高钛重矿渣钢筋混凝土柱性能研究.pdf

2 0 1 5年 第 7期 (总 第 3 0 9期 ) N u mb e r 7 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 0 9) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 7 0 1 2 高钛重矿 渣钢筋混凝土柱性能研 究 李悦 。 刘雄飞 。 丁庆军 ，吴淼可 ， 李虹 ( 1 北京工业大学 a 城 市与工程 安全减灾教育部重点实验室 ， b 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室 ，北京 1 0 0 1 2 4 ； 2 武汉理工大学 材料学院，湖北 武汉 6 3 0 0 7 0 ) 摘要 ： 将混凝土粗细集料全部取代为高钛重矿渣材料 ， 分析高钛重矿渣钢筋混凝土的结构性能。 试验设计 出高钛重矿渣钢筋 混凝土柱， 分析其轴压性能 ， 并和普通钢筋混凝土柱进行对 比。 研究表明： 高钛重矿渣 昆 凝土的力学性能指标高于普通混凝土 ， 具有较高的界面能； 高钛重矿渣钢筋混凝土柱和普通钢筋混凝土柱的结构性能相似， 但极限受压承载力 比普通钢筋混凝土柱提 高了2 9 6 8 。 认为高钛重矿渣钢筋混凝土结构满足结构设计的要求。 关键词： 高钛重矿渣钢筋混凝土； 结构性能 ； 轴压性能 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 4 9 0 3 St udy on t he col um n p eor manc e of hi gh t i t ani um he a vy sl ag r ei nf or c e d c oncr et e U Yu e ， LI U Xi o n g f e i ， DI NG Q i n g j u n ， WUMi a o k e ， L I Ho n g ( 1 a T h e Ke y L a b o r a t o r y o f Ur b a n S e c u r i t y a n d Di s a s t e r E n g i n e e r i n g， MOE； b Be ij i n g K e y L a b o f E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l R e t r o fi t ， B e ij i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a ； 2 T h e S c h o o l o f Ma t e r i al s ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 6 3 0 0 7 0 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： A c omp a r a t i v e s t u d y wa s c o n d u c t e d o n t h e h i g h ti t a n i um he a v y s l a g c o n c r e ， wh i c h a l l the a g g r e g a t e s we r e r e p l a c e d wi th t h e hi g h ti t ani u m h e a v y s l a g Th e b e a r i n g c a p a c i t y o f hi g h t i t a n i u m he a v y s l a g r e i nf o r c e d c o n c r e c o l u mn s we r e a n a l y z e d Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h e me c h a n i c a l pr o p e r t y a n d the i n t e r fic i a l e n e r gy o f h i g h t i t a ni u m h e a v y s l a g r e i n f o r c e d c o n c r e te i s h i g he r tha n c o mmo n r e i n f o r c e d C O fl c r e ， a n d the c o l umn s o f hig h ti t a n i u m he a v y s l a g r e i n f o r c e d c on c r e s h are the s i mi l ar s t r u c t u r a l b e h a vi o r wi th c o mmo n r e i n f o r c e d c o n c r e t e Th e a pp l i c a t i o n o f h i g h tit a n i u m h e a v y s l a g r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mns i nc r e a s e s the a x i a l b e ari ng c a pa c i ty b y 2 9 6 8 Re s u l t s r e v e a l tha t th e h i g h ti t an i u m h e a v y s l a g r e i n f o r c e d c o n c r e t e m e e t s th e re q u i re me n t s o f the s t r u c t u r a l d e s i g n c o mp l e t e l y K e y wo r d s ： h i g h ti t a n i u m h e a v y s l a g rei n f o r c e d c o n c r e t e； s t r u c tur a l b e h a v i o r ； a x i a l b e a r i n g c a p a c i t y 0 引 言 高钛重矿渣是指 以钒钛矿石 为原料冶炼生 铁过程 中 排出的熔 渣 ， 经淬 冷或 自然冷 却得 到一 种 T i O 含量 达 2 0 以上的粒状或块状废渣 。 目前主要处理方式采用堆放 和掩埋 ， 造成环境破坏 、 水土流失 。 研究表明将高钛重矿渣 用于混凝土材料中是解决其 问题 的重要 途径之一 。 何 奇、 A1 一N e g h e i mi s h AI 等 研究 了高钛重矿渣混凝 土的工 作性能 ， 发现高钛重矿渣粗集料 和细集料均为多孔 材料 ， 在配制混凝土过程 中会吸附大量的水 泥砂浆 ， 对混凝土的 工作性能产生诸多不利的影响 ， 所以在配制高钛重矿渣混 凝土前需要对重矿渣的粗集料和细集料进行饱水处理 ； 刘 应春 认为对 矿渣砂进 行 2 4 h浸 泡 ， 粗集料 进行 1 2 h浸 泡， 高钛重矿渣混凝土的工作性能及体积稳定性性能最 好 ； 渣粉含量在 1 0 l 5 可以明显改善 混凝土 的工作 性 能和包裹性能 ； C 1 0 C 6 5复合高钛重矿渣混凝土的耐久 性 、 劈裂强度等性能均优于普通混凝 土 ， 而且高钛重 矿渣混凝土 比普通骨料混凝土的抗压强度一般提高 5 MP a 左右 ， 以及同条件下复 高钛重矿渣混 凝土与钢 筋 的极 限黏结 强度 比混 凝 土 平 均 高 出约 2 7 l l J ； 通 过 S E M、 X R D、 D T A、 T GD S C等微观测试手段 ， 研究 分析 了高钛 重矿渣在混凝土中的作用 机理 ， 发 现 c a ( O H) ， 参 与二次 水化反应使强度稳定增长 ， 高钛矿渣微 粉能够使混凝土形 成 自紧密堆积体 系， 加速水 泥熟料矿物水化 ， 发挥 了高钛 矿渣 的潜在水硬性 ， 明显改善骨料 一浆体结构 ； 对于 高钛重矿渣的耐久性研究 ， 配制 了 C 2 0 、 C 3 0混凝土 ， 通过 碱集料活性 、 体积收缩 变形 、 抗 渗性 、 抗冻性 、 抗硫 酸盐腐 蚀 、 抗钢筋锈蚀 、 抗碳化等一系列 的耐久性测试 ， 认为高钛 重矿渣混凝土 的耐久性 均优于或类似于矿渣粉煤 灰高性 能混凝土 ； 通过用高钛重矿渣砂取代普通河砂， 并对 高钛重矿渣砂进行饱和处理和外加剂的调整 ， 配制 出高流 动度 C 6 5 泵送混凝土 ； 在实际重载公路路 面应用 中， 现 场进行了压实度检测、 弯沉值检测、 耐磨性检测， 以及强度 检测 ， 均满足了工程质量要求 ， 大大降低工程成本 ， 经济效 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 1 1 6 基金项目： 教育部“ 新世纪优秀人才支持计划” 项 目( N C E T 一1 2 0 6 0 5 ) ； 交通部科技项目( 2 0 1 1 3 1 8 3 5 1 9 3 0 ) 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 益明显 。 高钛重矿渣混凝土材料性能 的研究 已经取 得了一定的成果 ， 但其在结构 中的应用仍缺乏深入研究 。 柱子的轴压性能和抗震性能是结构设计 中重要 的部分 。 本 试验对高钛重矿渣钢筋混凝土柱轴压性能 ， 综合分析 了高 钛重矿渣钢筋混凝土在建筑结构设计 中的适用性 ， 并与普 通钢筋混凝土柱的轴压性能进行了对比。 研究结果为高钛 重矿渣钢筋混凝土在结构设计 中的应 用提供 一定的理论 支持。 1 原材料与试验方法 1 1 原材料 水泥： 钻牌 P O 4 2 5 R级水泥； 粉煤灰： I 级 F类粉煤 灰 ， 比表面积4 5 4 m 2 k g ； 粗集料： 攀枝花钢铁公司生产的5 2 5 r tl l l l 连续级配高钛重矿渣 ， 吸水率为 8 4 7 ， 表观密度 为 2 6 0 0 k g m ； 细集料 ： 攀钢高钛重矿渣砂 0 1 6 5 1 T ff n ， 细 度模数为 3 0 ， 渣粉含量为 1 0 8 ， 表观密度 3 3 0 0 k g m ， 续级配； 砂子： 细度模数为 2 6的河砂； 减水剂： 聚羧酸减 水剂 ， 减水率为 3 5 。 1 2试 验 方 法 根据 J G J 5 5 -z o o o ( 普通混凝土配合 比设计规程 进 行普通混凝 土和高钛重 矿渣混凝土 的配合 比设 计。 根据 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ( 普通混凝土力学性能试验方法标准 进行混凝 土抗压强度 、 劈裂强度和弹性模量 的测试。 混凝 土的坍落度按 G B T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 普通混凝土拌合物性 能试验方法标准 进行测试。 采用 G B 5 0 1 5 2 -9 2 混凝土 结构试验方法标准 进行钢筋混凝土柱 的轴压试验。 2 混凝土配合 比及物理力学性 能 试验制备了C 5 0的高钛重矿渣混凝土和普通混凝土， 高钛重矿渣混凝土 中粗集料和 细集料完全 由高钛重 矿渣 取代。 其配合 比为： 水泥： 粉煤灰： 水： 细集料： 粗集料 =1 ： 0 1 4 ： 0 3 7 ： 1 7 8 ： 2 4 5 ， 高钛重矿渣粗集料在配制混凝土前 堆积密度 1 7 4 0 k g m ； 石子 ： 石灰岩质碎 石 ， 5 2 0 r f n T l 连 预湿 1 2 h ， 各材料用量见表 1 。 表 1 两种混凝土的配合比及物理力学性能 由表 1 可 以看 出： 在配合 比相 同的情况下 ， 高钛 重矿 渣混凝土的力学性能指标高于普通混凝土 ， 但坍落度却低 于普通混凝土。 是 由于高钛重矿渣多孔的表面结构见图 1 。 胶凝材料灌入集料的孔 内， 在内部形成了大量的“ 销钉” ， 增大了界面的黏结强度 ， 具有较 高的界面能 ， 从 而提高 了 混凝 土的力学性能指标 。 但 同时会降低胶凝材料对混凝土 的润滑作用 ， 降低 了混凝 土的流动性 ， 所以即使在多加减 水剂的情况下， 高钛重矿渣混凝土的坍落度仍会低于普通 混凝 土。 图 1 高钛重矿渣颗粒 3柱子设计及加载试验 试件设计截 面为正方形 ， 边长为 2 2 0 n l l T l ， 配筋率 为 1 6 6 ， 配箍 率为 0 5 7 4 。 试 件设计 配 筋及 尺寸 见 图 2 。 ( 注 ： 柱顶部为 防止局部压坏 ， 加密配筋。 ) 柱子轴压试验按照标准加载 ， 为消除柱子端部受力不 5 0 均匀 的影响， 取柱 中间部 分 的位移 为柱 子的轴 压变形 位 移。 柱四面 中间位置布置横竖双 向的混凝 土应 变片 ， 以测 量混凝土轴向和横 向应变 。 加载示意 图如图 3 所示 。 - _ 工 0 茔 1 一 二 = 至 Q 1 一 l 至 至 Q ， 图2 柱子尺寸及配筋图( 单位： mm) P 位 移计 P 图3 柱子轴压加载图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 柱子轴压试验结果及分析 试验发现高钛重矿渣 钢筋 昆 凝土柱 和普通钢筋混凝 土柱的破坏过程相似。 加载的初期 ， 处于弹性变形阶段 ， 混 凝土柱的轴 向出现压缩变形 、 横 向出现膨胀变形 ； 荷 载持 续增大 ， 大约在7 0 8 0 极 限承载力时 ， 在柱子 中间位置 混凝土表皮开裂并 出现竖 向裂缝 ； 随着荷载继续增 大 ， 纵 向裂缝连接并扩大 ， 新裂缝 不断出现 ， 纵筋和箍筋 的应变 增大 ； 最后轴 向荷载增长速率变缓 ， 纵向钢筋屈 曲， 箍筋崩 开 ， 混凝土保护层脱落 ， 混 凝土柱子被压碎 ， 试验结束 。 柱 子破坏形态见 图4。 图4 柱子破坏形态 位 移 mm 图 5 两种混凝土柱的“ 荷载 一 位移” 曲线 通过 布置在柱 中部 的位移计绘制 出柱 的荷载 一位移 曲线如图 5所示。 可以看 出： 在相 同混凝 土配合 比及 构造条件下 ， 高钛 重矿渣钢筋混凝土柱子的极限荷载值高于普通钢筋混凝 土柱子的极 限荷 载值2 5 6 0 k N， 提高 了 2 9 ， 且初始 刚度 明显大于普通钢筋混凝 土柱 子。 当达 到极 限荷 载时 ， 两种 混凝土柱子的纵 向钢筋应变 值均超过规范 的钢筋极 限应 变值 。 说 明高钛重矿渣钢筋混凝土柱子能充分发挥钢筋的 强度 ， 表现出高钛重矿渣混凝土和钢筋 良好 的协调工作性 能 。 5 结论 ( 1 ) 高钛重矿渣集料为多孔材料 ， 表面粗糙 ， 胶凝材料 灌入集料的孔 内， 在 内部形成 了大量 的“ 销钉 ” ， 增 大了界 面的黏结强度 ， 具有较高 的界 面能 ， 从而提高 了混凝 土的 力学性能指标 。 ( 2 ) 在相 同混凝土配合 比及构造条件下 ， 高钛重矿渣 钢筋混凝土柱 的极 限荷载值高于普通钢筋混凝土柱 ， 提高 了 2 9 ， 且初始刚度 明显大于普通钢筋混凝土柱 ； 高钛重矿 渣钢筋混凝土柱中纵向钢筋达到规范极 限应变值 ， 表现出高 钛重矿渣混凝土和钢筋良好的协调工作性能。 参考文献 ： 1 何奇 高钛重矿渣配制水工混凝土的探索性试验研究 J 中国 科技博览 ， 2 0 1 0 ， 1 2 ( 3 ) ： 1 0 8 1 0 9 2 A LN E G H E I MI S H， A I ， A LZ A I D， R Z E f f e c t o f m a n u f a c t u r i ng p r oc e s s a n d r us ti n g o n t h e b o n d b e h a v i o r o f d e f o r m e d b a r s i n c o n c r e t e J C e me n t &C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 6 ) ： 7 3 5 7 42 3 刘应春， 郝跃武 C 6 5 泵送高钛重矿渣砂混凝土施工工艺研究 J - I 西南公路 ， 2 0 1 3 ， 1 ： 0 2 0 4 江海民， 牟廷敏， 丁庆军 高钛重矿渣混凝土的工作性能研究 J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 5 ) ： 1 2 5 1 2 7 5 李爱美 ， 李兵 ， 陈加耘 利用高钛重矿渣配制的 C 2 0混凝土耐 久性研究 J 四川建筑， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 3 ) ： 2 0 8 2 0 9 1- 6 王怀斌 ， 范付忠 ， 郝建璋， 等 高钛高炉渣在混凝土中的作用机 理 J 钢铁钒钛 ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 3 ) ： 4 8 5 3 7 C H E N W， S U N J K， H U A N G S H， e t a 1 E x p e r i m e n t a l s tud y o n me c ha n i c s p e rfo r ma n c e o f c omp l e x h i g h ti t a n i u m h e a v y s l a g c o n c r e t e J A d v a n c e d Ma t e r i a l s R e s e ar c h ， 2 0 1 3 ， 6 7 1 ： 1 8 0 01 8 04 8 陈剑雄， 肖斐， 崔洪涛， 等 钛矿渣综合利用的研究 J 新型建 筑材料， 2 0 0 4 ， 6 ： 2 2 2 4 9 S u n J K， C h e n W， H u a n g S H， e t a 1 s t u d y o n l o n g t e r m d e f o r m a ti o n an d du r a b i l i t y o f c o mp l e x h i g h t i t a n i u m h e a v y s l a g c o n c r e t e J A d v anc e d Ma t e ri a l s R e s e a r c h ， 2 0 1 1 ， 1 8 3 ： 1 8 1 7 1 8 2 1 1 0 黄双华， 陈伟， 孙金坤， 等 高钛高炉渣在混凝土材料中的应用 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 6 ， 1 1 ( 4 ) ： 7 1 7 5 1 1 金坤， 陈伟， 李英民， 等 复高钛重矿渣混凝土与钢筋黏结性 能试验研究 J 四川建筑科学研究， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 2 1 6 2 1 9 1 2 Y A N G H， S H I Y， Y A N G H H y d r a t i o n m e c h a n i s m o f c e m e n t i ti o u s c o m p o s i t e b a s e d o n h i g ht i t a n i u m s l a g a n d c e m e n t J J o u rnal o f Yang t z e Ri v e r S c i e n ti fic Re s e arc h I n s t i t u t e， 2 0 1 0， 3： 1 6 1 3 lJ 燕华 ， 陈波 高钛重矿渣在重载公路路面工程中的应 用 J 四川水力发电 ， 2 0 1 0 ， 2 9 ( 3 ) ： 3 3 3 6 公路路面工程中的应用 J -1 吉 林水利 ， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 1 4 1 5 叶正权 高钛重矿渣产品在公路路面中的应用研究 J 西南公 路 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 1 第一作者 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 李悦( 1 9 7 2一 ) ， 男 ， 教授 ， 博士。 北京市朝阳区平乐园 1 0 0号 北京工业大学建筑工程 学院( 1 0 0 1 2 4 ) 1 5 6 5 2 3 5 1 4 92 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m