馮士千，李小偉，鄭 權(quán)，張正偉，楊軍鋒

(攀枝花學(xué)院， 四川攀枝花 617000)

?

高鈦型高爐重渣梁抗剪性能研究

馮士千，李小偉，鄭 權(quán)，張正偉，楊軍鋒

(攀枝花學(xué)院， 四川攀枝花 617000)

為研究高鈦型高爐重渣梁的抗剪性能以及斜裂紋的萌生、生長和發(fā)展規(guī)律。制作了6根高鈦型高爐重渣混凝土梁，其中，用半礦渣混凝土(高鈦型高爐渣細(xì)骨料制備的混凝土)制作了3根梁試件，用全礦渣混凝土(高鈦型高爐渣細(xì)骨料及高鈦型高爐渣粗骨料制備的混凝土)制作了3根梁試件。通過靜力加載試驗和分析表明：配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力；高鈦型高爐渣梁的正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關(guān)系不大；半礦渣梁的各項抗剪能力指標(biāo)均優(yōu)于全礦渣梁。

高鈦型高爐重渣； 混凝土梁； 抗剪性能

混凝土梁是建筑結(jié)構(gòu)體的重要承重結(jié)構(gòu)，隨著高鈦型高爐渣材料研究的不斷進展，高爐渣混凝土試塊、配合比設(shè)計、施工工藝等研究工作已取得較多成果[1-11]。但是這些成果主要是材料學(xué)科的研究者的研究結(jié)果，由于學(xué)科的限制，這些成果與土木工程學(xué)科混凝土領(lǐng)域所需的材料性能參數(shù)聯(lián)系不是很緊密，致使混凝土主要應(yīng)用領(lǐng)域的土木工程研究人員在應(yīng)用高鈦型高爐渣混凝土?xí)r缺乏依據(jù)，只能用現(xiàn)行規(guī)范中普通混凝土的參數(shù)進行設(shè)計。

目前，高鈦型高爐渣混凝土在攀枝花的市場份額基本占到一半[12]，這些大量建造的結(jié)構(gòu)物的設(shè)計依據(jù)是根據(jù)普通混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范設(shè)計的。所以，目前用高鈦型高爐渣混凝土建造的結(jié)構(gòu)物可靠度是未知的。

共設(shè)計了6根高鈦型高爐渣混凝土梁，然后通過試驗及試驗橫、縱向?qū)Ρ鹊贸隽烁髁旱墓羌芮€，全、半礦渣梁抗剪能力強弱等結(jié)論。

1 梁抗剪性能試驗概況

1.1 試件設(shè)計及制作

高鈦型高爐重渣梁尺寸為2 500 mm×200 mm×400 mm。試驗制作的半礦渣梁混凝土梁，試件編號為1號、2號、3號；試驗制作的全礦渣梁混凝土梁，試件編號為4號、5號、6號。各梁的配筋形式如圖1所示。

(a)1、4號梁 (b)2、5號梁 (c)3、6號梁圖1 高鈦型高爐重渣梁配筋(單位:mm)

1.2 試驗測點的布置

1.2.1 位移計布置

梁的滾軸鉸布置在離梁端470 mm處，梁下部跨中布置2號位移計以測量跨中位移，梁上部支座部位布置1號、3號位移計以測量支座沉降，剪跨區(qū)布置4號、5號位移計測量剪應(yīng)變(圖2)。

圖2 位移計布置(單位:mm)

1.2.2 混凝土梁上測點布置

梁混凝土表面應(yīng)變花、應(yīng)變片布置如圖3所示。

圖3 剪跨區(qū)應(yīng)變花(右)、應(yīng)變片(左)布置(單位:mm)

1.2.3 鋼筋上測點布置

(1)為了測量主筋的應(yīng)變梯度，梁底部一排鋼筋中，中間一根鋼筋設(shè)置應(yīng)變片，其布置如圖4所示。

(2)為了測量剪跨區(qū)箍筋的應(yīng)變情況，為更加方便的捕捉到箍筋上應(yīng)變敏感部位和方便鋼筋籠骨架的綁扎，在剪跨區(qū)的每個箍筋上布置3個應(yīng)變片(圖5)。

圖4 主筋應(yīng)變片布置(單位:mm)

圖5 箍筋表面應(yīng)變片布置

1.3 試驗裝置

豎向加載設(shè)備采用shore-west公司生產(chǎn)的電液伺服加載系統(tǒng)加載。試驗的應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)采集由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集，本試驗所使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)于日本，型號為TDS-602。荷載與內(nèi)位移由shore-west公司生產(chǎn)的電液伺服加載系統(tǒng)采集。

2 試驗過程

2.1 試件試驗過程

試驗開始前，首先檢查應(yīng)變片、應(yīng)變花及其測試設(shè)備是否異常，通過梁頂?shù)呢Q向千斤頂以0.1倍的預(yù)加豎向荷載加卸載一次，來消除試驗裝置的初始缺陷。此后，根據(jù)計算的梁的承載力，將試驗的荷載分為10級，按承載力的0.1、0.2、

0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1倍進行豎向加載，每級荷載持荷10 min，直至梁破壞。

2.2 試件失效形式

在剪跨范圍內(nèi)，梁下部剪拉區(qū)存在斜向主拉應(yīng)力，當(dāng)達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)變值時，產(chǎn)生斜裂紋。隨著荷載的增大，將發(fā)生沿斜裂紋的斜截面強度破壞。當(dāng)梁在剪跨內(nèi)沿斜截面發(fā)生破壞時，由于配箍率、剪跨比等因素不同將會出現(xiàn)剪壓破壞、斜拉破壞和斜壓破壞。

本次試驗的梁最終破壞形式皆為斜截面受剪破壞，最終破壞形態(tài)如圖6所示，其斜裂紋破壞狀態(tài)皆為腹剪斜裂紋。試件試驗過程中裂紋發(fā)展主要階段見表1。

圖6 礦渣混凝土梁破壞形態(tài)

特征點1號梁特征點位移/mm力/kN2號梁特征點位移/mm力/kN3號梁特征點位移/mm力/kN4號梁特征點位移/mm力/kN5號梁特征點位移/mm力/kN6號梁特征點位移/mm力/kN跨中正截面裂紋初裂0.5978.910.98117.910.7790.910.8371.910.4553.910.2739.91斜裂紋初裂2.39281.812.39287.812.36275.812.4169.811.74212.811.53198.81梁抗剪破壞條件4.69550.813.73427.813.76403.814.71542.814.11436.812.51290.81最大抗剪能力7.25792.817.33700.817.26585.818.72759.818.06636.816.17516.81

3 輔助試驗

3.1 混凝土強度試驗

半礦渣混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊與全礦混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊配合比中除粗骨料摻加量不一樣以外，水泥、高鈦型高爐重渣細(xì)骨料、外加劑等用量完全一樣，兩組試塊及梁試件同條件養(yǎng)護?；炷翗?biāo)準(zhǔn)試件壓力極限值由試驗測得，強度計算見表2、表3?？梢?，半礦渣梁試塊立方體抗壓強度稍低于全礦渣梁試塊的立方體抗壓強度(混凝土立方體抗壓標(biāo)準(zhǔn)值=混凝土強度總體分布的平均值-1.645倍標(biāo)準(zhǔn)差)。

表2 半礦渣混凝土強度

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 試件的受力計算

單位長度梁的自重25×0.2×0.4=2 kN/m，將均布的梁自重等效為跨中集中合力加上作動器初始配重，梁的跨中

表3 全礦渣混凝土強度

初始等效荷載為3.81 kN。表1中試驗記錄荷載均已加上梁自重等效荷載及作動器初始配重荷載。

4.2 礦渣梁的受力分析

4.2.1 礦渣梁受力分析

由表1礦渣梁試驗的試驗現(xiàn)象特征點，可得半礦渣1號、2號、3號梁的骨架曲線如圖7所示?？梢?，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關(guān)系不大。

圖7 半礦渣梁骨架曲線

4.2.2 全礦渣梁受力分析

由表1礦渣梁試驗的試驗現(xiàn)象特征點，可得全礦渣4號、5號、6號梁的骨架曲線如圖8所示?？梢?，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關(guān)系不大。

圖8 全礦渣梁骨架曲線

4.2.3 礦渣梁最大抗剪能力對比

半礦渣1號梁與全礦渣4號梁的配筋完全一致，混凝土配合比中除粗骨料摻加量不一樣以外，水泥、高鈦型高爐重渣細(xì)骨料、外加劑等用量完全一樣，由表1礦渣梁試驗的試驗現(xiàn)象特征點可得，1號半礦渣梁的最大抗剪能力為792.81kN，4號全礦梁的最大抗剪能力為759.81kN。盡管半礦渣梁試塊立方體抗壓強度稍低于全礦渣梁試塊的立方體抗壓強度，但1號半礦渣梁的正截面初裂承載力、斜裂紋初裂承載力、抗剪承載力和最大抗剪能力都優(yōu)于4號全礦渣梁。

2號、5號梁及3號、6號梁同理，盡管半礦渣梁試塊立方體抗壓強度稍低于全礦渣梁試塊的立方體抗壓強度，但半礦渣梁的正截面初裂承載力、斜裂紋初裂承載力、抗剪承載力和最大抗剪能力都優(yōu)于相對應(yīng)的全礦渣梁。

5 結(jié)論

通過試驗可以得出如下結(jié)論：

(1)梁截面尺寸、混凝土強度等已定條件下，配箍率的增加可以提高梁的抗剪能力，但正截面初裂條件和斜截面初裂條件與配箍量關(guān)系不大。

(2)半礦渣混凝土試塊與全礦渣試塊的配合比中，水泥、高鈦型重礦渣砂、外加劑的使用量完全一樣，半礦渣混凝土的粗骨料使用的是攀枝花產(chǎn)的碎石，全礦渣混凝土的粗骨料使用的是高鈦型重礦渣粗骨料。通過試塊抗壓強度測試可知，全礦渣混凝土試塊的抗壓強度略高于半礦渣混凝土試塊。

(3)半礦渣梁的抗剪能力各項指標(biāo)均優(yōu)于全礦渣梁。

[1] 馬保國.綠色高性能混凝土與礦物摻合料的研究進展[J]. 武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999(5):29-31.

[2] 蔣家奮.礦渣微粉在水泥混凝土中的應(yīng)用的概述[J].混凝土與水泥制品，2002(3):3-6.

[3] 余頌國.攀鋼西渣場開發(fā)利用可行性研究[D].昆明理工大學(xué)，2002.

[4] 俞家范.高爐礦渣微粉混凝土研究、配制和應(yīng)用的小結(jié)[C]//礦渣微粉研究和應(yīng)用論文集.上海遠(yuǎn)東出版社，2003.

[5] 肖斐.鈦渣混凝土性能的研究「D].重慶大學(xué)，2004.

[6] 王雪松.攀枝花高鈦型高爐渣開發(fā)利用回顧與展望[J].攀枝花科技與信息，2005(增刊):1-4.

[7] 孫金坤.全高鈦重礦渣混凝土應(yīng)用基礎(chǔ)研究「D].重慶大學(xué)，2006.

[8] 何小龍.全高鈦礦渣混凝土的研究與應(yīng)用[D].重慶大學(xué)，2006.

[9] 游天才.高鈦重渣混凝土應(yīng)用技術(shù)研究[D].武漢科技大學(xué),2007.

[10] 楊華美. 高鈦礦渣作為水工混凝土摻和料及骨料性能研究[D].武漢:長江科學(xué)院,2010.

[11] 江海民.高鈦重礦渣集料制備高性能混凝土的研究與應(yīng)用[D].武漢理工大學(xué),2011.

[12] 汪杰.CFRP加固不同損傷高鈦型高爐渣混凝土梁試驗研究[D].成都：西華大學(xué),2014.

馮士千(1991～)，男，本科。

U317+.1

B

[定稿日期]2016-05-23