Experiment on the Seismic Performance of Graphite Tailings?Concrete Columns with Optimal Substitution Rate

WANG Dongxu1，2，GONG Maosheng2

（1.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration，Institute of Engineering Mechanics，?China Earthquake Administration，Harbin 150080，Heilongjiang，China）

（2.Key Laboratory of Earthquake Disaster Mitigation，Ministry of Emergency Management，?Harbin 150080，Heilongjiang，China）

Abstract

In order to study the optimal ratio for the graphite tailings substituting for sand and the seismic performance of the concrete column with graphite tailings，the concrete columns with graphite tailings at four ratios（10%，20%，30% and 40%）were tested to verify the pressive strength，the splitting tensile strength and the static compressive elastic modulus，and these parameters were compared with their corresponding parameters of the ordinary concrete and the optimal ratio for the graphite tailings substituting for sand was determined：30%.Then a concrete column specimen at this optimal ratio was made and was subjected to a pseudo-static experiment.Based on the specimens damage characteristics，hysteretic curve，and skeleton curve，the seismic performance of the concrete column with graphite tailings was analyzed.The results show that the compressive strength and the tensile strength of concrete with graphite tailings at optimal ratio of 30% are the highest，and the modulus of elasticity is higher than that of concrete with other ratios and close to that of the ordinary concrete，indicating that the optimal ratio is 30%.The concrete column with graphite tailings shows bending damage characteristics under low circumferential，reciprocal，and quasi-static loading，and the hysteretic curves are full and smooth，and the column has good ductility.With the increase of horizontal displacement，the secant stiffness of the specimen gradually decreases，and the equivalent viscous damping ratio gradually increases.The column as a whole exhibits good energy-consumption capacity and seismic performance.

Keywords：?graphite tailings concrete；mechanical properties；pseudo-static experiment；hysteretic curve；aseismic capacity

*收稿日期：2023-03-15.

基金項目：中國地震局工程力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費專項資助項目（2019C11，2021EEEVL0301）；國家自然科學(xué)基金項目（52178514，51678541）.

第一作者簡介：王東旭（1998-），碩士研究生在讀，主要從事地震工程研究.E-mail：wdx5858@126.com.

通信作者簡介：公茂盛（1976-），研究員，博士，主要從事地震工程研究.E-mail：gmshiem@163.com.

王東旭，公茂盛.2024.最佳替代率下石墨尾礦混凝土柱抗震性能擬靜力試驗［J］.地震研究，47（3）：474-481，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0049.

Wang D X，Gong M S.2024.Pseudo-static experiment on the seismic performance of graphite tailings concrete columns with optimal substitution rate［J］.Journal of Seismological Research，47（3）：474-481，doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0049.