管品武，孟會(huì)英，鄺周飛（鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州　450001）

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摻尾礦砂混凝土梁受彎性能試驗(yàn)研究

管品武，孟會(huì)英，鄺周飛
（鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州450001）

摘要：通過(guò)4根尾礦砂替代率分別為40%、50%、60%、70%的混凝土梁和1根普通混凝土梁的受彎性能對(duì)比試驗(yàn)，研究尾礦砂替代率對(duì)混凝土梁的受彎性能、破壞形態(tài)和變形特征的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著尾礦砂替代率的增大，混凝土梁的開裂荷載和極限承載力沒(méi)有明顯降低，但混凝土梁最大裂縫寬度和跨中撓度隨尾礦砂替代率的增加而增大；尾礦砂替代率在40%～50%時(shí)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：尾礦砂混凝土；梁；替代率；受彎性能

隨著天然砂存儲(chǔ)量越來(lái)越少，過(guò)度開采不但導(dǎo)致天然砂質(zhì)量下降而且造成環(huán)境破壞。同時(shí)，我國(guó)每年產(chǎn)生大量尾礦，尾礦堆積不但侵占土地、湮沒(méi)良田、破壞生態(tài)平衡，而且嚴(yán)重浪費(fèi)資源。用尾礦砂替代部分細(xì)骨料配制混凝土是尾礦有效再利用的重要方法之一。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)尾礦砂混凝土的配制和基本材料性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究和理論分析[1-6]，但是對(duì)尾礦砂混凝土結(jié)構(gòu)性能的研究較少。本文通過(guò)4根不同替代率（40%、50%、60%、70%）尾礦砂混凝土梁和1根普通混凝土梁的受彎性能對(duì)比試驗(yàn)，研究尾礦砂替代率對(duì)混凝土梁的受彎性能、破壞形態(tài)和變形特征的影響規(guī)律，為尾礦砂混凝土的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1　試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)材料

水泥：P·O42.5水泥；粗骨料：粒徑5～20mm碎石；普通細(xì)骨料：中砂；尾礦砂：來(lái)自湖北某鐵礦區(qū)，屬中砂。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比為基準(zhǔn)，根據(jù)配合比計(jì)算出的具體材料用量見(jiàn)表1。以尾礦砂替代率為變量，制備5根試驗(yàn)梁，梁尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為2500mm×200mm×400 mm，梁中縱向受拉鋼筋為2Φ14，箍筋為Φ10@150，配筋率為0.385[7]。

表1　試驗(yàn)梁用混凝土的配合比

1.3加載裝置和測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載，利用分配梁將荷載對(duì)稱地施加到試驗(yàn)構(gòu)件上，并在跨中形成800mm純彎段，應(yīng)變及變形測(cè)點(diǎn)布置、試驗(yàn)加載裝置[8]如圖1所示。

圖1　測(cè)點(diǎn)布置和試驗(yàn)加載裝置示意

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象描述

由試驗(yàn)可知，5根梁的試驗(yàn)現(xiàn)象基本相似。對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)加載后，開始正式加載。剛開始加載時(shí)，荷載較小，撓度、混凝土應(yīng)變以及鋼筋應(yīng)變都很小，隨著荷載增大，撓度、混凝土應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變隨之增大。隨著荷載繼續(xù)增大，首先在構(gòu)件跨中部位出現(xiàn)第1條垂直裂縫。混凝土開裂后，隨著荷載繼續(xù)增加，構(gòu)件純彎段內(nèi)的裂縫寬度增大，裂縫條數(shù)增多，并逐漸向上延伸。隨著荷載的進(jìn)一步增大，加載點(diǎn)正下方開始出現(xiàn)垂直裂縫，加載點(diǎn)和支座之間開始出現(xiàn)斜裂縫，且向加載點(diǎn)延伸。當(dāng)荷載增加到某一值時(shí)，受拉區(qū)鋼筋首先屈服，構(gòu)件撓度和裂縫寬度的發(fā)展明顯加快。隨著荷載的進(jìn)一步增加，構(gòu)件純彎段上部混凝土被壓碎，構(gòu)件破壞。

5根試驗(yàn)梁的開裂荷載、開裂彎矩、極限荷載和極限彎矩見(jiàn)表2。

表2　試驗(yàn)梁的開裂荷載、開裂彎矩、極限荷載和極限彎矩

由表2可知，隨著尾礦砂替代率增加，混凝土梁的立方體抗壓強(qiáng)度整體稍微降低，但均能滿足C30混凝土的強(qiáng)度要求；替代率為40%、50%、60%、70%時(shí)，尾礦砂混凝土梁的開裂荷載和極限荷載與普通混凝土梁的差值均在5%之內(nèi)，即尾礦砂替代率對(duì)混凝土梁的開裂荷載和極限荷載影響不明顯。

2.2平截面假定分析

尾礦砂替代率為0、40%、50%、60%和70%時(shí)，不同荷載等級(jí)下，梁跨中混凝土應(yīng)變沿截面高度的分布情況見(jiàn)圖2。

圖2　梁跨中混凝土應(yīng)變沿截面高度的分布情況

由圖2可知，從開始加載到縱向鋼筋屈服之前，不同尾礦砂替代率時(shí)，跨中混凝土應(yīng)變沿截面高度變化曲線都近似一條直線，即荷載一定時(shí)，跨中各點(diǎn)混凝土應(yīng)變與該點(diǎn)到中心軸的距離成正比。由此可知，尾礦砂混凝土梁和普通混凝土梁一樣，都符合平截面假定。

2.3縱向受拉鋼筋應(yīng)變分析

縱向受拉鋼筋應(yīng)變隨荷載變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3　縱向受拉鋼筋應(yīng)變隨荷載變化曲線

由圖3可知，縱向受拉鋼筋應(yīng)變隨荷載變化曲線可劃分為3個(gè)階段：（1）混凝土開裂之前，縱向受拉鋼筋應(yīng)變很小，隨荷載增加呈線性變化，尾礦砂混凝土梁與普通混凝土梁縱向受拉鋼筋應(yīng)變差別不明顯，且5根梁的開裂荷載基本相同；（2）混凝土開裂后，隨著荷載繼續(xù)增大，縱向受拉鋼筋應(yīng)變?cè)黾铀俾时然炷灵_裂前明顯變快，且同級(jí)荷載作用下尾礦砂替代率越高縱向受拉鋼筋應(yīng)變?cè)酱?，但尾礦砂混凝土梁受拉鋼筋應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)與普通混凝土梁基本一致；（3）縱向受拉鋼筋屈服后，荷載即使增加很少，縱向受拉鋼筋應(yīng)變都會(huì)明顯增大，直至構(gòu)件被壓壞，此時(shí)5根梁的極限荷載基本相同。

2.4裂縫開展情況分析

由試驗(yàn)過(guò)程可知，5根梁的裂縫開展情況相似。開裂時(shí)都伴有輕微響聲；開裂后，隨荷載增加裂縫寬度增大；縱向受拉鋼筋屈服后，裂縫發(fā)展加快，直至構(gòu)件破壞。最大裂縫寬度隨荷載的變化曲線如圖4所示。

圖4　最大裂縫寬度隨荷載的變化曲線

由圖4可知，不同尾礦砂替代率混凝土梁的裂縫發(fā)展趨勢(shì)相似；但尾礦砂替代率不同，裂縫開展情況存在差異：同級(jí)荷載作用下，尾礦砂替代率越高，最大裂縫寬度越大，特別是荷載等級(jí)較大時(shí)，差異更明顯。

2.5跨中撓度分析

試驗(yàn)梁跨中撓度隨荷載的變化曲線見(jiàn)圖5。

圖5　跨中撓度隨荷載的變化曲線

由圖5可知，尾礦砂混凝土梁整個(gè)受力過(guò)程也存在明顯的3個(gè)受力階段：混凝土開裂前階段、構(gòu)件開裂到縱筋屈服階段、縱筋屈服到構(gòu)件破壞階段?；炷灵_裂前，構(gòu)件變形很小，其受力性能表現(xiàn)為彈性，尾礦砂混凝土梁和普通混凝土梁跨中撓度基本相同。混凝土開裂之后，出現(xiàn)第1個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，梁跨中撓度變化明顯加快；同級(jí)荷載作用下，尾礦砂混泥土梁跨中撓度稍大于普通混凝土梁，且尾礦砂替代率越大，差別越明顯?？v向鋼筋屈服后，出現(xiàn)第2個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此時(shí)，跨中撓度隨荷載變化曲線近似水平直線，直至構(gòu)件被壓壞。

由此可知，尾礦砂混凝土梁的受力過(guò)程與普通混凝土梁基本一致，都具有彈性階段、開裂、屈服和極限等4個(gè)明顯過(guò)程，最終受拉鋼筋屈服，混凝土被壓碎，試驗(yàn)梁被破壞。但尾礦砂混泥土梁跨中撓度要稍大于普通混凝土梁，且尾礦砂替代率越大，差別越明顯。

3　結(jié)論

（1）尾礦砂混凝土梁的受力過(guò)程與普通混凝土梁基本一致，都具有彈性階段、開裂、屈服和極限等4個(gè)明顯過(guò)程。尾礦砂混凝土梁與普通混凝土梁的受彎?rùn)C(jī)理基本一致，受彎過(guò)程中同樣符合平截面假定。

（2）尾礦砂混凝土梁與普通混凝土梁的開裂荷載和極限荷載基本一致，說(shuō)明合理的尾礦砂替代率對(duì)混凝土梁的開裂彎矩和極限承載力影響不明顯。

（3）尾礦砂混凝土梁裂縫開展情況與普通混凝土梁相似，但是同級(jí)荷載作用下，尾礦砂替代率越高，裂縫寬度越大。

（4）尾礦砂混凝土梁跨中撓度發(fā)展趨勢(shì)與普通混凝土梁相似，但混凝土開裂后，同級(jí)荷載下，尾礦砂替代率越高，跨中撓度越大。

（5）尾礦砂替代率在40%～50%時(shí)，尾礦砂混凝土梁能夠滿足承載力和適用性要求，同時(shí)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[8]GB/T 50152—2012，混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S]．

Experimental research on the flexural performance of concrete beams w ith m ine tailings sand

GUAN Pinwu，MENG Huiying，KUANG Zhoufei
（College of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Abstract：By flexural performance comparison tests between 4 concrete beams whose tailings replacement rate are 40%，50%，60%，70%and 1 common concrete beam，we study the tailings replacement rates'influence on the force performance，failure mode and deformation characteristics.The results show that with the increase of tailings replacement rate，the cracking load and the ultimate bearing capacity of concrete beams are not significantly reducing，but the maximum crack width and span deflection of concrete beams are increasing;when the tailings replacement rate is at 40%to 50%，the concrete has the better economic benefits.

Key words：mine tailings sand concrete，beam，replacement rate，flexural performance

作者簡(jiǎn)介：管品武，男，1971年生，湖南祁東人，教授，博士，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)基本理論及應(yīng)用與工程結(jié)構(gòu)抗震研究。地址：鄭州市科學(xué)大道100號(hào)，E-mail：guanpw@zzu.edu.cn。

收稿日期：2015-07-23；

修訂日期：2015-09-18

中圖分類號(hào)：TU375.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）01-0018-03