自燃煤矸石粗集料取代率對混凝土斷裂韌性的影響

楊尚諭, 周 梅,2, 張玉琢, 張院強, 張渤群

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 阜新 123000; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 遼寧省煤矸石資源化利用及節(jié)能建材重點實驗室, 遼寧 阜新 123000; 3.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110168)

以工業(yè)固體廢棄物取代天然砂、石配制混凝土,已成為目前緩解混凝土集料短缺行之有效的方法之一.中國礦區(qū)堆存的煤矸石中有40%左右適合燒制輕集料,有10%左右的過火煤矸石(即自燃煤矸石)經(jīng)破碎篩分后可直接制備輕集料.自燃煤矸石作為一種輕集料,以其質(zhì)量輕、易開采、價格低廉等特點,在輕集料家族中占有一席之地[1].近年來,國內(nèi)許多學(xué)者對自燃煤矸石集料混凝土進行了大量研究,如陳本沛等[2]對不同煤矸石集料混凝土強度進行了研究；周梅等[3-4]研究了自燃煤矸石集料吸水率對混凝土拌和物工作性和強度的影響；王棟民等[5]對自燃煤矸石集料混凝土的抗腐蝕性能進行了研究；段曉牧[6]從材質(zhì)特性角度對煤矸石集料混凝土基本性質(zhì)進行了研究.但各地煤矸石因地質(zhì)成因和自燃程度不同造成其材質(zhì)出入較大,至今在工程應(yīng)用方面也沒有形成規(guī)范.事實上在世界許多國家,自燃煤矸石集料在路基、路面中的應(yīng)用較普遍,也有許多成功實例.作為路基、路面材料,混凝土的抗彎性能尤為重要,其中度量混凝土韌性好壞的斷裂韌性將直接影響其結(jié)構(gòu)的安全性.Xu等[7]認為混凝土斷裂韌度與粗集料的橋連作用有關(guān),即粗集料對起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度是有貢獻的.Elices等[8]認為粗集料與水泥石基體強度的差異,導(dǎo)致其在混凝土斷裂過程區(qū)破壞形式不同,進而對斷裂能產(chǎn)生影響.但鮮見“固廢粗集料”混凝土斷裂韌性的研究報道.本文對不同自燃煤矸石粗集料取代率下混凝土斷裂性能進行試驗研究,以期為“固廢粗集料”混凝土的科學(xué)設(shè)計與制備理論提供參考.

1)本文涉及的摻量、減水率等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).

混凝土韌性包括斷裂韌性和彎曲韌性,本文研究的是斷裂韌性.采用DL/T 5332—2005《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》中混凝土三點彎曲梁試驗,通過觀察切口試驗梁中裂縫的擴展?fàn)顟B(tài),判定混凝土經(jīng)歷的裂縫起裂、穩(wěn)定擴展、失穩(wěn)擴展3個階段的裂縫發(fā)展特征.通過實測荷載-裂縫張開口位移曲線及荷載-跨中撓度曲線,計算斷裂韌度、斷裂能、特征長度及延性指數(shù)等參數(shù);基于圖像處理技術(shù),在水平投影方向?qū)旌洗旨显跀嗔衙娴姆植技捌淦茐姆绞竭M行分析;鑒于斷裂面具有分形特征,通過對斷裂面形貌進行三維重構(gòu),計算出分形維數(shù)來表征粗集料表面粗糙度,以揭示自燃煤矸石粗集料取代率對混凝土斷裂性能的影響規(guī)律.

1 試驗

1.1 原材料

膠凝材料采用阜新大鷹牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰及S95礦渣粉;細集料采用Ⅱ區(qū)砂,細度模數(shù)3.1;粗集料采用當(dāng)?shù)厥規(guī)r碎石(NCA)及自燃煤矸石(SGCA),其主要技術(shù)指標(biāo)見表1;減水劑為聚羧酸高效減水劑,摻量1)為2.0%～2.5%時,減水率為20%;水采用普通自來水.

1.2 試件設(shè)計

混凝土設(shè)計強度等級為C35,保證配合比中膠凝材料組成和用量、水膠比、砂率均相同,自燃煤矸石粗集料取代率R(以粗集料總質(zhì)量計)分別為0%、25%、50%、75%、100%,對應(yīng)混凝土試件編號依次為PT、MG25、MG50、MG75、MG100,其中取代率為0%的普通混凝土作為基準(zhǔn)組.每組設(shè)計6根尺寸為100mm×100mm×515mm的混凝土試驗梁,有效跨度為400mm,縫高比為0.4.在跨度和初始縫高比恒定的前提下,對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d的預(yù)制裂縫梁試件進行三點彎曲試驗.預(yù)制裂縫由固定于試模的塑料板預(yù)埋而成,板厚4mm、尖角角度30°,預(yù)制裂縫長度為40mm.另外,每組配合比下同時成型了6塊尺寸為100mm×100mm×100mm的立方體試件和3塊尺寸為100mm×100mm×300mm的棱柱體試件,分別用于測試混凝土抗壓強度、劈拉強度和彈性模量，結(jié)果取平均值.混凝土配合比及其基本力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2.

表1 粗集料主要技術(shù)指標(biāo)

表2 混凝土配合比及其基本力學(xué)性能試驗結(jié)果

1.3 加載方案及測試內(nèi)容

試驗在WAW-300系列微機控制電液伺服萬能試驗機上進行,為保證試驗穩(wěn)定進行及數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確,采用位移加載控制,加載速率設(shè)置為0.1mm/min.跨中撓度由試驗機自帶位移傳感器采集,預(yù)制裂縫張開口位移由改裝后的YYU-5/50夾式位移計采集,在試件預(yù)制裂縫尖端的兩側(cè)布置應(yīng)變片，用來測試裂縫發(fā)展情況,切口梁截面尺寸、縫高和應(yīng)變片布置示意圖見圖1.試驗過程中用電腦自帶Smartest系統(tǒng)與東華DH3817K型動態(tài)應(yīng)變采集儀實時記錄荷載(F)、裂縫張開口位移(CMOD)、跨中撓度(δ)以及應(yīng)變(ε).

圖1 切口梁截面尺寸、縫高和應(yīng)變片布置示意圖Fig.1 Diagram of section size, incision depth and strain gauge arrangement of test beam(size:mm)

2 斷裂參數(shù)確定及圖像處理方法

2.1 斷裂參數(shù)確定方法

(1)

(2)

Du=Gf/Fun

(3)

式中：W0為施加在試件跨中的外力所做的功(外力功),即F-δ曲線所圍成的面積;Wg為兩支座間試件以及附加儀器自重所做的功(重力功);Alig為試件斷裂面凈面積;δmax為試件破壞時跨中撓度最大值;mg為兩支座間試件以及附加儀器的2倍自重;E為彈性模量;ft為抗拉強度.

2.2 圖像處理方法

為減小混凝土表面初始缺陷對觀察裂縫發(fā)展路徑時造成的干擾,運用Matlab軟件進行編程,通過灰度法、二值法等提取裂縫發(fā)展路徑,得到各自燃煤矸石粗集料取代率下混凝土裂縫形態(tài)特征，見圖2.

圖2 混凝土裂縫形態(tài)特征Fig.2 Morphological characteristics of concrete cracks

運用Photoshop軟件對試件斷面照片中的粗集料進行提取[13],并對2種粗集料進行標(biāo)識區(qū)分,見圖3.其中,黑色區(qū)域代表天然碎石(NCA),黑色網(wǎng)格部分代表其斷裂破壞面;白色區(qū)域代表自燃煤矸石(SGCA),白色網(wǎng)格部分代表其拔出破壞面.運用Matlab軟件計算水平投影斷面上混合粗集料與斷裂帶凈面積水平投影之比(PM)、自燃煤矸石與混合粗集料水平投影面積之比(PSGCA)、混合粗集料中發(fā)生斷裂破壞的集料比例(PMF)、天然碎石中發(fā)生斷裂破壞的集料比例(PNCAF)以及自燃煤矸石中發(fā)生斷裂破壞的集料比例(PSGCAF).

圖3 水平投影斷面示意圖Fig.3 Diagrams of horizontal area projection fracture surface

采用數(shù)字重構(gòu)方法[14],將斷面均勻涂抹1層白漆,自然晾干后浸入深淺適中的紅色溶液中,調(diào)整好光線強弱以及相機與試件高度后拍照,導(dǎo)入Matlab軟件進行編程,通過建立灰度值與實際高差的關(guān)系,對各取代率下混凝土試件斷面形貌進行三維重構(gòu),見圖4.通過尺碼法計算斷面面積,依據(jù)分型理論,采用式(4)建立斷面面積與其對應(yīng)尺碼之間的聯(lián)系,以此求得分形維數(shù)D.

lnST(r)=(2-D)lnS0r

(4)

式中：r為尺碼;ST(r)為尺碼r下計算的斷面面積;S0為常數(shù).

圖4 三維重構(gòu)后斷面示意圖Fig.4 Diagrams of the fracture surface after three-dimensional reconstruction

3 結(jié)果與分析

3.1 斷裂特征分析

不同取代率下自燃煤矸石粗集料混凝土抗彎破壞過程與普通混凝土相似,均經(jīng)歷了裂縫起裂、穩(wěn)定擴展和失穩(wěn)擴展3個階段.隨著自燃煤矸石粗集料取代率的增大,裂縫發(fā)展路徑表現(xiàn)出由彎曲擴展向豎直擴展轉(zhuǎn)變的趨勢,見圖2.由于試件高度只有100mm,當(dāng)裂縫處于穩(wěn)定擴展階段時,肉眼很難判斷裂縫的擴展變化趨勢,但從試件典型的F-ε曲線(見圖5)上可觀測到應(yīng)力滯回現(xiàn)象.在失穩(wěn)擴展階段,肉眼即可觀察到裂縫迅速擴展,并在較短時間內(nèi)貫穿截面,而且自燃煤矸石粗集料取代率越大,裂縫貫穿截面所用時間越短.圖6、7分別為試件典型的F-CMOD曲線與F-δ曲線.從圖6、7可以看出,隨著自燃煤矸石粗集料取代率的增大,F-CMOD曲線與F-δ曲線上升段斜率減小,失穩(wěn)荷載Fun降低,Fun所對應(yīng)的位移有增大的趨勢,并且曲線尾部縮短.

圖5 試件典型的F-ε曲線Fig.5 Typical F-ε curve of specimen

圖6 試件典型的F-CMOD曲線Fig.6 Typical F-CMOD curves of specimens

圖7 試件典型的F-δ曲線Fig.7 Typical F-δ curves of specimens

3.2 斷裂韌度分析

表3為不同自燃煤矸石粗集料取代率下混凝土的韌性參數(shù).

表3 不同自燃煤矸石粗集料取代率下混凝土的韌性參數(shù)

3.3 斷裂能等參數(shù)分析

斷裂能Gf、外力功W0與重力功Wg、特征長度Lch及延性指數(shù)Du的計算結(jié)果也列于表3.

由表3可知：斷裂能等參數(shù)皆隨自燃煤矸石粗集料取代率R增大而降低；隨R增大,Gf呈線性下降的趨勢;與基準(zhǔn)組相比,當(dāng)R為25%、50%、75%、100%時,Gf分別下降了7.97%、19.89%、34.30%、47.86%.這是因為：一方面煤矸石自燃后孔隙率較大,破碎后內(nèi)部缺陷較多,壓碎值和彈性模量較天然碎石差;另一方面自燃煤矸石粗集料與水泥石基體的強度較匹配,吸水率大及其表面的活性作用改善了粗集料與水泥基體界面的黏結(jié)性能.上述正負效應(yīng)共同作用,使自燃煤矸石粗集料混凝土試件的重力功與外力功在整個加載過程中,表現(xiàn)出隨自燃煤矸石粗集料取代率增大而減小的趨勢.由表3還可知：自燃煤矸石粗集料取代率對Wg和W0的影響趨勢相似,但Wg降幅較W0降幅要大，當(dāng)R=100%時,W0的降幅達到43.40%,Wg的降幅達到69.23%;Wg和W0之比隨R增大而增大.說明隨著自燃煤矸石粗集料取代率的增大,雖然Gf、W0和Wg均呈下降趨勢,但混凝土相對耗能能力有所提高;在R=25%時,自燃煤矸石粗集料混凝土的特征長度Lch與延性指數(shù)Du與普通混凝土基本持平,表明此階段自燃煤矸石粗集料取代率對混凝土脆性與變形能力的影響不明顯;但當(dāng)R>25%以后,隨R增大Lch與Du的降幅明顯增大;當(dāng)R=100%時,Du降幅為36.71%,Lch降幅為47.74%，表明自燃煤矸石粗集料取代率對混凝土脆性的影響程度大于對其變形能力的影響.

3.4 圖像處理結(jié)果分析

基于圖像處理技術(shù),運用Matlab軟件計算得到PM、PSGCA、PMF、PNCAF、PSGCAF以及分形維數(shù)D,結(jié)果如圖8所示.

圖8 圖像處理結(jié)果Fig.8 Image processing results

由圖8(a)可知：隨著自燃煤矸石粗集料取代率R的增大,PM變化幅度較小,PSGCA變化幅度較大;當(dāng)R為25%、50%、75%、100%時,PSGCA分別為26.62%、57.20%、80.37%、100%.由于自燃煤矸石粗集料屬于次輕級集料,其按等質(zhì)量取代天然碎石后,使得PSGCA增大,同時也令斷裂面上混合粗集料分布趨于密集.相比自燃煤矸石,天然碎石拔出面凹凸不平,增大了實際裸露在斷裂面上的天然碎石面積,因此盡管PM有上升趨勢,但并不明顯.從圖8(b)中粗集料的斷裂情況來看：PNCAF與PSGCAF分別在26.31%～30.46%、89.68%～95.99%之間,并未隨R變化而有明顯波動；由于自燃煤矸石斷裂破壞比例較高,且占混合粗集料比例逐漸增大,因此PMF隨取代率增大而增大,且增幅平穩(wěn),當(dāng)R>75%后,增幅稍平緩,當(dāng)R=100%時,PMF破壞比例達到89.65%.從圖8(c)可以看出,受混合粗集料破壞形式的影響,自燃煤矸石粗集料混凝土斷裂面分形維數(shù)D隨取代率增大而呈下降趨勢.D是幾何圖形不規(guī)則程度的一種度量方法,D越小,斷裂面規(guī)則程度越大,粗糙度越小.圖3(b)已經(jīng)顯示出,自燃煤矸石粗集料混凝土斷裂是硬化水泥漿體斷裂與自燃煤矸石粗集料斷裂的耦合,隨著自燃煤矸石粗集料取代率的增大,混凝土斷裂面上裸露的粗集料越來越多,因此混凝土斷裂面表現(xiàn)出越來越平坦的趨勢.

4 結(jié)論

(1)自燃煤矸石粗集料混凝土的彎曲破壞特征與普通混凝土相似,但隨著自燃煤矸石粗集料取代率的增大,試件裂縫發(fā)展路徑由彎曲擴展向豎直擴展轉(zhuǎn)變,貫穿截面所用時間變短.

(2)斷裂韌度等各項參數(shù)隨自燃煤矸石粗集料取代率R增大而降低,其中R的變化對失穩(wěn)參數(shù)影響較大,對起裂參數(shù)影響較小.當(dāng)R=100%時,起裂、失穩(wěn)斷裂韌度較普通混凝土分別下降了11.69%、39.04%.

(3)隨著自燃煤矸石粗集料取代率的增大,混凝土的斷裂能呈下降趨勢,當(dāng)取代率為100%時,混凝土的斷裂能較普通混凝土下降了47.86%.外力功與重力功均呈下降趨勢,混凝土的相對耗能能力有所提高;當(dāng)取代率為25%時,從特征長度與延性指數(shù)來看,混凝土的脆性及變形與普通混凝土幾乎持平.但當(dāng)取代率大于25%時,隨取代率增大,混凝土的脆性增高、變形能力下降.

(4)取代率的變化對混合粗集料在斷裂面的分布影響不明顯,對混合粗集料斷裂破壞比例影響明顯.隨著取代率的增大,混合粗集料的斷裂破壞比例明顯上升,分形維數(shù)逐漸下降.用混合粗集料斷裂破壞比例及分形維數(shù)來定量描述自燃煤矸石粗集料混凝土斷裂特征是可行的.