謝開(kāi)仲,劉振威,蓋炳州,新 贏,朱茂金
(1. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,廣西南寧 530004; 2. 廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530004)
機(jī)制砂混凝土是指將機(jī)制砂部分或全部代替天然細(xì)骨料所制成的混凝土。由于機(jī)制砂是巖石通過(guò)機(jī)械破碎而制成的篩分粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒,這使得機(jī)制砂與河砂相比具有不規(guī)則的棱角尖邊、較高的石粉含量和較粗糙的表面等不同的特征,因此對(duì)混凝土工作性能及力學(xué)性能有著不同程度的影響[1-6]。近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同材料的混凝土本構(gòu)關(guān)系展開(kāi)了深入的試驗(yàn)研究,如肖建莊等[7]和陳宗平等[8]發(fā)現(xiàn),隨著再生粗骨料取代率增加,再生混凝土峰值應(yīng)力和彈性模量均呈下降趨勢(shì),但應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)下降段相比于普通混凝土更加陡峭,破壞形式為脆性破壞。趙秋紅等[9]和Bompa等[10]指出橡膠混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量都隨著橡膠含量的增加而降低,并建立了適用于橡膠混凝土的本構(gòu)模型。葉中豹等[11]對(duì)鋼纖維混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)鋼纖維含量的增加使得混凝土的峰值應(yīng)變與峰值應(yīng)力都隨之提高,并提出了一種與應(yīng)變和應(yīng)變率相關(guān)函數(shù)的本構(gòu)關(guān)系。對(duì)于機(jī)制砂混凝土方面,陳正發(fā)等[12]指出機(jī)制砂混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線(xiàn)性表征,并在Jones-Nelson-Morgan模型的基礎(chǔ)上引入溫度系數(shù),建立了機(jī)制砂混凝土的單軸受壓本構(gòu)模型;梁冬瑤[13]以機(jī)制砂作為細(xì)骨料,對(duì)不同石粉含量的再生混凝土進(jìn)行研究,并結(jié)合損傷力學(xué)的理論方法,得出機(jī)制砂混凝土本構(gòu)方程在各變量下的參數(shù)。
目前對(duì)不同巖性機(jī)制砂混凝土的本構(gòu)關(guān)系和力學(xué)性能的研究較少,基于上述分析,本文以機(jī)制砂為細(xì)骨料,以母巖巖性的機(jī)制砂及強(qiáng)度等級(jí)為研究變量,與河砂混凝土進(jìn)行對(duì)比分析,通過(guò)試驗(yàn)揭示其內(nèi)在特性,獲取各變量下的參數(shù),建立機(jī)制砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程,為機(jī)制砂在混凝土工程中的應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。
為了開(kāi)展機(jī)制砂混凝土相關(guān)研究,首先將不同機(jī)制砂母巖塊石經(jīng)過(guò)切割、打磨加工成70 mm×70 mm×70 mm抗壓試塊和φ50×50劈裂試塊,根據(jù)《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E41—2005)開(kāi)展巖石試驗(yàn)研究,其母巖的力學(xué)性能見(jiàn)表1,機(jī)制砂母巖強(qiáng)度從大到小依次為卵石、玄武巖、石灰?guī)r。
表1 母巖的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical Properties of Parent Rock
不同巖性的機(jī)制砂母巖經(jīng)機(jī)械破碎分別得到石灰?guī)r機(jī)制砂(LS)、卵石機(jī)制砂(PS)和玄武巖機(jī)制砂(BS),并采用河砂(RS)進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)《建筑用砂》(GB/T 14684—2011)對(duì)不同細(xì)骨料的顆粒級(jí)配、表觀密度、堆積密度、含泥量及機(jī)制砂中石粉含量等性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試,主要性能指標(biāo)見(jiàn)表2,細(xì)骨料均為Ⅱ區(qū)級(jí)配,機(jī)制砂的表觀密度、堆積密度和石粉含量均高于河砂,而細(xì)度模數(shù)和孔隙率較低。機(jī)制砂的表觀密度、堆積密度和石粉含量從大到小依次為石灰?guī)r機(jī)制砂、卵石機(jī)制砂、玄武巖機(jī)制砂。
表2 機(jī)制砂與河砂的物理特性Tab.2 Physical Properties of Manufactured Sand and River Sand
研究中使用的粗骨料粒徑為4.75~31.5 mm連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石,按照《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)的規(guī)定對(duì)碎石的顆粒級(jí)配、表觀密度和堆積密度等進(jìn)行了測(cè)試,其物理性能均符合要求。水泥采用的是P.O42.5海螺牌普通硅酸鹽水泥,經(jīng)檢測(cè)其性能指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。試驗(yàn)用的外加劑為聚羧酸高性能減水劑,減水率為30%,試驗(yàn)用水為自來(lái)水。
1.2.1 配合比設(shè)計(jì)
參照《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080—2016)對(duì)不同巖性機(jī)制砂混凝土的工作性能進(jìn)行測(cè)試,在強(qiáng)度滿(mǎn)足要求的情況下略微調(diào)整水灰比與砂率,保證坍落度達(dá)到160~180 mm,得到的機(jī)制砂混凝土基準(zhǔn)配合比見(jiàn)表3。
表3 機(jī)制砂混凝土配合比Tab.3 Mix Proportions of MSC
1.2.2 試件制作
試驗(yàn)采用3種不同母巖巖性的機(jī)制砂和河砂作為細(xì)骨料,共制作了48個(gè)混凝土試件,每組共設(shè)計(jì)了3個(gè)150 mm×150 mm×300 mm標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件和3個(gè)150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體試件,前者用于測(cè)出混凝土應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系,后者為了測(cè)出混凝土立方體抗壓強(qiáng)度,混凝土試件澆筑24 h后脫模,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)。
1.2.3 試驗(yàn)加載裝置及方法
試件采用由中科院和SIMENS公司聯(lián)合研發(fā)的RMT-201巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸受壓加載,測(cè)點(diǎn)布置及加載裝置見(jiàn)圖1,2。為了獲取試件受力全過(guò)程的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線(xiàn),試驗(yàn)采用荷載和位移混合控制的加載制度,即試驗(yàn)先采用荷載控制加載到試件預(yù)估峰值的70%,加載速率為10 kN·s-1;后采用位移控制的加載制度施加豎向荷載直至試件破壞,加載速率為0.005 mm·s-1。本試驗(yàn)位移的采集選取試件中間100 mm的混凝土豎向變形作為測(cè)試結(jié)果,對(duì)試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集的各試件受力軸向荷載-位移曲線(xiàn)進(jìn)行相關(guān)處理,得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線(xiàn)。立方體抗壓強(qiáng)度根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)采用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)。
2.1.1 破壞形態(tài)
試驗(yàn)過(guò)程中,分別對(duì)不同巖性的試件進(jìn)行細(xì)微觀察發(fā)現(xiàn),3種不同巖性的機(jī)制砂混凝土試件的破壞形態(tài)基本相似,均表現(xiàn)出較大的脆性。在荷載控制階段,隨著壓力荷載的不斷增大,試件的中間部分首先由無(wú)肉眼可見(jiàn)的裂縫逐漸形成1條貫穿的主裂縫;在位移控制階段,峰值荷載前,試件表面逐漸出現(xiàn)裂紋,裂紋沿上下方向延伸,峰值點(diǎn)過(guò)后,新的裂紋不斷出現(xiàn),舊的裂紋寬度也逐漸增大,混凝土承載力迅速下降,與河砂混凝土相比,石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土和玄武巖機(jī)制砂混凝土裂縫較多,每個(gè)試件破壞表面均有4~6條貫穿裂縫,卵石機(jī)制砂混凝土裂縫數(shù)目與河砂混凝土大致相同,原因可能是由于卵石機(jī)制砂的粒徑分布均勻,砂中含有適量的石粉顆粒,有效地填充了混凝土孔隙,提高了混凝土的抗壓性能,使得裂縫數(shù)目相對(duì)較少[14-15]。從破壞后的斷面細(xì)致觀察發(fā)現(xiàn),所有試件的最終破壞界面均出現(xiàn)在粗骨料與水泥砂漿的界面過(guò)渡區(qū),粗骨料本身未出現(xiàn)斷裂,典型試件的破壞形態(tài)見(jiàn)圖3。
2.1.2 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)
根據(jù)RMT-201試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)采集的各試件受力全過(guò)程的軸向荷載-位移數(shù)據(jù),通過(guò)式(1)可以轉(zhuǎn)化得到各試件的軸向應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)全過(guò)程曲線(xiàn),如圖4所示,其中BS,PS,LS和RS為細(xì)集料類(lèi)型,40和50分別代表混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度,“1”表示第1個(gè)混凝土試件,依此類(lèi)推。
σ=N/A,ε=Δl/l
(1)
式中:N為試件的軸向荷載;A為試件的橫截面面積;l為試件的標(biāo)距,即位移計(jì)上下測(cè)點(diǎn)距離;Δl為試件標(biāo)距內(nèi)混凝土的軸向壓縮變形值。
從圖4可以看出,不同巖性機(jī)制砂混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)在相同的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)下變化過(guò)程大致相似,均經(jīng)歷了從彈性、彈塑性、峰值點(diǎn)、下降、下降段拐點(diǎn)到殘余段的發(fā)展歷程,函數(shù)圖像為明顯的凸曲線(xiàn),在峰值點(diǎn)后的下降段,機(jī)制砂混凝土相比河砂混凝土的脆性大,尤其是當(dāng)水灰比越小時(shí),機(jī)制砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)的下降段更加陡峭,其中卵石機(jī)制砂混凝土較為明顯。
根據(jù)混凝土單軸受壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可提取出各混凝土試件的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變等特征值指標(biāo),每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)均計(jì)算出3個(gè)試件的平均值,具體數(shù)值見(jiàn)表4。
表4 標(biāo)準(zhǔn)齡期下試件的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變Tab.4 Peak Stress and Peak Strain of Specimens Under Standard Age
為了便于分析不同巖性機(jī)制砂細(xì)集料對(duì)其混凝土力學(xué)性能的影響,圖5給出了3種不同巖性機(jī)制砂和河砂的細(xì)度模數(shù)和石粉含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。由表4和圖5可見(jiàn),隨著石粉含量的增加或細(xì)度模量的增大,混凝土的峰值應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)闄C(jī)制砂中的細(xì)顆粒在混凝土中具有良好的填充效果[16-17]。當(dāng)石粉含量或細(xì)度模數(shù)超過(guò)一定范圍時(shí),在相同的水灰比下,機(jī)制砂中多余的細(xì)顆粒會(huì)吸收一部分自由水,使得混凝土中沒(méi)有足夠的漿體來(lái)包裹所有的集料,導(dǎo)致混凝土密實(shí)性較差,強(qiáng)度降低[18],特別是在強(qiáng)度等級(jí)比較高時(shí),下降趨勢(shì)較為明顯,因此使得卵石機(jī)制砂混凝土的峰值應(yīng)力在C50強(qiáng)度等級(jí)下比玄武巖機(jī)制砂混凝土和石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土分別大21.3%和17.9%。
試件達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變隨著石粉含量的增加或細(xì)度模數(shù)的增大,也表現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40時(shí),卵石機(jī)制砂混凝土的峰值應(yīng)變相比于玄武巖機(jī)制砂混凝土和石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土分別高13.7%和20.5%;當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50時(shí),石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土的峰值應(yīng)變最大。原因是不同強(qiáng)度等級(jí)下,由于水灰比的不同,使得石粉參與水化反應(yīng)后,黏附在粗骨料表面的水泥基有所不同,黏附的水泥基實(shí)際上是增加了凝固后混凝土的膠凝體含量,隨著膠凝體含量的增加,試件的峰值應(yīng)變也會(huì)有所增大[19]。
從表4和圖5還可以看出,不同巖性機(jī)制砂混凝土試件的峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變均大于河砂混凝土試件。這可能是由于機(jī)制砂中含有的石粉促進(jìn)了水泥水化,改善了混凝土的界面結(jié)構(gòu),使混凝土更加密實(shí),強(qiáng)度得到提高。此外,機(jī)制砂中細(xì)骨料表面粗糙且多棱角,有效地限制了骨料顆粒間的滑動(dòng)[1,6]。
2.1.3 機(jī)制砂混凝土本構(gòu)方程擬合
根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),在每一組試件中,抽取一個(gè)下降段數(shù)據(jù)較為充足的曲線(xiàn)進(jìn)行量綱一化分析,8組試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別取BS40-3,PS40-1,LS40-2,RS40-3,BS50-2,PS50-2,LS50-3,RS50-2對(duì)應(yīng)的數(shù)值,將試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行歸一化處理后,采用多種本構(gòu)方程擬合量綱一化曲線(xiàn),利用最小二乘法選取最佳的機(jī)制砂混凝土擬合本構(gòu)模型,本次試驗(yàn)所選模型基于Sargin提出的普通混凝土單軸受壓本構(gòu)方程[式(2)][20],為了驗(yàn)證本構(gòu)方程的適用性,分別對(duì)不同巖性機(jī)制砂混凝土和河砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行擬合(圖6)并與試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比。
(2)
式中:σc,εc分別為峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變;a1,a2和b1,b2分別為控制上升段和下降段的方程參數(shù)。
由圖6可以看出,當(dāng)a1=1.15,a2=0.51,b1=-0.19,b2=1.23時(shí),擬合曲線(xiàn)與試驗(yàn)曲線(xiàn)的均值基本重合,這表明由式(2)所描述的全曲線(xiàn)方程可以作為機(jī)制砂混凝土單軸受壓本構(gòu)模型,適用于機(jī)制砂混凝土結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性分析。
2.2.1 破壞特征
隨著壓力荷載的不斷增大,混凝土試件沿高度方向中央部位表面出現(xiàn)裂縫并逐漸變寬,然后裂縫往上下方向延伸,直到試件被壓破壞,同時(shí)混凝土外鼓,裂縫主要集中在試件四角,試件的破壞面與豎直荷載方向大致呈45°角,最終的破壞形態(tài)呈正倒相接的四角錐形。
2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果
混凝土單軸受壓試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5,各類(lèi)型的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu均取其3個(gè)試件的平均值,其中棱柱體抗壓強(qiáng)度f(wàn)c取平均峰值應(yīng)力。
表5 標(biāo)準(zhǔn)齡期下棱柱體試件和立方體試件抗壓強(qiáng)度的對(duì)比Tab.5 Compressive Strength Comparison Between Prism Specimens and Cube Specimens Under Standard Age
由表5可知,在相同強(qiáng)度等級(jí)下,機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度均高于河砂混凝土,特別是當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50時(shí),石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土和卵石機(jī)制砂混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比河砂混凝土分別高16%和33%。原因是因?yàn)闄C(jī)制砂是由機(jī)械破碎得到,使得機(jī)制砂骨料表面織構(gòu)凹凸、棱角分明,改善了砂與集料之間的界面,增強(qiáng)了界面之間的咬合力,使其與水泥之間具有較好的黏結(jié)性;同時(shí),機(jī)制砂相比河砂中含有更多的石粉,石粉可以填充骨料之間的孔隙,使得混凝土變密實(shí),強(qiáng)度得到提高[21-22]。
當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40時(shí),3種不同巖性的機(jī)制砂混凝土抗壓強(qiáng)度基本相同。當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C50時(shí),卵石機(jī)制砂混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土和玄武巖機(jī)制砂混凝土分別高12.9%和14.5%。這可能是由于卵石母巖的抗壓強(qiáng)度較大,并且卵石機(jī)制砂中的石粉含量適量,能有效填充骨料之間的孔隙,增強(qiáng)了砂漿的流動(dòng)性,提高了混凝土的和易性能,使混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)得到改善,混凝土更加密實(shí)[23-25]。
將軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值定義為混凝土的換算系數(shù),根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算出不同巖性機(jī)制砂混凝土的換算系數(shù),見(jiàn)表5。由表5可知:不同巖性機(jī)制砂混凝土換算系數(shù)在0.72~0.82之間,且平均值為0.767,變異系數(shù)為0.04,河砂混凝土換算系數(shù)為0.74,因此當(dāng)水灰比在0.3~0.4之間時(shí),建議機(jī)制砂混凝土換算系數(shù)取為0.77。
試驗(yàn)采取應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)上原點(diǎn)及0.40fc點(diǎn)之間的割線(xiàn)模量作為混凝土的彈性模量值,其中fc為棱柱體構(gòu)件抗壓強(qiáng)度;不同巖性機(jī)制砂混凝土試件彈性模量見(jiàn)圖7。
由圖7可以看出:機(jī)制砂混凝土的彈性模量均大于河砂混凝土的彈性模量,最大差值比河砂混凝土高11.7%。不同巖性機(jī)制砂混凝土彈性模量曲線(xiàn)呈向下開(kāi)口,當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C40時(shí),PS混凝土彈性模量比BS混凝土和LS混凝土分別大2.1%和5.0%。機(jī)制砂混凝土的彈性模量與強(qiáng)度有關(guān),一般而言,混凝土等級(jí)越高,彈性模量越大[26],正如前面分析所述,由于機(jī)制砂的顆粒形狀、棱角凹凸以及石粉含量影響著混凝土的抗壓強(qiáng)度,從而影響著混凝土的彈性模量。
根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)的彈性模量計(jì)算式,對(duì)機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,得到的擬合表達(dá)式為
(3)
式中:Ec為彈性模量。
彈性模量實(shí)測(cè)值與根據(jù)式(3)計(jì)算出的不同巖性機(jī)制砂混凝土彈性模量計(jì)算值見(jiàn)表6,其比值的平均值為1.001 2,變異系數(shù)為0.048 3,說(shuō)明式(3)能夠較好地表達(dá)機(jī)制砂混凝土的彈性模量隨立方體抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)。
(1)不同巖性機(jī)制砂混凝土的破壞形態(tài)基本相似,與河砂混凝土相比,卵石和玄武巖機(jī)制砂混凝土裂縫數(shù)目較多,石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土裂縫數(shù)目與河砂混凝土大致相同。
表6 彈性模量實(shí)測(cè)值與式(3)得到的彈性模量計(jì)算值Tab.6 Measured Value of Elastic Modulus and Theoretical Value of Elastic Modulus Calculated by Eq.(3)
(2)機(jī)制砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)變化趨勢(shì)與河砂混凝土相似,在曲線(xiàn)的上升段,機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土基本重合,但在下降段,機(jī)制砂混凝土脆性較大,曲線(xiàn)比較陡峭,基于Sargin模型擬合得到的機(jī)制砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)與試驗(yàn)全曲線(xiàn)吻合較好。
(3)不同巖性機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的差異與細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)和石粉含量有關(guān),隨著細(xì)度模數(shù)或石粉含量的增多,機(jī)制砂混凝土試件峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),不同巖性的機(jī)制砂混凝土試件其峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變均大于河砂混凝土。
(4)基于機(jī)制砂混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,當(dāng)水灰比在0.3~0.4之間時(shí),建議廣西山區(qū)機(jī)制砂混凝土的換算系數(shù)取為0.77。
(5)卵石機(jī)制砂混凝土彈性模量高于石灰?guī)r和玄武巖機(jī)制砂混凝土,并且機(jī)制砂混凝土的彈性模量大于河砂混凝土,基于試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了機(jī)制砂混凝土彈性模量的計(jì)算表達(dá)式,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差較小,能夠較為準(zhǔn)確地表達(dá)機(jī)制砂混凝土彈性模量隨立方體抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。