掺锂渣钢筋混凝土梁的受弯性能试验研究

许开成，聂　行，陈梦成，阳翌舒(华东交通大学土木建筑学院，建筑过程模拟与控制江西省重点实验室，江西南昌　330013)



掺锂渣钢筋混凝土梁的受弯性能试验研究

许开成，聂行，陈梦成，阳翌舒
(华东交通大学土木建筑学院，建筑过程模拟与控制江西省重点实验室，江西南昌330013)

摘要:为了研究掺锂渣钢筋混凝土梁的抗弯机理和受弯性能，对6根试验梁进行两点集中对称加载试验。试验结果表明:在相同配筋情况下，锂渣取代率对梁极限承载力无显著影响;当锂渣取代率为10% ～15%时，相比普通混凝土梁，掺锂渣混凝土梁的开裂荷载有一定提高，表现出较好的抗裂性;在适筋范围内提高受拉钢筋的配筋率可提高掺锂渣混凝土梁的开裂荷载;掺锂渣混凝土梁的正截面应变服从平截面假定，采用现行混凝土结构设计规范中的计算公式对试件的承载力进行计算是可行的，计算结果偏于安全。

关键词:锂渣钢筋混凝土模型梁受弯性能

锂渣是锂辉石经1 200℃锻烧后生产碳酸锂时产生的工业废(残)渣，色泽浅黄，其主要成分为SiO2，Al2O3，CaO等。由于锂渣含有较多的无定形SiO2和Al2O3，具有较高的火山灰活性［1-3］，它可作为高活性优质掺合料应用于混凝土中。研究表明，锂渣混凝土具有微膨胀、内部结构致密的特点，大大提高了混凝土的抗渗性［4-5］和抗裂性［6-7］，同时运用锂渣取代部分水泥配制出的高强高性能混凝土表现出了优良的抗冻性、抗冲磨性［8-10］。目前国内外学者对锂渣混凝土材料基本力学性能的研究较多，对再生钢筋混凝土构件的试验也较为多见［11-12］，但对锂渣混凝土构件及结构的研究尚少，尚未有针对锂渣混凝土构件力学性能的研究。基于此，本文设计了1根普通钢筋混凝土梁和5根掺锂渣钢筋混凝土梁进行抗弯性能试验研究。

1　试验简介

1.1试验材料及配合比设计

试验使用的锂渣为宜春银锂新能源股份有限公司通过“变温碳化法”制备碳酸锂时产生的废渣，经高低温干燥和球磨机粉磨后，测得45 μm筛余约为8%，密度约为2 100 kg/m3。配制C40混凝土所采用的材料有洋房牌42.5级水泥、天然河砂、天然碎石(粗骨料粒径约为5～20 mm)、自来水，混凝土配合比见表1。

表1　混凝土配合比　kg

1.2试件设计

本试验共制作了6根梁，其中1根为普通钢筋混凝土梁，其余5根为掺锂渣钢筋混凝土梁，梁的尺寸及配筋见图1，试件基本参数见表2。

1.3试件加载及测点布置

为消除剪力对正截面受弯的影响，试验采用两点对称加载，通过分配梁对称地同步分级加载方式将荷载施加到梁上，在梁跨中形成400 mm的纯弯段。在长度为400 mm的纯弯段内和支座处布置位移传感器，以观察加载后梁的变形全过程。钢筋应变片的布置位置参见图1，试件加载装置及应变和位移测点布置见图2。在正式加载前先进行预压，预压至5 kN后卸载，使测试仪进入正常工作状态，试验操作过程严格按照标准进行。

1.4试验过程描述

6根试件的试验过程基本相似，加载初期，由于荷载较小，荷载与挠度大致呈直线增长关系，试件处于弹性工作状态。随着荷载的增大，受拉区混凝土的应变增长速度加快，当荷载达到12 kN左右时，试验梁跨中开裂，受拉钢筋应变突然变大。随着荷载继续增大，梁的挠度逐渐增大，梁跨中裂缝开始沿梁高向上延伸，纯弯段裂缝增多，受压区混凝土应变增长速度加快，塑性特征表现得越来越明显。当受拉钢筋屈服后，荷载增加缓慢，而试验梁的挠度急剧增加，直至梁顶混凝土被压碎，试验梁破坏。

图1　梁的尺寸及配筋(单位:mm)

表2　试件基本参数

图2　试验加载与测试装置

2　试验结果分析

2.1平截面假定适用性

不同锂渣取代率试验梁跨中截面应变见图3。从图3中可以看出，在试件受力后，截面各点混凝土和钢筋纵向应变沿截面高度方向近似呈直线变化。这表明掺锂渣混凝土梁在受弯过程中平截面假定是成立的。

图3　不同锂渣取代率试验梁跨中截面应变

2.2钢筋应变及跨中挠度

由各试件中受拉钢筋上的钢筋应变片测得的应变作出的荷载—钢筋应变曲线如图4所示。从图4可以看出，曲线大致可以分为直线段、曲线段、水平段。在试验加载初期，荷载较小，受拉区混凝土尚未开裂，受拉钢筋的应变随荷载增加呈线性增长。随着荷载的增加，试验梁跨中附近出现裂缝，钢筋应变突然增大，此后钢筋应变增长速度较开裂前快。在加载后期，钢筋达到屈服，荷载几乎不再增加，钢筋应变却迅速增加，直至构件破坏。在相同配筋率下，掺锂渣混凝土梁和普通混凝土梁跨中钢筋应变相差不大;在相同荷载作用下，配筋率越大钢筋平均应变越小。这说明掺锂渣混凝土梁与普通混凝土梁一样，受拉区受到的拉力主要由纵向受拉钢筋承担。

图4　荷载—钢筋应变曲线

图5分别列出各试验梁的弯矩—跨中挠度曲线。从图5中可以看出:各试验梁在钢筋屈服后均表现出良好的延性;配筋率是影响掺锂渣混凝土梁挠度的主要因素;在相同配筋情况下，锂渣取代率的变化对试验梁的极限承载力和挠度影响均较小。

图5　弯矩—挠度曲线

2.3开裂弯矩及正截面承载力

图6对比了不同锂渣取代率的试验梁在相同配筋情况下的开裂弯矩。从图6中可以看出，试验梁的开裂荷载随锂渣取代率的增加先增后减，锂渣取代率为10%时，开裂荷载最大。与普通混凝土梁对比，锂渣取代率为10%～15%的试验梁表现出相对较好的抗裂性能。主要原因在于，锂渣细颗粒能够起到微集料填充效应，密实了胶凝材料浆体结构，改善了混凝土的孔隙特征，从而提高了混凝土界面的粘结能力。

图6　锂渣取代率—开裂弯矩曲线

图7对比了锂渣取代率为15%的试验梁在3种不同配筋情况下的开裂荷载。由图7可知，开裂弯矩随配筋率的增加而增大，即配筋率适当的提高有助于提高梁的抗裂性能。

图7　梁配筋率—开裂弯矩曲线

本次试验梁开裂弯矩和极限弯矩见表3。表3列出了试验梁的实测极限弯矩Mtuc与理论计算极限弯矩Mc

uc，其中计算极限弯矩Mcuc是根据实测材料强度数据采用现行混凝土结构设计规范［13］(GB 50010—2010)中的抗弯极限承载力公式求得。由表3可知，相同配筋情况下的4根梁的极限弯矩相差很小，锂渣取代率为10%和15%的试验梁的实测极限弯矩与计算极限弯矩的比值均大于1，计算值小于实测值，故锂渣取代率为10%和15%的梁正截面承载力计算方法可按现行规范公式进行计算，计算结果偏于安全。

表3　试验梁开裂弯矩和极限弯矩

3　结论

通过对比分析6根试验梁的试验过程和试验数据，初步得出以下结论:

1)掺锂渣混凝土梁与普通混凝土梁在试验过程中有相似的破坏形态和抗弯机理。掺锂渣混凝土梁在受力过程中正截面应变变化基本符合平截面假定，其受拉区的拉力主要由纵向受拉钢筋承担。

2)6根试验梁均表现出较好的延性。锂渣取代率的变化对梁的极限承载力和挠度影响均较小，锂渣混凝土梁的承载力和挠度主要由配筋率决定。

3)当锂渣取代率为10%～15%时，相比普通混凝土梁，掺锂渣混凝土梁具有较好的抗裂性能，且在适筋范围内提高配筋率有助于提高掺锂渣混凝土的抗裂弯矩。

4)采用现行规范公式计算锂渣取代率为10%～15%的锂渣混凝土梁的极限弯矩是可行的，计算结果偏于安全。

参考文献

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［5］温勇，刘国君，秦志勇，等.锂渣粉对混凝土氯离子渗透性的影响［J］.混凝土，2011(8):76-78.

［6］王国强，努尔开力·依孜特罗甫，侍克斌，等.锂渣细度对锂渣混凝土早期抗裂性能影响及分形评价［J］.粉煤灰综合利用，2010(5):23-25，28.

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［9］张兰芳，陈剑雄，李世伟，等.锂渣混凝土的性能研究［J］.施工技术，2005，34(8):59-60，68.

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［12］陈宗平，范杰，叶培欢，等.钢筋再生混凝土梁受力性能试验研究［J］.建筑结构，2013，43(9):92-95，9.

［13］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

(责任审编赵其文)

Experimental Study on Flexural Performance of Reinforced Concrete Girder Mixed with Lithium Slag

XU Kaicheng，NIE Hang，CHEN Mengcheng，YANG Yishu

(School of Civil Engineering and Architecture，Key Laboratory of Construction Process Simulation and Control，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013，China)

Abstract:In order to study flexural performance and mechanism of reinforced concrete girders mixed with lithium slag，6 girders were tested with two concentrated loads symmetrically.T he results show that the substitution rate of lithium slag has little effect on the ultimate bearing capacity when the reinforcement ratio was the same for girders.W hen the rate was 10% through 15%，compared with the ordinary concrete girders，the cracking load of girders mixed with lithium slag had slightly improved with better crack resistance.T he cracking load of girders mixed with lithium slag could be improved by increasing the reinforcement ratio in the range of suitable reinforcement.T he average strain measured on cross-section meets the plane section assumption，and it is feasible and conservative to calculate the bearing capacity of the girders mixed with lithium slag by using the formula in the current code for design of concrete structures.

Key words:Lithium slag;Reinforced concrete;M odel girder;Flexural behavior

作者简介:许开成(1973—)，男，教授，博士。

基金项目:国家自然科学基金(51468017，51378206)，江西省自然科学基金(20133BCB24008，20143ACB20008)

收稿日期:2015-09-03;修回日期:2015-12-02

文章编号:1003-1995(2016)03-0013-04

中图分类号:U448.34;TU317+.1

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.04