礦渣微粉混凝土簡支梁力學(xué)性能研究試驗

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　摘要：我們對6 根不同礦渣微粉摻量的C40混凝土簡支梁進(jìn)行了靜力加載試驗，對其在豎向荷載下的受力過程、裂縫開展情況、跨中撓度等進(jìn)行了較為深入的研究分析。從混凝土梁的力學(xué)性能變化趨勢，找到了礦渣微粉在C40混凝土當(dāng)中的最佳摻量，為礦渣微粉混凝土在工程中的運用提供了設(shè)計參考。試驗結(jié)果表明：礦渣微粉在C40混凝土當(dāng)中摻量為20%-30%之間時，混凝土的工作性能和力學(xué)性能均能得到較好的發(fā)揮，其中摻量為20%左右時混凝土力學(xué)性能更佳。

　　關(guān)鍵詞：礦渣微粉混凝土 簡支梁 力學(xué)性能

　　引言

　　１、大力發(fā)展“綠色高性能混凝土”，就是大量利用優(yōu)質(zhì)的工業(yè)副產(chǎn)品和廢棄物，盡可能減少自然資源和能源的消耗，減少環(huán)境污染。

　　而摻有大量活性礦物摻合料的少熟料水泥混凝土的應(yīng)用便是其中之一。在混凝土中摻加礦渣微粉，不僅是減輕礦渣廢料污染、緩解礦物能源危機的有效途徑，更是提高混凝土綜合性能的有效方法。但是目前，工程混凝土對礦渣摻量的要求很大程度上限制了礦渣的充分利用和在結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。事實上，通過合理的配合比設(shè)計，礦渣微粉可以配制出較高性能的混凝土，存在將礦渣微粉混凝土廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)的可能性；只是在一般的配筋結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，礦渣微粉混凝土能否與鋼筋很好地共同工作、保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體性能，還有待試驗檢驗。本研究在已有的材料試驗的基礎(chǔ)上，選取典型的配筋受彎構(gòu)件，比較不同礦渣微粉混凝土摻量和不摻礦渣微粉的普通混凝土對構(gòu)件受力性能的影響。

　　2 、試驗情況

　　2.1、試驗材料

　　徐州興隆牌32.5號普通硅酸鹽水泥，各性能指標(biāo)達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)；普通礦渣微粉；普通碎石，粒徑≤40mm；細(xì)沙；普通自來水。

　　我們制作了同一混凝土強度等級，不同礦渣微粉參量的三種混凝土梁，如下：C40SL0（礦渣微粉摻量為0）；C40SL20（礦渣微粉摻量為20%）；C40SL30（礦渣微粉摻量為30%）。

　　2.2、實驗設(shè)計

　　1.試驗裝置及方法

　　全部試驗采用千斤頂反力架兩點集中對稱的同步分級加載方式。在梁的純彎段混凝土表面設(shè)置電阻應(yīng)變片測點，在其中一側(cè)和梁底共設(shè)五點：梁受壓外邊沿附近一點；梁受拉外邊沿附近一點；中間按外密內(nèi)疏布置兩點；梁底正中央一點。另外在梁內(nèi)部受拉主筋上布置兩點（靠內(nèi)側(cè)布置）。相應(yīng)在電阻應(yīng)變測點對應(yīng)處設(shè)應(yīng)變儀測點。撓度測點五處：跨中一點，分配梁加載點各一點；支座沉降處各一點。全部數(shù)據(jù)采用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接由計算機自動采集。

　　在試驗過程當(dāng)中重點測量以下內(nèi)容：<1>觀察裂縫出現(xiàn)及展開過程和形態(tài)，特別注意開裂荷載和破壞荷載的大小，測量在使用荷載下的裂縫間距及裂縫寬度。<2>了解加載過程中縱筋的受力變化情況。<3>在純彎段內(nèi)（梁正中央）側(cè)面貼應(yīng)變片記錄各級荷載下梁的應(yīng)變值。<4>在梁支座及跨中布置位移計，量測跨中撓度。

　　按照試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)構(gòu)試驗時先進(jìn)行預(yù)加載0.2噸，然后卸載至0.每級加載值不大于使用狀態(tài)短期荷載值的20%.在接近試件的估計開裂荷載時，為了使實際開裂荷載較準(zhǔn)確，將原定的一級分為兩級來加載。裂縫出現(xiàn)后，恢復(fù)到原來一級來加載。在裂縫出現(xiàn)以前，每級加載后停5分鐘左右以便裂縫發(fā)展穩(wěn)定下來，并及時記錄裂縫發(fā)展情況。當(dāng)?shù)竭_(dá)極限承載力的90%左右后，每級加載不大于使用狀態(tài)荷載值的5%.

　　2.試件設(shè)計與制作

　　所有梁的截面尺寸都是100mm×160mm，配筋率都為1.2%.梁的有效跨度為1750mm，其中中間純彎段跨度為400mm，兩邊剪彎段跨度都為600mm，純彎段內(nèi)不布置箍筋，剪彎段內(nèi)布置箍筋為φ6@150.梁的詳細(xì)尺寸及配筋見表1.

　　表1 構(gòu)件設(shè)計參數(shù)

試件　 配筋率ρ （%）　 梁底縱筋　 純彎段箍筋　 剪彎段箍筋　 剪跨a （mm）　 一　 1.2　 2Ф10　 0　 Ф6@150　 600　 二　 1.2　 2Ф10　 0　 Ф6@150　 600　 三　 1.2　 2Ф10　 0　 Ф6@150　 600　 四　 1.2　 2Ф10　 0　 Ф6@150　 600　 五　 1.2　 2Ф10　 0　 Ф6@150　 600　 六　 1.2　 2Ф10　 0　 Ф6@150　 600　

　　3 、 試驗結(jié)果與分析

　　3.1、簡支梁純彎段力學(xué)性能的試驗結(jié)果與比較分析

　　1.破壞形態(tài)

　　各根梁的開裂荷載、破壞荷載及其破壞形態(tài)見表2

　　表2 各梁的破壞形態(tài)

試件編號　 開裂荷載（t）　 破壞荷載（t）　 簡要描述　 C40SL0-1　 1.2　 5.8　 由于剪彎區(qū)斜裂縫過大而破壞　 C40SL0-2　 0.8　 6.0　 純彎區(qū)混凝土裂縫寬度較大，混凝土被壓碎　 C40SL20-1　 1.0　 5.2　 由于剪彎區(qū)斜裂縫過大而破壞　 C40SL20-2　 1.2　 6.4　 出現(xiàn)輕微爆裂，混凝土被壓碎　 C40SL30-1　 1.4　 6.0　 純彎區(qū)混凝土裂縫寬度較大，混凝土被壓碎　 C40SL30-2　 1.2　 6.1　 純彎區(qū)混凝土裂縫寬度較大，混凝土被壓碎　

　　2.裂縫開展情況

　　梁在試驗過程中，加載至1.2噸左右時在純彎段梁底出現(xiàn)第一條可見裂縫，隨著荷載的逐步增加，出現(xiàn)新的垂直裂縫，裂縫高度隨荷載增大而逐步升高。加載至2.0噸左右時，在剪彎段靠近梁底加載的地方出現(xiàn)斜裂縫，裂縫條數(shù)不多，一般單面條數(shù)在5條左右，其裂縫寬度一般不超過純彎段的裂縫寬度，且裂縫沒有延伸至加載點。最后，由于純彎段內(nèi)的混凝土被壓碎而喪失承載力，純彎段混凝土被壓碎時，臨界荷載很大。

　　3.梁的跨中荷載—撓度曲線

　　梁的跨中荷載—撓度曲線可以看出：簡支梁從加載到發(fā)生彎曲破壞經(jīng)歷了彈性階段，帶裂縫工作階段和破壞階段。垂直裂縫出現(xiàn)前，荷載—撓度曲線基本呈直線變化，當(dāng)荷載增加至極限荷載的25%-35%左右時，出現(xiàn)第一條垂直裂縫，荷載—撓度曲線出現(xiàn)第一個轉(zhuǎn)折點；隨著荷載的繼續(xù)增加，出現(xiàn)斜裂縫，當(dāng)加載至極限荷載的85%-95%時，荷載—撓度曲線出現(xiàn)第二個轉(zhuǎn)折點，撓度迅速增大，直至破壞。還可以明顯的看出：粉煤灰的摻量越大，荷載—撓度曲線轉(zhuǎn)折點的出現(xiàn)越滯后；但是梁的破壞荷載的大小順序是：摻量為20%的最大，其次為摻量為30%的，最小的是普通混凝土梁。由此可見，混凝土內(nèi)摻入礦渣微粉可以提高強度，但是摻量要適當(dāng)，否則效果不明顯。

　　4.鋼筋應(yīng)變的發(fā)展

　　在相同的縱筋配筋率下，開裂前不同礦渣微粉摻量的梁縱向鋼筋應(yīng)變發(fā)展幾乎相同，開裂后， 縱向鋼筋應(yīng)變發(fā)展的情況為：礦渣微粉摻量為20%的滯后于配比為30%的，摻量為30%的滯后于普通混凝土的。可見，縱向受力鋼筋的應(yīng)變發(fā)展受到礦渣微粉摻量的影響，在一定范圍內(nèi)，隨著礦渣微粉摻量的提高，鋼筋應(yīng)變發(fā)展將減慢，但如果礦渣微粉摻量超過一定范圍，鋼筋的應(yīng)變發(fā)展又將加快。

　　5.混凝土應(yīng)變的發(fā)展

　　可見部分梁H1和H2處的混凝土應(yīng)變有先增大后減小的趨勢，分析其原因：H1和H2處的混凝土在加載初期是受壓的，隨著實驗的進(jìn)行，中和軸上移，受壓區(qū)變小，這兩處由受壓區(qū)變?yōu)槭芾瓍^(qū)，所以出現(xiàn)以上變化趨勢。

　　分析礦渣微粉摻量對荷載—混凝土應(yīng)變曲線的影響：在梁的受壓區(qū)即H1和H2處，混凝土的應(yīng)變隨礦渣微粉參合量增大有先增大后減小的現(xiàn)象；在梁的受拉區(qū)即H3、H4和H5處，混凝土的應(yīng)變量隨著礦渣微粉參合量的增大而增大。由此可以推斷：摻入一定比例的礦渣微粉，可以提高混凝土的抗壓強度，但是對混凝土的抗拉強度反倒起削弱作用。

　　3.2、 簡支梁剪彎段力學(xué)性能的試驗結(jié)果與分析比較

　　這里主要分析剪彎段的裂縫情況，荷載為極限荷載的35%-40%時，各梁均在剪彎段靠近加載點處產(chǎn)生斜裂縫，隨著荷載的增加，梁在剪彎段距支座200mm-500mm梁二分之一高處，均出現(xiàn)腹剪裂縫，此裂縫向梁頂和梁底延伸，發(fā)展成臨界斜裂縫?？梢?，礦渣微粉的摻入對簡支梁的抗剪沒有什么影響。

　　4、結(jié)論

　　從以上分析我們可以得出下列幾點結(jié)論：

　　混凝土內(nèi)摻入20%-30%礦渣微粉取代水泥可以提高其力學(xué)性能。且僅從構(gòu)件抗彎、抗剪的性能方面考慮，C40混凝土中礦渣微粉最佳摻量在20%左右。

　　縱向受力鋼筋的應(yīng)變發(fā)展受到礦渣微粉摻量的影響，鋼筋應(yīng)變發(fā)展比較：摻量為0的>摻量為30%的>摻量為20%的。說明在一定范圍內(nèi)，隨著礦渣微粉摻量的增加，鋼筋應(yīng)變發(fā)展呈先減慢后增快的趨勢。

　　礦渣微粉可以增強混凝土的抗壓強度，但是對混凝土的抗拉強度反倒起削弱作用。