钢管煤矸石混凝土受力性能研究综述_朱瑞雪.pdf

辽宁科技学院学报第 25 卷文章编号:1008 3723(2023)03 020 03doi:10 3969/j issn 1008 3723 2023 03 005钢管煤矸石混凝土受力性能研究综述朱瑞雪1，杨帆1，于万波1，张童1，2(1 辽宁科技学院 资源与土木工程学院，辽宁 本溪 117004;2 辽宁工程技术大学 土木工程学院，辽宁 阜新 123000)摘要:煤矸石是洗煤过程中产生的工业固体废料，在我国堆放量大、占地面广，堆放过程中产生的有害物质会造成严重污染，破坏环境。煤矸石替代骨料配制混凝土，不仅可以降低煤矸石储量，同样可以减少天然集料的使用，具有一定的经济效益。煤矸石混凝土与钢材的结合，使结构承载力高、塑性和韧性好的优点更加突出。文章采用文献调查法，对钢管煤矸石混凝土的受力性能进行综述，详细阐述煤矸石对混凝土承载力的影响及低温环境下钢管混凝土受力性能的研究现状，并对钢管煤矸石混凝土的发展趋势进行展望。关键词:煤矸石;钢管混凝土;受力性能中图分类号:TU398 9文献标识码:A0前言土木工程是我国的一项基础建设，随着国民经济飞速发展，人民生活质量的提升，国家大力提倡节能减排、绿色低碳的生活方式，实现土木工程的可持续发展是目前面临的重要问题，绿色土木、绿色材料亟须发展。我国煤炭行业是传统的主流行业，洗煤过程中会产生大量工业固体废料煤矸石，据记载，我国煤矸石储量多达45 亿吨1，其堆放不仅占用大量土地，还会发生自燃，排放有害气体，造成严重污染，对环境产生一定程度不可逆的破坏，因此许多国家非常重视煤矸石的处理和再利用。煤矸石制砖、煤矸石作为混合材料替代部分熟料生产水泥以及替代粗骨料或轻骨料配制混凝土，都取得了很好的效果，同时也有利于国家实现“双碳”战略，意义重大。目前许多国内外学者对煤矸石混凝土进行大量的研究工作并取得了相应的成果，煤矸石材料的掺量及温度因素对钢管混凝土的受力性能有直接影响，因此文章重点从煤矸石对混凝土承载力的影响和低温环境下钢管混凝土的受力性能两个方面进行综述。1煤矸石对混凝土承载力的影响早在 1988 年，我国学者张效良等根据大量试验数据，总结自燃煤矸石及其作为骨料对混凝土强度和耐久性的影响等技术问题，并提出使用标准及具收稿日期:2023 01 20基金项目:辽宁省教育厅面上项目“严寒近海地区钢管煤矸石混凝土受压构件关键设计方法研究”(LJKZ1056);2022 年辽宁科技学院大学生创新创业训练计划项目“低温环境下钢管煤矸石混凝土桥墩承载力研究”(202211430108)作者简介:朱瑞雪(2001 )，女，辽宁朝阳人，辽宁科技学院土木工程专业学生通讯作者:杨帆(1992 )，女，辽宁阜新人，助教，硕士 研究方向:结构工程体的实施建议2。为了广泛再利用工业废料，实现资源的可持续发展，马福在研究煤矸石材料及煤矸石混凝土形成原因的基础上，探究煤矸石混凝土构件的力学性能，认为该材料比较经济，虽然抗剪承载力和粘结强度低于混凝土结构，但经过合理计算及配筋可以解决此问题，且工业废料煤矸石的开发再利用可以保护环境，发展前景非常广阔3。21 世纪我国学者对于煤矸石混凝土受力性能的研究更加深入。周梅等4 将天然碎石更换为煤矸石作为粗骨料配制煤矸石砂轻混凝土，用以附加用水量、预湿时间、砂率和颗粒级配作为变化因素，研究其对自燃煤矸石砂轻混凝土性能的影响。结果表明，自燃煤矸石砂轻混凝土的和易性能在一定程度上有砂率与颗粒级配的作用，但作用程度比附加用水量小。部分学者通过试验得到大量数据，带来量的认识，陈彦文等通过将自燃煤矸石以 50%及100%的替代率替换天然粗骨料配制混凝土，研究自燃煤矸石混凝土和易性能5。结果表明，随着自燃煤矸石掺量的提高，煤矸石混凝土的稠度和坍落度均有减小，且掺量越高，降低的百分率越高。新拌煤矸石混凝土掺量 100%时减少 10 81%。同年段晓牧根据煤矸石混凝土的抗压强度和劈裂强度等试验结果，对其基本力学性能和本构关系进行研究，得到煤矸石混凝土单轴受压的应力 应变全曲线，并推出煤矸石混凝土的本构关系模型6。赵振清等学者以煤矸石取代部分天然粗骨料，加入粉煤灰作掺合料，研究煤矸石混凝土的收缩作用7。研究表明，与普通混凝土相比，加入煤矸石的混凝土具有较小的收缩值，而且掺杂率越大，收缩值越小。另外，抑制煤矸石混凝土收缩的因素还有水胶比，在0 34 0 42 的范围内，水胶比增大，收缩值会逐渐降低。2018 年白朝能等学者同样将煤矸石作为粗02第 25 卷第 3 期2023 年 6 月辽宁科技学院学报JOUNAL OF LIAONING INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGYVol 25No 3Jun2023骨料配制强度等级为 C30 的煤矸石混凝土，探究煤矸石的掺量对混凝土受力性能的影响8。结果表明，煤矸石掺入量越大，混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度降低幅度越明显，当煤矸石掺量大于 45%时，混凝土强度显著降低。煤矸石混凝土的动态弹性模量和剪切模量具有相同结论。同年王亮等基于试验探究不同煤矸石细骨料取代率对混凝土抗压强度、抗拉强度、动弹性模量、抗碳化及抗冻性能影响，煤矸石细骨料取代率分别为10%50%9。研究发现，当煤矸石细骨料取代率低于 20%时，煤矸石混凝土各项指标变化较小，而取代率高于 20%后，指标开始下降显著。随着煤矸石细骨料取代率的增加，得到混凝土抗碳化性能逐渐降低，抗冻性能逐渐变差的结论。近些年部分学者把煤矸石混凝土的承载力计算作为研究重点，苏煜翔通过对不同尺寸、不同龄期的混凝土立方体试块进行抗压强度试验，建立龄期与抗压强度的拟合公式，同时探究标准龄期下煤矸石混凝土立方体抗压强度与劈裂抗拉强度、立方体抗压强度与抗折强度的关系，为煤矸石混凝土承载力计算提供理论基础10。崔燕伟等提出一种微孔煤矸石混凝土板并对其极限承载力进行研究，通过有限元软件的模拟分析，得到误差极小的承载力计算公式，证明这种新型板可用于建筑墙体，保证施工需求11。张玉琢等学者选取辽宁地区煤矸石作为粗骨料，开展 6 根钢管混凝土和 12 根钢管煤矸石混凝土短柱轴压试验12。结果表明，在取代率相同的前提下，随着套箍系数和含钢率的提高，构件承载力同样显著提升。但是当煤矸石取代率增高时，构件的轴压承载力有所降低，但最大降低幅度未超过11%。2低温环境下钢管混凝土受力研究混凝土的特点是抗压能力强而抗弯能力较弱，钢材恰好能够弥补这点不足，但是钢材在受压时容易失稳而丧失轴向抗压能力，因此钢管混凝土结构应运而生。钢管混凝土结构能够将两种材料的优点结合，提高承载力及结构的整体抗震性能，施工方便，也能提高构件的耐火极限，目前广泛应用于工程中13。由于我国严寒地区冬季气温低，在工程建设中，严寒地区混凝土结构极易遭受低温破坏。虽然结构中核心混凝土由外部钢管保护，但钢管混凝土受低温破坏的工程案例证明环境温度的变化是一个不可忽略的环境因素，因此加强低温环境下钢管混凝土的承载力研究具有十分重要的理论及现实意义。辽宁鞍山地区某钢厂厂房的钢管混凝土柱在冬季施工时产生多处严重裂缝，探究其原因有多种，包括硫酸盐腐蚀、钢材的冷脆性或是焊缝处复杂的应力等，但也是工程在低温寒冷环境下的质量通病14。对于混凝土抗冻耐久性的研究存在多种理论，包括静水压理论、冰的分离层理论及渗透压理论等15。杨有福等学者对寒冷地区钢管混凝土桥墩进行轴压力学性能试验研究，采用 15 个圆形和 15个方形截面短柱做对比试验，并确定本构关系16。应用 Abaqus 软件进行有限元分析，结果表明是否经历冻融循环对钢管混凝土结构的破坏形态影响不大，但是冻融循环次数越多，结构的承载力越小，且圆形截面的延性性能更优。周林强等对 48 个圆形截面钢管混凝土短柱进行了冻融循环后的轴压试验，得到同样的结论17。史智伟等在冻融循环试验中加入混凝土强度等级及加载方式等变量，将 20 个钢管混凝土短柱分成 4 组进行轴压对比试验18。得到影响短柱极限承载力的主要因素是套箍系数的结论，不同的加载方式对钢管混凝土结构的承载能力影响也较大。严加宝等探究普通钢管混凝土和高强钢管混凝土在低温环境下的轴压性能试验，对比15 个 钢 管 混 凝 土 柱 的 低 温 破 坏 形 态19。在30 80 的负温环境下，试件的破坏形态不同，包括钢管鼓曲或者压裂、核心混凝土压碎等。低温环境下钢管混凝土结构的抗压承载力会提高，延性降低，而相对于高强钢管混凝土，应用普通材料会使得结构的延性变得更好。虞庐松等学者设计了10 个不同类型的钢管混凝土短柱试件，通过试验研究其在高寒温度下的轴压性能，得到相似结论20。其中承载力提高数值最大的是 L 型构件，在 40 时可提高 34 3%，且承载力的提高与组合结构的套箍率相关，套箍率越小，承载力越大，并据此提出受温度影响的钢管混凝土短柱构件的轴压承载力修正公式。除了框架柱，部分学者对其他竖向承重构件在低温环境下的受力性能进行探索。刘丹丹研究钢管混凝土带缝剪力墙在冻融环境下的抗震性能21。结果表明，经历多次低温对结构弹性阶段的受力性能影响较小，从弹塑性阶段开始至极限受力状态，钢管混凝土带缝剪力墙的刚度逐渐下降，骨架曲线弯曲明显。冻融循环次数越多，开裂荷载越小。钢管混凝土梁柱节点在低温环境下的受力性能与短柱构件相近，董昕对 23 个不同截面类型、钢管径厚比也不同的节点构件进行低温环境下的极限承载力试验研究22。结果表明，从常温 20 至 80，钢管混凝土节点的承载力随温度降低而升高，且方钢管混凝土向外屈曲特征更大。同年向旗除了对钢管混辽宁科技学院学报第 25 卷凝土梁柱节点的力学性能进行研究外，还对比研究铝合金管混凝土的弯矩承载力23。结果显示，同没有进行冻融循环的试件相比，钢管混凝土节点的承载力降低更多，破坏形态为节点处的钢梁屈服。环境温度对桥梁建筑的影响同样值得关注，胡涛研究了上承式钢管混凝土拱桥的动力性能，温度变化对拱桥的剪切刚度影响较大，尤其是低温影响24。且低温环境增大了拱桥的地震反应，针对不同方向的地震波，拱肋的受力以轴力为主，在 45 的低温影响下，拱肋的轴力会增大 20%，是值得设计人员及施工人员注意的问题。3发展趋势及展望综上所述，近些年煤矸石混凝土的应用逐渐成熟，煤矸石代替粗细骨料配制的钢管混凝土在抗震性能和承载力计算方法方面的研究取得了一定成果，掺量及配合比设计稳定安全，满足工程需要，并且能够减少工业废料的储量，降低污染，节约资源，促进我国高层建筑和桥梁工程的发展，但仍存在很多问题亟须解决。首先，是温度影响，我国北方地区冬季温度低，严寒气温对钢管混凝土结构的低温破坏问题不容忽视。目前对钢管煤矸石混凝土在低温环境下的研究重点大部分集中在框架柱或梁柱节点，实际工程应用领域更加广泛，桥梁工程、隧道工程等对煤矸石混凝土的应用也是今后研究的重要方向。其次，对钢管煤矸石混凝土构件的研究形态较单一，试验研究中多为方钢管和圆钢管，随着生活水平的提高，现代社会对于建筑的美感要求逐渐提升，多种形态构件普遍存在，计算模型有待完善。在受力性能的角度看，目前的研究多为钢管煤矸石混凝土构件的轴压性能，而偏心受压会更加贴近实际情况，仍需要进一步研究，为设计及施工提供理论基础及数据支撑。参考文献:1 王庆贺，李喆，周梅，等 自燃煤矸石骨料取代率对煤矸石混凝土梁受弯性能的影响 J 建筑结构学报，2020，41(12):64 74 2 张效良，马殿卿，胡裕秀，等 自燃煤矸石混凝土的技术性能及应用 J 太原工业大学学报，1988(2):1 11 3 马福 钢筋煤矸石混凝土结构的受力性能与应用前景 J 山西建筑，2003，29(1):27 28 4 周梅，浦倍超，徐秒，等 附加水及预湿时间对自燃煤矸石砂轻混凝土性能影响J 硅酸盐通报，2013，32(12):2421 2426 5 陈彦文，孙强，王宁，等 自燃煤矸石混凝土的试验研究 J 混凝土，2014(10):63 65 6 段晓牧 煤矸石集料混凝土的微观结构与物理力学性能研究 D 徐州:中国矿业大学，2014 7