高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土柱小偏壓試驗研究

黃宏，曾仁高，張安哥，牟廷敏

(1．華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013;2．江西省建筑過程模擬與控制重點實驗室，江西南昌330013; 3．四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都610041)

高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土柱小偏壓試驗研究

黃宏1，2，曾仁高1，2，張安哥1，牟廷敏3

(1．華東交通大學土木建筑學院，江西南昌330013;2．江西省建筑過程模擬與控制重點實驗室，江西南昌330013; 3．四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都610041)

通過12根鋼筋混凝土柱(其中9根采用了高鈦重礦渣集料)的偏心受壓試驗，研究了高鈦重礦渣鋼筋混凝土小偏壓柱的受力性能和破壞形態。對比分析了骨料類型和偏心距對柱的極限承載力和剛度的影響。研究結果表明:相較于普通砂石，高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土柱力學性能優良，承載力高于普通鋼筋混凝土柱;采用了礦渣碎石、普通砂作集料的鋼筋混凝土柱的剛度略大于其它集料類型。采用現行混凝土結構設計規范對高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土偏壓柱的正截面承載力進行計算，計算結果與試驗結果相比偏于安全，且與普通鋼筋混凝土試件的比較結果相同，因此可采用現行混凝土結構設計規范對高鈦重礦渣鋼筋混凝土偏壓柱進行設計。

高鈦重礦渣 鋼筋混凝土 小偏壓柱 極限承載力 試驗研究

隨著交通運輸的發展，對高速公路里程和路網覆蓋需求越來越大。高速公路的建設不可避免地要穿越一些砂、石資源比較缺乏的地區，例如麗江至攀枝花(簡稱麗攀)高速公路。麗攀高速公路攀枝花段長約50 km，全線設有特大橋3座、長隧道2座、橋隧比例高達90%以上，需混凝土100多萬m3。混凝土所需砂、石料來源成為建設的關鍵，如從外地采購成本巨大，且會受到季節因素影響導致數量不足影響工程進度。因此，若將攀枝花所堆積的高鈦重礦渣作為粗、細集料配制高性能混凝土用于麗攀高速公路的橋梁、隧道、路面工程，工程造價將顯著降低，且對于節約自然資源、保護長江上游生態平衡具有重要意義。

國內對高鈦重礦渣的研究范圍寬泛，如周旭等［1］進行了高鈦重礦渣碎石替代普通粗骨料的試驗研究，得出高鈦重礦渣碎石可以用作混凝土的粗骨料;張繼東［2］對高鈦礦渣的粉磨特性進行了研究，結果表明高鈦重礦渣的易磨性較普通混凝土差。焦濤等［3-4］進行了全高爐礦渣和半礦渣鋼筋混凝土柱的低周反復荷載試驗，研究了這兩種骨料類型試件的延性性能;陳偉等［5］進行了高鈦高爐渣鋼筋混凝土梁的純彎試驗，研究了梁的正截面強度和延性;李小偉等［6-7］進行了高鈦重渣骨料和高鈦重渣砂高強混凝土柱的擬靜力試驗，研究了這兩種骨料類型試件的抗震性能;本課題組［8］對高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土柱的軸心受壓力學性能進行了試驗研究，結果表明:與普通鋼筋混凝土柱相比，用高鈦重礦渣作粗細集料的鋼筋混凝土柱的承載力更高、軸向變形略大，采用現行《混凝土結構設計規范》［9］計算的高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土試件的抗壓承載力偏于安全。目前，對于高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土柱在偏心受壓作用下的試驗研究未見報道，這不利于高鈦重礦渣集料混凝土在橋梁結構中的應用推廣。

本文變化骨料類型和偏心距共設計了12根鋼筋混凝土柱進行偏心受壓試驗研究，此次試驗試件的相對受壓區高度大于區分偏心受壓構件拉、壓破壞的界限混凝土受壓區高度，為小偏心受壓范圍。通過對12根鋼筋混凝土柱的破壞形態、受力過程、承載力進行對比分析，探討小偏心范圍內偏心距和高鈦重礦渣粗細集料對鋼筋混凝土構件承載力的影響，為高鈦重礦渣集料混凝土柱的設計提供試驗依據。

1 試驗概況

1.1 材料選用與試件設計

試件的混凝土強度設計等級為C50，配制材料有海螺牌42.5級水泥、天然河砂、天然碎石、高鈦重礦渣砂(簡稱渣砂)、高鈦重礦渣碎石(簡稱渣石)、城市自來水和聚羧酸減水劑，粗骨料粒徑為5～25 mm。采用不同粗細集料配制了4種類別的混凝土，1 m3混凝土所需要材料的用量見表1。混凝土采用攪拌機拌合，人工澆筑到模型內，再用手持振搗棒振搗密實。同時預留混凝土標準試塊，同等條件下養護61 d。實測立方體抗壓強度fcu見表2。

表1 混凝土原材料用量kg/m3

表2 試件主要參數

本試驗共設計了12根牛腿柱，其中普通砂石、渣砂渣石、渣砂普石、普砂渣石各3根用于偏心受壓試驗，試件主要試驗參數見表2。試件截面尺寸為200 mm×250 mm，柱長l=1.5 m。試件采用非對稱配筋，主筋為HRB335級鋼筋。試件的具體尺寸及配筋情況見圖1。遠離軸向力一側縱筋直徑為12 mm，實測屈服強度515 MPa;靠近軸向力一側縱筋直徑為16 mm，實測屈服強度525 MPa。箍筋為HPB300級鋼筋，直徑6.5 mm，實測屈服強度380 MPa。

圖1 試件的尺寸及配筋情況(單位:mm)

圖2 試件加載裝置及測點布置(單位:mm)

1.2 試驗方法

試驗在5 000 kN壓力試驗機上進行，加載裝置如圖2所示。試件兩端加載裝置為刀口鉸，用來模擬試件兩端鉸接的邊界條件。

本文用到的試驗量測數據有試件的橫向位移、鋼筋和混凝土的縱向應變。圖1、圖2給出了試件各測點的布置情況，試件的所有主筋中部位置處布置了應變片，試件中部某一側沿截面高度縱向布置了應變片，試件遠離軸向力一側的兩端與中部布設了3個百分表。

依據《混凝土結構試驗方法標準》［10］中試驗加載規定，試驗采用分級加載方式加載。

2 試驗結果與分析

2.1 試件破壞形態

圖3給出了不同偏心距下柱的典型破壞形態圖。

圖3 小偏心受壓柱的典型受壓破壞形態

偏心距為20 mm的柱破壞與軸壓柱［8］的破壞類似，沒有出現橫向裂縫。加載過程中，牛腿處的混凝土出現縱向小裂縫(由混凝土受壓破壞引起)，且隨著承載力的增加裂縫的數量增多、寬度增大，甚至有壓碎的混凝土剝落。其中PYD-1的極限承載力明顯小于本文的計算值，破壞時柱的一角有較大崩裂，觀察發現鋼筋偏離預計位置。分析其原因是由于鋼筋骨架在振搗過程中位置出現偏差導致試件極限承載力遠小于計算值。

偏心距為40 mm的柱，靠近軸向力的一側先出現縱向裂縫，直到柱破壞后，遠離軸向壓力的一側才出現橫向裂縫(由混凝土受拉開裂引起)。其中，柱PYB-2，PYD-2的壓碎區出現在牛腿處受壓側，而PYA-2，PYC-2出現在柱身中部的受壓側。

偏心距為60 mm的柱，第一條橫向裂縫出現在遠離軸向力一側的中部，直到荷載達到60%左右時，靠近軸向力一側才出現縱向裂縫。隨著試驗進行，縱向裂縫開展，混凝土剝落，柱成微彎狀且承載力下降。

試驗中所有偏心距為20，40 mm的試件破壞前僅出現少數幾條縱向裂縫，遠離軸向壓力的一側不出現橫向裂縫或者橫向裂縫不明顯，屬于典型的小偏心受壓破壞;偏心距為60 mm的試件在破壞前橫向裂縫數量不再增加，而縱向裂縫持續發展導致柱破壞，破壞形態與大偏心受壓破壞接近。骨料類型的差異并不影響試件的破壞形態。

2.2 混凝土正截面應變

以偏心距為40 mm的試件為例，圖4列出了4種骨料類型的試件沿截面高度不同測點的應變分布圖，從圖中能夠看出本試驗試件的荷載P在極限承載力Nu

0的87%以內時，試件沿截面高度的應變分布近似在一條直線上。由此說明，在接近極限承載力的加載范圍內，鋼筋混凝土偏心受壓構件中采用高鈦重礦渣作粗骨料、細骨料、粗細骨料時與普通混凝土一樣，基本符合GB 50010—2010中正截面承載力計算理論的平截面假定。

圖4 各種類型混凝土試件應變—截面高度關系曲線

2.3 承載力分析

圖5所示為所有試件的荷載—側向撓度關系曲線。比較相同偏心距的3組試件(除澆筑出現異常的試件PYD-1外)，對柱的極限承載力和剛度進行分析。結果表明:高鈦重礦渣集料鋼筋混凝土試件的極限承載力明顯高于普通砂石混凝土試件;采用了礦渣碎石和普通砂作集料的試件，其剛度略大于其余3類試件。

由圖中取峰值荷載作為實測極限承載力(Nu0)列于表2中。由于不同骨料的混凝土強度不同，為了便于比較，表2中計算極限承載力(Nu)為按《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)對普通鋼筋混凝土偏壓柱正截面受壓承載力的計算公式(第6.2.17條，公式1—4，公式考慮了二階彎矩影響)計算所得結果，計算時混凝土強度、鋼筋強度取值參照《混凝土結構設計原理》［11］。比較表2中4類骨料試件的實測極限承載力與計算極限承載力之比Nu0/Nu，除試件PYD-1外(試件加工偏差)，采用現有混凝土結構設計規范對骨料分別為渣砂渣石、渣砂普石、普砂渣石的3類鋼筋混凝土試件承載力的計算情況與普通鋼筋混凝土試件相似。且計算值與試驗值相比都偏于保守，因此可采用現有混凝土結構設計規范對本文研究的不同骨料類型鋼筋混凝土試件的承載力極限狀態進行計算。

2.4 極限承載力與偏心距關系

試驗所得不同試件的極限承載力與偏心距的關系曲線見圖6(去除了試件PYD-1)。可見各種骨料類型試件的極限承載力均隨著偏心距的增大而減小。

圖5 荷載—側向撓度關系曲線

圖6 極限承載力與偏心距的關系曲線

3 結論

1)對比本文所研究的4種骨料類型的鋼筋混凝土試件，骨料類型的差異對試件的破壞形態并無影響。

2)在達到極限承載力之前，高鈦重礦渣集料混凝土與普通混凝土一樣，基本能夠滿足平截面假定。

3)采用高鈦重礦渣作為粗細骨料的鋼筋混凝土小偏心受壓構件的承載力，可按照現行混凝土結構設計規范進行設計，結果偏于安全。

4)各種骨料類型試件的極限承載力均隨著偏心距的增大而減小。

［1］周旭，李江龍，羅崇理．高鈦高爐渣碎石用做砼骨料的研究［J］．鋼鐵釩鈦，2001(4):43-46，68．

［2］張繼東．高鈦礦渣的粉磨特性研究［J］．中國粉體技術，2005(1):21-23．

［3］焦濤，陳偉，李學偉．攀鋼高爐半礦渣鋼筋混凝土柱的低周反復荷載試驗［J］．工程抗震與加固改造，2013(2):75-79．

［4］焦濤，李小偉，陳偉，等．全高爐礦渣鋼筋混凝土柱的延性試驗［J］．混凝土與水泥制品，2013(2):60-63．

［5］陳偉，黃雙華，孫金坤，等．高鈦高爐渣鋼筋混凝土梁正截面強度試驗研究［J］．四川建筑科學研究，2009(4):51-53．

［6］李小偉，陳偉，李學偉．高鈦重渣骨料高強混凝土柱抗震性能試驗研究［J］．建筑結構，2013(9):96-100．

［7］李小偉，陳偉，李學偉．高鈦重渣砂HRC柱抗震性能試驗研究［J］．世界地震工程，2013(2):39-45．

［8］管理，曾仁高，牟廷敏，等．高鈦重礦渣鋼筋砼軸壓短柱的試驗研究［C］//第22屆全國結構工程學術會議論文集(第Ⅱ冊)．烏魯木齊:中國力學學會結構工程專業委員會，2013．

［9］中華人民共和國住房與城鄉建設部．GB 50010—2010混凝土結構設計規范［S］．北京:中國建筑工業出版社，2010．

［10］中華人民共和國住房與城鄉建設部．GB/T 50152—2012混凝土結構試驗方法標準［S］．北京:中國建筑工業出版社，2012．

［11］藍宗建．混凝土結構設計原理［M］．南京:東南大學出版社，2008．

Experimental study on eccentric compressive behaviors of reinforced concrete columns with high titanium heavy slag aggregate

HUANG Hong1，2，ZENG Rengao1，2，ZHANG Ange1，MOU Tingmin3
(1．College of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang Jianxi 330013，China; 2．Jiangxi Provincial Key Laboratory of Control and Simulation of Construction Process，Nanchang Jianxi 330013，China; 3．Sichuan Provincial Transport Department Highway Planning，Survey，Design and Research Institute，Chengdu Sichuan 610041，China)

T he paper conducts eccentric compression test to 12 reinforced concrete columns to study the force-bearing performance and failure mode of column with high titanium heavy slag aggregate(which accounts for 3/4 of the total specimens applied)．T he results indicate that compared with its counterpart，the specimens with high titanium heavy slag aggregate stand out in both mechanical and force-bearing performance，while columns with slag-gravel or sand as aggregate display a slightly better stiffness property．Afterwards，the paper takes reference from the current design specifications for concrete structure and carry out force-bearing calculation on the normal section of the columns with high titanium heavy slag aggregate．T he calculation results show that the conclusion arrived from the test is arguably correct，at the same time the calculation confirms the previous comparison of the specimens with high titanium heavy slag aggregate and those without．T herefore，it can be said that the current specification for concrete structure can be used in the design of eccentric compression column with high titanium heavy slag aggregate．

High titanium heavy slag;Reinforced concrete;Small eccentric compressive column;Loading limit; Experimental study

TU317+．1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．42

1003-1995(2015)04-0162-05

(責任審編孟慶伶)

2014-12-08;

2015-01-26

國家自然科學基金項目(51378206，51008122);江西省青年科學家培養對象(20133BCB23015);江西省重大科技創新項目(20114ACB01000);江西省教育廳科技計劃落地項目(贛財教［2011］243號);交通運輸部科技項目(2011318351930)

黃宏(1977—)，女，江西樟樹人，教授，博士。