高钛重矿渣集料钢筋混凝土柱小偏压试验研究

黄宏，曾仁高，张安哥，牟廷敏

(1．华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013;2．江西省建筑过程模拟与控制重点实验室，江西南昌330013; 3．四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都610041)

高钛重矿渣集料钢筋混凝土柱小偏压试验研究

黄宏1，2，曾仁高1，2，张安哥1，牟廷敏3

(1．华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013;2．江西省建筑过程模拟与控制重点实验室，江西南昌330013; 3．四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都610041)

通过12根钢筋混凝土柱(其中9根采用了高钛重矿渣集料)的偏心受压试验，研究了高钛重矿渣钢筋混凝土小偏压柱的受力性能和破坏形态。对比分析了骨料类型和偏心距对柱的极限承载力和刚度的影响。研究结果表明:相较于普通砂石，高钛重矿渣集料钢筋混凝土柱力学性能优良，承载力高于普通钢筋混凝土柱;采用了矿渣碎石、普通砂作集料的钢筋混凝土柱的刚度略大于其它集料类型。采用现行混凝土结构设计规范对高钛重矿渣集料钢筋混凝土偏压柱的正截面承载力进行计算，计算结果与试验结果相比偏于安全，且与普通钢筋混凝土试件的比较结果相同，因此可采用现行混凝土结构设计规范对高钛重矿渣钢筋混凝土偏压柱进行设计。

高钛重矿渣 钢筋混凝土 小偏压柱 极限承载力 试验研究

随着交通运输的发展，对高速公路里程和路网覆盖需求越来越大。高速公路的建设不可避免地要穿越一些砂、石资源比较缺乏的地区，例如丽江至攀枝花(简称丽攀)高速公路。丽攀高速公路攀枝花段长约50 km，全线设有特大桥3座、长隧道2座、桥隧比例高达90%以上，需混凝土100多万m3。混凝土所需砂、石料来源成为建设的关键，如从外地采购成本巨大，且会受到季节因素影响导致数量不足影响工程进度。因此，若将攀枝花所堆积的高钛重矿渣作为粗、细集料配制高性能混凝土用于丽攀高速公路的桥梁、隧道、路面工程，工程造价将显著降低，且对于节约自然资源、保护长江上游生态平衡具有重要意义。

国内对高钛重矿渣的研究范围宽泛，如周旭等［1］进行了高钛重矿渣碎石替代普通粗骨料的试验研究，得出高钛重矿渣碎石可以用作混凝土的粗骨料;张继东［2］对高钛矿渣的粉磨特性进行了研究，结果表明高钛重矿渣的易磨性较普通混凝土差。焦涛等［3-4］进行了全高炉矿渣和半矿渣钢筋混凝土柱的低周反复荷载试验，研究了这两种骨料类型试件的延性性能;陈伟等［5］进行了高钛高炉渣钢筋混凝土梁的纯弯试验，研究了梁的正截面强度和延性;李小伟等［6-7］进行了高钛重渣骨料和高钛重渣砂高强混凝土柱的拟静力试验，研究了这两种骨料类型试件的抗震性能;本课题组［8］对高钛重矿渣集料钢筋混凝土柱的轴心受压力学性能进行了试验研究，结果表明:与普通钢筋混凝土柱相比，用高钛重矿渣作粗细集料的钢筋混凝土柱的承载力更高、轴向变形略大，采用现行《混凝土结构设计规范》［9］计算的高钛重矿渣集料钢筋混凝土试件的抗压承载力偏于安全。目前，对于高钛重矿渣集料钢筋混凝土柱在偏心受压作用下的试验研究未见报道，这不利于高钛重矿渣集料混凝土在桥梁结构中的应用推广。

本文变化骨料类型和偏心距共设计了12根钢筋混凝土柱进行偏心受压试验研究，此次试验试件的相对受压区高度大于区分偏心受压构件拉、压破坏的界限混凝土受压区高度，为小偏心受压范围。通过对12根钢筋混凝土柱的破坏形态、受力过程、承载力进行对比分析，探讨小偏心范围内偏心距和高钛重矿渣粗细集料对钢筋混凝土构件承载力的影响，为高钛重矿渣集料混凝土柱的设计提供试验依据。

1 试验概况

1.1 材料选用与试件设计

试件的混凝土强度设计等级为C50，配制材料有海螺牌42.5级水泥、天然河砂、天然碎石、高钛重矿渣砂(简称渣砂)、高钛重矿渣碎石(简称渣石)、城市自来水和聚羧酸减水剂，粗骨料粒径为5～25 mm。采用不同粗细集料配制了4种类别的混凝土，1 m3混凝土所需要材料的用量见表1。混凝土采用搅拌机拌合，人工浇筑到模型内，再用手持振捣棒振捣密实。同时预留混凝土标准试块，同等条件下养护61 d。实测立方体抗压强度fcu见表2。

表1 混凝土原材料用量kg/m3

表2 试件主要参数

本试验共设计了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根用于偏心受压试验，试件主要试验参数见表2。试件截面尺寸为200 mm×250 mm，柱长l=1.5 m。试件采用非对称配筋，主筋为HRB335级钢筋。试件的具体尺寸及配筋情况见图1。远离轴向力一侧纵筋直径为12 mm，实测屈服强度515 MPa;靠近轴向力一侧纵筋直径为16 mm，实测屈服强度525 MPa。箍筋为HPB300级钢筋，直径6.5 mm，实测屈服强度380 MPa。

图1 试件的尺寸及配筋情况(单位:mm)

图2 试件加载装置及测点布置(单位:mm)

1.2 试验方法

试验在5 000 kN压力试验机上进行，加载装置如图2所示。试件两端加载装置为刀口铰，用来模拟试件两端铰接的边界条件。

本文用到的试验量测数据有试件的横向位移、钢筋和混凝土的纵向应变。图1、图2给出了试件各测点的布置情况，试件的所有主筋中部位置处布置了应变片，试件中部某一侧沿截面高度纵向布置了应变片，试件远离轴向力一侧的两端与中部布设了3个百分表。

依据《混凝土结构试验方法标准》［10］中试验加载规定，试验采用分级加载方式加载。

2 试验结果与分析

2.1 试件破坏形态

图3给出了不同偏心距下柱的典型破坏形态图。

图3 小偏心受压柱的典型受压破坏形态

偏心距为20 mm的柱破坏与轴压柱［8］的破坏类似，没有出现横向裂缝。加载过程中，牛腿处的混凝土出现纵向小裂缝(由混凝土受压破坏引起)，且随着承载力的增加裂缝的数量增多、宽度增大，甚至有压碎的混凝土剥落。其中PYD-1的极限承载力明显小于本文的计算值，破坏时柱的一角有较大崩裂，观察发现钢筋偏离预计位置。分析其原因是由于钢筋骨架在振捣过程中位置出现偏差导致试件极限承载力远小于计算值。

偏心距为40 mm的柱，靠近轴向力的一侧先出现纵向裂缝，直到柱破坏后，远离轴向压力的一侧才出现横向裂缝(由混凝土受拉开裂引起)。其中，柱PYB-2，PYD-2的压碎区出现在牛腿处受压侧，而PYA-2，PYC-2出现在柱身中部的受压侧。

偏心距为60 mm的柱，第一条横向裂缝出现在远离轴向力一侧的中部，直到荷载达到60%左右时，靠近轴向力一侧才出现纵向裂缝。随着试验进行，纵向裂缝开展，混凝土剥落，柱成微弯状且承载力下降。

试验中所有偏心距为20，40 mm的试件破坏前仅出现少数几条纵向裂缝，远离轴向压力的一侧不出现横向裂缝或者横向裂缝不明显，属于典型的小偏心受压破坏;偏心距为60 mm的试件在破坏前横向裂缝数量不再增加，而纵向裂缝持续发展导致柱破坏，破坏形态与大偏心受压破坏接近。骨料类型的差异并不影响试件的破坏形态。

2.2 混凝土正截面应变

以偏心距为40 mm的试件为例，图4列出了4种骨料类型的试件沿截面高度不同测点的应变分布图，从图中能够看出本试验试件的荷载P在极限承载力Nu

0的87%以内时，试件沿截面高度的应变分布近似在一条直线上。由此说明，在接近极限承载力的加载范围内，钢筋混凝土偏心受压构件中采用高钛重矿渣作粗骨料、细骨料、粗细骨料时与普通混凝土一样，基本符合GB 50010—2010中正截面承载力计算理论的平截面假定。

图4 各种类型混凝土试件应变—截面高度关系曲线

2.3 承载力分析

图5所示为所有试件的荷载—侧向挠度关系曲线。比较相同偏心距的3组试件(除浇筑出现异常的试件PYD-1外)，对柱的极限承载力和刚度进行分析。结果表明:高钛重矿渣集料钢筋混凝土试件的极限承载力明显高于普通砂石混凝土试件;采用了矿渣碎石和普通砂作集料的试件，其刚度略大于其余3类试件。

由图中取峰值荷载作为实测极限承载力(Nu0)列于表2中。由于不同骨料的混凝土强度不同，为了便于比较，表2中计算极限承载力(Nu)为按《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)对普通钢筋混凝土偏压柱正截面受压承载力的计算公式(第6.2.17条，公式1—4，公式考虑了二阶弯矩影响)计算所得结果，计算时混凝土强度、钢筋强度取值参照《混凝土结构设计原理》［11］。比较表2中4类骨料试件的实测极限承载力与计算极限承载力之比Nu0/Nu，除试件PYD-1外(试件加工偏差)，采用现有混凝土结构设计规范对骨料分别为渣砂渣石、渣砂普石、普砂渣石的3类钢筋混凝土试件承载力的计算情况与普通钢筋混凝土试件相似。且计算值与试验值相比都偏于保守，因此可采用现有混凝土结构设计规范对本文研究的不同骨料类型钢筋混凝土试件的承载力极限状态进行计算。

2.4 极限承载力与偏心距关系

试验所得不同试件的极限承载力与偏心距的关系曲线见图6(去除了试件PYD-1)。可见各种骨料类型试件的极限承载力均随着偏心距的增大而减小。

图5 荷载—侧向挠度关系曲线

图6 极限承载力与偏心距的关系曲线

3 结论

1)对比本文所研究的4种骨料类型的钢筋混凝土试件，骨料类型的差异对试件的破坏形态并无影响。

2)在达到极限承载力之前，高钛重矿渣集料混凝土与普通混凝土一样，基本能够满足平截面假定。

3)采用高钛重矿渣作为粗细骨料的钢筋混凝土小偏心受压构件的承载力，可按照现行混凝土结构设计规范进行设计，结果偏于安全。

4)各种骨料类型试件的极限承载力均随着偏心距的增大而减小。

［1］周旭，李江龙，罗崇理．高钛高炉渣碎石用做砼骨料的研究［J］．钢铁钒钛，2001(4):43-46，68．

［2］张继东．高钛矿渣的粉磨特性研究［J］．中国粉体技术，2005(1):21-23．

［3］焦涛，陈伟，李学伟．攀钢高炉半矿渣钢筋混凝土柱的低周反复荷载试验［J］．工程抗震与加固改造，2013(2):75-79．

［4］焦涛，李小伟，陈伟，等．全高炉矿渣钢筋混凝土柱的延性试验［J］．混凝土与水泥制品，2013(2):60-63．

［5］陈伟，黄双华，孙金坤，等．高钛高炉渣钢筋混凝土梁正截面强度试验研究［J］．四川建筑科学研究，2009(4):51-53．

［6］李小伟，陈伟，李学伟．高钛重渣骨料高强混凝土柱抗震性能试验研究［J］．建筑结构，2013(9):96-100．

［7］李小伟，陈伟，李学伟．高钛重渣砂HRC柱抗震性能试验研究［J］．世界地震工程，2013(2):39-45．

［8］管理，曾仁高，牟廷敏，等．高钛重矿渣钢筋砼轴压短柱的试验研究［C］//第22届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅱ册)．乌鲁木齐:中国力学学会结构工程专业委员会，2013．

［9］中华人民共和国住房与城乡建设部．GB 50010—2010混凝土结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［10］中华人民共和国住房与城乡建设部．GB/T 50152—2012混凝土结构试验方法标准［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

［11］蓝宗建．混凝土结构设计原理［M］．南京:东南大学出版社，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

(责任审编孟庆伶)

2014-12-08;

2015-01-26

国家自然科学基金项目(51378206，51008122);江西省青年科学家培养对象(20133BCB23015);江西省重大科技创新项目(20114ACB01000);江西省教育厅科技计划落地项目(赣财教［2011］243号);交通运输部科技项目(2011318351930)

黄宏(1977—)，女，江西樟树人，教授，博士。