掺尾矿砂混凝土梁受弯性能试验研究

管品武，孟会英，邝周飞（郑州大学土木工程学院，河南郑州　450001）



掺尾矿砂混凝土梁受弯性能试验研究

管品武，孟会英，邝周飞
（郑州大学土木工程学院，河南郑州450001）

摘要：通过4根尾矿砂替代率分别为40%、50%、60%、70%的混凝土梁和1根普通混凝土梁的受弯性能对比试验，研究尾矿砂替代率对混凝土梁的受弯性能、破坏形态和变形特征的影响规律。结果表明，随着尾矿砂替代率的增大，混凝土梁的开裂荷载和极限承载力没有明显降低，但混凝土梁最大裂缝宽度和跨中挠度随尾矿砂替代率的增加而增大；尾矿砂替代率在40%～50%时，具有较好的经济效益。

关键词：尾矿砂混凝土；梁；替代率；受弯性能

随着天然砂存储量越来越少，过度开采不但导致天然砂质量下降而且造成环境破坏。同时，我国每年产生大量尾矿，尾矿堆积不但侵占土地、湮没良田、破坏生态平衡，而且严重浪费资源。用尾矿砂替代部分细骨料配制混凝土是尾矿有效再利用的重要方法之一。目前，国内外对尾矿砂混凝土的配制和基本材料性能进行了大量试验研究和理论分析[1-6]，但是对尾矿砂混凝土结构性能的研究较少。本文通过4根不同替代率（40%、50%、60%、70%）尾矿砂混凝土梁和1根普通混凝土梁的受弯性能对比试验，研究尾矿砂替代率对混凝土梁的受弯性能、破坏形态和变形特征的影响规律，为尾矿砂混凝土的推广应用提供依据。

1　试验概况

1.1试验材料

水泥：P·O42.5水泥；粗骨料：粒径5～20mm碎石；普通细骨料：中砂；尾矿砂：来自湖北某铁矿区，属中砂。

1.2试验设计

本试验以C30强度等级混凝土配合比为基准，根据配合比计算出的具体材料用量见表1。以尾矿砂替代率为变量，制备5根试验梁，梁尺寸（长×宽×高）为2500mm×200mm×400 mm，梁中纵向受拉钢筋为2Φ14，箍筋为Φ10@150，配筋率为0.385[7]。

表1　试验梁用混凝土的配合比

1.3加载装置和测点布置

本次试验采用三分点加载，利用分配梁将荷载对称地施加到试验构件上，并在跨中形成800mm纯弯段，应变及变形测点布置、试验加载装置[8]如图1所示。

图1　测点布置和试验加载装置示意

2　试验结果及分析

2.1试验现象描述

由试验可知，5根梁的试验现象基本相似。对试验构件进行预加载后，开始正式加载。刚开始加载时，荷载较小，挠度、混凝土应变以及钢筋应变都很小，随着荷载增大，挠度、混凝土应变和钢筋应变随之增大。随着荷载继续增大，首先在构件跨中部位出现第1条垂直裂缝。混凝土开裂后，随着荷载继续增加，构件纯弯段内的裂缝宽度增大，裂缝条数增多，并逐渐向上延伸。随着荷载的进一步增大，加载点正下方开始出现垂直裂缝，加载点和支座之间开始出现斜裂缝，且向加载点延伸。当荷载增加到某一值时，受拉区钢筋首先屈服，构件挠度和裂缝宽度的发展明显加快。随着荷载的进一步增加，构件纯弯段上部混凝土被压碎，构件破坏。

5根试验梁的开裂荷载、开裂弯矩、极限荷载和极限弯矩见表2。

表2　试验梁的开裂荷载、开裂弯矩、极限荷载和极限弯矩

由表2可知，随着尾矿砂替代率增加，混凝土梁的立方体抗压强度整体稍微降低，但均能满足C30混凝土的强度要求；替代率为40%、50%、60%、70%时，尾矿砂混凝土梁的开裂荷载和极限荷载与普通混凝土梁的差值均在5%之内，即尾矿砂替代率对混凝土梁的开裂荷载和极限荷载影响不明显。

2.2平截面假定分析

尾矿砂替代率为0、40%、50%、60%和70%时，不同荷载等级下，梁跨中混凝土应变沿截面高度的分布情况见图2。

图2　梁跨中混凝土应变沿截面高度的分布情况

由图2可知，从开始加载到纵向钢筋屈服之前，不同尾矿砂替代率时，跨中混凝土应变沿截面高度变化曲线都近似一条直线，即荷载一定时，跨中各点混凝土应变与该点到中心轴的距离成正比。由此可知，尾矿砂混凝土梁和普通混凝土梁一样，都符合平截面假定。

2.3纵向受拉钢筋应变分析

纵向受拉钢筋应变随荷载变化曲线见图3。

图3　纵向受拉钢筋应变随荷载变化曲线

由图3可知，纵向受拉钢筋应变随荷载变化曲线可划分为3个阶段：（1）混凝土开裂之前，纵向受拉钢筋应变很小，随荷载增加呈线性变化，尾矿砂混凝土梁与普通混凝土梁纵向受拉钢筋应变差别不明显，且5根梁的开裂荷载基本相同；（2）混凝土开裂后，随着荷载继续增大，纵向受拉钢筋应变增加速率比混凝土开裂前明显变快，且同级荷载作用下尾矿砂替代率越高纵向受拉钢筋应变越大，但尾矿砂混凝土梁受拉钢筋应变发展趋势与普通混凝土梁基本一致；（3）纵向受拉钢筋屈服后，荷载即使增加很少，纵向受拉钢筋应变都会明显增大，直至构件被压坏，此时5根梁的极限荷载基本相同。

2.4裂缝开展情况分析

由试验过程可知，5根梁的裂缝开展情况相似。开裂时都伴有轻微响声；开裂后，随荷载增加裂缝宽度增大；纵向受拉钢筋屈服后，裂缝发展加快，直至构件破坏。最大裂缝宽度随荷载的变化曲线如图4所示。

图4　最大裂缝宽度随荷载的变化曲线

由图4可知，不同尾矿砂替代率混凝土梁的裂缝发展趋势相似；但尾矿砂替代率不同，裂缝开展情况存在差异：同级荷载作用下，尾矿砂替代率越高，最大裂缝宽度越大，特别是荷载等级较大时，差异更明显。

2.5跨中挠度分析

试验梁跨中挠度随荷载的变化曲线见图5。

图5　跨中挠度随荷载的变化曲线

由图5可知，尾矿砂混凝土梁整个受力过程也存在明显的3个受力阶段：混凝土开裂前阶段、构件开裂到纵筋屈服阶段、纵筋屈服到构件破坏阶段。混凝土开裂前，构件变形很小，其受力性能表现为弹性，尾矿砂混凝土梁和普通混凝土梁跨中挠度基本相同。混凝土开裂之后，出现第1个转折点，梁跨中挠度变化明显加快；同级荷载作用下，尾矿砂混泥土梁跨中挠度稍大于普通混凝土梁，且尾矿砂替代率越大，差别越明显。纵向钢筋屈服后，出现第2个转折点，此时，跨中挠度随荷载变化曲线近似水平直线，直至构件被压坏。

由此可知，尾矿砂混凝土梁的受力过程与普通混凝土梁基本一致，都具有弹性阶段、开裂、屈服和极限等4个明显过程，最终受拉钢筋屈服，混凝土被压碎，试验梁被破坏。但尾矿砂混泥土梁跨中挠度要稍大于普通混凝土梁，且尾矿砂替代率越大，差别越明显。

3　结论

（1）尾矿砂混凝土梁的受力过程与普通混凝土梁基本一致，都具有弹性阶段、开裂、屈服和极限等4个明显过程。尾矿砂混凝土梁与普通混凝土梁的受弯机理基本一致，受弯过程中同样符合平截面假定。

（2）尾矿砂混凝土梁与普通混凝土梁的开裂荷载和极限荷载基本一致，说明合理的尾矿砂替代率对混凝土梁的开裂弯矩和极限承载力影响不明显。

（3）尾矿砂混凝土梁裂缝开展情况与普通混凝土梁相似，但是同级荷载作用下，尾矿砂替代率越高，裂缝宽度越大。

（4）尾矿砂混凝土梁跨中挠度发展趋势与普通混凝土梁相似，但混凝土开裂后，同级荷载下，尾矿砂替代率越高，跨中挠度越大。

（5）尾矿砂替代率在40%～50%时，尾矿砂混凝土梁能够满足承载力和适用性要求，同时具有较好的经济效益。

参考文献：

[1]金家康，孙宝臣．浅谈铁尾矿综合利用的现状和问题[J]．山西建筑，2008，34（14）：26-27．

[2]何兆芳．尾矿在预拌混凝土中应用的试验研究[J]．商品混凝土，2009（6）：42-46．

[3]田雨泽．干选废石和尾矿砂生产混凝土空心砌块的研究[J]．新型建筑材料，2009（3）：34-35．

[4]宋裕增，刘淑婷，蔡基伟，等．铁尾矿砂混凝土的和易性与强度特点[J]．工程质量，2009（6）：62-65．

[5]蔡基伟，封孝信，赵丽，等．铁尾矿砂混凝土的泌水特性[J]．武汉理工大学学报，2009（7）：88-91．

[6]赵芸平，孙玉良，于嘉禾，等．尾矿砂石混凝土配合比设计研究[J]．混凝土，2009（8）：91-93．

[7]沈蒲生，梁兴文．混凝土结构设计原理[M]．3版.北京：高等教育出版社，2007．

[8]GB/T 50152—2012，混凝土结构试验方法标准[S]．

Experimental research on the flexural performance of concrete beams w ith m ine tailings sand

GUAN Pinwu，MENG Huiying，KUANG Zhoufei
（College of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Abstract：By flexural performance comparison tests between 4 concrete beams whose tailings replacement rate are 40%，50%，60%，70%and 1 common concrete beam，we study the tailings replacement rates'influence on the force performance，failure mode and deformation characteristics.The results show that with the increase of tailings replacement rate，the cracking load and the ultimate bearing capacity of concrete beams are not significantly reducing，but the maximum crack width and span deflection of concrete beams are increasing;when the tailings replacement rate is at 40%to 50%，the concrete has the better economic benefits.

Key words：mine tailings sand concrete，beam，replacement rate，flexural performance

作者简介：管品武，男，1971年生，湖南祁东人，教授，博士，主要从事混凝土结构基本理论及应用与工程结构抗震研究。地址：郑州市科学大道100号，E-mail：guanpw@zzu.edu.cn。

收稿日期：2015-07-23；

修订日期：2015-09-18

中图分类号：TU375.1

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）01-0018-03