礦渣微粉混凝土簡(jiǎn)支梁力學(xué)性能研究試驗(yàn)

　　摘要：我們對(duì)6 根不同礦渣微粉摻量的C40混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行了靜力加載試驗(yàn)，對(duì)其在豎向荷載下的受力過(guò)程、裂縫開(kāi)展情況、跨中撓度等進(jìn)行了較為深入的研究分析。從混凝土梁的力學(xué)性能變化趨勢(shì)，找到了礦渣微粉在C40混凝土當(dāng)中的最佳摻量，為礦渣微粉混凝土在工程中的運(yùn)用提供了設(shè)計(jì)參考。試驗(yàn)結(jié)果表明：礦渣微粉在C40混凝土當(dāng)中摻量為20%-30%之間時(shí)，混凝土的工作性能和力學(xué)性能均能得到較好的發(fā)揮，其中摻量為20%左右時(shí)混凝土力學(xué)性能更佳。

　　關(guān)鍵詞：礦渣微粉混凝土 簡(jiǎn)支梁 力學(xué)性能

　　引言

　　1、大力發(fā)展“綠色高性能混凝土”，就是大量利用優(yōu)質(zhì)的工業(yè)副產(chǎn)品和廢棄物，盡可能減少自然資源和能源的消耗，減少環(huán)境污染。

　　而摻有大量活性礦物摻合料的少熟料水泥混凝土的應(yīng)用便是其中之一。在混凝土中摻加礦渣微粉，不僅是減輕礦渣廢料污染、緩解礦物能源危機(jī)的有效途徑，更是提高混凝土綜合性能的有效方法。但是目前，工程混凝土對(duì)礦渣摻量的要求很大程度上限制了礦渣的充分利用和在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。事實(shí)上，通過(guò)合理的配合比設(shè)計(jì)，礦渣微粉可以配制出較高性能的混凝土，存在將礦渣微粉混凝土廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的可能性;只是在一般的配筋結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，礦渣微粉混凝土能否與鋼筋很好地共同工作、保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體性能，還有待試驗(yàn)檢驗(yàn)。本研究在已有的材料試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取典型的配筋受彎構(gòu)件，比較不同礦渣微粉混凝土摻量和不摻礦渣微粉的普通混凝土對(duì)構(gòu)件受力性能的影響。

　　2 、試驗(yàn)情況

　　2.1、試驗(yàn)材料

　　徐州興隆牌32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，各性能指標(biāo)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);普通礦渣微粉;普通碎石，粒徑≤40mm;細(xì)沙;普通自來(lái)水。

　　我們制作了同一混凝土強(qiáng)度等級(jí)，不同礦渣微粉參量的三種混凝土梁，如下：C40SL0(礦渣微粉摻量為0);C40SL20(礦渣微粉摻量為20%);C40SL30(礦渣微粉摻量為30%)。

　　2.2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　1.試驗(yàn)裝置及方法

　　全部試驗(yàn)采用千斤頂反力架兩點(diǎn)集中對(duì)稱的同步分級(jí)加載方式。在梁的純彎段混凝土表面設(shè)置電阻應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)，在其中一側(cè)和梁底共設(shè)五點(diǎn)：梁受壓外邊沿附近一點(diǎn);梁受拉外邊沿附近一點(diǎn);中間按外密內(nèi)疏布置兩點(diǎn);梁底正中央一點(diǎn)。另外在梁內(nèi)部受拉主筋上布置兩點(diǎn)(靠?jī)?nèi)側(cè)布置)。相應(yīng)在電阻應(yīng)變測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)處設(shè)應(yīng)變儀測(cè)點(diǎn)。撓度測(cè)點(diǎn)五處：跨中一點(diǎn)，分配梁加載點(diǎn)各一點(diǎn);支座沉降處各一點(diǎn)。全部數(shù)據(jù)采用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。

　　在試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中重點(diǎn)測(cè)量以下內(nèi)容：<1>觀察裂縫出現(xiàn)及展開(kāi)過(guò)程和形態(tài)，特別注意開(kāi)裂荷載和破壞荷載的大小，測(cè)量在使用荷載下的裂縫間距及裂縫寬度。<2>了解加載過(guò)程中縱筋的受力變化情況。<3>在純彎段內(nèi)(梁正中央)側(cè)面貼應(yīng)變片記錄各級(jí)荷載下梁的應(yīng)變值。<4>在梁支座及跨中布置位移計(jì)，量測(cè)跨中撓度。

　　按照試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)先進(jìn)行預(yù)加載0.2噸，然后卸載至0.每級(jí)加載值不大于使用狀態(tài)短期荷載值的20%.在接近試件的估計(jì)開(kāi)裂荷載時(shí)，為了使實(shí)際開(kāi)裂荷載較準(zhǔn)確，將原定的一級(jí)分為兩級(jí)來(lái)加載。裂縫出現(xiàn)后，恢復(fù)到原來(lái)一級(jí)來(lái)加載。在裂縫出現(xiàn)以前，每級(jí)加載后停5分鐘左右以便裂縫發(fā)展穩(wěn)定下來(lái)，并及時(shí)記錄裂縫發(fā)展情況。當(dāng)?shù)竭_(dá)極限承載力的90%左右后，每級(jí)加載不大于使用狀態(tài)荷載值的5%.

　　2.試件設(shè)計(jì)與制作

　　所有梁的截面尺寸都是100mm×160mm，配筋率都為1.2%.梁的有效跨度為1750mm，其中中間純彎段跨度為400mm，兩邊剪彎段跨度都為600mm，純彎段內(nèi)不布置箍筋，剪彎段內(nèi)布置箍筋為φ6@150.梁的詳細(xì)尺寸及配筋見(jiàn)表1.

　　表1 構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)

　　3 、 試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　3.1、簡(jiǎn)支梁純彎段力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果與比較分析

　　1.破壞形態(tài)

　　各根梁的開(kāi)裂荷載、破壞荷載及其破壞形態(tài)見(jiàn)表2

　　表2 各梁的破壞形態(tài)

　　2.裂縫開(kāi)展情況

　　梁在試驗(yàn)過(guò)程中，加載至1.2噸左右時(shí)在純彎段梁底出現(xiàn)第一條可見(jiàn)裂縫，隨著荷載的逐步增加，出現(xiàn)新的垂直裂縫，裂縫高度隨荷載增大而逐步升高。加載至2.0噸左右時(shí)，在剪彎段靠近梁底加載的地方出現(xiàn)斜裂縫，裂縫條數(shù)不多，一般單面條數(shù)在5條左右，其裂縫寬度一般不超過(guò)純彎段的裂縫寬度，且裂縫沒(méi)有延伸至加載點(diǎn)。最后，由于純彎段內(nèi)的混凝土被壓碎而喪失承載力，純彎段混凝土被壓碎時(shí)，臨界荷載很大。

　　3.梁的跨中荷載―撓度曲線

　　梁的跨中荷載―撓度曲線可以看出：簡(jiǎn)支梁從加載到發(fā)生彎曲破壞經(jīng)歷了彈性階段，帶裂縫工作階段和破壞階段。垂直裂縫出現(xiàn)前，荷載―撓度曲線基本呈直線變化，當(dāng)荷載增加至極限荷載的25%-35%左右時(shí)，出現(xiàn)第一條垂直裂縫，荷載―撓度曲線出現(xiàn)第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn);隨著荷載的繼續(xù)增加，出現(xiàn)斜裂縫，當(dāng)加載至極限荷載的85%-95%時(shí)，荷載―撓度曲線出現(xiàn)第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，撓度迅速增大，直至破壞。還可以明顯的看出：粉煤灰的摻量越大，荷載―撓度曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的出現(xiàn)越滯后;但是梁的破壞荷載的大小順序是：摻量為20%的最大，其次為摻量為30%的，最小的是普通混凝土梁。由此可見(jiàn)，混凝土內(nèi)摻入礦渣微粉可以提高強(qiáng)度，但是摻量要適當(dāng)，否則效果不明顯。

　　4.鋼筋應(yīng)變的發(fā)展

　　在相同的縱筋配筋率下，開(kāi)裂前不同礦渣微粉摻量的梁縱向鋼筋應(yīng)變發(fā)展幾乎相同，開(kāi)裂后， 縱向鋼筋應(yīng)變發(fā)展的情況為：礦渣微粉摻量為20%的滯后于配比為30%的，摻量為30%的滯后于普通混凝土的?？梢?jiàn)，縱向受力鋼筋的應(yīng)變發(fā)展受到礦渣微粉摻量的影響，在一定范圍內(nèi)，隨著礦渣微粉摻量的提高，鋼筋應(yīng)變發(fā)展將減慢，但如果礦渣微粉摻量超過(guò)一定范圍，鋼筋的應(yīng)變發(fā)展又將加快。

　　5.混凝土應(yīng)變的發(fā)展

　　可見(jiàn)部分梁H1和H2處的混凝土應(yīng)變有先增大后減小的趨勢(shì)，分析其原因：H1和H2處的混凝土在加載初期是受壓的，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，中和軸上移，受壓區(qū)變小，這兩處由受壓區(qū)變?yōu)槭芾瓍^(qū)，所以出現(xiàn)以上變化趨勢(shì)。

　　分析礦渣微粉摻量對(duì)荷載―混凝土應(yīng)變曲線的影響：在梁的受壓區(qū)即H1和H2處，混凝土的應(yīng)變隨礦渣微粉參合量增大有先增大后減小的現(xiàn)象;在梁的受拉區(qū)即H3、H4和H5處，混凝土的應(yīng)變量隨著礦渣微粉參合量的增大而增大。由此可以推斷：摻入一定比例的礦渣微粉，可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度反倒起削弱作用。

　　3.2、 簡(jiǎn)支梁剪彎段力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果與分析比較

　　這里主要分析剪彎段的裂縫情況，荷載為極限荷載的35%-40%時(shí)，各梁均在剪彎段靠近加載點(diǎn)處產(chǎn)生斜裂縫，隨著荷載的增加，梁在剪彎段距支座200mm-500mm梁二分之一高處，均出現(xiàn)腹剪裂縫，此裂縫向梁頂和梁底延伸，發(fā)展成臨界斜裂縫?？梢?jiàn)，礦渣微粉的摻入對(duì)簡(jiǎn)支梁的抗剪沒(méi)有什么影響。

　　4、結(jié)論

　　從以上分析我們可以得出下列幾點(diǎn)結(jié)論：

　　混凝土內(nèi)摻入20%-30%礦渣微粉取代水泥可以提高其力學(xué)性能。且僅從構(gòu)件抗彎、抗剪的性能方面考慮，C40混凝土中礦渣微粉最佳摻量在20%左右。

　　縱向受力鋼筋的應(yīng)變發(fā)展受到礦渣微粉摻量的影響，鋼筋應(yīng)變發(fā)展比較：摻量為0的>摻量為30%的>摻量為20%的。說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，隨著礦渣微粉摻量的增加，鋼筋應(yīng)變發(fā)展呈先減慢后增快的趨勢(shì)。

　　礦渣微粉可以增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度，但是對(duì)混凝土的抗拉強(qiáng)度反倒起削弱作用。

?二級(jí)結(jié)構(gòu)工程師

更多信息請(qǐng)?jiān)L問(wèn)：結(jié)構(gòu)工程師頻道    結(jié)構(gòu)工程師論壇