随着工业的发展, 锂矿的开采逐年递增, 如何解决生产过程中产生的废弃锂矿渣, 是一个亟待解决的问题。锂渣是一种工业废渣, 呈浅黄白色, 主要成分是氧化硅, 氧化铝等, 具有较高的火山灰活性, 可以用于配制混凝土^[1]。研究表明, 在混凝土中适量地掺入锂渣可以提高混凝土的强度和抗冻性, 能明显降低氯离子的渗透性^[2,3]。当锂渣的掺量为15%时, 能够明显提高混凝土的早期抗压强度^[4]。随着锂渣掺量的增加, 混凝土的早期抗裂性能也能得到增强, 抗碳化性能也得到提高^[5,6]。此外, 锂渣混凝土还具有良好的抗冲磨性能, 可以用在公路路面、停车场等建筑中, 强度均能符合设计要求^[7,8]。可见, 锂渣用作混凝土掺和料有很多优势。

　　 虽然国内外已有众多学者对锂渣在混凝土中的应用做了许多研究, 也有学者对碳纤维布加固及钢构架偏心受压试件进行了力学性能分析^[9,10,11,12], 但到目前为止, 对锂渣钢筋混凝土偏心受压试件的研究鲜见报道。本文通过对不同锂渣掺量的钢筋混凝土偏心受压试件在不同偏心距条件下进行试验, 得出掺锂渣钢筋混凝土偏心受压试件的荷载-混凝土应变、荷载-钢筋应变、荷载-侧向挠度曲线。观察试件破坏形态, 对比计算承载力与试验承载力, 研究其受力特点。

　　 试验采用的锂渣来自于通过“变温碳化法”制备碳酸锂产生的废渣, 其化学分析结果见表1。原状锂渣的细度不能满足要求, 经高低温干燥和球磨机粉磨后, 测得45μm筛余约为8%, 密度约为2 100kg/m³, 试验所用混凝土配合比见表2, 锂渣是按一定的质量取代率代替水泥, 其他材料配比不变。

　　 试验共设计8根偏心受压试件, 尺寸为250mm×200mm×1 400mm, 混凝土强度等级为C40, 保护层厚度为30mm, 纵筋为HRB400, 箍筋为HPB300, 水泥为洋房42.5级。试件采用对称配筋, 为方便加载, 试件两端设计成牛腿, 并在牛腿部分配置了加密箍筋, 防止端部的局压破坏。试验主要考虑锂渣掺量、偏心率等参数。试件的具体情况见表3, 试件尺寸及配筋见图1。

　　 在浇筑试件的同时, 预留4组 (每组3个) 标准立方体试块, 并与试件同条件下养护, 以测得混凝土实测抗压强度, 通过所得的实测抗压强度, 采用现行的《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) 计算得到不同掺量的锂渣混凝土偏心受压试件的计算极限承载力, 结果见表3。

　　 试验在5 000k N液压试验机上进行, 为了能够准确施加偏心荷载, 专门制作了刀口铰及加载板。试验测点布置如图2所示, 在远离轴向力一侧, 沿高度四等分点布置5个电子位移计, 用来测量试验时试件的侧向挠度;在试件高度1/2处沿横截面布置5个应变片, 近轴向力面沿试件高度布置5个应变片, 远轴向力面布置3个应变片, 共计13个应变片来测量试验时混凝土的各类应变。在正式加载前, 预先施加计算极限承载力10%左右的轴向力, 以此来检查仪器仪表是否正常工作。正式加载采用分级加载制度, 每级荷载约为计算极限承载力的10%, 每级持荷5min, 当超过计算极限承载力80%之后, 每级荷载为计算极限承载力的5%左右, 直至试件破坏, 试验结束。偏心受压试验装置见图3。

　　 由表3可知, 前期立方体强度试验表明, 掺入适量锂渣的混凝土抗压强度较普通混凝土高, 仅当掺量为20%时, 强度降低了6.3%, 说明掺入适量锂渣对提高混凝土的强度有一定帮助。对于偏心距为40mm的小偏心受压试件, 在加载初期, 试件处于弹性工作阶段, 钢筋及靠近轴向力一侧混凝土均受压, 应变均匀增长, 侧向挠度增长缓慢。随着荷载逐渐增大, 当远离轴向力一侧混凝土出现第一条横向裂缝之后, 试件挠度开始加速增长, 钢筋和混凝土的应变增长也逐渐加快。随后, 远离轴向力一侧裂缝不断增加, 靠近轴向力一侧混凝土开始剥落, 随着受压区混凝土被压碎, 试件宣告破坏。对于偏心距为160mm的大偏心受压试件, 在加载初期也经历了短暂的弹性工作阶段, 随着远离轴向力一侧混凝土出现第一条裂缝, 试件挠度增长迅速, 靠近轴向力一侧钢筋受压, 远离轴向力一侧钢筋受拉。随着荷载不断增大, 受拉侧混凝土裂缝不断增多, 开始出现贯穿整个试件横截面的大裂缝, 最后, 受压区混凝土被压碎脱落, 承载力迅速下降, 试件宣告破坏。小偏心受压破坏过程中, 试件截面大部分受压, 靠近轴向力一侧混凝土先被压坏, 随后受压钢筋也达到屈服强度。而大偏心受压破坏过程中, 首先在受拉区产生横向裂缝, 裂缝宽度随着荷载的增加不断扩展, 数量也逐渐增多, 受拉侧钢筋应力不断增长, 基本到达受拉屈服, 然后, 受压区混凝土接近极限压应变值, 混凝土被压碎, 试件破坏形态如图4所示。

　　 表3列出了所有试件的承载力试验值与承载力计算值。对比表中所有小偏心受压试件的承载力, 发现锂渣掺量为20%的试件承载力均比普通混凝土试件承载力要低, 锂渣掺量为15%的试件承载力要比普通混凝土试件承载力高, 这一结论与混凝土立方体试块的试验结果基本一致, 主要是因为小偏心受压试件的极限承载力取决于混凝土的强度。而对于锂渣掺量为10%的试件, 虽然实测承载力要比普通混凝土试件低, 但仍比计算承载力要高。对于大偏心受压试件, 掺锂渣试件的承载力与普通混凝土试件相比均没有下降, 其中掺量为10%及20%的试件承载力有所提高。相比于不同掺量锂渣混凝土立方体抗压强度的规律性变化, 即随锂渣掺量增大, 立方体抗压强度呈现先增大后降低的趋势, 锂渣混凝土偏心受压试件的承载力并没有随锂渣掺量变化而体现出此规律, 主要原因在于偏心受压试件承载力受钢筋影响较大, 此外钢筋和混凝土的协同作用对承载力也有影响。图5为柱中段荷载-侧向挠度曲线, 从图5 (a) 中可以看出, 对于小偏心受压试件, 在加载的初期, 侧向挠度增长较慢, 而且取代率越高, 前期挠度增长越慢, 掺锂渣试件的侧向挠度增长均要比普通混凝土试件慢, 且荷载达到峰值时的挠度也要比普通混凝土试件小;而从图5 (b) 中则看出大偏心受压试件则相反, 取代率越低, 前期挠度增长越慢。在试件开裂后, 挠度增长迅速, 普通混凝土试件的挠度增长比掺锂渣混凝土试件逐渐增快, 这主要是由于锂渣混凝土具有良好的抗裂性。掺锂渣混凝土试件的荷载-侧向挠度曲线与普通混凝土的基本一致。

　　 图6为荷载-钢筋应变曲线, 对于e₀=40mm的小偏心受压试件, 在加载的初期, 钢筋应变随着荷载的增加呈线性增长趋势;从图中可以看出, 对于近轴力侧钢筋, 在加载后期, 接近受压屈服;而对于远轴力侧钢筋, 加载前期及中期压应变增长缓慢, 而到了加载后期, 个别试件压应变出现减小的趋势, 但仍处于受压状态, 直到试件破坏。对于e₀=160mm的大偏心受压试件, 在加载过程中, 近轴力侧钢筋压应变和远轴力侧钢筋拉应变均随荷载的增加呈线性增长趋势, 且在同样的荷载下, 钢筋压应变与拉应变的值相近, 基本达到屈服, 掺锂渣混凝土试件与普通混凝土试件钢筋应变发展趋势基本一致。

　　 图7为荷载-混凝土压应变曲线。对于e₀=40mm的小偏心受压试件, 从图中可以看出, 锂渣掺量的变化对混凝土压应变的发展规律改变并不大, 其主要影响的还是偏心受压试件的极限承载力。当荷载较小时, 曲线基本呈线性关系, 随着荷载的增大, 混凝土的开裂, 曲线逐渐表现出非线性关系。对于e₀=160mm的大偏心受压试件, 在加载初期, 所有试件的应变随荷载的增加呈线性增长, 在远轴力侧混凝土开裂以后, 受压区混凝土应变增长加快, 应变增长与荷载增长呈非线性关系。在加载的中后期, 锂渣钢筋混凝土试件的混凝土压应变增长要略快于普通钢筋混凝土试件的压应变增长, 但所有试件的混凝土应变发展规律是相似的。

　　 图8为试件沿横截面高度混凝土平均应变分布, 其中图8 (a) 为小偏压试件, 图8 (b) 为大偏压试件。从图中可以看出, 试件的应变分布基本符合平截面假定。对于小偏心受压试件, 在受荷过程中, 整个截面基本上处于受压状态, 靠近轴向力一侧混凝土压应变较远离轴向力一侧应变大;而大偏心受压试件则有明显的受拉区与受压区, 中和轴在截面中央, 随着荷载的增加, 中和轴逐渐向靠近轴向力一侧靠近。

　　 图8 沿截面高度混凝土平均应变分布

　　 (1) 掺锂渣混凝土偏心受压试件与普通混凝土偏心受压试件的破坏形态、破坏过程、跨中挠度、混凝土压应变和钢筋应变变化规律基本一致。

　　 (2) 对于小偏心受压试件, 锂渣掺量为10%和20%时, 承载力较未掺锂渣试件降低, 锂渣掺量为15%时承载力有所提高;对于大偏心受压试件, 锂渣掺量为15%时与普通混凝土试件承载力基本相同, 锂渣掺量为10%和20%时, 试件承载力有所提高。

　　 (3) 采用现有的公式计算掺锂渣偏心受压试件承载力是可行的, 试验值与计算值的比例均值超过1.12, 可见留有足够安全储备。