掺尾矿砂混凝土梁受弯性能试验研究.pdf

全国中文核心期刊 杆 建巍 掺尾矿砂混凝土梁受弯性能试验研究 管品武， 孟会英， 邝周飞 ( 郑州大学 土木工程学院 ， 河南 郑州4 5 0 0 0 1 ) 摘要： 通过4 根尾矿砂替代率分别为4 0 、 5 0 、 6 0 、 7 0 的混凝土梁和 1 根普通混凝土梁的受弯性能对比试验， 研究尾矿砂 替代率对 混凝土梁 的受弯性能、 破坏形态和变形特征 的影 响规律 。结果表 明， 随着尾矿砂替代率 的增大 ， 混凝土梁 的开裂荷载和 极 限承载力没有 明显降低 ， 但混凝土梁最大裂缝宽度和跨中挠度 随尾矿砂替代率的增加而增大 ； 尾矿砂替代率在 4 o 5 0 时， 具有较 好的经济效益 。 关键 词： 尾矿砂混凝土： 梁； 替代率； 受弯性能 中图分类号： T U 3 7 5 1 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 1 8 0 3 Ex p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n t h e fle x u r a l p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e b e a ms wi t h mi l l e t a i l i n g s s a n d G U A N P i n w u ， ME N G Hu i y i n g ， KU A N G Z h o u f e i ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B y fl e x u r a l p e r f o r ma n c e c o mp a r i s o n t e s t s b e t w e e n 4 c o n c r e t e b e a ms w h o s e t a i l i n g s r e p l a c e m e n t r a t e a r e 4 0 ， 5 0 ， 6 0， 7 0 a n d 1 c o mmo n c o n c r e t e b e a m， w e s t u d y t he t a i l i n g s r e p l a c e me n t r a t e s i n fl ue n c e o n t h e f o r c e p e rfo r man c e， f a i l u r e mo d e an d d e f o r ma t i o n c h ara c t e ris t i c s T he r e s u l t s s h o w t h a t wi t h t h e i n c r e a s e o f t a i l i n g s r e p l a c e me n t r a t e ， t h e c r a c k i n g l o a d a n d 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 o f c o n c r e t e b e am s a r e n o t s i g ni fi c a n t l y r e d u c i n g ， b u t t h e ma x i mu m c r a c k wi d t h a n d s p a n de fl e c t i o n o f c o n - c r e t e b e a ms are i n c r e a s i n g ；wh e n t h e t a i l i n g s r e p l a c e me n t r a t e i s a t 4 0 t o 5 0 ， t he c o n c r e t e h a s t h e b e t t e r e c o n o mi c b e ne f i t s Ke y wo r d s ： mi n e t a i l i n g s s an d c o n c r e t e ， b e am ， r e p l a c e m e n t r a t e ， fl e x u r a l p e rf o r ma n c e 随着天然砂存储量越来越少，过度开采不但导致天然砂 质量下降而且造成环境破坏。同时， 我国每年产生大量尾矿， 尾矿堆积不但侵占土地、 湮没良田、 破坏生态平衡， 而且严重 浪费资源。 用尾矿砂替代部分细骨料配制混凝土是尾矿有效 再利用的重要方法之一。目前， 国内外对尾矿砂混凝土的配 制和基本材料性能进行了大量试验研究和理论分析 ， 但是 对尾矿砂混凝土结构性能的研究较少。本文通过4 根不同替 代率( 4 0 、 5 0 、 6 0 、 7 O ) 尾矿砂混凝土梁和 1 根普通混凝 土梁的受弯性能对比试验，研究尾矿砂替代率对混凝土梁的 受弯性能、 破坏形态和变形特征的影响规律， 为尾矿砂混凝土 的推广应用提供依据。 1 试验概况 1 1 试验材料 收稿 日期； 2 o l 5 一 o 7 - 2 3 ： 修订 日期： 2 0 1 5 - 0 9 1 8 作者简介： 管品武， 男， 1 9 7 1 年生， 湖南祁东人， 教授， 博士， 主要从事 混凝土结构基本理论及应用与工程结构抗震研究。 地址： 郑州市科学 大道 1 0 0号， E mail ： g u anp wz z u e d u c n 。 1 8 新型建筑材料 2 0 1 6 1 水泥： P 0 4 2 5 水泥； 粗骨料： 粒径5 2 0 m m碎石； 普通细 骨料： 中砂； 尾矿砂： 来自 湖北某铁矿区， 属中砂。 l - 2 试验设计 本试验以C 3 0 强度等级混凝土配合比为基准， 根据配合 比计算出的具体材料用量见表 1 。 以尾矿砂替代率为变量， 制 备5 根试验梁， 梁尺寸( Ex 宽X 高) 为2 5 0 0 m in x 2 0 0 m m x 4 0 0 m m ， 梁中纵向受拉钢筋为2 ( I ) 1 4 ， 箍筋为( I ) 1 0 1 5 0 ， 配筋率为 0 3 8 5 r 。 表 1 试验梁用混凝土的配合比 1 3 加载装置和测点布置 本次试验采用三分点加载，利用分配梁将荷载对称地施 加到试验构件上， 并在跨中形成 8 0 0 m m纯弯段， 应变及变形 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 管品武， 等： 掺尾矿砂混凝土梁受夸生 能试验研究 测点布置、 试验加载装置潮 如图I 所示。 压力传感 ( a ) 加载装置示意 ( b ) 加 载装置现 场 图 I 测点布置和试验加载装置示意 2 试验结果及分析 2 I 试验现象描述 由 试验可知， 5 根梁的 试验现象基本相似。 对试验构 件进 行预加载后， 开始正式加载。刚开始加载时， 荷载较小， 挠度、 混凝土应变以及钢筋应变都很小， 随着荷载增大， 挠度、 混凝 土应变和钢筋应变随之增大。 随着荷载继续增大， 首先在构件 l 7 8 k N 4 4 9k N m I U 7 。 KN 挺2 0 0 瞎 镒 1 0 0 跨中部位出现第 1 条垂直裂缝。 混凝土开裂后， 随着荷载继续 增加， 构件纯弯段内的裂缝宽度增大， 裂缝条数增多， 并逐渐 向上延伸。 随着荷载的进一步增大， 加载点正下方开始出现垂 直裂缝，加载点和支座之间开始出现斜裂缝，且向加载点延 伸。当荷载增；b l1 ) U 某一值时， 受拉区钢筋首先屈服， 构件挠度 和裂缝宽度的发展明显加快。 随着荷载的进一步增加， 构件纯 弯段上部混凝土被压碎， 构件破坏。 5 根试验梁的开裂荷载、 开裂弯矩、 极限荷载和极限弯矩 见 表2 。 表 2 试验梁的开裂荷载、 开裂弯矩、 极限荷载和极限弯矩 由表2 可知， 随着尾矿砂替代率增加， 混凝土梁的立方体 抗压强度整体稍微降低，但均能满足 C 3 0混凝土的强度要 求； 替代率为4 0 、 5 0 、 6 0 、 7 0 时， 尾矿砂混凝土梁的开 裂荷载和极限荷载与普通混凝土梁的差值均在 5 之内， 即 尾矿砂替代率对混凝土梁的开裂荷载和极限荷载影响不明 显。 2 2 平截面假定分析 尾矿砂替代率为0 、 4 0 、 5 0 、 6 0 和7 0 时， 不同荷载等 级下， 梁跨中混凝土应变沿截面高度的分布情况见图2 。 i 7 8 k N 4 4 9 k N 1 7 1 9 k N 桓 2 0 0 I 喧 糍 1 0 0 I 7 8 k N 4 4 9 k N l 7 一1 9 NmI U I (J K N 幢2 0 0 追 柩 1 0 0 i 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 - 1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0- i 0 0 0 0 i 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 应变 e 应变 e 应变 e ( a ) R C L -I ( b ) R C L 一 2 ( c ) R C L 一 3 i 7 8 k N 4 4 9 k N 7 1 9 k N 恒 2 0 0 I 恒 辍 i 0 0 1 7 8 k N 目 4 4 9 k N 7 1 9 k N7 1 9 k N 枢 2 0 0 喧 糍 i 0 0 -1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 - 1 0 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 应变 B 应变 ( d ) R C L 一 4 ( e ) R C L - 5 图 2 梁跨中混凝土应变沿截面高度的分布情况 NE W BUI L Dl NG MATE RI AL S l 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 管品武， 等： 掺尾矿砂 混凝土梁受弯性能试验研究 由图2 可知， 从开始加载到纵向钢筋屈服之前， 不同尾矿 砂替代率时，跨中混凝土应变沿截面高度变化曲线都近似一 条直线， 即荷载一定时， 跨中各点混凝土应变与该点到中心轴 的距离成正比。 由此可知， 尾矿砂混凝土梁和普通混凝土梁一 样， 都符合平截面假定。 2 3 纵 向受拉钢筋应变分析 纵向受拉钢筋应变随荷载变化曲线见图3 。 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 钢筋 应变 b e e 图 3 纵向受拉钢筋应变随荷载变化曲线 由图3 可知，纵向受拉钢筋应变随荷载变化曲线可划分 为3 个阶段： ( 1 ) 混凝土开裂之前， 纵向受拉钢筋应变很小， 随 荷载增加呈线性变化， 尾矿砂混凝土梁与普通混凝土梁纵向受 拉钢筋应变差别不明显， 且5 根梁的开裂荷载基本相同； ( 2 ) 混 凝土开裂后， 随着荷载继续增大， 纵向受拉钢筋应变增加速率 比混凝土开裂前明显变快， 且同级荷载作用下尾矿砂替代率 越高纵向受拉钢筋应变越大， 但尾矿砂混凝土梁受拉钢筋应 变发展趋势与普通混凝土梁基本一致； ( 3 ) 纵向受拉钢筋屈服 后， 荷载即使增加很少， 纵向受拉钢筋应变都会明显增大， 直 至构件被压坏， 此时5 根梁的极限荷载基本相同。 2 4 裂缝开展情况分析 由试验过程可知， 5 根梁的裂缝开展情况相似。 开裂时都 伴有轻微响声； 开裂后， 随荷载增加裂缝宽度增大； 纵向受拉 钢筋屈服后， 裂缝发展加快， 直至构 件破坏。 最大裂缝宽 度随 荷载的变化曲线如图4 所示。 图 4 最大裂缝宽度随荷载的变化曲线 由图4 可知，不同尾矿砂替代率混凝土梁的裂缝发展趋 势相似； 但尾矿砂替代率不同， 裂缝开展情况存在差异： 同级 2 0 新型建筑材料 2 0 6 1 荷载作用下， 尾矿砂替代率越高， 最大裂缝宽度越大， 特别是 荷载等级较大时， 差异更明显。 2 5 跨 中挠度分析 试验梁跨中挠度随荷载的变化曲线见图5 。 0 2 4 6 8 1 0 1 2 跨 中挠度 m m 图5 跨中挠度随荷载的变化曲线 由图5 可知， 尾矿砂混凝土 梁整个受力过程也 存在明 显 的3 个受力阶段： 混凝土开裂前阶段、 构件开裂到纵筋屈服阶 段、 纵筋屈 服到构件破坏阶 段。 混 凝土 开裂前， 构件变形很小， 其受力性能表现为弹性，尾矿砂混凝土梁和普通混凝土梁跨 中挠度基本相同。混凝土开裂之后， 出现第1 个转折点， 梁跨 中挠度变化明显加快； 同级荷载作用下， 尾矿砂混泥土梁跨中 挠度稍大 于普 通混凝土 梁， 且尾 矿砂替 代率越大， 差别 越明 显。 纵向钢筋屈服后， 出现第2 个转折点， 此时， 跨中挠度随荷载 变化曲 线近似水平直线， 直至构件被压坏。 由此可知， 尾矿砂混凝土梁的受力过程与普通混凝土梁基 本一致， 都具有弹性阶段、 开裂、 屈服和极限等4个明显过程， 最终受拉钢筋屈服， 混凝土被压碎， 试验梁被破坏。但尾矿砂 混泥土梁跨中挠度要稍大于普通混凝土梁，且尾矿砂替代率 越大， 差别越明显。 3 结论 ( 1 ) 尾矿砂混凝土梁的受力过程与普通混凝土梁基本一 致， 都具有弹性阶段、 开裂、 屈服和极限等4 个明显过程。 尾矿 砂混凝土梁与普通混凝土梁的受弯机理基本一致，受弯过程 中同样符合平截面假定。 ( 2 ) 尾矿砂混凝土梁与普通混凝土梁的开裂荷载和极限荷 载基本一致， 说明合理的尾矿砂替代率对混凝土梁的开裂弯矩 和极限承载力影响不明显。 ( 3 ) 尾矿砂混凝土梁裂缝开展情况与普通混凝土梁相似， 但是同级荷载作用下， 尾矿砂替代率越高， 裂缝宽度越大。 ( 4 ) 尾矿砂混凝土梁跨中挠度发展趋势与普通混凝土梁相 似， 但混凝土开裂后， 同级荷载下， 尾矿砂替代率越高， 跨中挠 度越大。 ( 下转第 2 9页) 加 0 委 鞯椁 加 0 至 柩枢 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘冠男， 等： 新型改性脂肪族高效减水剂的合成与性能研究 向水泥中外掺不同量的蒙脱土，考察蒙脱土含量对分别掺 I S A F 、 0 S A F和 P C A 3种减水剂水泥净浆流动度的影响， I S A F 、 O S A F 和P C A的掺量分别为0 4 4 、 0 3 5 和0 1 0 ， 试 验结果如图8 所示。 富 需 图 8 蒙脱土含量对减水剂分散性能的影响 从图8 可以看出， 不论使用何种减水剂， 随蒙脱土含量的 增加， 水泥浆体的分散性能都是下降的。其中， 对蒙脱土较敏 感的 是P C A ， 在蒙 脱土含量为2 g 时， 净浆流动度下T 6 0 ， 接近于丧失流动性； 而O S A F 则表现出了与I S A F相似的蒙脱 土高度耐受性 蒙脱土含量为2 g 时， 水泥净浆流动度仅降低 约 2 4 。 3 结语 ( 1 ) 以有机磺化剂O S 替代传统的无机磺化体系， 研制了 一 种新型的有机磺化脂肪族高效减水剂0 S A F 。当n ( 磺化剂) ： n ( 丙酮) ：n ( 甲醛) = 0 6 ： 1 0 ： 1 8 ， 催化剂用量为1 2 ， 聚合浓度 3 9 时， 制备的0 S A F分散性能最优。 ( 2 ) 在 0 S A F的红外谱图中， 除了具有典型的S A F的特 征吸收峰， 还有其磺化剂0 S 上特有的官能团的特征吸收峰， 有机磺化剂O S 参与了丙酮和甲醛的缩合过程，得到了改性 有机磺化脂肪族高效减水剂 0 S A F 。 ( 3 ) 0 S A F 在不同水泥中均具有优于I S A F 的分散性能， 对蒙脱土的耐受性能与I S A F相似。 参考文献 ： 1 】 Wa n g Z H， F a n Y Q， C h e n D L S y n t h e s i s a n d p e rf o r m a n c e o f s u l p h o n a t e d a c e t o n e- f o r ma l d e h y de p o l y c o n d e n s a t e s a s di s p e r s a n t f o r c e m e n t s l u r r i e s J O i l fi e l d C h e m i s t r y ， 1 9 9 0 ， 7 ( 2 ) ： 1 2 9 - 1 3 3 2 Z h u C S ， S u n B S ， J i n g L X D i s p e r s i v e f u n c t i o n o f s u l p h o n a t e d a c e t o n e - f o r ma l d e h y d e po l y me r o n s i c s l u r r y f o r c a s t i n g a b r a s i v e ma t e r i al J o u rnal o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y ， 2 0 0 6 ， 3 4( 9 ) ： l l 0 2 -1 1 0 5 ( 3 P e i M， Y a n g Y Q， Z h a n g X Z S y n t h e s i s a n d t h e e f f e c t s o f wa t e r s o l u b l e s u l f o n a t e d a c e t o n e- f o rm a l d e h y d e r e s i n o n t h e p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e 【 J 1 C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4， 3 4： 1 41 7 1 4 2 0 【 4 崔晔婷 脂肪族高效减水剂的合成及作用机理研究【 D 】 北京： 北 京工业大学， 2 0 0 4 【 5 】 L i S ， Yu Q J ， W J X， e t 0 E f f e c t s o f mo l e c u l a r ma s s a n d i t s d i s t r i b u t i o n o n a d s o r p t i o n b e h a v i o r o f p o l y c a r b o x y l a t e wa t e r r e d u c e rs J J o u r n al o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y ， 2 0 1 1 ， 3 9( 1 ) ： 8 O 一 8 6 f 6 】 赵晖， 傅文彦， 王毅， 等 脂肪族高效减水剂的合成及其分散性能 研究 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 5 ( 9 ) ： 4 - 7 7 】 庞金兴， 张超灿， 熊焰， 等 S A F的合成机理及分散性能研究 J 武 汉理工大学学报 ， 2 0 0 2 ， 2 4( 6 ) ： 2 9 3 1 8 杨 勇， 冉千 平， 毛永琳 ， 等 蒙脱土对聚羧酸超 塑化剂的吸附行为 J 1 建筑材料学报 ， 2 0 1 2( 4 ) ： 4 6 4 4 6 8 【 9 王志林含泥量对应用复合型脂肪族减水剂水泥净浆流动性的 影响研 究【 J 1 混凝土 ， 2 0 1 2 ( 3 ) ： 1 0 3 1 1 0 1 0 】 王子明 不同黏土对聚羧酸系减水剂应用性能的影响【J 商品混 凝土， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 2 4 2 6 A ( 上接第 2 0页) ( 5 ) 尾矿砂替代率在4 0 5 0 时， 尾矿砂混凝土梁能够 满足承载力和适用性要求， 同时具有较好的经济效益。 参考文献 ： 1 金家康 ， 孙宝 臣 浅谈铁 尾矿综 合利用 的现 状和 问题 J 山西 建 筑 ， 2 0 0 8 ， 3 4( 1 4 ) ： 2 6 2 7 2 】 何 兆芳 尾 矿在预 拌混凝 土中应用 的试 验研 究 J 商 品混凝土 ， 2 0 0 9( 6 )： 4 2 4 6 【 3 】 田雨泽 干选废石和尾矿砂生产混凝土空心砌块的研究I J l _新型 建筑材料 ， 2 0 0 9( 3 ) ： 3 4 3 5 【 4 宋裕增， 刘淑婷， 蔡基伟， 等 铁尾矿砂混凝土的和易性与强度特 点 J 1 工程质量 ， 2 0 0 9( 6 ) ： 6 2 6 5 5 蔡基伟， 封孝信， 赵丽， 等 铁尾矿 砂混凝土的泌水特性 J 武汉理 工大学学报 ， 2 0 0 9( 7 ) ： 8 8 9 1 6 】 赵芸平 ， 孙玉 良， 于嘉禾， 等尾矿 砂石混凝土配合 比设计研 究IJ 】 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 9 l 一 9 3 7 】 沈蒲生， 梁兴文 混凝土结构设计原理 M 】 3 版 北京： 高等教育出 版社 ， 2 0 0 7 8 G B T 5 0 1 5 2 -2 0 1 2 ， 混凝土结构试验方法标准 s 】 A N E W BUI L DI NG M ATE R I AL S 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m