王蘇然, 杜 曦, 陳有亮, 郜珊珊, 梁 晨, 葉锫锫

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

不同粉煤灰摻量的混凝土抗凍融性能研究

王蘇然, 杜 曦, 陳有亮, 郜珊珊, 梁 晨, 葉锫锫

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,上海 200093)

通過液壓伺服試驗系統(tǒng),研究不同粉煤灰摻量下混凝土的抗凍融性能.對不同粉煤灰摻量的混凝土試塊分別進行凍融循環(huán)試驗,在不同循環(huán)次數(shù)下對試塊進行單軸壓縮強度測試及質(zhì)量變化測定,并研究了混凝土的凍融損傷演化方程.結(jié)果表明,在混凝土中摻入一定量的粉煤灰能夠改善其抗凍、抗裂性能,并且摻有粉煤灰的混凝土的后期強度大于普通混凝土后期強度.同時分析了混凝土的凍融損傷本構(gòu)關(guān)系,為今后研究粉煤灰混凝土的凍融壽命提供了試驗基礎(chǔ)和理論依據(jù).試驗所得結(jié)論對于低溫環(huán)境下混凝土在實際工程中的應(yīng)用具有參考價值.

混凝土;凍融;粉煤灰;力學(xué)性能;循環(huán)試驗

粉煤灰是火力發(fā)電廠的煤粉在鍋爐中燃燒后排出的灰色粉狀廢棄物,是一種具有潛在活性的人工火山灰質(zhì)材料,是我國燃煤電廠排放量最大的固體工業(yè)廢棄物之一.隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展,粉煤灰的排放量大幅度增長,對環(huán)境造成嚴(yán)重污染.對粉煤灰若不加以合理利用,不僅污染環(huán)境,而且占用大量農(nóng)田.粉煤灰已在我國建材行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用,粉煤灰取代混凝土中的水泥能夠生產(chǎn)綠色高強高性能混凝土,能夠降低混凝土水化熱,改善混凝土和易性[1],并且改善了混凝土的耐久性能[2].我國北方大部分地區(qū)冬季氣溫低,其環(huán)境容易造成建筑結(jié)構(gòu)中的混凝土開裂劣化.國內(nèi)外大量學(xué)者已對普通混凝土及纖維混凝土的力學(xué)性質(zhì)做了大量研究[3],而缺少對粉煤灰混凝土高低溫交替環(huán)境下力學(xué)性質(zhì)的研究,因此對粉煤灰混凝土凍融循環(huán)后力學(xué)性質(zhì)的研究很有必要.潘桂生等[4]通過試驗得出,在凍融循環(huán)作用下,混凝土試件的承載能力與沒有經(jīng)歷凍融循環(huán)的混凝土相比有所下降,且下降幅度與粉煤灰摻量成反比,說明粉煤灰的摻入能夠改善混凝土的凍融性能.Bouzouba?等[5]認(rèn)為粉煤灰混凝土承載能力優(yōu)于普通混凝土.Wang等[6]通過試驗表明,凍融循環(huán)后,粉煤灰混凝土相對于普通混凝土的質(zhì)量損失減少,且具有較高的抗氯離子滲透能力.王鵬等[7]通過試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)粉煤灰摻量達到60%時,混凝土的抗?jié)B性和抗凍性能最好.

本文通過試驗研究了不同摻量粉煤灰混凝土在低溫凍融條件下的力學(xué)性能,并且研究了不同粉煤灰摻量和凍融循環(huán)條件對混凝土力學(xué)性質(zhì)的影響.

1 試驗概況

1.1 試件制作

采用強度等級為32.5的普通硅酸鹽水泥拌合混凝土,粗骨料為碎石,細骨料為普通河沙(細度模數(shù)為2.5),拌合過程中添加pH值為7.0左右的自來水,摻入等級為Ⅱ級的粉煤灰.試驗中使用的混凝土立方體試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm.采用4種不同粉煤灰摻量的混凝土,粉煤灰摻量分別占粉煤灰與水泥總質(zhì)量的0%,10%,15%和20%.混凝土試塊總數(shù)為100塊,對應(yīng)各種不同粉煤灰摻量的混凝土試塊數(shù)量為20塊.其中,每種粉煤灰摻量下混凝土試塊分別作不處理、凍融循環(huán)10次、20次、30次及40次處理,每種凍融次數(shù)下對應(yīng)5個試塊.混凝土配合比見表1.

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete composition kg·m-3

1.2 試驗設(shè)備及過程

試驗采用的凍融循環(huán)設(shè)備為低溫數(shù)控箱(型號: STDW-40),低溫可達-20℃,溫度控制精度可達到0.1℃.將準(zhǔn)備好的試件置于自來水中3 d,使其吸水飽和,稱得各個試塊的飽和質(zhì)量.將飽和試塊放入凍融機進行凍融實驗,-20℃維持3 h,5℃維持3 h,此過程定為一個凍融循環(huán).分別記錄各組試塊凍融前和凍融結(jié)束后的試塊質(zhì)量,用以比較質(zhì)量損失.由于整個凍融試驗持續(xù)時間比較久,所以試驗的混凝土放置常溫的時間較久,測出的混凝土抗壓強度為其后期強度.單軸壓縮試驗采用上海理工大學(xué)土木工程實驗室SANS微型控制電液伺服壓力試驗機,試驗機的最大加載可達到2 000 kN.以0.5 MPa/s的速率沿軸向施加荷載,直至混凝土試件被破壞,試驗系統(tǒng)可自動采集試驗數(shù)據(jù).

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象及機理分析

混凝土試件在經(jīng)歷凍融循環(huán)后,表面出現(xiàn)微裂紋,并且隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,微裂紋也增多,試件出現(xiàn)不同的質(zhì)量損失,混凝土外表皮酥松,出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象.這是由于在凍融情況下,混凝土內(nèi)部孔隙和毛細管中的水結(jié)冰,在膨脹壓力的作用下,多余的水流向附近的毛細管中,在水的運動過程中產(chǎn)生水壓力,毛細管中的液體實際上為溶鹽,由于結(jié)冰過程中純凈水析出,導(dǎo)致毛細管中的溶液濃度增大,產(chǎn)生滲透壓力[8-9].因此,在混凝土凍融循環(huán)過程中,混凝土內(nèi)部裂紋在水壓力與滲透壓的共同作用下不斷發(fā)展,使得混凝土力學(xué)性質(zhì)劣化.

圖1為混凝土試塊經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)后的單軸受壓破壞形態(tài).可以看出,混凝土試塊在沒有經(jīng)歷凍融循環(huán)的情況下,其受制于試驗機中上下鋼板的約束作用,破壞形態(tài)較完整;經(jīng)歷10次及20次凍融循環(huán)后,破壞時豎向裂紋貫通,破壞形態(tài)較完整;經(jīng)歷30次及40次凍融循環(huán)后,混凝土出現(xiàn)明顯剝蝕,破壞形態(tài)不完整,呈現(xiàn)錐型.這主要是因為混凝土內(nèi)部裂縫在水壓力與滲透壓的共同作用下,不斷發(fā)展甚至貫通,內(nèi)部損失隨凍融次數(shù)增加而加劇,抗壓強度降低,與后面一節(jié)中的結(jié)論吻合.

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土試塊的單軸受壓破壞形態(tài)Fig.1 Uniaxial compressive failure modes of concrete after different numder of freezing-thawing cycles

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土質(zhì)量損失的影響

表2記錄了混凝土試件凍融循環(huán)前后的試塊質(zhì)量及質(zhì)量損失情況.

凍融循環(huán)后混凝土試塊的質(zhì)量損失率計算式為

式中,n為凍融循環(huán)次數(shù);ΔWn為經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后試塊的質(zhì)量損失率,以3個試塊的平均值計算; G0,Gn分別為凍融循環(huán)前和n次凍融循環(huán)后測得的試塊質(zhì)量.

表2 凍融循環(huán)前后混凝土試件質(zhì)量Tab.2 Mass of concrete specimens before and after a freezing-thawing cycle

由表2可以看出,相同粉煤灰摻量下的混凝土,質(zhì)量損失隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而增大.相同凍融循環(huán)次數(shù)后,混凝土試塊的質(zhì)量損失隨著粉煤灰摻量的增大而減少.這是由于凍融循環(huán)后,混凝土內(nèi)部自由水結(jié)冰膨脹,骨料間黏結(jié)力下降,混凝土產(chǎn)生剝蝕破壞,并且溫度交替變化導(dǎo)致出現(xiàn)不斷變化的拉壓應(yīng)力,混凝土試塊發(fā)生疲勞破壞,最終混凝土試塊被由表及里地破壞[10].粉煤灰細微顆粒分散到水泥漿體中,隨著水化過程的進行,這些細微顆粒填充混凝土內(nèi)部空隙,混凝土內(nèi)部致密性得到改善,進而提高了混凝土的抗凍性能[11].

2.3 粉煤灰混凝土凍融循環(huán)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2(見下頁)為不同粉煤灰摻量下的混凝土凍融循環(huán)后的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

可以看出,混凝土變形大致經(jīng)歷4個階段[12]: a.壓密階段:混凝土內(nèi)存的微裂紋在外力作用下趨于閉合,曲線呈上凹型;b.彈性階段:應(yīng)力與應(yīng)變成比例增長;c.彈塑性階段:隨著外力的增大,應(yīng)變增長速率明顯大于應(yīng)力增長速率,裂縫不斷發(fā)展;d.破壞階段:當(dāng)應(yīng)力達到峰值應(yīng)力后,應(yīng)變增長較快,混凝土迅速破壞.

另外,從圖2可以看出,粉煤灰混凝土的后期強度大于相同條件下的普通混凝土,并且隨著粉煤灰摻量的增大而增大;相同粉煤灰摻量下的混凝土,其強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長而降低;隨著粉煤灰摻量的增大,混凝土凍融后應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于平緩.粉煤灰顆粒直徑細小,當(dāng)混凝土中摻入粉煤灰時,其顆粒容易進入混凝土內(nèi)部孔隙,提高混凝土的密實度.同時由于混凝土的自身形態(tài)效應(yīng),用粉煤灰代替混凝土中的水泥能夠減少單位用水量,進而減少混凝土在硬化后以及凍融循環(huán)后內(nèi)部孔隙水膨脹所產(chǎn)生的裂紋.此外,由于活性細摻合料的加入,生成了較多的C—S—H凝膠[13],水泥與粉煤灰的二次水化過程需破壞粉煤灰中微珠表面的玻璃質(zhì)表層以及水泥水化產(chǎn)生的C—S—H和Ca(OH)2表面形成的包裹層,發(fā)揮其膠凝作用,此發(fā)展過程較緩慢,粉煤灰活性隨著期齡的增長而提高,進而膠凝作用和活性效應(yīng)越來越明顯,提高混凝土的密實性,因此能夠有效改善混凝土的抗凍性、抗?jié)B性以及耐久性[6].

圖2 不同粉煤灰摻量下的混凝土凍融循環(huán)后應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of concrete with diffrent fly ash ratios after different numder of freezing-thawing cycles

2.4 粉煤灰摻量及凍融次數(shù)對混凝土峰值應(yīng)力的影響

圖3給出了混凝土的峰值應(yīng)力與粉煤灰摻量及凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系,并對其進行線性擬合.可以看出,對于普通混凝土,其峰值應(yīng)力由凍融前的31.3 MPa下降到凍融循環(huán)40次之后的15 MPa,強度降低52.1%;粉煤灰摻量為10%時,峰值應(yīng)力由34.5 MPa下降到18.1 MPa,強度降低47.5%;粉煤灰摻量為15%時,峰值應(yīng)力由凍融前的37.8 MPa下降到22.9 MPa,強度降低39.4%;粉煤灰摻量為20%時,峰值應(yīng)力由40.3 MPa下降到27.4 MPa,強度降低32%.凍融循環(huán)作用下,混凝土內(nèi)部由水泥石和骨料、水泥石黏結(jié)面產(chǎn)生的微裂紋逐漸發(fā)展,導(dǎo)致混凝土試件劣化[14].

介于粉煤灰自身的化學(xué)成分,產(chǎn)生的活性效應(yīng)使混凝土中Ca(OH)2的含量減少,減弱混凝土內(nèi)部孔隙的劣化程度,同時二次水化消耗了混凝土中的Ca(OH)2結(jié)晶,改善了混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu),由此提高了混凝土的密實性[15].所以相比于素混凝土,凍融循環(huán)對其影響較小.

2.5 粉煤灰摻量及凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土彈性模量的影響

對混凝土達到峰值應(yīng)力前的彈性階段進行擬合,可以計算得到混凝土的切線彈性模量.該彈性模量平均值隨粉煤灰摻量及凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖4所示.可以看出,對于普通混凝土,彈性模量在凍融循環(huán)前后降低了71.2%;粉煤灰摻量為10%,15%,20%時,對應(yīng)的彈性模量在凍融循環(huán)前后分別降低了67.5%,55%,49.7%.相比于普通混凝土,凍融循環(huán)后粉煤灰混凝土彈性模量變化相對較小.相同環(huán)境條件下,混凝土彈性模量隨著粉煤灰摻量的增大而提高,粉煤灰摻量為20%的混凝土彈性模量幾乎為普通混凝土彈性模量的2倍.這是因為粉煤灰顆粒粒徑較小,可以填充水泥顆粒中的空隙,乃至水泥顆粒的空隙之間,水分不易通過微小孔隙深入,提高混凝土致密性,形成了牢固的骨架.4種混凝土的彈性模量都隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小.說明凍融環(huán)境對它們都產(chǎn)生了影響,混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了凍融裂縫.另一方面,粉煤灰摻量越高,混凝土彈性模量的下降速率越慢.此現(xiàn)象是由于粉煤灰提高了混凝土的致密性,外部水分不易進入混凝土內(nèi)部,內(nèi)部裂縫的水壓減小,對混凝土的損失相應(yīng)減弱.

圖3 不同粉煤灰摻量下的混凝土峰值應(yīng)力與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relation between the number of freezing-thawing cycles and the peak stress in concrete with different fly ash ratios

圖4 混凝土彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.4 Relation between the elastic modulus of concrete and the number of freezing-thawing cycles

3 凍融循環(huán)后混凝土損傷本構(gòu)模型

3.1 混凝土損傷演化方程

摻粉煤灰的混凝土凍融循環(huán)后,單軸受壓損傷與凍融循環(huán)次數(shù)和粉煤灰摻量都有關(guān).下面分別研究凍融循環(huán)次數(shù)及粉煤灰摻量對混凝土損傷的影響.

1963年,Rabotnov引入了損傷變量D,現(xiàn)將不進行凍融循環(huán)普通混凝土對照組視為無損材料,即D=0.由混凝土損傷理論及連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)原理,可知

根據(jù)陳有亮等[16]的推導(dǎo)

聯(lián)立式(2)和式(3),得到由彈性模量所表示的損傷變量為式中,E,E′分別為混凝土凍融循環(huán)損傷前、后的彈性模量;σ為有效應(yīng)力;ε為應(yīng)變.本節(jié)通過研究不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土彈性模量的變化規(guī)律,得到凍融損傷的演化方程,即用彈性模量作為損傷因子來研究混凝土凍融損傷規(guī)律.

圖5是凍融損傷D(y項)與凍融循環(huán)次數(shù)n (x項)的擬合曲線,得

其中,相關(guān)系數(shù)R2=0.999 9.由此可以得出實驗曲線與擬合曲線具有很好的相似性,因此可得到混凝土凍融損傷演化方程的一般形式為

式中,D(n)為混凝土的凍融損傷值;k為粉煤灰摻量對凍融損傷的修正系數(shù);a1=1×10-5,a2= -0.000 6,a3=0.024 7,a4=-0.000 7.

圖5 凍融損傷隨凍融循環(huán)次數(shù)的擬合曲線圖Fig.5 Relation between the freezing-thawing damage and the number of freezing-thawing cycle

對不同粉煤灰摻量的凍融損傷進行歸一化處理,并選擇普通混凝土試件作為標(biāo)準(zhǔn)試件,令k= (D-Dmin)/(Dmax-Dmin),通過回歸計算可得到粉煤灰摻量與粉煤灰摻量修正系數(shù)k的關(guān)系,見圖6.

k=0.000 5x2-0.057 6x+0.990 2(7)式中,x為粉煤灰摻量百分比;相關(guān)系數(shù)R2=0.98.

由此,綜合考慮粉煤灰摻量與凍融循環(huán)次數(shù),得到粉煤灰混凝土凍融損傷演化方程為

3.2 凍融循環(huán)后粉煤灰混凝土軸壓本構(gòu)方程的建立

根據(jù)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系,選擇Weibull分布的密度函數(shù)考慮[17]

式中,a,m分別為試件尺度參數(shù)和形狀參數(shù).

圖6 粉煤灰摻量修正系數(shù)與粉煤灰摻量的關(guān)系圖Fig.6 Relation between the correction factor and the fly ash ratio

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征,可以確定以下邊界條件

式中,σpk,εpk分別為峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變.

對式(10)應(yīng)變求導(dǎo)可得

再根據(jù)以上4個邊界條件可得

這便為混凝土單軸受壓損傷變量.將式(16)帶入式(2)可得

混凝土損傷包括凍融損傷與單軸受壓損傷,故

可以由試驗結(jié)果得出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土的損傷增加,且隨著粉煤灰摻量的增加,能夠在一定程度上減少損傷的結(jié)論,但還不能利用損傷演化方程估計混凝土的強度.

4 結(jié) 論

通過對4種不同粉煤灰摻量的混凝土在不同次數(shù)凍融循環(huán)前后的單軸壓縮試驗研究,依據(jù)試驗數(shù)據(jù),得到以下結(jié)論:

a.在混凝土中摻入粉煤灰能夠改善其抗凍、抗裂性能,且粉煤灰混凝土的后期強度大于普通混凝土.

b.混凝土抗壓強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而下降,且混凝土質(zhì)量損失隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多而增大.粉煤灰摻量越大,混凝土凍融后質(zhì)量損失越小.

c.當(dāng)粉煤灰摻量不超過20%時,凍融循環(huán)后粉煤灰混凝土強度高于普通混凝土,且由于剝蝕造成的質(zhì)量損失小于普通混凝土,混凝土彈性模量隨著粉煤灰摻量的增多而增大.

d.混凝土彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而下降,但是隨著粉煤灰摻量的增大,彈性模量下降速率變慢.

e.研究了混凝土的凍融損傷演化方程和凍融損傷本構(gòu)關(guān)系,為今后研究粉煤灰混凝土的凍融壽命提供了試驗基礎(chǔ)和理論依據(jù).

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(編輯:董 偉)

Anti-frost Property of Concrete with Different Dosage of Fly Ash

WANGSuran, DU Xi, CHENYouliang, GAOShanshan, LIANGChen, YEPeipei (School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,200093 Shanghai,China)

A hydraulic servo testing system was adopted to study the anti-frost property of concrete with four different kinds of dosage of fly ash.Freezing-thawing cycles were conducted on the concrete with different dosage of fly ash,after that uniaxial compressive tests were performed and the change of the concrete mass was measured.The freezing-thawing damage evolution equation of concrete was analyzed.The results show that the anti-frost property and anti-cracking ability of concrete can be improved when a certain amount of fly ash is added.Moreover by defining a damage variable,the damage degree of concrete with different volume of polypropylene fibers at different temperature was analyzed quantitatively.The freezing-thawing damage constitutive relation of concrete obtained in the paper provides some experimental and theoretical bases for the future study on freezing life of fly ash concrete.In addition,the late strength of concrete with fly ash is stronger than that of the ordinary concrete,which has a certain reference value for the concrete application at low temperature in actual projects.

concrete;freezing-thawing;fly ash;mechanical property;cyclic tests

TU 528.1

A

1007-6735(2015)05-0493-07

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.014

2014-06-10

上海市自然科學(xué)基金資助項目(14ZR1428200);上海市研究生創(chuàng)新基金資助項目(JWCXSL1302)

王蘇然(1990-),男,博士研究生.研究方向:巖土和混凝土材料力學(xué)性能研究.E-mail:wsr132551678@163.com

陳有亮(1966-),男,教授.研究方向:巖土和混凝土材料力學(xué)性能研究.E-mail:chenyouliang2001@yahoo.com.cn