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矿渣微粉混凝土简支梁力学性能研究试验

摘要: 我们对6 根不同矿渣微粉掺量的C40混凝土简支梁进行了静力加载试验,对其在竖向荷载下的受力过程、裂缝开展情况、跨中挠度等进行了较为深入的研究分析。从混凝土梁的力学性能变化趋势,找到了矿渣微粉在C40混凝土当中的最佳掺量,为矿渣微粉混凝土在工程中的运用提供了设计参考。试验结果表明:矿渣微粉在C40混凝土当中掺量为20%-30%之间时,混凝土的工作性能和力学性能均能得到较好的发挥,其中掺量为20%左右时混凝土力学性能更佳。

关键词:矿渣微粉混凝土 简支梁 力学性能

引言

大力发展“绿色高性能混凝土”,就是大量利用优质的工业副产品和废弃物,尽可能减少自然资源和能源的消耗,减少环境污染。而掺有大量活性矿物掺合料的少熟料水泥混凝土的应用便是其中之一。在混凝土中掺加矿渣微粉,不仅是减轻矿渣废料污染、缓解矿物能源危机的有效途径,更是提高混凝土综合性能的有效方法。但是目前,工程混凝土对矿渣掺量的要求很大程度上限制了矿渣的充分利用和在结构领域的广泛应用。事实上,通过合理的配合比设计,矿渣微粉可以配制出较高性能的混凝土,存在将矿渣微粉混凝土广泛应用于工程结构的可能性;只是在一般的配筋结构构件中,矿渣微粉混凝土能否与钢筋很好地共同工作、保证结构构件的整体性能,还有待试验检验。本研究在已有的材料试验的基础上,选取典型的配筋受弯构件,比较不同矿渣微粉混凝土掺量和不掺矿渣微粉的普通混凝土对构件受力性能的影响。

2 、 试验情况

2.1、试验材料

徐州兴隆牌32.5号普通硅酸盐水泥,各性能指标达国家标准;普通矿渣微粉;普通碎石,粒径≤40mm;细沙;普通自来水。

我们制作了同一混凝土强度等级,不同矿渣微粉参量的三种混凝土梁,如下:C40SL0(矿渣微粉掺量为0);C40SL20(矿渣微粉掺量为20%);C40SL30(矿渣微粉掺量为30%)。

2.2、实验设计

1.试验装置及方法

全部试验采用千斤顶反力架两点集中对称的同步分级加载方式。在梁的纯弯段混凝土表面设置电阻应变片测点,在其中一侧和梁底共设五点:梁受压外边沿附近一点;梁受拉外边沿附近一点;中间按外密内疏布置两点;梁底正中央一点。另外在梁内部受拉主筋上布置两点(靠内侧布置)。相应在电阻应变测点对应处设应变仪测点。挠度测点五处:跨中一点,分配梁加载点各一点;支座沉降处各一点。全部数据采用IMP数据采集系统直接由计算机自动采集。

在试验过程当中重点测量以下内容:<1>观察裂缝出现及展开过程和形态,特别注意开裂荷载和破坏荷载的大小,测量在使用荷载下的裂缝间距及裂缝宽度。<2>了解加载过程中纵筋的受力变化情况。<3>在纯弯段内(梁正中央)侧面贴应变片记录各级荷载下梁的应变值.<4>在梁支座及跨中布置位移计,量测跨中挠度。

按照试验方法标准的要求,结构试验时先进行预加载0.2吨,然后卸载至0。每级加载值不大于使用状态短期荷载值的20%。在接近试件的估计开裂荷载时,为了使实际开裂荷载较准确,将原定的一级分为两级来加载。裂缝出现后,恢复到原来一级来加载。在裂缝出现以前,每级加载后停5分钟左右以便裂缝发展稳定下来,并及时记录裂缝发展情况。当到达极限承载力的90%左右后,每级加载不大于使用状态荷载值的5%。

2.试件设计与制作

所有梁的截面尺寸都是100mm×160mm,配筋率都为1.2%。梁的有效跨度为1750mm,其中中间纯弯段跨度为400mm,两边剪弯段跨度都为600mm,纯弯段内不布置箍筋,剪弯段内布置箍筋为φ6@150。梁的详细尺寸及配筋见表1。

表1   构件设计参数

试件

配筋率ρ   (%)

梁底纵筋

纯弯段箍筋

剪弯段箍筋

剪跨a   (mm)



1.2

2Ф10

0

Ф6@150

600



1.2

2Ф10

0

Ф6@150

600



1.2

2Ф10

0

Ф6@150

600



1.2

2Ф10

0

Ф6@150

600



1.2

2Ф10

0

Ф6@150

600



1.2

2Ф10

0

Ф6@150

600

3 、 试验结果与分析

3.1、简支梁纯弯段力学性能的试验结果与比较分析

1.破坏形态

各根梁的开裂荷载、破坏荷载及其破坏形态见表2

表2  各梁的破坏形态

试件编号

开裂荷载(t)

破坏荷载(t)

简要描述

C40SL0-1

1.2

5.8

由于剪弯区斜裂缝过大而破坏

C40SL0-2

0.8

6.0

纯弯区混凝土裂缝宽度较大,混凝土被压碎

C40SL20-1

1.0

5.2

由于剪弯区斜裂缝过大而破坏

C40SL20-2

1.2

6.4

出现轻微爆裂,混凝土被压碎

C40SL30-1

1.4

6.0

纯弯区混凝土裂缝宽度较大,混凝土被压碎

C40SL30-2

1.2

6.1

纯弯区混凝土裂缝宽度较大,混凝土被压碎

2.裂缝开展情况

梁在试验过程中,加载至1.2吨左右时在纯弯段梁底出现第一条可见裂缝,随着荷载的逐步增加,出现新的垂直裂缝,裂缝高度随荷载增大而逐步升高。加载至2.0吨左右时,在剪弯段靠近梁底加载的地方出现斜裂缝,裂缝条数不多,一般单面条数在5条左右,其裂缝宽度一般不超过纯弯段的裂缝宽度,且裂缝没有延伸至加载点。最后,由于纯弯段内的混凝土被压碎而丧失承载力,纯弯段混凝土被压碎时,临界荷载很大。

3.梁的跨中荷载—挠度曲线

梁的跨中荷载—挠度曲线可以看出:简支梁从加载到发生弯曲破坏经历了弹性阶段,带裂缝工作阶段和破坏阶段。垂直裂缝出现前,荷载—挠度曲线基本呈直线变化,当荷载增加至极限荷载的25%-35%左右时,出现第一条垂直裂缝,荷载—挠度曲线出现第一个转折点;随着荷载的继续增加,出现斜裂缝,当加载至极限荷载的85%-95%时,荷载—挠度曲线出现第二个转折点,挠度迅速增大,直至破坏。还可以明显的看出:粉煤灰的掺量越大,荷载—挠度曲线转折点的出现越滞后;但是梁的破坏荷载的大小顺序是:掺量为20%的最大,其次为掺量为30%的,最小的是普通混凝土梁。由此可见,混凝土内掺入矿渣微粉可以提高强度,但是掺量要适当,否则效果不明显。

4.钢筋应变的发展

在相同的纵筋配筋率下,开裂前不同矿渣微粉掺量的梁纵向钢筋应变发展几乎相同,开裂后, 纵向钢筋应变发展的情况为:矿渣微粉掺量为20%的滞后于配比为30%的,掺量为30%的滞后于普通混凝土的。可见,纵向受力钢筋的应变发展受到矿渣微粉掺量的影响,在一定范围内,随着矿渣微粉掺量的提高,钢筋应变发展将减慢,但如果矿渣微粉掺量超过一定范围,钢筋的应变发展又将加快。

5.混凝土应变的发展

可见部分梁H1和H2处的混凝土应变有先增大后减小的趋势,分析其原因:H1和H2处的混凝土在加载初期是受压的,随着实验的进行,中和轴上移,受压区变小,这两处由受压区变为受拉区,所以出现以上变化趋势。

分析矿渣微粉掺量对荷载—混凝土应变曲线的影响:在梁的受压区即H1和H2处,混凝土的应变随矿渣微粉参合量增大有先增大后减小的现象;在梁的受拉区即H3、H4和H5处,混凝土的应变量随着矿渣微粉参合量的增大而增大。由此可以推断:掺入一定比例的矿渣微粉,可以提高混凝土的抗压强度,但是对混凝土的抗拉强度反倒起削弱作用。

3.2、 简支梁剪弯段力学性能的试验结果与分析比较

这里主要分析剪弯段的裂缝情况,荷载为极限荷载的35%-40%时,各梁均在剪弯段靠近加载点处产生斜裂缝,随着荷载的增加,梁在剪弯段距支座200mm-500mm梁二分之一高处,均出现腹剪裂缝,此裂缝向梁顶和梁底延伸,发展成临界斜裂缝。可见,矿渣微粉的掺入对简支梁的抗剪没有什么影响。

4、 结论

从以上分析我们可以得出下列几点结论:

混凝土内掺入20%-30%矿渣微粉取代水泥可以提高其力学性能。且仅从构件抗弯、抗剪的性能方面考虑,C40混凝土中矿渣微粉最佳掺量在20%左右。

纵向受力钢筋的应变发展受到矿渣微粉掺量的影响,钢筋应变发展比较:掺量为0的>掺量为30%的>掺量为20%的。说明在一定范围内,随着矿渣微粉掺量的增加,钢筋应变发展呈先减慢后增快的趋势。

矿渣微粉可以增强混凝土的抗压强度,但是对混凝土的抗拉强度反倒起削弱作用。
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