掺锂渣钢筋混凝土梁的受弯性能试验研究.pdf

2 0 1 6年第 3期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng l 3 文 章编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 0 1 3 0 4 掺锂渣钢筋混凝土梁的受弯性能试验研究 许开成 ， 聂 行 ， 陈梦成 ， 阳翌舒 ( 华东交通大学 土木建筑学院 ， 建 筑过程模拟与控制江西省重点实验 室 ， 江西 南 昌 3 3 0 0 1 3 ) 摘要 ： 为 了研 究掺锂渣钢筋混凝土梁的抗弯机理和受弯性 能， 对 6根试验 梁进行两点集 中对称加载试 验。试验结果表明： 在相同配筋情况下， 锂渣取代率对梁极限承载力无显著影响 ； 当锂 渣取代 率为 1 0 1 5 时， 相 比普通混凝土梁， 掺锂渣混凝土梁的开裂荷载有一定提 高， 表现 出较好的抗裂性 ； 在适筋 范 围内提 高受拉 钢 筋 的配筋 率 可提 高掺 锂渣 混凝 土 梁的 开 裂荷 载 ； 掺锂 渣 混 凝 土 梁 的正 截 面 应 变服 从 平 截 面假定， 采用现行混凝土结构设计规 范中的计算公式对试件 的承栽力进行计算是可行的， 计算结果偏 于 安 全 。 关 键词 ： 锂渣钢 筋 混凝 土 模 型 梁 受弯性 能 中图分 类号 ： U 4 4 8 3 4； T U 3 1 7 1 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 6 0 3 0 4 锂 渣是锂 辉石 经 1 2 0 0 c 【 = 锻烧 后 生产 碳 酸 锂 时产 生的工业废 ( 残 ) 渣 ， 色泽浅黄 ， 其 主要成分 为 S i O ， A 1 O ， C a O等。由于锂渣含有较 多的无 定形 S i O 和 A 1 ， 0 ， 具 有较 高的火 山灰 活性 。 ， 它可作 为高 活 性优 质掺 合料 应用 于混 凝 土 中。研 究 表 明 ， 锂 渣 混凝 土 具 有微膨胀 、 内部结构致密的特点 ， 大大提高了混凝土的 抗 渗性 和抗 裂性 。 ， 同时运 用 锂 渣取 代 部 分水 泥 配制出的高强高性能混凝土表现 出了优 良的抗冻性 、 抗冲磨性 。 。 目前 国内外学者对锂渣混凝土材料基 本力学性能的研究较多， 对再生钢筋混凝土构件 的试 验也较为多见。 ， 但对锂渣混凝土构件及结构的研 究 尚少 ， 尚未有 针对 锂渣 混凝 土构 件力 学性能 的研 究 。 基于此 ， 本文设计了 1根普通钢筋混凝土梁和 5根掺 锂渣钢筋混凝土梁进行抗弯性能试验研究。 1 试验简介 1 1试验 材料 及配 合 比设 计 试验使用的锂渣为宜春银锂新能源股份有 限公司 通过“ 变温碳化法” 制备碳酸锂时产生的废渣， 经高低温 干燥和球磨机粉磨后 ， 测得 4 5 m筛余约为 8 ， 密度 约 为2 1 0 0 k g m 。配 制 C 4 0混 凝 土 所 采 用 的 材 料 有 洋 房牌 4 2 5级水 泥 、 天 然河砂 、 天 然碎 石 ( 粗 骨料 粒径 约为 52 0 m m) 、 自来水 ， 混凝土配合比见表 1 。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 9 - 0 3 ； 修回 日期 ： 2 0 1 5 1 2 - 0 2 基金项 目： 国家 自然科 学基金 ( 5 1 4 6 8 0 1 7 ， 5 1 3 7 8 2 0 6) ， 江西省 自然科 学 基金 ( 2 0 1 3 3 B C B 2 4 0 0 8 ， 2 0 l 4 3 AC B 2 0 0 0 8) 作者简介 ： 许开成( 1 9 7 3 一 ) ， 男 ， 教授 ， 博士 。 表 1混凝土 配合 比 k g 1 2试件 设计 本试验共制作 了 6根梁 ， 其 中 1根为普通钢筋混 凝土梁 ， 其余 5根为掺锂渣钢筋混凝土梁 ， 梁的尺寸及 配筋见图 1 ， 试件基本参数见表 2 。 1 3试件 加载 及测 点布 置 为消除剪力对正截面受 弯的影 响， 试验采用两点 对称加载 ， 通过分配梁对称地 同步分级加 载方式将荷 载施加到梁上 ， 在梁跨 中形成 4 0 0 m m 的纯弯段。在 长度 为 4 0 0 mm的纯 弯段 内和支座 处布置位移 传感 器， 以观察加载后梁的变形全过程。钢筋应变片 的布 置位 置参 见 图 1 ， 试 件 加 载 装 置 及 应 变 和 位 移 测 点 布 置见 图 2 。在正式 加 载前先 进 行 预 压 ， 预 压 至 5 k N后 卸载 ， 使测试仪进入正常工作状态， 试验操作过程严格 按照 标准 进行 。 1 4试验 过程 描述 6根试件 的试验过程基本相似 ， 加载初期 ， 由于荷 载较小， 荷载与挠度大致呈直线增长关系， 试件处于弹 性工作状态。随着荷载的增 大， 受拉区混凝土 的应变 增长速度加快 ， 当荷载达到 1 2 k N左右时 ， 试验梁跨 中 开裂 ， 受拉钢筋应变突然变大。随着荷载继续增大 ， 梁 1 4 铁道建筑 Ma r c h ， 2 0 1 6 I P l o0 300 l 4 o 0 3 0 0 1 0 0 1 0 0 。 I l1 道 L l l I l -J I l I I l I 1 l 一 钢筋应变片 1 I 1 1 0 0【 1 0 0 0 l 0 0 图 1 梁 的尺 寸及配筋( 单位 ： IT I ) 表 2试件基本 参数 试 件 编 号 锂 渣 取 代 率 茎 截m 2 架 立 筋 鄹 P L 一 1 0 4 4 2 4 3 8 1 2 C1 0 ( 1 5 7) 2 A6 1 1 2 LL 1 1 0 4 8 4 4 3 8 1 2 C1 0( 1 5 7) 2 A 6 1 1 2 L L 一 2 1 5 4 5 7 4 3 8 1 2 C1 0 ( 1 5 7) 2 A6 1 1 2 LL一 3 2 041 4 4 2 9 5 2C1 0(1 5 7) 2A6 1 1 2 L L - 4 1 5 4 5 7 4 3 8 1 2 C 8 ( 1 0 1 ) 2 A6 0 7 2 L L 一 5 1 5 4 5 7 4 5 5 2 2 C1 2 ( 2 2 6) 2 A6 1 6 1 * T T - - 一碾 壤工 厅 一 _ 图 2 试验加 载与测试装置 的挠 度逐 渐增 大 ， 梁跨 中裂 缝 开始沿 梁 高 向上 延伸 ， 纯 弯段 裂 缝 增 多 ， 受 压 区混 凝 土 应 变 增 长 速 度 加 快 ， 塑 性特征表现得越来越 明显。当受拉钢筋屈服后 ， 荷载 增加 缓慢 ， 而试 验 梁 的挠度 急剧 增加 ， 直 至梁 顶混凝 土 被压 碎 ， 试 验梁 破 坏 。 2试验结果分析 2 1 平截 面假 定适 用性 不 同锂 渣取 代 率试 验梁 跨 中截 面应 变 见 图 3 。 从图 3中可以看出 ， 在试件受力后 ， 截面各点混凝土 和钢筋纵 向应 变沿 截面 高度方 向近似 呈直线 变化 。 这 表 明 掺 锂 渣 混 凝 土 梁 在 受 弯 过 程 中 平 截 面 假 定 是 成立 的 。 3 0 0 4 0 0 2 0 01 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 2 0 01 0 0 0 应变， 1 0 - 6 ) ( b ) L L- 2 图 3 不 同锂渣取代率 试验梁跨 中截面应变 2 2 钢 筋应 变及 跨 中挠度 由各试件 中受拉钢筋上的钢筋应变片测得的应变 作出的荷载一钢筋应变曲线如图 4所示。从图 4可以 看出， 曲线大致可 以分为直线段 、 曲线段 、 水平段。在 试验加载初期 ， 荷载较小 ， 受拉区混凝 土尚未开裂 ， 受 拉钢筋的应变随荷载增加呈线性增长。随着荷载的增 加 ， 试验梁跨 中附近出现裂缝 ， 钢筋应变 突然增大 ， 此 后钢筋应变增长速度较 开裂前快。在加载后期 ， 钢筋 达到屈服 ， 荷载几乎不再增加 ， 钢筋应变却迅速增加 ， 直至构件破坏。在相 同配筋率下 ， 掺锂渣混凝 土梁 和 普通混凝土梁跨中钢筋应变相差不大 ； 在相同荷载作 用下 ， 配筋率越大钢筋平均应变越小 。这说明掺锂渣 如 加 0 应 加 呲 应 之 2 0 1 6年第 3期 许开 成等 ： 掺锂渣钢筋混凝土梁 的受弯性 能试 验研究 1 5 混凝土梁与普通混凝土梁一样 ， 受拉区受到 的拉力主 要由纵 向受拉钢筋承担。 图 4 荷载一钢筋应变 曲线 图 5分别列出各试验梁的弯矩一跨 中挠度 曲线。 从 图 5中可 以看 出 ： 各 试 验 梁在 钒 筋 屈 服 后 均表 现 出 良好 的延性 ； 配筋率是影响掺锂渣混凝土梁挠度 的主 要因素 ； 在相同配筋情况下 ， 锂渣取代率的变化对试验 梁 的极 限承载 力 和挠度影 响均 较小 。 g 杰 缸 ， 图 5 弯矩一 挠度 曲线 2 3 开裂弯 矩及 正截 面承载 力 图 6对比了不同锂渣取代率的试验梁在相同配筋 情况下 的开裂弯矩。从图 6中可以看出 ， 试验梁的开 裂荷载随锂渣取代率的增 加先增后减 ， 锂渣取代率 为 1 0 时 ， 开裂 荷载 最大 。与普 通混 凝土 梁对 比 ， 锂 渣 取 代率为 1 0 1 5 的试验梁表现 出相对较好 的抗裂 性能。主要原因在于 ， 锂渣细颗粒能够起到微集料 填 充效应 ， 密实 了胶凝材料浆体结构 ， 改善 了混凝土的孑 L 隙特征 ， 从而提高了混凝土界面的粘结能力 。 争 Z 静 图 6 锂渣取代率一 开裂 弯矩 曲线 图 7对 比了锂渣取代率 为 1 5 的试验梁在 3种 不同配筋情况下 的开裂荷 载。由图 7可知 ， 开裂弯矩 随配筋率的增加而增大 ， 即配筋率适 当的提高有 助于 提 高梁 的抗裂 性 能 。 芎 堇 囊 缸 图 7 梁配筋率一 开裂 弯矩 曲线 本次试 验 梁开 裂弯 矩 和极 限 弯矩 见 表 3 。表 3列 出了试验梁的实测极限弯矩 M ： 与理论计算极限弯矩 ： ， 其中计算极限弯矩 是根据实测材料强度数据 采用现行混凝土结构设计规范 ( G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ) 中的抗 弯极 限 承载 力 公 式 求得 。 由表 3可 知 ， 相 同 配 筋情况下的 4根梁的极 限弯矩相差很小 ， 锂渣取代率 为 1 0 和 1 5 的试验梁的实测极限弯矩 与计算极限 弯矩的比值均大于 1 ， 计算值小于实测值 ， 故锂渣取代 率为 l 0 和 1 5 的梁正截面承载力计算方法可按现 行规范公式进行计算 ， 计算结果偏于安全 。 表 3试验梁开裂 弯矩 和极 限弯矩 3 结 论 通过对 比分析 6根试验梁的试验过程和试验数 据 ， 初步 得 出 以下 结论 ： 1 ) 掺锂渣 混凝土梁与普通混凝 土梁在试验过程 中有相似的破坏形态和抗弯机理。掺锂渣混凝土梁在 受力过程 中正截面应变变化基本符合平截面假定 ， 其 受拉区的拉力主要 由纵向受拉钢筋承担。 2 ) 6根试验梁均表现出较好的延性。锂渣取代率 的变化对梁的极限承载力和挠度影 响均较小 ， 锂渣混 凝土梁的承载力和挠度主要 由配筋率决定 。 1 6 铁道建筑 Ma r c h 2 0 I 6 3 ) 当锂 渣 取代 率 为 1 0 1 5 时 ， 相 比普 通 混 凝 土梁 ， 掺锂 渣 混凝 土梁 具有 较好 的抗 裂性 能 ， 且 在 适筋 范围内提高 配筋 率有助于提高掺锂渣混 凝土 的抗裂 弯 矩 。 4 ) 采用现行规范公式计算锂渣取代率 为 1 0 1 5 的锂渣混凝土梁 的极 限弯矩是可行的 ， 计算结果 偏 于 安全 。 参 考 文 献 1 李 春红 ， 费文 斌 浅 谈 锂渣 在 建 材工 业 中 的研 究 与 应用 J 世界有色 金属 ， 2 0 0 0 ( 1 0 ) ： 2 1 2 4 2 费文斌 利用 锂渣 取代 部分水 泥 配制 混凝 土 J 水 泥 技 术 ， 1 9 9 8 ( 6)： 3 6 4 0 3 曾祖亮 锂 渣 的来 源和 锂渣 混凝 土 的增 强抗 渗机 理探 讨 J 四川 有色金属 ， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 4 9 5 2 4 丁建彤 ， 白银 ， 蔡跃波 锂渣粉对 碱一硅反应的抑制效果 及 其 自身微膨胀 的分 离 J 河海 大学学 报 ( 自然科 学 版 ) ， 2 0 0 8， 3 6( 6)： 8 2 4 8 2 7 5 温勇 ， 刘 国君 ， 秦志 勇 ， 等 锂 渣粉对 混凝 土氯离子 渗透 性 的影 响 J 混凝 土 ， 2 0 1 1 ( 8 ) ： 7 6 7 8 6 王 国强 ， 努尔开力 依 孜特罗甫 ， 侍 克斌 ， 等 锂渣细度对锂 渣混凝 土早 期抗 裂性能影 响及分形 评价 J 粉 煤灰综 合 利 用 ， 2 0 1 0 ( 5 ) ： 2 3 2 5 ， 2 8 7 杨恒阳 ， 周 海雷 ， 侍 克斌 ， 等 锂渣一粉 煤灰 高性 能混凝 土 早期抗裂性能试验研究 J 混凝土 ， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 6 5 6 7 8 张兰芳 高性能锂渣混凝土的试验研究 J 辽宁工程技术 大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 6 ) ： 8 7 7 8 8 0 9 张兰芳 ， 陈剑雄 ， 李世伟 ， 等 锂 渣混凝 土的性 能研究 J 施工技术 ， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 8 ) ： 5 9 6 0， 6 8 1 0 张善德 ， 侍 克斌 ， 裴成元 ， 等 高性 能锂渣混 凝 土的试 验研 究 J 粉煤灰综合利用 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 3 5 ， 2 4 1 1 吴瑾 ， 丁东方 ， 杨 曦 再生混凝土梁正截面开裂 弯矩 分析 与 试 验研 究 J 建 筑结 构 ， 2 0 1 0 ， 4 0 ( 2 ) ： 1 1 2 一 l 1 4 1 2 陈宗平 ， 范杰 ， 叶培欢 ， 等 钢筋再 生混凝 土梁 受力性 能试 验研究 J 建筑结构 ， 2 0 1 3 ， 4 3 ( 9 ) ： 9 2 9 5 ， 9 1 3 中华人 民共 和国住 房和城乡建设部 ， 中华人 民共和 国国家 质 量监 督检 验检疫总局 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝 土结构 设 计 规范 s 北 京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 1 Ex p e r i m e n t a l St u d y o n Fl e x u r a l Pe r f o r ma nc e o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e Gi r d e r M i x e d wi t h Li t h i u m S l a g XU Ka i c h e n g， NI E Ha n g， CHEN Me n g c h e n g， YANG Yi s h u ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， K e y L a b o r a t o r y o f C o n s t r u c t i o n P r o c e s s S i mu l a t i o n a n d C o n t r o l Ea s t C h i n a J i a o t o n g Un i v e r s i t y， Na n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 1 3， C h i n a ) Abs t r a c t ： I n o r d e r t o s t ud y f l e x ur al p e r f o r m a n c e a n d m e c ha ni s m o f r e i nfor c e d c o nc r e t e g i r de r s mi x e d wi 山 l i t hi u m s l a g， 6 g i r de r s we r e t e s t e d wi t h t wo c o nc e nt r a t e d l oa ds s ymm e t r i c a l l y The r e s ul t s s ho w tha t the s u bs ti t uti o n r a t e of l i thi u m s l a g h a s l i t d e e ff e c t o n t h e u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y wh e n t h e r e i n f o r c e me n t r a t i o wa s the s a me f o r gir d e r s Wh e n the r a t e wa s 1 0 t h r o u g h 1 5 ， c o mp a r e d wi th the o r d i n a r y c o n c r e t e gi r d e r s ， the c r a c k i n g l o a d o f gi r d e r s mixe d w i th l i thi u m s l a g h a d s l i g h t l y i mp r o v e d wi th b e t t e r c r a c k r e s i s t a n c e T h e c r a c k i n g l o a d o f gi r d e r s mixe d w i th l i thi u m s l a g c o u l d be i mp r o ve d b y i nc r e a s ing the r e i nf o r c e me n t r a ti o i n t he r a ng e of s ui t a b l e r e inf o r c e m e nt The a v e r a g e s t r a in m e a s ur e d o n c r o s s s e c t i o n me e t s th e pl a ne s e c ti o n a s s umpti o n， a nd i t i s f e a s i bl e a nd c on s e r va t i v e t o c al c u l a t e the b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e gi r d e r s mixe d w i t h l i t h i u m s l a g b y u s i n g t h e f o r mu l a in the c u r r e n t c o d e f o r d e s i g n of c o nc r e t e s t r uc t u r e s Ke y wo r d s： Li thi u m s l a g； Re i nf o r c e d c on c r e t e； M od e l g i r de r； H e x ur al b e h a v i o r ( 责任审编赵其文)