箍筋约束含钨尾矿地聚物再生混凝土本构研究.pdf

2023年第6 期（总第40 4期）Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.012混凝土ConcreteTHEORETICAL RESEARCH理论研究箍筋约束含钨尾矿地聚物再生混凝土本构研究黄靓，吴玉前(湖南大学土木工程学院，湖南长沙410 0 8 2)摘要：通过2 8 个箍筋约束含钨尾矿地聚物再生混凝土试件的轴心受压试验，研究尾矿取代率、再生粗骨料取代率和箍筋间距对受压应力-应变曲线的影响，并进行本构关系理论模型分析。结果表明：箍筋约束能明显提高含钨尾矿地聚物再生混凝土的强度和延性，箍筋间距的缩减能明显提高约束效果，当含2 0%30%尾矿和含30%50%再生粗骨料时试件性能较好，尾矿取代率对约束混凝土的影响要小于再生粗骨料取代率，峰值应力、应变理论值与试验值拟合较好，应力-应变本构关系模型曲线与试验曲线相接近。关键词：箍筋约束；钨尾矿；再生骨料；地聚物混凝土；本构关系中图分类号：TU528.01Constitutive relation of stirrup confined recycled geopolymer concrete with tungsten tailingsAbstract:Based on the axial compression tests of 28 stirrup confined recycled geopolymer concrete specimens with tungsten tailings,the effects of tailings replacement rate,recycled coarse aggregate replacement rate and stirrup spacing on the compressive stress-straincurve were studied,and the theoretical model of constitutive relation was analyzed.The results show that stirrup confinement can signifi-cantly improve the strength and ductility of recycled geopolymer concrete specimens with tungsten tailings,and the reduction of stirrupspacing enhances the confinement effect.The performance of the specimens with 20%-30%tailings and 30%50%recycled coarse aggre-gate are better,and the influence oftailings replacement rate on confined concrete is less than that of recycled coarse aggregate replacementrate.The theoretical values of peak stress and strain are well fitted with the experimental values,and the stress-strain constitutive relationmodel curves are close to the test curves.Key words:stirrup constraint;tungsten tailings;recycled aggregate;geopolymer concrete;constitutive relation文献标志码：AHUANGLiang,WU Yuqian(College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)文章编号：10 0 2-3550(2 0 2 3)0 6-0 0 6 1-0 5性能。其中应力-应变本构关系是进行力学性能和理论分0引言析的基础和依据，国内外学者 9-13 综合考虑了配箍率、加载我国城市化和工业化发展迅猛，随之产生大量城市工条件、混凝土强度、箍筋强度和配箍形式等的影响，提出了程建设废弃物和工业固体废弃物。其中建筑垃圾年产量超大量本构关系模型，但其主要研究普通混凝土，而箍筋约过4亿t，而尾矿预计年生产量为16 亿t2。利用大量固体束尾矿地聚物再生混凝土本构关系的研究几乎空白。废弃物制成再生骨料、胶凝材料等混凝土原材料，将对实综上所述，利用钨尾矿替代矿粉、再生粗骨料替代天现“碳达峰、碳中和”产生推动作用，然而再生骨料强度低、然碎石制备地聚物混凝土，通过箍筋约束试件的轴心受压尾矿无害化处理等问题限制了固废资源推广应用。试验，研究了尾矿取代率、再生粗骨料取代率和箍筋间距地聚物具有较好的力学性能和胶结能力,能紧密包裹对应力-应变曲线的影响并进行了本构关系理论分析，为在骨料表面3。这种界面性质能对再生骨料自身裂缝等缺箍筋约束含钨尾矿地聚物再生混凝土力学性能研究提供陷有一定的弥补作用。尾矿通常非常细小且成分中硅铝氧参考。化物丰富，适合制备地聚物，并且地聚物化学性质稳定，1 试验概况能较好地固化重金属离子 5。因此,将尾矿与再生骨料相结合制备地聚物混凝土，能够比较大限度地实现固废资源化，同时能减少水泥用量，降低碳排放。许多学者 6-8 进行了箍筋约束再生混凝土轴压试验,研究发现箍筋约束能显著提高再生混凝土峰值强度和延性收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 7基金项目：国家重点研发计划（2 0 19 YFC1904700）1.1原材料骨料：粗骨料采用天然碎石和再生粗骨料（由砖混建筑垃圾经过破碎筛分制得）,粒径均为5 16 mm;细骨料采用天然河砂,粒径为0.3 0.5mm。61胶凝材料：本试验采用S95级矿渣粉、F类I级粉煤灰和来源于湖南衡阳某矿厂的钨尾矿（含6 3.0 2%SiO,和19.79%Al,0,)。碱性激发剂：采用片状NaOH、液体硅酸钠（原始模数为3.34)和Na2CO,粉，液体硅酸钠加人氢氧化钠后模数调节为1.5。钢筋：方形箍筋选用屈服强度为343.8 9 MPa的HPB300级6 mm钢筋，纵向钢筋选用屈服强度为445.2 2 MPa的HRB400级12 mm钢筋。1.2试件设计本试验设计制作了14组2 8 个试件，试件长宽高为200mmx200mmx600mm，混凝土保护层设置2 0 mm厚。本试验考虑的变量包括再生粗骨料替代天然碎石的质量取代率R（0.30%、50%、7 0%、10 0%）钨尾矿替代矿粉的质量取代率r(0、10%2 0%30%、40%）和箍筋间距s（50.10 0 m m）。试件详细配筋和具体参数变量分别如图1和表1。$64012业122$61001$640200$6402业122业122001-1(a)R50S100组和W20S100组$64012业122$6501$640200$6402业122业122001-1(b)W20S50组图1试件配筋图（单位：mm）62表1试件参数试件再生骨料钨尾矿箍筋间距体积配箍率编号取代率R/%取代率r/%R50W0S10050R50W10S10050R50W20S10050R50W30S10050R50W40S10050R0W20S1000R30W20S10030R70W20S10070R100W20S100100R0W20S500R30W20S5030R50W20S5050R70W20S5070R100W20S501001.3加载制度与测量方案1试验装置采用50 0 t电液伺服压力机。根据试件和加载底板中心位置进行几何对中，在试件两端各放置1块方2业12形钢板，并在两者之间铺设细石英砂，以保证试件均匀受2压。试验前先估算试件最大承载力Pu，反复3次预加载0.1倍Pu进行物理对中并保证仪器设备正常工作后开始正式试验。前期以5kN/s的速率进行力控制加载，荷载达到0.8 倍1Pu后以0.2 mm/min的速率进行位移控制加载，记录实测最大荷载值Pmx以卸载至0.2 倍Pmax作为停止试验的标志。试件荷载和位移由控制系统连接传感器测量，试件应61002122业122002-2一2业122一1640s/mm0100101002010030100401002010020100201002010020502050205020502050变由UT7116静态应变仪和电脑软件测量读取。混凝土应变测点设置在试件4个侧面中心部位，每个侧面各1个横向、纵向测点。纵筋应变测点设置在两根对角钢筋中部的纵向位置，箍筋应变测点设置中间箍筋两个对边的横向位置。2试验现象本试验各试件破坏过程和破坏形态大体上均相同，各变量的影响不大，试件最后的破坏形态如图2 所示。荷载较小时，各部分材料均处于弹性状态，试件外表面没有变化，位移和应变整体随荷载线性增大。荷载增加至0.8 0.8 5Pmx时，试件两端和中间表面产生比较细微的裂缝，此后裂缝继续向周围扩展，其长度宽度也随荷载增加。荷载达到Pmx时混凝土保护层向外鼓曲，裂缝数量增多且通长贯通，荷载超过Pmx过后，试件轴向变形迅速增加，大部分试件荷载急剧下降，而不含再生骨料或箍筋间距较小的试件荷载下降相对平缓,其裂缝发展也相对缓慢。到后期荷载变化逐渐2业12稳定，纵筋发生屈曲破坏，试件中间保护层混凝土基本掉落,箍筋因核心约束混凝土被压碎且横向变形增加而被撑大，此时试件基本失去承载能力达到最终破坏。2业122002-2Pv/%0.810.810.810.810.810.810.810.810.811.621.621.621.621.623试验结果与分析3.1试验结果箍筋约束含钨尾矿地聚物再生混凝土试件轴压试验表2试验结果试件800编号/MPa/MPa/MPa%R50W0S10038.1 30.942.50.1940.3351.38 1.73R50W10S10033.2 27.538.20.1860.3071.391.65R50W20S10031.0R50W30S10029.022.331.10.1790.2831.391.58R50W40S10028.120.3R0W20S10046.735.9R30W20S10038.532.5R70W20S10028.7R100W20S10024.0R0W20S5046.735.9R30W20S5038.532.545.60.1870.3291.401.76R50W20S5031.025.936.90.182 0.3251.421.79图2 试件最终破坏形态R70W20S50结果如表2 所示。其中ffcf分别为棱柱体轴心抗压强R100W20S50度、未被约束状态下混凝土峰值抗压强度和约束状态下混45凝土峰值抗压强度，8 co8分别为应力达到ff时对应的混凝土峰值应变。混凝土应力达到f之后试件产生明显裂缝并不断发展，混凝土横向变形增大，此时箍筋开始对核心混凝土产生被动的约束作用，因此可认为应力达到f时混凝土处于临界状态,故f按式(1)计算,8 c根据文献 14 的研究并结合规范 15)按式(2)计算,计算结果表明f%约为0.8 fc,与规范 15 中D.2.1条规定的0.8 5f。接近，考虑到加工误差、再生骨料缺陷等不利因素影响可认为本试验确定的fc是合理的。fc为总承载力扣除混凝土保护层承载力和纵筋承载力后核心混凝土所达到的最大应力,按式(3)计算取c(8)的最大值，8 为与c（)最大值对应的应变。(1)A-As8=(1+0.2R)(700+172Vf)10-60e(s)-P(e)-Aaga()-A0.(e)式中：A试件横截面面积；A纵向钢筋截面总面积Ac保护层混凝土面积；80对应于8 的轴压应变；P()一试件试件总承载力；g(s)受压纵筋应力;。(s)核心混凝土应力;(s)一保护层混凝土应力。纵向钢筋本构选用双线性理想弹塑性模型，保护层混凝土本构选用文献 14 建议模型。3.2峰值强度分析由表2 可知，由于箍筋约束作用，各试件核心约束混凝土峰值强度f均高于未约束混凝土峰值强度fco。图3（a）中相对于不掺钨尾矿的试件，f分别依次降低10.12%、16.24%、2 6.8 2%、35.0 6%，说明尾矿的增加降低了胶凝材料与骨料之间的胶结能力导致强度下降。图3(b)中当箍筋间825.935.60.1820.2951.371.6227.60.1770.2761.361.5643.60.1880.2971.211.5840.60.1870.3011.251.6122.328.40.185 0.3041.27 1.6418.324.00.185 0.3201.31 1.7347.00.1880.3241.31 1.7228.722.332.70.1850.3391.471.8324.018.3403530250504540353025(2)200(3)A-As-A co8c028.50.1850.3421.561.85110尾矿取代率r/%(a)尾矿取代率+箍筋间距s=100mm箍筋间距s=50mm3050再生骨料取代率R/%(b)再生骨料取代率和箍筋间距图3不同变量下的约束混凝土峰值强度fc对比距s=100mm时,相对于不含再生粗骨料的试件,fc分别依次降低6.8 8%、18.44%.34.8 6%44.9 5%，当箍筋间距s=50mm时相对应试件的f分别提高7.8 0%、12.32%、3.6 5%、15.14%、18.7 5%，由此可以看出，由于再生粗骨料自身强度较低且缺陷较多,其对f减弱较尾矿更加明显，而缩小箍筋间距能显著提高约束效果,尤其是对于再生粗骨料含量高的试件更为明显。3.3峰值应变分析如表2 所示，核心约束混凝土峰值应变8 cc基本达到0.003左右，表明箍筋起到了较好的约束作用。由图4（a）可知,相较于r=0的试件，8 c随尾矿含量的增多,分别依次降低8.36%、11.9 4%、15.52%、17.6 1%，说明尾矿含量较少时，混凝土胶结能力强，比较紧密包裹在再生粗骨料表面，裂缝发展较慢，表现出良好的延性。由图4(b)可知，8 随再生粗骨料含量的增多,整体上缓慢增长,中间略有降低，63203070401000.34 0.320.300.280.2600.350.300.250图4不同变量下的约束混凝土峰值应变对比原因在于再生粗骨料含量少的试件延性较好，而含量越高，试件内部缺陷越多，刚度越小，裂缝产生后发展较快，试件应变会增加迅速，随着箍筋间距的减小，8 c均大致提高了1.1 倍。3.4应力-应变曲线分析箍筋约束含钨尾矿地聚物再生混凝土受压应力-应变试验曲线如图5所示，各组试件曲线的整体趋势基本相似。荷载较小时，各部分材料均处于弹性状态，试件各部分受力比较均匀且变形较小，曲线基本呈线性变化。保护层混凝土应力达到f后试件产生裂缝并不断发展，保护层承载力开始下降，由于箍筋的约束作用核心混凝土承载力继续增加，应力和应变仍近似线性变化。纵筋应力达到屈服强度后，其承担的荷载保持不变，核心混凝土进人弹塑性发展阶段，应力随应变非线性增加。试件总承载力达到峰值时，保护层混凝土基本达到极限应变开始掉落，试件变形迅速增加，箍筋约束作用增强，此后核心混凝土应力仍能提升一小段,达到峰值强度f后，核心混凝土内部裂缝发展贯通，应力急剧下降，随后逐渐平缓变化。由图5可知,在尾矿和再生粗骨料含量的增大时,各试件的初始弹性模量逐渐变小，下降段也逐渐陡峭，后期保持的应力也越小。尾矿的增加降低了胶结能力，而再生粗骨料自身存在许多微裂缝，试件的整体刚度减小，裂缝也更容易在薄弱界面发展导致后期应力下降更快。在图5（b）、（c)中，含30%再生粗骨料的试件相对于取代率为0 的试件曲线均较为接近，超过50%后曲线分散明显，而在箍筋间距较小时，应力下降相对平缓，最后平稳段应力也有明显提高，表现出更好的延性，说明提高配箍率能显著增强约束作用。从整体上看,R50S100组曲线要更加聚拢，说明尾矿取代率的不利影响要小于再生粗骨料取代率。64454035302520151051020尾矿取代率r/%(a)尾矿取代率一箍筋间距s=100mm箍筋间距s=50mm3050再生骨料取代率R/%(b)再生骨料取代率和箍筋间距-R50W0S100-R50W10S100R50W20S100R50W30S100R50W40S100304070100045403530252015105050454035302520151050图5各试件应力-应变试验曲线4理论模型4.1峰值应力、应变模型峰值强度、峰值应变是确定应力-应变曲线的重要特征点参数,本研究基于文献 11-12 的研究,综合考虑了再生粗骨料取代率R、尾矿取代率r和试件体积配箍率p的影响，提出了箍筋约束含钨尾矿地聚物再生混凝土峰值强度和峰值应变计算模型,分别如式(4)、（5)所示,其中ki,k2,为调整系数,分别按式(6)（7)计算，f为箍筋屈服强度。按模型计算结果分别求出峰值强度f和峰值应变8的试验值与理论值的比值,其平均值和标准差分别为1.004、0.153和0.9 9 6、0.0 6 4，结果显示各试件基本上拟合良好。(4)fo(5)8cofoki=4.15(1-0.95r)(1+1.32R-1.6R)(1-24.69pv)k2-13.34(1-1.29r)(1-0.38R)(1-34.32p)4.2本构关系模型已有的箍筋约束混凝土受压本构关系模型受到实际试验条件、材料性质等的影响，表现出一定的局限性。因此,本研究基于文献 13 提出的本构关系模型,如式(8)所示,结合0.0020.0040.0060.0080.0100.0120.014(a)R50S100组-R0W20S100-R30W20S100R50W20S100R70W20S100R100W20S1000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.014轴向应变：(b)W20S100组-R0W20S50R30W20S50R50W20S50R70W20S50R100W20S500.0020.0040.0060.0080.0100.0120.014轴向应变。(c)W20S50组fa=1+h,Pf轴向应变：(6)(7)试验数据拟合确定了模型曲线参数，结合式（4)、（5),建立了箍筋约束含钨尾矿地聚物再生混凝土本构关系模型。x+(3-2)x2+(-2)x3(0 x1)(1-x)2+x式中:x=/8;yFo/fe;一-上升段参数，越大表示试件刚度越大；下降段参数,越大试件延性越差，应力下降越急剧，下降段曲线越陡峭。经过曲线拟合分析，各试件、取值见表3，随着尾矿取代率和再生骨料取代率增加，逐渐减小，逐渐增大，表明试件的弹性模量在降低且脆性增大,其中再生骨料取代率的影响更大；箍筋间距的减小对影响不大，但大幅降低了值,尤其在高再生骨料取代率水平下更为显著,说明箍筋间距减小能较大提高混凝土延性性能，这与图5的应力-应变曲线是一致的。以R50W0S100、R 0 W2 0 S10 0 和R0W20S50试件为例，将模型曲线与本研究试验曲线进行比较，由图6 看出，模型曲线上升段几乎与试验曲线相贴合，下降段曲线部分贴合，其余段在试验值上下小幅度范围内偏离，整体上模型曲线与试验曲线是相接近的。4540353025201510504540353025201510505045403825201510500图6 本构关系模型曲线和试验曲线的比较表3本构关系模型参数和试件编号R50W0S1002.057(8)R50W10S100(x1)R50W20S100R50W30S100R50W40S100R0W20S100R30W20S100R70W20S100R100W20S100R0W20S50R30W20S50R50W20S50R70W20S50R100W20S505结论通过2 8 个箍筋约束含钨尾矿地聚物再生混凝土试件的轴心受压试验,研究了其受压应力-应变本构关系,研究结论如下：（1)箍筋约束能明显提高含钨尾矿地聚物再生混凝土的强度和延尾矿取代率对约束混凝土的影响要小于再生粗骨料取代率，当含2 0%30%尾矿和含30%50%再生粗试验曲线骨料时试件性能较好。-模型曲线（3)本研究根据已有模型并结合试验数据，拟合确定了模型参数值，建立了箍筋约束含钨尾矿地聚物再生混凝土本构关系模型，模型曲线与试验曲线相接近。参考文献：0.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0141肖绪文,冯大阔,等.我国建筑垃圾回收利用现状及建议 施工轴向应变：技术,2 0 15,44(10):6-8.(a)R50W0S1002 王微微,刘海卿.高温后铁尾矿砂混凝土力学性能试验研究 .一试验曲线非金属矿,2 0 19,42(5)：42-44.一-模型曲线3 FERN A M,JIMENEZ E,PALOMO A.Engineering properties ofalkali-activated fly ash concreteJ.Materials Journal,2006,103(2):106.4 DUXSON P,PROVIS J L,LUKEY G C,et al.The role of inorganicpolymer technology in the development of green concreteJCementand Concrete Research,2007,37(12):1590-1597.0.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0145 郭晓璐,伍亮,施惠生.不同重金属对粉煤灰基地聚合物的影响轴向应变：作用 J.材料研究学报，2 0 17,31(6)：437-444.(b)ROW20S1006贾艳东,薛旭旭.配螺旋箍筋芯柱的钢筋再生混凝土柱性能研一试验曲线究 .工程与建设,2 0 16,30(1)：8 3-8 7,10 2.-模型曲线7 李一鸣.箍筋约束再生混凝土受压应力一应变本构关系研究 D.北京：北京建筑大学，2 0 18.8 杨聪,黄靓,曾令宏,等.螺旋箍筋约束含砖骨料再生混凝土本构关系模型.混凝土,2 0 2 0(1)：6 0-6 3,7 7.9 MANDER J B,PRIESTLEY M 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