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1、天然沙漠砂钢筋混凝土梁受弯性能的试验研究 董存 沙吾列提拜开依 伊力亚尔阿不都热西提 袁海翔 新疆大学建筑工程学院 摘 要： 对天然沙漠砂代替普通工程用砂的可行性进行了验证, 对天然沙漠砂混凝土梁的受弯性能进行了研究。通过试验配制出了 C20, C30 天然沙漠砂混凝土, 对比分析了天然沙漠砂混凝土试块与普通砂混凝土试块的破坏形状和曲线, 然后通过 6 根普通砂钢筋混凝土简支梁和 6 根天然沙漠砂钢筋混凝土简支梁的正截面受弯性能试验, 对比分析了在混凝土强度、配筋率和几何尺寸相同的条件下, 普通砂混凝土梁与天然沙漠砂混凝土梁的正截面承载力、挠度和破坏特性。研究结果表明:天然沙漠砂可以作为建筑用
2、细骨料, 天然沙漠砂混凝土梁表现出与普通砂混凝土梁基本相似的特性, 试验结果与理论计算值吻合较好, 普通砂混凝土梁的相关理论、正截面承载力公式等可用于天然沙漠砂混凝土梁。关键词： 可行性; 天然沙漠砂混凝土; 受弯性能; 钢筋混凝土梁; 破坏特性; 作者简介：沙吾列提拜开依, 硕士, 硕士生导师, 教授, Email:。基金：国家自然科学基金项目 (51668059) Experimental study on bending behavior of reinforced concrete beam using natural desert sandDong Cun SawuletBekey
3、ElyarAbdurexet Yuan Haixiang College of Architecture and Engineering, Xinjiang University; Abstract： The feasibility of using natural desert sand instead of using ordinary engineering sand was investigated, and the bending behavior of the natural desert sand was investigated. C20 and C30 concrete ma
4、terials were produced using natural desert sand. Damage shapes and the curves of ordinary sand cubes and natural desert sand cubes were studied through comparison. Then the bending behavior of 6 reinforced concrete ( RC) beams using ordinary engineering sand and another6 using natural desert sand we
5、re fabricated and tested. Bending strength, deformation capacity and damage characteristics were studied through comparison under same strength of concrete, reinforcement ratio and geometry. Test results suggest that the natural desert sand can be an aggregate for concrete, and the RC beams using na
6、tural desert sand show similar bending behavior with those using ordinary engineering sand, the results obtained from theoretic calculations agree well with those obtained from physical tests, the bending strength calculation formula for RC beams using ordinary engineering sands is applicable to tho
7、se using natural desert sand.Keyword： feasibility; natural desert sand concrete; bending behavior; reinforced concrete beam; damage characteristics; 0 引言工程建设需要的砂、石等建筑原材料在混凝土中占总体积的 70%80%1。目前我国大多数地区的建筑用砂仍是河砂, 然而近年来随着工程建设力度的加大, 为了就地取材, 我国不少地区出现违规掏河取砂和毁地取砂的现象, 对我国生态环境造成了极大的威胁和危害。为了解决此问题, 国内外不少学者针对沙漠砂及沙
8、漠砂混凝土进行了试验研究2-3, 得出以沙漠砂作为原材料可配制出一定强度等级的混凝土的结论, 但是, 不同沙漠地区砂料的物理化学特征有所差异, 采用不同砂源所配的混凝土在工作和力学性能方面也表现出一定的差异4。部分学者对天然沙漠砂砂浆及混凝土配合比的研究取得了一定的成果, 且有部分成果得到工程应用2,5。虽然新疆沙漠砂资源丰富, 但是没有针对新疆天然沙漠砂混凝土构件的研究, 故本文根据一些沙漠砂混凝土研究2-7结果, 利用新疆托克逊地区天然沙漠砂进行试验, 研究天然沙漠砂混凝土的配合比和天然沙漠砂混凝土梁的受弯性能, 为拓展天然沙漠砂混凝土的工程应用前景提供参考和借鉴。1 原材料1.1 水泥试
9、验研究过程中一律使用 32.5 强度等级的复合硅酸盐水泥。其他原材料见图1。1.2 细骨料试验所用的工程用普通砂和新疆托克逊地区天然沙漠砂如图 1 (a) , (b) 所示。普通砂粒径较大, 而天然沙漠砂由于沙漠气候多变, 在长期流动和风荷载的作用下, 砂子粒径小, 表面呈光滑的圆状形, 空隙率大、活性差、表面粘结力小。试验所用天然沙漠砂和普通砂颗粒组成见表 1。图 1 试验原材料 下载原图表 1 天然沙漠砂和普通砂颗粒组成 下载原表 根据文献8公式:式中:A 1A6分别为 4.75, 2.36, 1.18, 0.60, 0.30, 0.15 mm 筛的累计筛余百分率;M x为砂的细度模数,
10、当 Mx=0.71.5 时, 该砂为特细砂;当 Mx=1.62.2 时, 该砂为细砂;当 Mx=2.33.0 时, 该砂为中砂;当 Mx=3.13.7 时, 该砂为粗砂。代入数据可得天然沙漠砂 Mx=1.0, 普通砂 Mx=3.5。由此判定托克逊县周边天然沙漠砂为特细砂, 而普通砂为粗砂。1.3 粗骨料试验研究主要用粒径在 520mm 范围内的天然河卵石, 如图 1 (c) 所示。1.4 钢筋试验梁纵向受拉钢筋选用 HRB400 强度等级的钢筋, 如图 1 (d) 所示。通过钢筋拉伸试验得到钢筋屈服强度具体值如表 2 所示。表 2 钢筋屈服强度统计 下载原表 2 混凝土配合比设计2.1 配合比
11、设计试验及分析配合比设计是为了探索配制满足强度要求的天然沙漠砂混凝土配合比。在试验研究中, 利用一般建筑用砂的技术规范, 并参考文献2, 9, 10, 以天然沙漠特细砂代替普通砂, 通过比较普通砂混凝土抗压强度与天然沙漠砂混凝土抗压强度, 探索天然沙漠砂 C20, C30 混凝土较合适的配合比。根据文献9分别计算出 C20 混凝土试拌配合比 3 个, C30 混凝土试拌配合比 3个, 每个配合比制作 2 组 (6 个) 试块, 共计 72 个试块。因沙漠特细砂粒径小, 混凝土中骨料之间砂浆层厚度相对减薄, 故低砂率是配制沙漠特细砂混凝土的要点, 砂率宜控制在 25%30%2。每组试块强度代表值
12、, 应符合下列规定10:1) 取 3 个试件强度的算术平均值作为每组试件的强度代表值;2) 当一组试件中强度的最大值或最小值与中间值之差超过中间值的 15%时, 取中间值作为该组试件的强度代表值;3) 当一组试件中强度的最大值和最小值与中间值之差均超过中间值的 15%时, 该组试件的强度不应作为评定的依据。混凝土强度的合格标准 (非统计方法) 11:式中: 3=1.15, 4=0.95;fcu, m为同一试验组立方体试件抗压强度平均值;f cu, min为同一试验组立方体试件抗压强度最小值。按照计算所得的 3 个不同配合比拌制混凝土拌合物, 并在拌合过程中根据实际情况调整用水量, 并以此制作混
13、凝土试块。普通砂 C20 混凝土试块试验中, 水灰比为 0.52, 砂率为 30%的组 28d 强度符合要求, 且 14d 强度较高, 所以选择普通砂水灰比为 0.52, 砂率为 30%作为本次试验 C20 级普通砂混凝土配合比, 此时混凝土试块 28d 强度平均值为 26.2MPa;天然沙漠砂 C20 混凝土试块试验中, 水灰比为 0.51, 砂率为 28.3%的组 28d 强度符合要求, 且 14d 强度较高, 所以选择天然沙漠砂混凝土水灰比为 0.51, 砂率为 28.3%作为本次试验 C20 级天然沙漠砂混凝土配合比, 此时混凝土试块 28d强度平均值为 26.9MPa。普通砂 C30
14、 混凝土试块试验中, 水灰比为 0.42, 砂率为 26%的组 28d 强度符合要求, 且具有高的 14d 强度, 所以选择水灰比为 0.42, 砂率为 26%作为本次试验 C30 级普通砂混凝土配合比, 此时混凝土试块 28d 强度平均值为 35.4MPa;天然沙漠砂 C30 混凝土试块试验中, 水灰比为 0.49, 砂率为 27%的组 28d 强度符合要求, 且具有较高的 14d 强度, 所以选择水灰比为 0.49, 砂率为 27%作为本次试验 C30 级天然沙漠砂混凝土配合比, 此时混凝土试块 28d 强度平均值为35.5 MPa。通过分析天然沙漠砂 C20, C30 混凝土试块与普通砂
15、 C20, C30 混凝土试块的28d 抗压试验曲线, 可以发现在达到峰值的过程中, 天然沙漠砂 C20, C30 混凝土试块抗压曲线和普通砂 C20, C30 混凝土试块抗压曲线相似, 说明天然沙漠砂C20, C30 混凝土试块在抗压试验中, 具有与普通砂 C20, C30 混凝土试块相似的性质, 如图 2 所示 (图中 01, 02, 03 代表 C20, C30 强度等级下的一组 3 个试块) 。对比图 2 (a) , (b) 中的 28d 抗压强度平均值曲线可以发现, 达到相近的抗压强度值时, 普通砂 C20 混凝土试块在抗压试验中有较好的变形能力, 应变值达到约 2.510 时, 试
16、块抗压强度才接近峰值, 而天然沙漠砂 C20混凝土试块应变达到约 2.010 时, 试块抗压强度已接近峰值, 如图 2 (c) 所示。对比图 2 (d) , (e) 中的 28d 抗压强度平均值曲线可以发现, 达到相近的抗压强度值时, 天然沙漠砂 C30 混凝土试块与普通砂 C30 混凝土试块具有相近的应变, 约为 1.410, 如图 2 (f) 所示。天然沙漠砂 C20, C30 混凝土试块与普通砂 C20, C30 混凝土试块在抗压试验完成后具有相似的破坏形状, 裂缝贯穿试块后, 试块破坏, 表面混凝土脱落, 且腰部的混凝土脱落较多, 剥除松动的混凝土后, 试块呈哑铃形, 如图 3 所示。图 2 混凝土试块 28d 抗压曲线图 下载原图图 3 混凝土试块破坏形状图 下载原图2.2 配合比设计试验小结(1) 天然沙漠砂作为细骨料拌合混凝土拌合物时, 需要更多的水, 且要求粗骨料不宜过大
