鋼纖維煤矸石混凝土凍融后本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)研究

邱繼生，王民煌，關(guān) 虓，潘 杜，鄭娟娟，張程華

(西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

煤矸石是在煤炭形成過程中與煤伴、共生的一類巖石的混合物。其熱值較低，成分復(fù)雜，難以利用，在煤炭開采加工過程中通常成為工業(yè)廢棄物。煤矸石約占煤產(chǎn)量的10%～15%左右，約占全國工業(yè)固體廢棄物總量的40%，我國煤矸石已累計(jì)堆存50億噸以上，且隨著我國煤炭產(chǎn)量的持續(xù)增加而逐年劇增[1-3]。若無合理的利用，廢棄、堆積的煤矸石將會嚴(yán)重污染環(huán)境，特別是硫化物和重金屬的污染，將會產(chǎn)生巨大的社會、經(jīng)濟(jì)損失，同時煤矸石堆積成的矸石山本身也有自燃、滑坡等安全隱患。故而有效、合理利用的利用煤矸石，無疑是諸多國內(nèi)外煤礦工作者和相關(guān)領(lǐng)域研究者們努力的方向。目前比較常見的煤矸石利用方法包括：利用煤矸石燃燒發(fā)電、分選礦物作為化工原料以及將煤矸石作為建筑材料。其中，煤矸石作為建筑材料方面，國外已有不少將煤矸石用作工程填充物或水泥替代物的工程實(shí)踐[4，5]，國內(nèi)也已有許多關(guān)于煤矸石利用的研究成果[6-8]，但煤矸石混凝土的應(yīng)用仍受到一定的限制，其中最主要的原因是高取代率(30%以上)的煤矸石混凝土的抗凍性能難以滿足規(guī)范要求[9-11]。另一方面，通過摻入鋼纖維增強(qiáng)混凝土是混凝土改性的一種重要手段。為了克服混凝土本身抗拉強(qiáng)度低、易于開裂等缺陷，在混凝土中摻入一定均勻亂向分布的短鋼纖維以改善其性能。前人眾多的研究結(jié)果表明：亂向分布的短鋼纖維摻入混凝土中，能夠有效地改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，同時阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展和宏觀裂縫的形成，能夠有效提升混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊、抗疲勞及抗凍性能[12-19]。故考慮通過在高取代率的煤矸石混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維以改善其抗凍性能，從而可以進(jìn)一步推廣應(yīng)用煤矸石混凝土這一綠色建筑材料。但目前針對鋼纖維煤矸石混凝土的相關(guān)研究較少，并且尚未有一個被廣泛認(rèn)可的鋼纖維煤矸石混凝土凍融后單軸受壓本構(gòu)模型，難以進(jìn)一步研究鋼纖維對煤矸石混凝土的力學(xué)性能和抗凍性能的影響。針對該問題，文中通過凍融后的鋼纖維煤矸石的單軸受壓試驗(yàn)，探討了鋼纖維摻量和凍融循環(huán)次數(shù)與凍融后鋼纖維煤矸石混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線間的關(guān)系，為進(jìn)一步分析鋼纖維煤矸石混凝土的力學(xué)性能和推廣應(yīng)用煤矸石混凝土提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥用陜西秦嶺股份有限公司P·O42.5R普通硅酸鹽水泥；砂用級配合格的河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，堆積密度1 460 kg/m3；碎石用普通碎石，粒徑5～16 mm，混合級配；煤矸石用陜西某煤礦所產(chǎn)的煤矸石，粒徑5～20 mm，混合級配；鋼纖維用波浪型短鋼纖維，長25～30 mm，等效直徑0.5 mm.

1.2 試件制作及配合比

用煤矸石等體積代替40%的碎石，并摻入鋼纖維，為保證鋼纖維亂向分布并防止結(jié)團(tuán)，拌合時先干拌后濕拌。參考GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和 GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，共成型試件4組，鋼纖維摻量分別為0%，0.5%，1%和1.5%，每組20個試件，尺寸皆為100 mm×100 mm×300 mm，各組編號及其配合比見表1.試件澆筑后24 h脫模，送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境養(yǎng)護(hù)28 d.

1.3 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)裝置

試件養(yǎng)護(hù)完成后，根據(jù)GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》以快凍法進(jìn)行凍融試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置為北京數(shù)智意隆儀器有限公司生產(chǎn)的KDR-V9系列混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)。一次凍融循環(huán)凍結(jié)完成時試件中心溫度-17±2 ℃，降溫時間1.5～2.5 h，融化完成時試件中心溫度8±2 ℃，升溫時間1.0～1.5 h，凍融過程中試件中心與表面的溫差始終<28 ℃.

表1 鋼纖維煤矸石混凝土配合比

根據(jù)試驗(yàn)方案，凍融達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)時進(jìn)行質(zhì)量和動彈性模量的測量。動彈性模量的測量儀器為北京康科瑞有限公司生產(chǎn)的NM-4B型非金屬超聲檢測分析儀，接收靈敏度≤10 μV，測量精度±0.1 μs；質(zhì)量的測量儀器為常熟市天量儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的LT20K型工業(yè)計(jì)重天平，分度值0.001 kg.測量完成后取出達(dá)到預(yù)期凍融循環(huán)次數(shù)的試件，其余繼續(xù)凍融。

待試件達(dá)到預(yù)期循環(huán)次數(shù)后對其進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置為上海華龍測試儀器有限公司生產(chǎn)的WAW-1000型微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，加載速度0.5 mm/min.位移采用電子位移計(jì)測量，標(biāo)距100 mm，分度值0.001 mm.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融損傷

各組試件隨著經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)的增加，表面砂漿體出現(xiàn)剝離、細(xì)骨料和鋼纖維脫落的程度也逐漸加劇，經(jīng)歷不同凍融次數(shù)的試件表面特征如圖1所示。

圖1 不同凍融次數(shù)下表面特征對比Fig.1 Surface Comparison in different freeze-thaw cycles

混凝土整體凍融損傷的程度僅通過觀察難以全面客觀的定量評價(jià)，而相對質(zhì)量損失MXS和相對動彈性模量損失E(t)XS被普遍認(rèn)為是評價(jià)凍融損傷程度的有效指標(biāo)。圖2給出了經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，不同鋼纖維摻量的各組試件的相對質(zhì)量損失和相對動彈性模量損失。

圖2 凍融損傷情況Fig.2 Freeze-thaw damage

圖2表明，各組試件相對動彈性模量損失無顯著區(qū)別，而摻入鋼纖維會使相對質(zhì)量損失增大。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果[16-19]，并結(jié)合本次試驗(yàn)，說明摻入鋼纖維對限制煤矸石混凝土表面材料的剝落作用不大，甚至由于邊界效應(yīng)，當(dāng)鋼纖維表面與膠凝材料結(jié)合質(zhì)量不好時其表面較之砂漿體或細(xì)骨料更易剝落，從而導(dǎo)致質(zhì)量損失較大。此外，通過項(xiàng)目相關(guān)的毛細(xì)吸水試驗(yàn)表明，由于相對質(zhì)量損傷是在吸水飽和狀態(tài)下測量得到的，普通煤矸石混凝土飽和吸水質(zhì)量增加較多使其質(zhì)量損失較小，因此摻入鋼纖維對減小煤矸石混凝土的質(zhì)量損失和提高動彈性模量作用不明顯。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及其主要參數(shù)

F0組和F15組試件經(jīng)歷不同次數(shù)凍融后，通過單軸受壓試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3和圖4所示。

各組試件未經(jīng)凍融和經(jīng)30次凍融后，通過單軸受壓試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5和圖6所示。

圖3 F0組應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of the F0 team

圖4 F15組應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of the F15 team

隨著循環(huán)次數(shù)的增加，F(xiàn)0組和F15組試件峰值應(yīng)力降低，峰值應(yīng)變增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于扁平，同時初始切線模量和峰值點(diǎn)割線模量同時降低。這是由于凍融作用使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)損傷，這些損傷會隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而積累，在混凝土內(nèi)部形成大量的微孔洞和微裂縫，使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸疏松，一方面導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降，另一方面導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)壓實(shí)效應(yīng)，剛度下降，應(yīng)變增加。

圖5 未經(jīng)凍融時應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve without freeze-thaw cycles

圖6 經(jīng)歷30次凍融后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve after 30 freeze-thaw cycles

隨著纖維摻量的增加，各組試件表現(xiàn)出兩點(diǎn)較顯著的區(qū)別，其峰值應(yīng)變增加，以及下降段的下降速度減緩。這是由于在受壓初期，鋼纖維對煤矸石混凝土受力性能影響較小，而在接近峰值和之后的下降段中，鋼纖維能有效阻礙煤矸石混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展，提供約束，使應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出較為較顯著的區(qū)別。

3 本構(gòu)方程的建立

已有眾多學(xué)者提出了多種混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程[20-25]，文中參照文獻(xiàn)[20]中的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程

(1)

式中σ為應(yīng)力；E為荷載損傷為0時的彈性模量，即只有凍融損傷的混凝土的彈性模量，簡稱為彈性模量；ε為應(yīng)變，單位為1/1 000；m為曲線參數(shù)；εpk為峰值應(yīng)變?，F(xiàn)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別確定各參數(shù)的取值方法。

3.1 彈性模量E的確定

文中取應(yīng)力為40%峰值應(yīng)力時的割線模量為彈性模量E，低應(yīng)力狀態(tài)下鋼纖維對整體受力性能影響較小，凍融損傷的累積和微裂縫的擴(kuò)展導(dǎo)致的酥松對混凝土試塊的變形有較大影響從而也影響了彈性模量的大小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明不同鋼纖維摻量的試件的彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢也基本一致。

故只考慮凍融循環(huán)次數(shù)對彈性模量的影響，擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系如下

E=34 400exp(-0.037N)

(2)

式中N為凍融循環(huán)次數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線的關(guān)系如圖7所示。

圖7 彈性模量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線Fig.7 Test data and fit curves of elastic modulus

3.2 峰值應(yīng)變εpk的確定

試驗(yàn)研究表明，不同鋼纖維摻量的試件，其相對峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律基本相同。故先考慮凍融循環(huán)次數(shù)對相對峰值應(yīng)變的影響，擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到二者之間的關(guān)系如下

(3)

式中ε0為未經(jīng)歷凍融時的峰值應(yīng)變。

各組試件的相對峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 相對峰值應(yīng)變的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線Fig.8 Test data and fit curves of relative peak strain

進(jìn)一步考慮鋼纖維摻量對峰值應(yīng)變的影響，未經(jīng)歷凍融時的試件的峰值應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。

圖9 凍融前的峰值應(yīng)變擬合Fig.9 Fit of peak strain before freeze-thaw cycles

擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到

ε0=(1.67+0.054 8S+0.056S2)

(4)

式中S為鋼纖維摻量，單位為1/100.

將式(4)帶入式(3)得到峰值應(yīng)變的計(jì)算公式

εpk=(1.67+0.054 8S+0.056S2)exp(0.021 88N)

(5)

3.3 參數(shù)m的確定

將式(2)、式(5)帶入式(1)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合確定參數(shù)m的取值，每組繪制柱狀圖如圖10所示。

圖10 m值對比Fig.10 Comparison of the value of m

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)同一組不同凍融循環(huán)次數(shù)下試件的m值相差不大，考慮m值只受鋼纖維摻量影響，取鋼纖維摻量相同的所有試件的m值的平均值作為該鋼纖維摻量的混凝土的m值，結(jié)果如圖11所示。

圖11 各組試件的m值與擬合曲線Fig.11 Value and fit curves of m of each group specimens

由圖11所示，對鋼纖維摻量在0.5到1.5之間的鋼纖維煤矸石混凝土擬合建立m值與鋼纖維摻量之間的關(guān)系為

(6)

3.4 驗(yàn)證

通過式(2)、式(5)和式(6)分別求出E，εpk和m，并帶入式(1)，即可繪出經(jīng)歷了一定凍融循環(huán)的一定鋼纖維摻量的煤矸石取代率為40%的鋼纖維煤矸石混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

根據(jù)式(1)，峰值應(yīng)力應(yīng)滿足

σpk=Eεpk/exp(1/m)

(7)

式中σpk為峰值應(yīng)力，即強(qiáng)度。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與式(7)的預(yù)測曲線如圖12所示。

圖12 強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與預(yù)測曲線Fig.12 Test data and forecast curves of strength

圖12反應(yīng)出此本構(gòu)關(guān)系對未經(jīng)凍融的試件的強(qiáng)度預(yù)測較差，但此時試件的強(qiáng)度易由其他方法測出，此本構(gòu)關(guān)系能較好的反應(yīng)出鋼纖維煤矸石混凝土凍融后單軸受壓的力學(xué)性能，且誤差基本偏于安全。

故取經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，不同鋼纖維摻量的各組試件的實(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和采用式(2)、式(5)、式(6)和式(1)繪出的理論應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€對比圖如圖13所示。

圖13 應(yīng)力-應(yīng)變的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論曲線Fig.13 Test data and theoretical curves of stress-strain

圖13表明，在適當(dāng)?shù)匿摾w維摻量和經(jīng)歷一定的凍融循環(huán)的情況下，文中給出的本構(gòu)關(guān)系能較有效的描述鋼纖維煤矸石混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，對工程分析和進(jìn)一步研究有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié) 論

1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的峰值應(yīng)力降低，峰值應(yīng)變增加，彈性模量降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于扁平；

2)摻入鋼纖維不能顯著降低煤矸石混凝土的凍融損傷，但能使煤矸石混凝土峰值應(yīng)變顯著增加，對峰值應(yīng)力和彈性模量基本沒有影響，可考慮加入引氣劑進(jìn)一步改善其抗凍性；

3)鋼纖維煤矸石混凝土不宜直接用于嚴(yán)寒地區(qū)，但對寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)而言，其力學(xué)性能和耐久性能都已滿足工程需求；

4)對經(jīng)歷了一定凍融循環(huán)的一定鋼纖維摻量的煤矸石取代率為40%的鋼纖維煤矸石混凝土，可由文中方法得到其單軸受壓時的本構(gòu)關(guān)系。