自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗研究

周　梅，欒從起，李高年

(遼寧工程技術大學建筑工程學院，阜新　123000)

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自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁抗彎性能試驗研究

周梅，欒從起，李高年

(遼寧工程技術大學建筑工程學院，阜新123000)

通過對6根相同配筋率、相同混凝土強度等級、不同細骨料的混凝土簡支梁的抗彎試驗,探討了自燃煤矸砂全部取代天然砂制備的自燃煤矸砂混凝土受彎構件正截面受力變形性能和破壞特征。試驗結果表明:自燃煤矸砂混凝土梁與普通混凝土梁的受彎破壞過程基本相同，仍具有彈性、開裂、屈服和極限等4個明顯特征；正截面平均應變服從平截面假定；相同條件下雖然自燃煤矸砂混凝土抗壓強度稍低于普通混凝土，但其試驗梁的開裂彎矩和極限抗彎承載力稍高于普通混凝土梁，現有的普通混凝土梁計算公式適用于自燃煤矸砂配制的混凝土。

自燃煤矸砂混凝土；抗彎性能；正截面假定；開裂彎矩；極限彎矩

1　引　言

煤矸石是煤炭行業中產生數量最多的一種工業廢渣，其堆積不僅對環境造成了嚴重污染，也是一種資源的嚴重浪費。另一方面，天然砂資源日趨枯竭，開采和運輸費用巨大，且對砂子原產地的自然生態環境破壞嚴重。如何充分并合理地利用煤矸砂替代天然砂配制混凝土，并成功應用于工程實踐尤為重要。目前，國內由世歧、孫家瑛、張金喜和周梅[1-3]等對煤矸石骨料混凝土的力學性能和耐久性能進行了大量試驗研究，李幗昌對鋼管煤矸石骨料混凝土梁、柱進行了研究，而針對自燃煤矸砂混凝土梁抗彎性能試驗研究還鮮見報道。本文將自燃煤矸石經過破碎、篩分制成粒徑小于4.75 mm的煤矸砂，完全替代天然砂制備自燃煤矸砂混凝土梁，在相同試驗條件下，通過對自燃煤矸砂混凝土梁與普通混凝土梁抗彎試驗，分析其受力特性及破壞特點，為自燃煤矸砂混凝土構件應用于工程實踐提供基礎。

2　試　驗

2.1混凝土配合比設計

本試驗自燃煤矸石取自阜新市清河門礦，自燃煤矸砂的制備過程詳見圖1。

由于自燃的煤矸石孔隙率較大、吸水率較高，自燃煤矸砂混凝土的配合比設計不同于普通混凝土。自燃煤矸砂細骨料在拌和前需要提前1 h吮水潤濕，這部分水稱為附加水[3]，其用量通過測定自燃煤矸砂細骨料的吸水率確定。試驗采用的混凝土配合比詳見表1。

表1　C30混凝土試驗梁配合比

Notes：Water absorption of spontaneous combustion gangue sand is 12.43%.

2.2試驗梁設計

圖1　自燃煤矸砂骨料生產流程Fig.1　Spontaneous combustion gangue sand production flow

圖2　試驗梁尺寸和配筋(單位：mm)Fig.2　Test beam size and reinforcement

本試驗共制備6根試驗梁，其中3根為天然砂細骨料對比梁，編號分別為H-1、H-2、H-3；3根為自燃煤矸砂混凝土梁，編號分別為G-1、G-2、G-3。為研究自燃煤矸砂細骨料特性對混凝土梁正截面受力和變形性能的影響，所有試驗梁均采用了相同的配筋率，即縱向受拉鋼筋的配筋率為1.77%，梁的尺寸及配筋詳見圖2。

2.3試驗裝置

圖3　試驗梁表面應變片 Fig.3　Strain gauge of test

圖4　鋼筋表面應變片 Fig.4　Strain gauge of beam reinforcement

圖5　試驗梁加載及測試裝置 Fig.5　Loading and testing device of test beam

為了消除剪力對試驗梁正截面受彎的影響，采用兩點對稱加載方式。參考文獻[4，5]，為測試混凝土梁受力階段純彎段的應變和跨中鋼筋應變，在梁的表面粘貼電阻應變片，型號BX120-80AA；在鋼筋上粘貼應變片，型號為BX120-5AA，詳見圖3和圖4。

試驗加載裝置為型號WAW-1000的電液伺服萬能試驗機，按1500 mm跨長進行兩點對稱加載，跨中放置分配梁。為測得梁實際撓度并減少偏心影響，簡支梁跨中位置左右兩側各安放一個百分表，應變片的導線連接到MYJ-1靜態數字電阻應變測試儀上。試驗梁加載及測試裝置，詳見圖5所示。

2.4試驗加載過程及主要試驗現象

為確定開裂荷載，采用分級加載方式[7，8]。開始時每級按1 kN加載，并停留 3 min 后再進行下一次加載。隨著荷載逐漸的增大，觀察裂縫并用黑筆標出出現的裂縫以及延伸的裂縫，同時在裂縫處標記此刻的荷載值。G-1梁、G-2梁、G-3 梁分別在10.5 kN、9.7 kN、10.0 kN時開始出現微小裂縫；繼續加載，并觀察裂縫情況，直到加載到20 kN左右，之后每級荷載增加 3 kN，并停留3 min后再加載，并觀察裂縫；試驗發現：當荷載增至縱向受力筋達到屈服時，即使荷載增加的很小，自燃煤矸砂混凝土試驗梁的裂縫和撓度也急劇增加。本試驗G-1、G-2、G-3 試驗梁荷載分別增加到43.1 kN、46.9 kN、48.1 kN時，試驗梁跨中段的頂部混凝土被壓碎，試驗梁宣告破壞；普通混凝土梁也按上面程序加載，具體試驗結果見表3。

2.5試驗結果

對上述同批次混凝土拌合物成型的100 mm×100 mm×100 mm立方體試件、100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試件，標注養護至“齡期”后，進行立方體抗壓強度和軸心抗壓強度檢測。對縱向受力鋼筋取樣進行抗拉強度檢測，主要試驗結果見表2。

表2　自燃煤矸砂混凝土和鋼筋的主要性能指標

2.6結果分析

表3　試驗梁試驗結果

6根試驗梁破壞過程基本相似，都具有明顯的彈性、開裂、屈服和極限等4個受力特點，均屬于適筋梁破壞，即正截面先是受拉縱筋屈服，后是壓區混凝土壓碎。從表3中可以看出，雖然自燃煤矸砂混凝土立方體抗壓和軸心抗壓強度較普通混凝土低，都滿足C30混凝土強度等級要求，但自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁的開裂荷載和極限荷載均較普通鋼筋混凝土梁稍高一些。

3　結果與討論

3.1平截面假定適用性分析

圖6中a～c分別表示3根自燃煤矸砂混凝土，圖6d～f分別表示普通混凝土試驗梁的跨中截面在不同荷載等級下應變沿截面高度分布情況。從中可以清晰看出與普通混凝土相似，自燃煤矸砂混凝土在某一特定荷載作用下，截面上各點混凝土的應變與該點到中性軸的距離也近似成正比。由此可知，自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁在受彎過程中，平截面假定也仍然成立。

圖6　沿梁截面高度的應變分布(a)G-1;(b) G-2;(c)G-3;(d) H-1;(e)H-2;(f) H-3Fig.6　Strain distribution along height of beam section

3.2荷載-跨中撓度分析

每級荷載作用下梁的跨中撓度值，通過取梁兩側百分表數值與初始差值的平均值作為每級荷載下梁的跨中撓度，整理數據得到了荷載-跨中撓度曲線，詳見圖7所示。從圖7a可知，剛開始荷載較小時，梁的跨中撓度隨著荷載的增大呈線性增加，試驗梁處于彈性工作狀態。當荷載逐漸增加至10 kN左右時，受拉區混凝土達到極限拉應變而發生開裂，荷載-跨中撓度曲線出現拐點，此后，梁撓度隨荷載呈非線性增加，并且撓度增長速度變快，試驗梁的塑形特征表現的越來越明顯，跨中撓度增長速度變快。最后在荷載為40～45 kN時受拉區鋼筋屈服，進入屈服破壞階段，梁的塑性特征表現得更為充分，跨中撓度迅速增長，荷載-跨中撓度曲線接近水平線。自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁從加載至破壞整個過程與圖7b普通鋼筋混凝土梁相類似。

3.3裂縫開展與分布分析

6根試驗梁的裂縫開展情況大體相似。梁的初始裂縫都是首先發生在跨中純彎段，并且，裂縫隨著荷載的增加而緩慢延伸，裂縫寬度及數量隨荷載的增大而不斷也略有增加；然而，當縱向受力鋼筋屈服后，裂縫延伸速度突然加快，寬度急劇增大，受壓區混凝土橫向裂縫迅速增加，并伴有響聲，直至試驗梁破壞達到承載力。

圖7　試驗梁荷載-跨中撓度曲線Fig.7　Load-deflection curves of test beams(a)spontaneous combustion gangue sand concrete beam;(b)ordinary concrete beam

圖8　兩種試驗梁裂縫間距及開展情況對比Fig.8　Two groups of test beam crack spacing and development case

4　現行規范對自燃煤矸砂混凝土梁的適用性探討

根據試驗梁的截面尺寸、配筋情況，以及各種材料的實測值，按現行規范(《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010))的抗彎極限承載力計算公式，計算得到各試驗梁的極限抗彎承載力標準值，具體結果見表4。從表4中可知，本文利用兩種不同細骨料配制的混凝土試驗梁極限彎矩實測值都大于計算值，但值得注意的是，自然煤矸砂混凝土與普通混凝土之間的實測值相差卻很小。筆者認為實測值偏大的主要原因是：①試驗梁的配筋率較高。由于鋼筋在實驗室潮濕部位存放，表面有銹斑，故配筋率選擇稍大些(經濟配筋率0.6%～1.5%，本試驗梁高達1.77%)，但也在適筋梁的配筋率范圍之內；②試驗梁養護溫度偏高。試驗梁放置在常溫下的水箱中養護，6～7月份室內溫度大于20℃。

表4　梁極限彎矩計算值與實測值對比

5　結　論

(1)自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁受力過程與普通鋼筋混凝土梁類似，仍具有初裂、屈服、極限等受力特征，自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁與普通鋼筋混凝土梁受力機理基本相同。自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁應用于工程實際是可行的;

(2)自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁在受力過程中正截面應變變化基本符合平截面假定;

(3)自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁的破壞形式與普通混凝土梁相類似;

(4)自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁的極限彎矩略大于普通混凝土梁，采用現行《混凝土結構設計規范》的公式計算自燃煤矸砂鋼筋混凝土梁的抗彎極限承載力是可行的。

[1]浦倍超.粗骨料及摻合料對自燃煤矸石砂輕混凝土性能影響研究)[D].阜新：遼寧工程技術大學學位論文,2013.

[2]田博宇.自燃煤矸砂預處理對混凝土性能影響的試驗研究[D].阜新：遼寧工程技術大學學位論文,2013.

[3]周梅,浦倍超,徐秒，等.附加水及預濕時間對自燃煤矸石砂輕混凝土性能影響 [J].硅酸鹽通報,2013,32(12):1-6.

[4]GB50152-92，混凝土結構試驗方法標準[S].

[5]中華人民共和國國家標準.混凝土結構設計規范(GB50010-2010)[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[6]吳本華,王軍,王靜峰.鋼筋煤矸石混凝土梁試驗[J].安徽建筑工業學院學報,2012,20:60-65.

[7]季昌良,翟愛良,翟文舉,等.再生磚粗骨料混凝土梁抗彎性能試驗研究[J].水利水運工程學報,2012,(6):59-63.

[8]肖建莊,蘭陽.再生粗骨料混凝土梁抗彎性能試驗研究[J].特種結構,2006,23(1):9-12.

Flexural Behavior on Spontaneous Combustion Gangue Sand Reinforced Concrete Beam

ZHOU Mei，LUAN Cong-qi，LI Gao-nian

(College of Civil and Architecture Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

The flexural behavior of 6 simply-supported concrete beams with same percentage of reinforcement and concrete strength grade different fine aggregate were investigate.Besides the flexural capacity of spontaneous combustion gangue sand concrete beams prepared by spontaneous combustion gangue sand instead of natural sand,the characteristics of both deflection and cracking are analyzed. Based on the experimental results,the following conclusions are drawn. Bending failure process of spontaneous combustion gangue sand concrete beams and normal concrete beams are basically the same. In bending,the spontaneous combustion gangue sand concrete also has (elastic) cracking,yield and ultimate characteristics. The average strain measured on cross-section obliges to the plane section assumption. Under same conditions,although compressive strength of spontaneous combustion gangue sand concrete is lower than normal concrete,its cracking and ultimate moment are higher than normal concrete beams. The present formula of normal concrete beam is suitable for spontaneous combustion gangue sand concrete beam.

spontaneous combustion gangue sand concrete;flexural behavior;plane section assumption;cracking moment;ultimate moment

國家自然科學基金委員會與神華集團有限公司聯合資助項目(U1261122)

周梅(1964-),女,教授級高工,碩導.主要從事土木工程材料的教學與科研工作.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0341-06