摻鋰渣鋼筋混凝土梁的受彎性能試驗研究

許開成，聶　行，陳夢成，陽翌舒(華東交通大學土木建筑學院，建筑過程模擬與控制江西省重點實驗室，江西南昌　330013)

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摻鋰渣鋼筋混凝土梁的受彎性能試驗研究

許開成，聶行，陳夢成，陽翌舒
(華東交通大學土木建筑學院，建筑過程模擬與控制江西省重點實驗室，江西南昌330013)

摘要:為了研究摻鋰渣鋼筋混凝土梁的抗彎機理和受彎性能，對6根試驗梁進行兩點集中對稱加載試驗。試驗結果表明:在相同配筋情況下，鋰渣取代率對梁極限承載力無顯著影響;當鋰渣取代率為10% ～15%時，相比普通混凝土梁，摻鋰渣混凝土梁的開裂荷載有一定提高，表現出較好的抗裂性;在適筋范圍內提高受拉鋼筋的配筋率可提高摻鋰渣混凝土梁的開裂荷載;摻鋰渣混凝土梁的正截面應變服從平截面假定，采用現行混凝土結構設計規范中的計算公式對試件的承載力進行計算是可行的，計算結果偏于安全。

關鍵詞:鋰渣鋼筋混凝土模型梁受彎性能

鋰渣是鋰輝石經1 200℃鍛燒后生產碳酸鋰時產生的工業廢(殘)渣，色澤淺黃，其主要成分為SiO2，Al2O3，CaO等。由于鋰渣含有較多的無定形SiO2和Al2O3，具有較高的火山灰活性［1-3］，它可作為高活性優質摻合料應用于混凝土中。研究表明，鋰渣混凝土具有微膨脹、內部結構致密的特點，大大提高了混凝土的抗滲性［4-5］和抗裂性［6-7］，同時運用鋰渣取代部分水泥配制出的高強高性能混凝土表現出了優良的抗凍性、抗沖磨性［8-10］。目前國內外學者對鋰渣混凝土材料基本力學性能的研究較多，對再生鋼筋混凝土構件的試驗也較為多見［11-12］，但對鋰渣混凝土構件及結構的研究尚少，尚未有針對鋰渣混凝土構件力學性能的研究。基于此，本文設計了1根普通鋼筋混凝土梁和5根摻鋰渣鋼筋混凝土梁進行抗彎性能試驗研究。

1　試驗簡介

1.1試驗材料及配合比設計

試驗使用的鋰渣為宜春銀鋰新能源股份有限公司通過“變溫碳化法”制備碳酸鋰時產生的廢渣，經高低溫干燥和球磨機粉磨后，測得45 μm篩余約為8%，密度約為2 100 kg/m3。配制C40混凝土所采用的材料有洋房牌42.5級水泥、天然河砂、天然碎石(粗骨料粒徑約為5～20 mm)、自來水，混凝土配合比見表1。

表1　混凝土配合比　kg

1.2試件設計

本試驗共制作了6根梁，其中1根為普通鋼筋混凝土梁，其余5根為摻鋰渣鋼筋混凝土梁，梁的尺寸及配筋見圖1，試件基本參數見表2。

1.3試件加載及測點布置

為消除剪力對正截面受彎的影響，試驗采用兩點對稱加載，通過分配梁對稱地同步分級加載方式將荷載施加到梁上，在梁跨中形成400 mm的純彎段。在長度為400 mm的純彎段內和支座處布置位移傳感器，以觀察加載后梁的變形全過程。鋼筋應變片的布置位置參見圖1，試件加載裝置及應變和位移測點布置見圖2。在正式加載前先進行預壓，預壓至5 kN后卸載，使測試儀進入正常工作狀態，試驗操作過程嚴格按照標準進行。

1.4試驗過程描述

6根試件的試驗過程基本相似，加載初期，由于荷載較小，荷載與撓度大致呈直線增長關系，試件處于彈性工作狀態。隨著荷載的增大，受拉區混凝土的應變增長速度加快，當荷載達到12 kN左右時，試驗梁跨中開裂，受拉鋼筋應變突然變大。隨著荷載繼續增大，梁的撓度逐漸增大，梁跨中裂縫開始沿梁高向上延伸，純彎段裂縫增多，受壓區混凝土應變增長速度加快，塑性特征表現得越來越明顯。當受拉鋼筋屈服后，荷載增加緩慢，而試驗梁的撓度急劇增加，直至梁頂混凝土被壓碎，試驗梁破壞。

圖1　梁的尺寸及配筋(單位:mm)

表2　試件基本參數

圖2　試驗加載與測試裝置

2　試驗結果分析

2.1平截面假定適用性

不同鋰渣取代率試驗梁跨中截面應變見圖3。從圖3中可以看出，在試件受力后，截面各點混凝土和鋼筋縱向應變沿截面高度方向近似呈直線變化。這表明摻鋰渣混凝土梁在受彎過程中平截面假定是成立的。

圖3　不同鋰渣取代率試驗梁跨中截面應變

2.2鋼筋應變及跨中撓度

由各試件中受拉鋼筋上的鋼筋應變片測得的應變作出的荷載—鋼筋應變曲線如圖4所示。從圖4可以看出，曲線大致可以分為直線段、曲線段、水平段。在試驗加載初期，荷載較小，受拉區混凝土尚未開裂，受拉鋼筋的應變隨荷載增加呈線性增長。隨著荷載的增加，試驗梁跨中附近出現裂縫，鋼筋應變突然增大，此后鋼筋應變增長速度較開裂前快。在加載后期，鋼筋達到屈服，荷載幾乎不再增加，鋼筋應變卻迅速增加，直至構件破壞。在相同配筋率下，摻鋰渣混凝土梁和普通混凝土梁跨中鋼筋應變相差不大;在相同荷載作用下，配筋率越大鋼筋平均應變越小。這說明摻鋰渣混凝土梁與普通混凝土梁一樣，受拉區受到的拉力主要由縱向受拉鋼筋承擔。

圖4　荷載—鋼筋應變曲線

圖5分別列出各試驗梁的彎矩—跨中撓度曲線。從圖5中可以看出:各試驗梁在鋼筋屈服后均表現出良好的延性;配筋率是影響摻鋰渣混凝土梁撓度的主要因素;在相同配筋情況下，鋰渣取代率的變化對試驗梁的極限承載力和撓度影響均較小。

圖5　彎矩—撓度曲線

2.3開裂彎矩及正截面承載力

圖6對比了不同鋰渣取代率的試驗梁在相同配筋情況下的開裂彎矩。從圖6中可以看出，試驗梁的開裂荷載隨鋰渣取代率的增加先增后減，鋰渣取代率為10%時，開裂荷載最大。與普通混凝土梁對比，鋰渣取代率為10%～15%的試驗梁表現出相對較好的抗裂性能。主要原因在于，鋰渣細顆粒能夠起到微集料填充效應，密實了膠凝材料漿體結構，改善了混凝土的孔隙特征，從而提高了混凝土界面的粘結能力。

圖6　鋰渣取代率—開裂彎矩曲線

圖7對比了鋰渣取代率為15%的試驗梁在3種不同配筋情況下的開裂荷載。由圖7可知，開裂彎矩隨配筋率的增加而增大，即配筋率適當的提高有助于提高梁的抗裂性能。

圖7　梁配筋率—開裂彎矩曲線

本次試驗梁開裂彎矩和極限彎矩見表3。表3列出了試驗梁的實測極限彎矩Mtuc與理論計算極限彎矩Mc

uc，其中計算極限彎矩Mcuc是根據實測材料強度數據采用現行混凝土結構設計規范［13］(GB 50010—2010)中的抗彎極限承載力公式求得。由表3可知，相同配筋情況下的4根梁的極限彎矩相差很小，鋰渣取代率為10%和15%的試驗梁的實測極限彎矩與計算極限彎矩的比值均大于1，計算值小于實測值，故鋰渣取代率為10%和15%的梁正截面承載力計算方法可按現行規范公式進行計算，計算結果偏于安全。

表3　試驗梁開裂彎矩和極限彎矩

3　結論

通過對比分析6根試驗梁的試驗過程和試驗數據，初步得出以下結論:

1)摻鋰渣混凝土梁與普通混凝土梁在試驗過程中有相似的破壞形態和抗彎機理。摻鋰渣混凝土梁在受力過程中正截面應變變化基本符合平截面假定，其受拉區的拉力主要由縱向受拉鋼筋承擔。

2)6根試驗梁均表現出較好的延性。鋰渣取代率的變化對梁的極限承載力和撓度影響均較小，鋰渣混凝土梁的承載力和撓度主要由配筋率決定。

3)當鋰渣取代率為10%～15%時，相比普通混凝土梁，摻鋰渣混凝土梁具有較好的抗裂性能，且在適筋范圍內提高配筋率有助于提高摻鋰渣混凝土的抗裂彎矩。

4)采用現行規范公式計算鋰渣取代率為10%～15%的鋰渣混凝土梁的極限彎矩是可行的，計算結果偏于安全。

參考文獻

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(責任審編趙其文)

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

作者簡介:許開成(1973—)，男，教授，博士。

基金項目:國家自然科學基金(51468017，51378206)，江西省自然科學基金(20133BCB24008，20143ACB20008)

收稿日期:2015-09-03;修回日期:2015-12-02

文章編號:1003-1995(2016)03-0013-04

中圖分類號:U448.34;TU317+.1

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.04