珍珠巖基相變骨料混凝土斷裂特性試驗(yàn)與分析

馬芹永， 白 梅

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心， 安徽 淮南 232001)

霧霾、極端天氣和全球變暖等一系列環(huán)境問(wèn)題使得人們?cè)絹?lái)越重視能源的合理利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展.混凝土作為全世界使用最廣泛的建筑材料，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大影響.因此，發(fā)展綠色混凝土成為當(dāng)務(wù)之急和實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的有力舉措.相變儲(chǔ)能混凝土作為綠色混凝土的一種，是將相變儲(chǔ)能材料添加到混凝土中所制備的具有較好儲(chǔ)能性能的新型混凝土，可使建筑物自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度、改善室內(nèi)舒適度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[1].

近年來(lái)，對(duì)相變儲(chǔ)能混凝土的研究主要集中在儲(chǔ)能性能和基本力學(xué)性能2個(gè)方面.張東等[2]對(duì)相變儲(chǔ)能混凝土的制備方法和儲(chǔ)能性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)用“兩步法”制備的相變儲(chǔ)能混凝土具有較好的儲(chǔ)能能力；楊玉山等[3]研究的相變儲(chǔ)能混凝土儲(chǔ)能效果明顯優(yōu)于普通混凝土，但是抗壓強(qiáng)度較低，不能用于重結(jié)構(gòu)；馬芹永等[4]制備的相變儲(chǔ)能混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但能否在承重結(jié)構(gòu)中使用，尚需考慮其斷裂性能[5].

本文利用干燥膨脹珍珠巖吸附硬脂酸丁酯，并用石灰石粉末改性，制備出珍珠巖基相變骨料(PBPCA)，再將其等體積取代混凝土中的部分砂，制備了珍珠巖基相變骨料混凝土(PBPCAC).該相變儲(chǔ)能混凝土具有較高抗壓強(qiáng)度，較大比熱容和儲(chǔ)能能力[4].在此基礎(chǔ)上，通過(guò)三點(diǎn)彎曲梁斷裂試驗(yàn)研究其斷裂過(guò)程以及不同PBPCA摻量下混凝土的拉壓比、臨界有效裂縫長(zhǎng)度、起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

八公山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；95級(jí)硅粉，45μm篩余(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中所涉及篩余、水膠比等除特別說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)為1.7%；石灰石粉末，CaCO3含量為99.0%，化學(xué)純；中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；石子，粒徑為5～10mm的連續(xù)級(jí)配碎石；相變材料為純度99.0%以上的工業(yè)級(jí)硬脂酸丁酯；膨脹珍珠巖，粒徑為0.1～1.5mm，吸水率85.0%，1MPa條件下體積損失率為38.0%；減水率17.0%的聚羧酸高效減水劑；普通自來(lái)水.

1.2 試樣制備

先在20℃條件下，將膨脹珍珠巖烘干后吸附硬脂酸丁酯(硬脂酸丁酯的吸附率為75.0%)，靜置3h；再用石灰石粉末包裹，靜置，篩去多余石灰石粉，即可制備出PBPCA.

吸附了硬脂酸丁酯的膨脹珍珠巖表現(xiàn)為憎水性，用石灰石粉末包裹可發(fā)揮較好的改性效果，使其表現(xiàn)為親水性，以此改善膨脹珍珠巖與水泥砂漿的黏結(jié)界面[6].PBPCA的粒徑為0.5～2.0mm，密度為518kg/m3，測(cè)得其相變溫度為18℃，相變焓為52J/g.

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40，基準(zhǔn)配合比m(水泥)∶m(硅粉)∶m(石子)∶m(砂)=1.00∶0.11∶2.57∶1.20，水膠比為0.34，減水劑按膠凝材料總質(zhì)量的0.4%外摻.

未添加PBPCA的普通混凝土編號(hào)為C-00，用PBPCA等體積取代10%和15%砂所制備的PBPCAC編號(hào)分別為PC-10和PC-15.在混凝土制作過(guò)程中，先將PBPCA與砂攪拌均勻，再按普通混凝土的制作步驟制備PBPCAC.每組混凝土制作5個(gè)100mm×100mm×400mm的小梁試件，用于斷裂特性試驗(yàn)，預(yù)制裂縫深度為40mm.此外，每組混凝土成型6個(gè)100mm×100mm×100mm的立方體試塊，測(cè)試其28d齡期的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度.

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土斷裂試驗(yàn)采用WAW-600微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.05mm/min，加載方式如圖1所示.在三點(diǎn)彎曲小梁試件中部安裝高精度夾式引伸計(jì)，測(cè)量裂縫口張開(kāi)位移(CMOD)，在三點(diǎn)彎曲梁試件裂縫口尖端按圖2所示布置4個(gè)電阻應(yīng)變片(型號(hào)為BX120-10AA)，來(lái)判定混凝土的起裂情況.試驗(yàn)在環(huán)境溫度為10℃的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，此時(shí)硬脂酸丁酯處于固態(tài).

圖1 三點(diǎn)彎曲梁加載圖Fig.1 Illustration of three-point bending test(size:mm)

圖2 電阻應(yīng)變片布置圖Fig.2 Arrangement diagram of the electric resistance strain gauges(size:mm)

2 珍珠巖基相變骨料混凝土的儲(chǔ)能性能

利用差示掃描量熱(DSC)法分別測(cè)定C-00，PC-10和PC-15混凝土的相對(duì)比熱容.DSC測(cè)試在氣流量為100mL/min的氮?dú)鈿夥諚l件下進(jìn)行，溫度變化速率為5℃/min，溫度變化范圍為-10～50℃.圖3為3組混凝土的相對(duì)比熱容.

圖3 3組混凝土的相對(duì)比熱容Fig.3 Relative specific heat capacity of concretes

由圖3可知，PBPCAC的相對(duì)比熱容值明顯高于普通混凝土，升溫過(guò)程中，25℃時(shí)PC-10和PC-15混凝土的相對(duì)比熱容值分別為1.033，1.217，分別比普通混凝土提高了3.30%和21.70%；降溫過(guò)程中，25℃時(shí)PC-10和PC-15混凝土的相對(duì)比熱容值分別為1.050,1.228kJ/(kg·K)，分別比普通混凝土提高了5.00%和22.80%.

以PBPCAC在25℃時(shí)的相對(duì)比熱容值為例，計(jì)算20～30℃時(shí)各組混凝土的單位體積相對(duì)儲(chǔ)能量，利用C-00，PC-10和PC-15混凝土密度值2350.25，2331.38，2319.28kg/m3，計(jì)算得到升溫過(guò)程中PC-10和PC-15混凝土的單位體積相對(duì)儲(chǔ)能量分別為2.409×104，2.822×104kJ/m3，其中PC-15混凝土的單位體積相對(duì)儲(chǔ)能量比普通混凝土提高了20.09%；降溫過(guò)程中，PC-10和PC-15組混凝土的單位體積相對(duì)儲(chǔ)能量分別為2.447×104，2.849×104kJ/m3，其中PC-15混凝土的單位體積相對(duì)儲(chǔ)能量比普通混凝土提高了21.33%.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 珍珠巖基相變骨料混凝土斷裂試驗(yàn)現(xiàn)象

圖4為3組混凝土的荷載-裂縫口張開(kāi)位移(P-CMOD)曲線.

圖4 3組混凝土P-CMOD曲線Fig.4 P-CMOD curves of concretes

圖5 混凝土裂縫擴(kuò)展形態(tài)Fig.5 Crack propagation shape of concretes

由圖4可見(jiàn)，普通混凝土的斷裂過(guò)程主要分為裂縫產(chǎn)生階段、裂縫發(fā)展階段和裂縫失穩(wěn)階段[7]；PBPCAC的斷裂過(guò)程與普通混凝土相似，同樣分為以上3個(gè)階段.

以PC-15混凝土的P-CMOD曲線為例，分析PBPCAC的斷裂過(guò)程.圖4中點(diǎn)O為初始加載點(diǎn)；點(diǎn)A為裂縫產(chǎn)生點(diǎn)，對(duì)應(yīng)起裂荷載(Pini)和初始裂縫長(zhǎng)度(a0)；點(diǎn)B為裂縫失穩(wěn)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)失穩(wěn)荷載(Pun)、臨界有效裂縫長(zhǎng)度(ac)和臨界裂縫口張開(kāi)位移(CMODun).

OA段：裂縫產(chǎn)生階段，0≤P

AB段：裂縫發(fā)展階段，Pini≤P

BC段：裂縫失穩(wěn)階段，P=Pun時(shí)裂縫失穩(wěn).普通混凝土試件的裂縫口張開(kāi)位移由CMODun擴(kuò)展到0.2mm大約需要30s，而PBPCAC大約需要15s.PBPCA的摻加相當(dāng)于在硬化水泥漿中引入了孔隙，硬化水泥漿強(qiáng)度降低，所以PBPCAC的裂縫失穩(wěn)階段經(jīng)歷的時(shí)間變短.

3.2 雙K斷裂參數(shù)的確定與計(jì)算方法

圖6 珍珠巖基相變骨料混凝土P-ε曲線Fig.6 P-ε curves of PBPCAC

3.3 珍珠巖基相變骨料摻量對(duì)混凝土雙K斷裂參數(shù)的影響

表1為混凝土斷裂參數(shù)計(jì)算結(jié)果.ac是試件發(fā)生失穩(wěn)斷裂破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的裂縫長(zhǎng)度，其值越大，試件的韌性就越好.由表1可見(jiàn)：當(dāng)PBPCA的摻量(體積分?jǐn)?shù)，下同)為10%時(shí)，PBPCAC的ac值幾乎與普通混凝土的一致；當(dāng)PBPCA的摻量增加到15%時(shí)，PBPCAC的ac值略有降低.從整體上看，PBPCA的摻量對(duì)混凝土的臨界有效裂縫長(zhǎng)度影響很小.

表1 混凝土斷裂參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculated results for fracture parameters of concrete

Note:There are four PC-15 PCESAC specimens, because one of the five specimens is broke during production process; The mark “*” means that the data is not available.

由表1可知，PBPCA的摻量對(duì)混凝土的斷裂韌度影響較小.由于PBPCA等體積取代混凝土中的砂所引起的混凝土骨料體積變化非常有限，所以PBPCAC的斷裂韌度與普通混凝土的相同，這與張立新等[10]的研究結(jié)果一致.另外，PC-10混凝土的失穩(wěn)裂斷韌度比普通混凝土有所提高，可能是因?yàn)樵嚰?shù)量較少，數(shù)據(jù)離散性大造成的，還有待進(jìn)一步的研究.由表1還可見(jiàn)，PBPCAC的起裂荷載與失穩(wěn)荷載之比(Pini/Pun)高于普通混凝土，PBPCA的摻量越大，該值越大，即試件越難開(kāi)裂，這與PBPCAC試件起裂所用時(shí)間較長(zhǎng)的試驗(yàn)結(jié)果一致.

混凝土的拉壓比(ft/fc)可以反映混凝土的韌性，ft/fc越大，韌性越大.PC-10和PC-15混凝土的ft/fc分別為0.071和0.076，其值在普通混凝土ft/fc范圍內(nèi)[11]，所以摻加PBPCA后造成的混凝土韌性損失很小.

4 結(jié)論

(1)珍珠巖基相變骨料混凝土的斷裂過(guò)程與普通混凝土相似，分為裂縫產(chǎn)生、裂縫發(fā)展和裂縫失穩(wěn)3個(gè)階段，但其裂縫產(chǎn)生過(guò)程較普通混凝土長(zhǎng)，裂縫失穩(wěn)過(guò)程較普通混凝土短.

(2)珍珠巖基相變骨料的摻加對(duì)混凝土的臨界有效裂縫長(zhǎng)度影響較小，當(dāng)其摻量為15%時(shí)，臨界有效裂縫長(zhǎng)度小幅降低；珍珠巖基相變骨料混凝土的斷裂韌度與普通混凝土基本相同.

(3)與普通混凝土相比，珍珠巖基相變骨料混凝土不易起裂，起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度的比值與普通混凝土一致，拉壓比在普通混凝土范圍之內(nèi).說(shuō)明珍珠巖基相變骨料的摻加明顯改變混凝土的延性和韌性.

參考文獻(xiàn)：

[1] LING T C,POON C S.Use of phase change materials for thermal energy storage in concrete:An overview[J].Construction and Building Materials,2013,46:55-62.

[2] 張東，周劍敏，吳科如，等.相變儲(chǔ)能混凝土制備方法及其儲(chǔ)能行為研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2003,6(4):374-380.

ZHANG Dong,ZHOU Jianmin,WU Keru,et al.Study on fabrication method and energy-storing behavior of phase-changing energy-storing concrete[J].Journal of Building Materials,2003,6(4):374-380.(in Chinese)

[3] 楊玉山，董發(fā)勤，甘四洋.相變儲(chǔ)能混凝土的研究[J].功能材料,2007,38(2):276-278.

YANG Yushan，DONG Faqin，GAN Siyang.Study on phase changing energy storing concrete[J].Journal of Functional Materials,2007,38(2):276-278.(in Chinese)

[4] 馬芹永，白梅.相變儲(chǔ)能混凝土的制備與性能[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),2018,35(3):676-683.

MA Qinyong,BAI Mei.Preparation and properties of phase-changing energy-storing concrete[J].Acta Materiae Compositae Sinica,2018,35(3):676-683.(in Chinese)

[5] 嚴(yán)安，吳科如，張東，等.高強(qiáng)混凝土的脆性與斷裂面特征的關(guān)系[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,30(1):66-70.

YAN An,WU Keru,ZHANG Dong,et al.Relationship between brittleness and characterization of fracture surface for high strength concrete[J].Journal of Tongji University(Natural Science),2002,30(1):66-70.(in Chinese)

[6] 王軍.相變控溫混凝土的理論基礎(chǔ)研究與制備[D].武漢:武漢理工大學(xué),2011.

WANG Jun.Study on the basic theories and preparation of phase change and temperature self-control concrete[D].Wuhan:Wuhan University of Technology,2011.(in Chinese)

[7] 漆貴海，彭小芹，葉浩文，等.聚丙烯纖維對(duì)超高強(qiáng)混凝土斷裂特性的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2015,18(3):487-492.

QI Guihai,PENG Xiaoqin,YE Haowen,et al.Effects of polypropylene fibres on fracture energy properties of ultra high strength concrete[J].Journal of Building Materials,2015,18(3):487-492.(in Chinese)

[8] 朋改非，黃艷竹，張九峰.骨料缺陷對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào),2012,15(1):80-84.

PENG Gaifei,HUANG Yanzhu,ZHANG Jiufeng.Influence of defects in recycled aggregate on mechanical properties of recycled aggregate concrete[J].Journal of Building Materials,2012,15(1):80-84.(in Chinese)

[9] 徐世烺.混凝土斷裂力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2011:232-241.

XU Shilang.Fracture machanics of concrete[M].Beijing:Science Press,2011:232-241.(in Chinese)

[10] 張立新，陳兵，呂偉民.集料對(duì)混凝土斷裂性能影響的研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2000,26(3):55-57.

ZHANG Lixin,CHEN Bing,Lü Weimin.Aggregate impacting fracture performance of concrete[J].Building Science Research of Sichuan,2000,26(3):55-57.(in Chinese)

[11] 閆長(zhǎng)旺，賈金青，張菊.鋼纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土拉壓比試驗(yàn)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012,52(2):233-238.

YAN Changwang,JIA Jinqing,ZHANG Ju.Experimental study of ratio between splitting tensile strength and compressive strength for steel fiber reinforced ultra high strength concrete[J].Journal of Dalian University of Technology,2012,52(2):233-238.(in Chinese)