自燃煤矸砂钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究

周　梅，栾从起，李高年

(辽宁工程技术大学建筑工程学院，阜新　123000)



自燃煤矸砂钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究

周梅，栾从起，李高年

(辽宁工程技术大学建筑工程学院，阜新123000)

通过对6根相同配筋率、相同混凝土强度等级、不同细骨料的混凝土简支梁的抗弯试验,探讨了自燃煤矸砂全部取代天然砂制备的自燃煤矸砂混凝土受弯构件正截面受力变形性能和破坏特征。试验结果表明:自燃煤矸砂混凝土梁与普通混凝土梁的受弯破坏过程基本相同，仍具有弹性、开裂、屈服和极限等4个明显特征；正截面平均应变服从平截面假定；相同条件下虽然自燃煤矸砂混凝土抗压强度稍低于普通混凝土，但其试验梁的开裂弯矩和极限抗弯承载力稍高于普通混凝土梁，现有的普通混凝土梁计算公式适用于自燃煤矸砂配制的混凝土。

自燃煤矸砂混凝土；抗弯性能；正截面假定；开裂弯矩；极限弯矩

1　引　言

煤矸石是煤炭行业中产生数量最多的一种工业废渣，其堆积不仅对环境造成了严重污染，也是一种资源的严重浪费。另一方面，天然砂资源日趋枯竭，开采和运输费用巨大，且对砂子原产地的自然生态环境破坏严重。如何充分并合理地利用煤矸砂替代天然砂配制混凝土，并成功应用于工程实践尤为重要。目前，国内由世歧、孙家瑛、张金喜和周梅[1-3]等对煤矸石骨料混凝土的力学性能和耐久性能进行了大量试验研究，李帼昌对钢管煤矸石骨料混凝土梁、柱进行了研究，而针对自燃煤矸砂混凝土梁抗弯性能试验研究还鲜见报道。本文将自燃煤矸石经过破碎、筛分制成粒径小于4.75 mm的煤矸砂，完全替代天然砂制备自燃煤矸砂混凝土梁，在相同试验条件下，通过对自燃煤矸砂混凝土梁与普通混凝土梁抗弯试验，分析其受力特性及破坏特点，为自燃煤矸砂混凝土构件应用于工程实践提供基础。

2　试　验

2.1混凝土配合比设计

本试验自燃煤矸石取自阜新市清河门矿，自燃煤矸砂的制备过程详见图1。

由于自燃的煤矸石孔隙率较大、吸水率较高，自燃煤矸砂混凝土的配合比设计不同于普通混凝土。自燃煤矸砂细骨料在拌和前需要提前1 h吮水润湿，这部分水称为附加水[3]，其用量通过测定自燃煤矸砂细骨料的吸水率确定。试验采用的混凝土配合比详见表1。

表1　C30混凝土试验梁配合比

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

2.2试验梁设计

图1　自燃煤矸砂骨料生产流程Fig.1　Spontaneous combustion gangue sand production flow

图2　试验梁尺寸和配筋(单位：mm)Fig.2　Test beam size and reinforcement

本试验共制备6根试验梁，其中3根为天然砂细骨料对比梁，编号分别为H-1、H-2、H-3；3根为自燃煤矸砂混凝土梁，编号分别为G-1、G-2、G-3。为研究自燃煤矸砂细骨料特性对混凝土梁正截面受力和变形性能的影响，所有试验梁均采用了相同的配筋率，即纵向受拉钢筋的配筋率为1.77%，梁的尺寸及配筋详见图2。

2.3试验装置

图3　试验梁表面应变片 Fig.3　Strain gauge of test

图4　钢筋表面应变片 Fig.4　Strain gauge of beam reinforcement

图5　试验梁加载及测试装置 Fig.5　Loading and testing device of test beam

为了消除剪力对试验梁正截面受弯的影响，采用两点对称加载方式。参考文献[4，5]，为测试混凝土梁受力阶段纯弯段的应变和跨中钢筋应变，在梁的表面粘贴电阻应变片，型号BX120-80AA；在钢筋上粘贴应变片，型号为BX120-5AA，详见图3和图4。

试验加载装置为型号WAW-1000的电液伺服万能试验机，按1500 mm跨长进行两点对称加载，跨中放置分配梁。为测得梁实际挠度并减少偏心影响，简支梁跨中位置左右两侧各安放一个百分表，应变片的导线连接到MYJ-1静态数字电阻应变测试仪上。试验梁加载及测试装置，详见图5所示。

2.4试验加载过程及主要试验现象

为确定开裂荷载，采用分级加载方式[7，8]。开始时每级按1 kN加载，并停留 3 min 后再进行下一次加载。随着荷载逐渐的增大，观察裂缝并用黑笔标出出现的裂缝以及延伸的裂缝，同时在裂缝处标记此刻的荷载值。G-1梁、G-2梁、G-3 梁分别在10.5 kN、9.7 kN、10.0 kN时开始出现微小裂缝；继续加载，并观察裂缝情况，直到加载到20 kN左右，之后每级荷载增加 3 kN，并停留3 min后再加载，并观察裂缝；试验发现：当荷载增至纵向受力筋达到屈服时，即使荷载增加的很小，自燃煤矸砂混凝土试验梁的裂缝和挠度也急剧增加。本试验G-1、G-2、G-3 试验梁荷载分别增加到43.1 kN、46.9 kN、48.1 kN时，试验梁跨中段的顶部混凝土被压碎，试验梁宣告破坏；普通混凝土梁也按上面程序加载，具体试验结果见表3。

2.5试验结果

对上述同批次混凝土拌合物成型的100 mm×100 mm×100 mm立方体试件、100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试件，标注养护至“龄期”后，进行立方体抗压强度和轴心抗压强度检测。对纵向受力钢筋取样进行抗拉强度检测，主要试验结果见表2。

表2　自燃煤矸砂混凝土和钢筋的主要性能指标

2.6结果分析

表3　试验梁试验结果

6根试验梁破坏过程基本相似，都具有明显的弹性、开裂、屈服和极限等4个受力特点，均属于适筋梁破坏，即正截面先是受拉纵筋屈服，后是压区混凝土压碎。从表3中可以看出，虽然自燃煤矸砂混凝土立方体抗压和轴心抗压强度较普通混凝土低，都满足C30混凝土强度等级要求，但自燃煤矸砂钢筋混凝土梁的开裂荷载和极限荷载均较普通钢筋混凝土梁稍高一些。

3　结果与讨论

3.1平截面假定适用性分析

图6中a～c分别表示3根自燃煤矸砂混凝土，图6d～f分别表示普通混凝土试验梁的跨中截面在不同荷载等级下应变沿截面高度分布情况。从中可以清晰看出与普通混凝土相似，自燃煤矸砂混凝土在某一特定荷载作用下，截面上各点混凝土的应变与该点到中性轴的距离也近似成正比。由此可知，自燃煤矸砂钢筋混凝土梁在受弯过程中，平截面假定也仍然成立。

图6　沿梁截面高度的应变分布(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荷载-跨中挠度分析

每级荷载作用下梁的跨中挠度值，通过取梁两侧百分表数值与初始差值的平均值作为每级荷载下梁的跨中挠度，整理数据得到了荷载-跨中挠度曲线，详见图7所示。从图7a可知，刚开始荷载较小时，梁的跨中挠度随着荷载的增大呈线性增加，试验梁处于弹性工作状态。当荷载逐渐增加至10 kN左右时，受拉区混凝土达到极限拉应变而发生开裂，荷载-跨中挠度曲线出现拐点，此后，梁挠度随荷载呈非线性增加，并且挠度增长速度变快，试验梁的塑形特征表现的越来越明显，跨中挠度增长速度变快。最后在荷载为40～45 kN时受拉区钢筋屈服，进入屈服破坏阶段，梁的塑性特征表现得更为充分，跨中挠度迅速增长，荷载-跨中挠度曲线接近水平线。自燃煤矸砂钢筋混凝土梁从加载至破坏整个过程与图7b普通钢筋混凝土梁相类似。

3.3裂缝开展与分布分析

6根试验梁的裂缝开展情况大体相似。梁的初始裂缝都是首先发生在跨中纯弯段，并且，裂缝随着荷载的增加而缓慢延伸，裂缝宽度及数量随荷载的增大而不断也略有增加；然而，当纵向受力钢筋屈服后，裂缝延伸速度突然加快，宽度急剧增大，受压区混凝土横向裂缝迅速增加，并伴有响声，直至试验梁破坏达到承载力。

图7　试验梁荷载-跨中挠度曲线Fig.7　Load-deflection curves of test beams(a)spontaneous combustion gangue sand concrete beam;(b)ordinary concrete beam

图8　两种试验梁裂缝间距及开展情况对比Fig.8　Two groups of test beam crack spacing and development case

4　现行规范对自燃煤矸砂混凝土梁的适用性探讨

根据试验梁的截面尺寸、配筋情况，以及各种材料的实测值，按现行规范(《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010))的抗弯极限承载力计算公式，计算得到各试验梁的极限抗弯承载力标准值，具体结果见表4。从表4中可知，本文利用两种不同细骨料配制的混凝土试验梁极限弯矩实测值都大于计算值，但值得注意的是，自然煤矸砂混凝土与普通混凝土之间的实测值相差却很小。笔者认为实测值偏大的主要原因是：①试验梁的配筋率较高。由于钢筋在实验室潮湿部位存放，表面有锈斑，故配筋率选择稍大些(经济配筋率0.6%～1.5%，本试验梁高达1.77%)，但也在适筋梁的配筋率范围之内；②试验梁养护温度偏高。试验梁放置在常温下的水箱中养护，6～7月份室内温度大于20℃。

表4　梁极限弯矩计算值与实测值对比

5　结　论

(1)自燃煤矸砂钢筋混凝土梁受力过程与普通钢筋混凝土梁类似，仍具有初裂、屈服、极限等受力特征，自燃煤矸砂钢筋混凝土梁与普通钢筋混凝土梁受力机理基本相同。自燃煤矸砂钢筋混凝土梁应用于工程实际是可行的;

(2)自燃煤矸砂钢筋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;

(3)自燃煤矸砂钢筋混凝土梁的破坏形式与普通混凝土梁相类似;

(4)自燃煤矸砂钢筋混凝土梁的极限弯矩略大于普通混凝土梁，采用现行《混凝土结构设计规范》的公式计算自燃煤矸砂钢筋混凝土梁的抗弯极限承载力是可行的。

[1]浦倍超.粗骨料及掺合料对自燃煤矸石砂轻混凝土性能影响研究)[D].阜新：辽宁工程技术大学学位论文,2013.

[2]田博宇.自燃煤矸砂预处理对混凝土性能影响的试验研究[D].阜新：辽宁工程技术大学学位论文,2013.

[3]周梅,浦倍超,徐秒，等.附加水及预湿时间对自燃煤矸石砂轻混凝土性能影响 [J].硅酸盐通报,2013,32(12):1-6.

[4]GB50152-92，混凝土结构试验方法标准[S].

[5]中华人民共和国国家标准.混凝土结构设计规范(GB50010-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[6]吴本华,王军,王静峰.钢筋煤矸石混凝土梁试验[J].安徽建筑工业学院学报,2012,20:60-65.

[7]季昌良,翟爱良,翟文举,等.再生砖粗骨料混凝土梁抗弯性能试验研究[J].水利水运工程学报,2012,(6):59-63.

[8]肖建庄,兰阳.再生粗骨料混凝土梁抗弯性能试验研究[J].特种结构,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

国家自然科学基金委员会与神华集团有限公司联合资助项目(U1261122)

周梅(1964-),女,教授级高工,硕导.主要从事土木工程材料的教学与科研工作.

TU528

A

1001-1625(2016)02-0341-06