火山渣混凝土剪力墙轴心受压试验研究

张泽男，王玉英

(长春工程学院土木工程学院，长春 130012)

0 引言

作为一种混凝土骨料，火山渣是火山爆发时的抛出物，它属于天然轻骨料，这种天然轻骨料质量非常小，而且成本很低，因此，价格比普通混凝土集料要便宜很多。在我国，北起黑龙江，南到海南岛，火山渣在10多个省份都有着丰富的储藏，它具有方便开采、节省资源、廉价成本、不需破碎的优点。仅在我国吉林省辉南区域，就有3 000万m3的火山渣轻骨料，一共储藏着接近8亿m3的火山渣材料，居全国首位。近些年，我国已经使用火山渣集料制作出了新型的火山渣混凝土墙体。由于火山渣集料导热系数小并且多孔，所以这种新型混凝土墙体材料，不仅拥有节约土壤、节约能源、导热系数好以及废物利用等优点，而且因为火山渣混凝土本身轻质、高强的特性，使用这种材料来建造建筑结构，结构的重量将会大大减轻，能够加快现场施工的工作速度。对这种建筑材料的推广利用，能够有效地加快我国的建设发展[1]。

国内已经有许多研究者进行了一系列的火山渣混凝土试验的研究工作，全面了解了其基本性能。大量试验研究结果表明了火山渣混凝土具有自重轻、保温好、耐久性等都较好的特点，对钢筋也无腐蚀作用。而且，火山渣混凝土在某些方面的性能要比普通混凝土更有优势。为了解火山渣混凝土剪力墙受力性能，本文进行了火山渣混凝土剪力墙轴心受压试验研究。

1 试验概况

本次试验共设计了2个试件模型，火山渣混凝土剪力墙编号为HSZ，普通混凝土剪力墙编号为PT，墙体高度为1 500 mm，试件的截面尺寸相同，均为1 000 mm×130 mm，采用的混凝土强度等级为C25，试验钢筋均采用HRB400。为了使试验模型更加符合实际工程，在剪力墙两端设置边缘约束暗柱，对暗柱内的纵筋进行加密，边缘纵筋配筋率为4.5%，横竖向分布钢筋以及箍筋根据规范按照构造进行配筋[2]。试验试件具体配筋表见表1，试件模型立面图以及配筋图如图1和图2所示。

2 试验方案

试验试件利用液压方法加载，选用 10 000 kN长柱式压力试验机施加轴心压力。运用单调加载，采用力控制对荷载进行分级加载，每1/10极限承载力为一级，当试件接近预计破坏荷载前，根据实测应力大小，适当加密荷载级别，按每级1/20极限承载力加载。

3 试验结果及分析

3.1 试件破坏特征

加载初期，线弹性阶段，试件的外观没有出现明显变化。

当外荷载加至破坏荷载的70%左右时，混凝土部分表面出现若干细小的竖向裂缝。随着荷载增加，竖向裂缝不断发展并变宽，有些向斜向发展，最后纵筋屈服，混凝土被压碎，试件承载力达到极限值。两组试件破坏趋势基本相同。两个试件的破坏特征详如图3～4所示。

表1 配筋表

图1 试件立面图

图2 试件截面尺寸及配筋

图3 试件PT破坏形态图

图4 试件HSZ破坏形态图

3.2 试件荷载应变曲线分析

图5为HSZ与PT试件破坏时的荷载—应变对比曲线，图中横坐标代表纵向压应变，纵坐标代表荷载值，PTG表示普通混凝土试件钢筋应变，PTH表示普通混凝土试件混凝土应变，HSZG表示火山渣试件钢筋纵向应变，HSZH表示火山渣混凝土试件外包混凝土纵向应变。

图5 荷载—应变对比曲线

如图5，在加载前期，荷载—应变曲线处于线弹性阶段，试件PT纵向应变与试件HSZ纵向应变基本重合，表明在线弹性范围内，普通混凝土以及火山渣混凝土性质基本一样。直至荷载达到80%左右时，明显可见试件HSZ应变发展速度变慢，承载力提升加快，总应变小于试件PT。由图3～5可知：普通混凝土剪力墙在接近破坏状态时，荷载变化加快，容易发生脆性破坏。当加载到试件墙体即将破坏时，与试件PT模型相比，从火山渣混凝土剪力墙即试件HSZ的破坏形态分析可得，承载力变化变缓，墙体不会出现瞬间破坏，火山渣混凝土剪力墙延性优于普通混凝土剪力墙。

3.3 试件荷载位移曲线分析

图6为普通混凝土剪力墙与火山渣混凝土剪力墙荷载—位移对比曲线：通过对比分析可知：在荷载前期，两者结构破坏形式基本相同，火山渣混凝土约束效果较好，加载到2 000 kN时，火山渣混凝土剪力墙达到极限承载力，墙体发生破坏，而普通混凝土剪力墙极限承载力略大，为2 100 kN。同时，普通混凝土剪力墙在峰值后荷载急剧下降，塑性较差，对比之下火山渣混凝土剪力墙下降阶段较为平缓，塑性略好，变形能力较强。

图6 试件荷载—位移对比曲线

4 火山渣混凝土的优缺点

通过火山渣混凝土剪力墙的制作以及进行火山渣混凝土剪力墙轴心受压试验研究得到了火山渣混凝土的优缺点。

4.1 火山渣混凝土的优点

1)质量轻、抗震性能好[3]。由于火山渣混凝土的表现密度比普通混凝土低20%～40%，所以使用火山渣混凝土制作的墙体结构质量较轻，因此地震的作用对这部分墙体结构的影响较小，抗震性能好。

2)界面强度较高。界面区的强度是影响混凝土性能的重要因素之一，因为火山渣轻骨料表面多孔且较粗糙，所以火山渣混凝土界面处的强度较高。

3)抗冻性较好。为了提高抗冻性，普通混凝土总是引入一些气体，由于火山渣集料多孔，内部孔隙可以代替引气的作用，因此，火山渣混凝土的抗冻性能优于普通混凝土。

4)延性较好，通过试验结果分析得出火山渣混凝土的延性优于普通混凝土。

5)抗裂性能好。在相同等级情况下，火山渣混凝土的弹性模量略小于普通混凝土，因此，在受到干缩和冷缩作用时，火山渣混凝土受到的拉应力较小，所以抗裂性较好。而且，由于火山渣轻骨料孔隙较多，经过养护的火山渣混凝土会储藏一部分水分，在后期混凝土的硬化过程中，火山渣混凝土内部水分会进行蒸发释放，能够起到内部养护的作用，减小火山渣混凝土的干燥收缩。

6)耐火性、隔热保温性好。由于火山渣骨料多空，所以火山渣混凝土的导热系数要远远低于普通混凝土，因此在高温条件下，温度的传递速度很慢，能够保护内部钢筋。

4.2 火山渣混凝土的缺点

1)强度略低。通过试验结果可知，同等级的火山渣混凝土剪力墙的极限承载力略低于普通混凝土

剪力墙的极限承载力。火山渣混凝土试件压坏是从骨料断裂的，而普通混凝土试件破坏一般出现在界面处。由于火山渣骨料强度略低于普通碎石骨料强度，火山渣骨料本身的特性限制了火山渣混凝土强度的提高，所以，当火山渣混凝土强度达到一定程度时，继续增加水泥用量，其强度也很难继续增加，因此很难配置出很高强度的火山渣混凝土。

2)徐变和收缩问题。火山渣混凝土的干缩变化与火山渣的含水率有关，将火山渣混凝土进行预湿后，其后期干缩变化会较小。较高强度的火山渣混凝土水灰比较低，导致其收缩、徐变效果比普通混凝土高。因此，为了保证火山渣混凝土强度的发展，减小火山渣混凝土的干缩变形的不良影响，实际施工时，应该更加注意对其的养护效果。

5 结语

本文主要对火山渣混凝土剪力墙进行了轴心受压试验研究，观察试验过程对试验结果进行总结归纳得出结论。观察火山渣混凝土剪力墙在轴心压力作用下的破坏过程，包括裂缝的开展、钢筋及混凝土的应变化以及最终破坏形态。根据试验结果，分析火山渣混凝土剪力墙的开裂荷载、极限荷载以及应变规律。荷载—应变曲线表明，在线弹性工作阶段，钢筋与混凝土能够很好地进行协同工作，变形协调。荷载—位移曲线表明，火山渣混凝土的强度略低于普通混凝土。

[1] 敖文秀，姜彦海.火山渣混凝土拌制工艺研究[J].内蒙古石油化工，2015，41(20)：71-72.

[2] 李照林.高配筋率边缘约束构件高强混凝土剪力墙抗震性能试验研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[3] 杨东林，李斌，黎蔚诗，等.火山渣轻骨料混凝土在国内外的研究应用[J].建材世界，2017，38(2)：26-30.