鐵尾礦砂混凝土抗剪強度試驗與分析★

馬衛華 康洪震

(唐山學院土木工程學院,河北 唐山 063000)

鐵尾礦砂是利用被開采過剩的廢石礦料，重新循環再利用而形成的綠色環保材料，這樣既可以減少廢棄礦石的污染和大量廢料的占地，以及減少過度開采河沙帶來的生態破壞，同時實現和解決混凝土細骨料來源天然河沙的緊缺問題。在鐵尾礦砂混凝土不同方面的受力性能的研究，多數研究內容為材料的力學性能、軸心受拉、受壓性能和抗震性能等，受剪性能方面的研究鮮有報道，同時，由于尾礦砂材料的離散性大，使研究結果差異性較大[1-4]。抗剪切性能作為混凝土的主要受力形式之一，本文基于對鐵尾礦砂混凝土抗剪試驗及數據分析，探討鐵尾礦砂混凝土剪切破壞特點，為鐵尾礦砂混凝土的結構應用提供試驗依據。

1 試驗方案

1.1 試驗試件

試驗試件的設計以缺口梁試驗為依據，進行了優化和改進，采用四點加載方式，在液壓長柱試驗機上進行試驗。加載方式能保證在試件跨中截面處的剪力均勻分布，無受彎力矩產生，消除彎矩對試驗結果的影響。試驗設計采用的試件尺寸為650 mm×150 mm×120 mm，試件中部120 mm范圍內，截面寬度由120 mm向內各減小40 mm，試件的變截面處與水平方向呈45°坡角。試驗試件模板尺寸和配筋如圖1所示。

1.2 試件參數

試件加載試驗在唐山學院結構試驗室內進行，鐵尾礦砂混凝土強度等級取C30，C35，C40，C45，C50五種，每個強度等級制作6個試件，鐵尾礦砂混凝土試件共36個；C40強度等級的普通混凝土對比試件6個。試件編號與材料具體情況見表1。

表1 試件編號與材料

2 試驗結果和分析

2.1 試件破壞現象

通過36個試件的加載試驗，可以得到試驗的總體破壞現象，四點加載的變截面試件受剪試驗均為脆性破壞，試件從加載至破壞的速度較快，難于記錄到試驗過程中試件開裂點與裂縫發展過程。裂縫發展過程可以根據試驗過程中電腦顯示屏上實時記錄的加載力的變化來進行分析。從多數試件的數據分析來看，在加載初期，試件受剪區的應變值隨著荷載的增加而增大，當達到鐵尾礦砂混凝土受剪開裂荷載時，混凝土發出輕微碎裂聲音；繼續加載，試件側面產生斜裂縫，與梁軸線夾角約為45°；最后，試件突然斷裂，在變截面梁剪切破壞，試件斷為兩部分。

2.2 剪切應力—應變曲線

通過采集的試驗數據可以得到試件的剪切應力—應變曲線。部分試件的剪切應力—應變曲線如圖2所示。

由圖2的不同強度等級試件的剪切應力—應變曲線可知: 試驗試件在純剪切狀態下的剪應力—應變曲線上升段為近似直線，表明為彈性剪切性能，塑性彎曲過程不明顯，最后加載破壞時為脆性破壞，試件破壞為突然破壞。由于數據采集頻率相對較低，沒能采集到曲線下降數據。

2.3 鐵尾礦砂混凝土抗剪強度與抗壓強度關系

根據文獻[5]的混凝土抗剪性能試驗中的分析方法,其中普通混凝土抗剪強度與混凝土立方體抗壓強度的關系表達式:

(1)

將試驗得到的普通混凝土(強度等級C40)的抗壓強度平均值代入式(1)，得到:

(2)

試驗試件平均抗剪強度計算值為2.70 MPa，試驗值與理論值比值偏低。不同強度等級的鐵尾礦砂混凝土試件試驗得到的抗剪強度與相對應的立方體抗壓強度函數關系曲線列于圖3。通過擬合分析得到，鐵尾礦砂混凝土試件抗剪強度與立方體抗壓強度的關系為冪指函數關系，曲線單調增長，抗剪強度隨著立方體抗壓強度的提高而提高。

根據GB 50010—2010混凝土結構設計規范，對試驗數據進行擬合回歸分析，得到鐵尾礦砂混凝土抗剪強度τp和試驗試件對應的立方體抗壓強度fcu的關系式：

(3)

其中，fcu為混凝土立方體抗壓強度,N/mm2。

從擬合的式(3)與普通混凝土抗剪強度與抗壓強度關系式(1)可以看出，鐵尾礦砂混凝土的抗剪強度比普通混凝土偏低，但是鐵尾礦砂混凝土的抗剪強度與抗壓強度呈冪函數關系是相同的。由于目前試驗試件數目偏少，只進行了C40強度等級的對比試驗，不足之處可在今后的研究中得以完善。

3 結語

通過36根鐵尾礦砂混凝土和6根普通混凝土四點加載抗剪試件的試驗及對試驗數據的整理分析，結論如下:1)鐵尾礦砂混凝土抗剪破壞為脆性破壞，裂縫角度為與水平成45°；2)試驗得到了鐵尾礦砂混凝土抗剪應力—應變關系曲線；3)混凝土強度等級C40時，鐵尾礦砂混凝土抗剪強度略低于普通混凝土抗剪強度。