玻璃粉細(xì)骨料混凝土力學(xué)性能研究

黃炎林， 周 安

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

廢棄玻璃因其回收再加工成本較高， 常被做為生活垃圾丟棄[1]。 中國(guó)每年廢棄玻璃產(chǎn)量在1億t左右， 綜合利用率只有25%～30%， 遠(yuǎn)低于70%的國(guó)際水平[2-3]。 玻璃粉是由廢棄玻璃研磨制成， 主要成分為SiO2， 具有較高的火山灰活性[4-6]。 為了提高廢棄玻璃的利用率， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)廢玻璃細(xì)骨料混凝土做了一些研究。 例如， Lee等[7]研究指出20%的玻璃粉等質(zhì)量替代水泥， 混凝土90 t的抗壓強(qiáng)度有較大提高。 楊震等[8]研究表明30%的河沙被玻璃粉替代時(shí)， 混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大， 為28 MPa左右。 赫文秀和Wang等[9-10]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)廢玻璃替代20%的天然河沙， 廢玻璃細(xì)骨料混凝土的流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度最佳。 Limbachiya等[11]的研究結(jié)果表明廢玻璃替代0～20%的河沙時(shí)， 廢玻璃細(xì)骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度未有明顯變化， 當(dāng)替代量超過(guò)20%時(shí)， 抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。 H.Ez-zaki 等[12]通過(guò)研究不同體積替代量的玻璃粉對(duì)砂漿耐久性的影響， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)40%的河沙被玻璃粉替代時(shí)， 砂漿的抗氯離子腐蝕性能較優(yōu)異。

當(dāng)前， 廢玻璃細(xì)骨料混凝土的研究主要集中在混凝土流動(dòng)性、 立方體抗壓強(qiáng)度和混凝土抗氯離子性能等方面。 關(guān)于玻璃粉細(xì)骨料混凝土(Concrete of Glass Powder as Fine Aggregate 簡(jiǎn)稱(chēng)GFAC)細(xì)度模數(shù)、 本構(gòu)方程和基于主成份分析法的混凝土性能評(píng)價(jià)等方面了研究較少。 考慮以上因素， 本論文用玻璃粉替代部分天然河沙， 分析了玻璃粉細(xì)骨料混凝土的軸心抗壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。 并采用主成份分析法， 研究了抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度對(duì)混凝土性能了影響， 得出最佳玻璃粉替代率， 為促進(jìn)玻璃粉在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用華新生產(chǎn)了P.O42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用連續(xù)級(jí)配碎石， 粒徑范圍是5～25 mm；細(xì)骨料為天然河沙， 含水率為2.51%， 細(xì)度模數(shù)為2.92；攪拌和養(yǎng)護(hù)用水均是當(dāng)?shù)仫嬘盟?玻璃粉全部來(lái)源于中國(guó)靈壽縣恒聚加工廠， 表觀密度為2150 kg·m-3， 直徑在0.15 mm以下。

1.2 試驗(yàn)試件和方法

試驗(yàn)以玻璃粉等體積替代率為自變量， 分別設(shè)計(jì)0、 10%、 20%、 30%、 40%和50%六個(gè)替代等級(jí)。 共制作了90個(gè)試件， 分為6組， 每組試件包括6個(gè)100×100×100立方體試件(3個(gè)做劈裂拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)， 3個(gè)做立方體抗壓試驗(yàn))和9個(gè)100×100×300棱柱體試件(3個(gè)測(cè)量混凝土應(yīng)力、 應(yīng)變， 3個(gè)做軸心抗壓試驗(yàn)， 3個(gè)做靜壓彈性模量試驗(yàn))， 試件的詳細(xì)配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比

玻璃粉細(xì)骨料混凝土采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌， 在振動(dòng)臺(tái)上震動(dòng)2 min， 室溫靜置24 h后脫模， 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。 然后在微控電液伺服試驗(yàn)機(jī)上以0.01 mm/s的加載速度進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)， 主要包括立方體抗壓試驗(yàn)、 軸心抗壓試驗(yàn)、 劈裂拉伸試驗(yàn)和靜壓彈性模量試驗(yàn)， 并用位移計(jì)采集混凝土的變形。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混凝土細(xì)骨料級(jí)配

在對(duì)不同玻璃粉替代率混凝土的細(xì)骨料級(jí)配進(jìn)行測(cè)量分析時(shí)， 得出了混凝土細(xì)度模數(shù)隨玻璃粉替代率增加的變化趨勢(shì)圖(圖1)。

圖 1 各組替代率下的細(xì)度模數(shù)

如圖1所示， 細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)呈直線(xiàn)下降的趨勢(shì)， 主要原因是玻璃粉為粉狀物， 其直徑在0.15 mm以下。 而天然河沙的直徑， 約66.5%左右處于0.6～5.0 mm的范圍內(nèi)， 其細(xì)度模數(shù)是2.92。 因此， 當(dāng)玻璃粉的替代量增加時(shí)， 0.15 mm以下了顆粒就會(huì)增多， GFAC的細(xì)度模數(shù)將會(huì)降低。

2.2 混凝土坍落度

通過(guò)對(duì)不同玻璃粉替代率混凝土的坍落度進(jìn)行測(cè)量分析， 得出了混凝土坍落度隨玻璃粉替代率增加的變化趨勢(shì)圖(圖2)。

圖 2 各組替代率下的坍落度

由圖2可知， GFAC的坍落度呈下降趨勢(shì)， 曲線(xiàn)斜率不斷增大， 表明坍落度下降速度不斷增加。 主要原因是玻璃粉為0.15 mm以下的粉末狀顆粒， 與河沙同質(zhì)量的玻璃粉具有更大的總表面積， 吸水量更多。 同時(shí)， 玻璃粉的含水率是0.32%， 約是河沙的1/3， 玻璃粉的吸水率是18.64%， 是河沙的2.46倍左右， 玻璃粉會(huì)將大量處于自由狀態(tài)的水(簡(jiǎn)稱(chēng)：自由水)吸收到顆粒內(nèi)部。 因此， 當(dāng)玻璃粉替代率增加時(shí)， 細(xì)骨料的吸水量增加， 在總用水量不變的情況下， GFAC具有更少的自由水， 導(dǎo)致混凝土的水灰比減小， 流動(dòng)性降低， 混凝土的坍落度呈減小趨勢(shì)。

2.3 混凝土抗壓強(qiáng)度

通過(guò)在微控電液伺服試驗(yàn)機(jī)上以0.01 mm/s的加載速度進(jìn)行抗壓試驗(yàn)， 測(cè)出了玻璃粉細(xì)骨料混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度， 得到了玻璃粉細(xì)骨料混凝土抗壓強(qiáng)度隨玻璃粉替代率增加的變化趨勢(shì)圖(圖3)。

圖 3 各組替代率下的抗壓強(qiáng)度

如圖3所示，GFAC的立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度具有相同的趨勢(shì)圖，隨玻璃粉替代率的增加呈先上升后下降再增加的趨勢(shì)，且立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度均比普通混凝土高。當(dāng)替代率由30%增加到40%時(shí)，GFAC的抗壓強(qiáng)度發(fā)生降低，是因?yàn)椴ＡХ垲w粒微細(xì)，改變的細(xì)骨料的級(jí)配，砂漿內(nèi)部的平均孔徑增大[13]，減小了砂漿強(qiáng)度，砂漿與粗骨料間的連結(jié)力降低。替代率從40%增加到50%時(shí)，GFAC的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)大幅增加現(xiàn)象，主要原因是玻璃粉的主要成分為SiO2，可以促進(jìn)水泥的二次水化反映，產(chǎn)生的硅酸鈣使混凝土內(nèi)部更加密實(shí)。同時(shí)，玻璃粉的吸水率較大，當(dāng)玻璃粉的替代量增加時(shí)，混凝土的水灰比將會(huì)減小，而適當(dāng)減小水灰比可以提高混凝土的強(qiáng)度[14]。

2.4 混凝土劈裂拉伸強(qiáng)度

玻璃粉細(xì)骨料混凝土的劈裂拉伸強(qiáng)度隨玻璃粉替代率增加的變化趨勢(shì)圖見(jiàn)圖4。

圖 4 各組替代率下的劈裂拉伸強(qiáng)度

由圖4可知， GFAC的劈裂拉伸強(qiáng)度隨玻璃粉替代率的增加呈先上升后下降再升高的趨勢(shì)， 當(dāng)玻璃粉替代率從0增加到50%時(shí)， GFAC的劈裂拉伸強(qiáng)度均比普通混凝土高。 當(dāng)玻璃粉替代率從30%增加到40%時(shí)， GFAC抗拉強(qiáng)度減少, 主要原因和GFAC抗壓強(qiáng)度類(lèi)似。

2.5 混凝土相對(duì)彈性模量

在對(duì)玻璃粉細(xì)骨料混凝土彈性模量進(jìn)行測(cè)量分析時(shí)， 以普通混凝土(玻璃粉替代率為0)彈性模量為基準(zhǔn)， 將各組玻璃粉細(xì)骨料混凝土的彈性模量與其對(duì)比， 進(jìn)行量綱統(tǒng)一化處理， 得到了玻璃粉細(xì)骨料混凝土相對(duì)彈性模量隨玻璃粉替代率增加的變化趨勢(shì)圖(圖5)。

圖 5 各組替代率下的彈性模量相對(duì)值

如圖5所示， 玻璃粉的替代率從10%提升到50%時(shí)， GFAC的彈性模量均比普通混凝土高。 主要原因是玻璃粉的主要成分為SiO2， 可以促進(jìn)水泥的二次水化反映， 產(chǎn)生的硅酸鈣使混凝土內(nèi)部更加密實(shí)， 導(dǎo)致混凝土在受到等值的壓力變化時(shí)， GFAC具有相對(duì)較小的變形。 而根據(jù)彈性模量計(jì)算公式(1)可知， 當(dāng)(Fa-F0)的壓力值不變時(shí)， △n越小， 彈性模量越大。

Ec=(Fa-F0)Ln/(A×Δn)

(1)

式中:Ec為混凝土彈性模量；Fa為應(yīng)力為1/3 軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)的荷載；F0表示應(yīng)力為0.5 MPa時(shí)的初始荷載；Ln為測(cè)量表距；A為試件承壓面積；Δn為從F0加荷到Fa時(shí)試件的變形差。

3 本構(gòu)方程

在對(duì)100×100×300的試件進(jìn)行GFAC應(yīng)力、 應(yīng)變測(cè)量時(shí)， 主要分為三個(gè)步驟。 首先， 先測(cè)量混凝土壓縮變量和相對(duì)壓力值。 然后， 通過(guò)公式(2)計(jì)算混凝土的應(yīng)力、 應(yīng)變值。 最后， 通過(guò)σ/σC和ε/εC(σC和εC分別代表GFAC的峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變)對(duì)玻璃粉細(xì)骨料混凝土的應(yīng)力、 應(yīng)變進(jìn)行無(wú)量綱處理[15]， 求出應(yīng)力比和應(yīng)變比， 處理結(jié)果見(jiàn)圖6。

σ=F/A,ε=ΔL/L

(2)

式中:F為軸心抗壓強(qiáng)度，A為混凝土受壓面積，ΔL為混凝土壓縮變量，L是試件高度。

如圖6所示， 當(dāng)玻璃粉替代率從10%提升到50%時(shí)， GFAC上升段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)與普通混凝土較好貼合。 說(shuō)明在彈性和彈塑性階段， GFAC的變形機(jī)理與普通混凝土類(lèi)似。 而下降段的曲線(xiàn)走勢(shì)較分散， 主要原因是不同替代率的GFAC， 其抗壓性能差距大， 裂縫發(fā)展的離散性較大。 當(dāng)替代率為40%和50%時(shí)， 因GFAC的脆性較大， 裂縫發(fā)展速度快， 只能測(cè)到一部分的應(yīng)力、 應(yīng)變值。 替代率為10%和20%時(shí)， GFAC的曲線(xiàn)走勢(shì)和普通混凝土基本重合， 抗壓破壞形式和普通混凝土類(lèi)似。

圖 6 玻璃粉細(xì)骨料混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)

由圖6可知， GFAC的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)趨勢(shì)圖與普通混凝土的類(lèi)似， 都經(jīng)歷了彈性階段、 彈塑性階段和屈服破壞階段[15-16]。 因此可通過(guò)origin的非線(xiàn)性擬合功能， 根據(jù)普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)方程[16]， 建立GFAC的近似本構(gòu)方程:

(3)

式中:α為GFAC應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)方程中上升段的參數(shù)，β是下降段的參數(shù)。 利用origin軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析， 當(dāng)α=1.579、β=6.978時(shí)， 得到了擬合曲線(xiàn)和GFAC試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。 因此，α=1.579、β=6.978可作玻璃粉細(xì)骨料混凝土應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程的參數(shù)取值。 由此得到玻璃粉細(xì)骨料混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程擬合曲線(xiàn)(圖7)。

4 主成份分析法

主成份分析法是通過(guò)降維的方式將N個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成幾個(gè)不關(guān)聯(lián)的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理， 減少數(shù)據(jù)差異性， 分析每個(gè)單一指標(biāo)間的相對(duì)關(guān)系， 得出綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)， 進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合分析[17-19]。 主成份分析法的主要分析步驟見(jiàn)圖8。

4.1 分析結(jié)果

評(píng)價(jià)指標(biāo)的正確選擇， 是決定綜合評(píng)價(jià)結(jié)果正確性的主要影響要素[20]。 而抗壓性能和抗劈拉性能是判斷混凝土是否具有實(shí)用價(jià)值的主要參考要素。 因此， 本試驗(yàn)選取立方體抗壓強(qiáng)度、 劈拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度做為評(píng)價(jià)玻璃粉細(xì)骨料混凝土實(shí)用性能的分析指標(biāo)， 進(jìn)行主成份分析。 分別得出3個(gè)分析指標(biāo)的適用性驗(yàn)證結(jié)果(表2)、 相關(guān)系數(shù)矩陣(表3)、 主成份特征值及貢獻(xiàn)率(表4)、 主成份矩陣(表5)和分析對(duì)象綜合評(píng)價(jià)得分及排序(表6)。

KMO檢測(cè)是判斷評(píng)價(jià)指標(biāo)是否適合主成份分析的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)檢測(cè)法， Sig是評(píng)估數(shù)據(jù)顯著性的重要指標(biāo)[21]。 如表2所示， KMO值大于0.6， sig值小于0.05， 表明選取的混凝土評(píng)價(jià)指標(biāo)符合主成份分析準(zhǔn)則， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)是顯著的。

表2 KMO和Bartlett檢驗(yàn)

如表3所示， 評(píng)價(jià)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)最小值是0.772， 大于0.5， 證明評(píng)價(jià)指標(biāo)變量之間具有中等相關(guān)性。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

累積貢獻(xiàn)率是指前幾個(gè)主成份共同對(duì)原評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的解釋能力， 累積貢獻(xiàn)率值越大， 正確解釋的概率越高[17]。 如表4所示， 主成份1和主成份2的累積貢獻(xiàn)率在94%左右， 可以準(zhǔn)確反應(yīng)玻璃粉細(xì)骨料混凝土的綜合性能。

表4 主成份特征值和累積貢獻(xiàn)率

主成份矩陣可以反映主成份和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的相關(guān)性。 相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的大小， 體現(xiàn)相關(guān)性的強(qiáng)弱， 系數(shù)的正負(fù)值分別代表正相關(guān)和負(fù)相關(guān)[17]。 由表5可知， 主成份1與原評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)系數(shù)值均大于0.9， 表明主成份1和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)具有較強(qiáng)的正相關(guān)性；主成份2與GFAC抗壓評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)具有負(fù)相關(guān)性， 和劈裂拉伸強(qiáng)度有正相關(guān)性， 因此， 主成份2主要反映混凝土的抗劈拉性能。

綜合得分是體現(xiàn)GFAC抗壓性能和抗劈拉性能的一個(gè)綜合評(píng)估值， 數(shù)值越大， GFAC的抗壓性能和抗劈拉性能越突出[17]。 如表6所示， 當(dāng)玻璃粉替代為30%時(shí)， GFAC的綜合得分最高， 具有較好了抗壓性能和抗劈拉性能， 而且其坍落度為13.7 cm， 大于10 cm， 證明有一定的實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。

表6 分析對(duì)象綜合得分及排序

5 結(jié)論

1)GFAC的細(xì)度模數(shù)和坍落度隨玻璃粉替代率的增加而降低， 當(dāng)玻璃粉的替代率為40%和50%時(shí)， GFAC的坍落度小于10 cm； 立方體抗壓強(qiáng)度、 軸心抗壓強(qiáng)度和立方體劈裂拉伸強(qiáng)度隨玻璃粉替代率的增加呈先上升后下降再增加的趨勢(shì)； 彈性模量隨玻璃粉替代率的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。

2)當(dāng)α=1.579、β=6.978時(shí)， 根據(jù)普通混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)方程求得了擬合曲線(xiàn)和GFAC的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合；α=1.579、β=6.978可作CFAC應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程的參數(shù)取值， 得到了GFAC的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程和普通混凝土類(lèi)似， 都經(jīng)歷了彈性、 彈塑性和屈服破壞階段。

3)主成份分析法的研究結(jié)果表明， 當(dāng)玻璃粉替代率為30%時(shí)， GFAC的綜合得分最高， 具有較好的抗壓性能和抗劈拉性能， 有一定的實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。