鉛鋅尾礦砂對(duì)混凝土單軸壓縮聲發(fā)射特征的影響研究

張亞利，陳昌遠(yuǎn)，王杰，季云

（1.河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院，河南 平頂山 467000；2.中建一局集團(tuán)第二建筑有限公司，北京 102600；3.中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

天然砂是建筑工程領(lǐng)域的一種極為重要的礦產(chǎn)資源，但也存在日漸枯竭和品質(zhì)下降的現(xiàn)狀[1]。因此，找到天然砂的可替代資源用作砂漿細(xì)骨料是工程材料領(lǐng)域的重要研究方向之一[2]。尾礦砂是一種常見的礦產(chǎn)固態(tài)廢料，具有成本低廉、資源眾多與綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。采用尾礦砂骨料用作天然砂的替代材料，能夠大大促進(jìn)尾礦砂的回收利用，也可以相對(duì)提高混凝土材料的生產(chǎn)效益[3-4]。當(dāng)前，尾礦砂改性的高性能混凝土材料正在工程界逐步推廣，對(duì)尾礦砂資源的需求量也逐漸增加，深入地認(rèn)知不同類別尾礦砂對(duì)混凝土變形損傷特征的影響具有重要的科學(xué)價(jià)值。

聲發(fā)射Acoustic Emission(簡(jiǎn)稱AE)現(xiàn)象是材料內(nèi)部區(qū)域在外部荷載作用下發(fā)生破壞引起能量快速釋放，進(jìn)而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射信號(hào)特征是評(píng)價(jià)混凝土受壓性能的關(guān)鍵指標(biāo)，聲發(fā)射技術(shù)在水泥基材料變形損傷分析中已引起廣泛關(guān)注。混凝土材料在載荷作用下，砂漿體發(fā)生局部變形和結(jié)構(gòu)性損傷，這種效應(yīng)表現(xiàn)為能量耗散的形式，聲發(fā)射信號(hào)可以有效地反映顆粒結(jié)構(gòu)的損傷級(jí)別[5]。具與聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)的后期加工處理和量化分析能夠準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)混凝土砂漿結(jié)構(gòu)的破損特征，進(jìn)而反演處結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律[6]。

雖然對(duì)混凝土AE信號(hào)與強(qiáng)度特征的內(nèi)在關(guān)系已取得了一定成果，然而尾礦砂混凝土的AE損傷關(guān)系分析還較少見[7]。因此，有必要進(jìn)行尾礦砂混凝土的力學(xué)性能與聲發(fā)射聯(lián)合測(cè)試，深入分析材料受壓損傷演化特征。

本文以4種不同替代率的鉛鋅尾砂作為天然砂替代骨料制備改性混凝土，開展單軸壓縮與聲發(fā)射聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)其損傷演化特征進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性損傷分析，基于微觀結(jié)構(gòu)對(duì)混凝土損傷變形機(jī)制進(jìn)行細(xì)致探討。本研究旨在為尾砂混凝土的制備和改性提供科學(xué)參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用的混凝土樣品的基本物料配合比由某大型水電站施工現(xiàn)場(chǎng)提供，包括：碎石粗骨料、天然河砂細(xì)骨料、普通硅酸鹽水泥、二級(jí)粉煤灰、水和外加劑。本研究采用鉛鋅尾砂作為天然河砂的替代材料制備改性試件。三種骨料：碎石、天然河砂和尾礦砂的性能指標(biāo)見表1。粗集料粒徑范圍為10～25 mm的碎石；細(xì)集料分別采用天然河砂和鉛鋅尾砂，河砂粒徑最大為5 mm，尾砂粒徑最大為4.75 mm，河砂天然密度低于鉛鋅尾砂，透水性和細(xì)度模數(shù)高于鉛鋅尾砂。本研究制備了4組不同鉛鋅尾礦砂取代率（0、15%、30%和45%）的混凝土試件。

表1 粗細(xì)骨料的基本物理特性Table1 Basic physical index of coarse and fine aggregate

1.2 混凝土制備

參照《普通混凝土制備方法》DBJ53/T-2-2016制備混凝土試件，配合比見表2，水灰比為0.45，澆筑后靜置48 h后脫模，養(yǎng)護(hù)28 d齡期。表2中TS為鉛鋅尾礦砂，NS為天然砂，G為粗集料，C為水泥，F(xiàn)為粉煤灰，AA為引氣劑，WA為減水劑。成型后的混凝土試件為150 mm×150 mm×150 mm的棱柱體，采用鉆芯制樣的方式制備直徑50 mm，高度100 mm的圓柱樣品，用以開展力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

表2 混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of concrete

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用液壓伺服式壓縮實(shí)驗(yàn)儀和PCI-2型聲發(fā)射測(cè)試探討進(jìn)行測(cè)試（圖1）。實(shí)驗(yàn)前用夾持器把AE測(cè)試探頭固定在混凝土試件中間。采用壓力控制式進(jìn)行加載，加載的速率為0.05 MPa/min，AE探頭諧振頻率是150 kHz，頻率為5 kHz，最小閾值為25 dB。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變-聲發(fā)射演化特征

圖2給出了4種不同鉛鋅尾砂取代率的混凝土壓縮破壞形態(tài)圖片。不含鉛鋅尾砂的混凝土破壞時(shí)呈單向剪切形式，裂縫豎向分布且貫穿混凝土試件，呈脆性破壞特點(diǎn)。不同尾砂取代率的改性混凝土在破壞時(shí)存在一定塑性特征，破壞的主要斷裂裂縫為斜向分布。且混凝土破壞裂縫數(shù)量隨著鉛鋅尾砂取代率的增加劇烈增加，塑性變形程度也逐漸提高，尾砂取代率為45%的混凝土表面出現(xiàn)了掉渣現(xiàn)象。

在力學(xué)過程中測(cè)試聲發(fā)射信號(hào)獲取了混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)（AE信號(hào)）測(cè)試結(jié)果。由圖1可知，不同鉛鋅尾砂取代率的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均可劃分為彈性變形、塑性屈服、斷裂破壞和殘余變形4個(gè)主要階段。鉛鋅尾礦砂取代率為0%的混凝土試件在彈性變形階段中,應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)近似呈直線型上升，且聲發(fā)射信號(hào)活躍程度較高；在進(jìn)入塑性屈服變形階段后，應(yīng)力上升的斜率逐漸下降，且聲發(fā)射信號(hào)的變化劇烈，說(shuō)明試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了顯著的損傷效應(yīng)；斷裂破壞的應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)而劇烈下降的變形階段；發(fā)生殘余變形后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線繼續(xù)下降，同時(shí)聲發(fā)射振鈴數(shù)趨于平穩(wěn)，表明此時(shí)混凝土的結(jié)構(gòu)性損傷累積過程基本結(jié)束，結(jié)構(gòu)的破損程度達(dá)到較大。

由圖1(b)～(c)所知，鉛鋅尾砂取代率為15%和30%的混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生明顯變化。線性上升段的范圍變寬，說(shuō)明彈性變形的應(yīng)變值增大，彈性變形的軸向應(yīng)變最大可達(dá)0.7%～0.8%。另外，彈性模量隨尾礦砂含量增加而上升，說(shuō)明混凝土承壓和變形性能隨尾礦砂含量增加而提高。圖1(d)所示的是鉛鋅尾礦砂取代率為45%的混凝土實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出較尾礦砂取代率為30%的試件，該組混凝土的峰值強(qiáng)度下降，說(shuō)明尾礦砂外摻改性作用對(duì)混凝土強(qiáng)度的提升有一定范圍。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)而言，尾礦砂改性混凝土的較佳取代率為30%。

圖1 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變-AE信號(hào)曲線Fig.1 Stress-strain-AE signal curve of concrete

對(duì)混凝土單軸破壞時(shí)的AE信號(hào)變化特點(diǎn)開展進(jìn)一步的分析，不同取代率的鉛鋅尾砂混凝土在彈性和塑性變形階段的信號(hào)波動(dòng)較平穩(wěn)，沒有明顯突變；進(jìn)行破壞階段后，AE振鈴數(shù)開始活躍，且持續(xù)的階段較短；進(jìn)入殘余變形階段后，聲發(fā)射信號(hào)又歸于平穩(wěn)。該現(xiàn)象說(shuō)明鉛鋅尾砂改性混凝土的破壞特征與普通混凝土有明顯差異，尾砂改性混凝土的AE信號(hào)活躍期主要出現(xiàn)在斷裂破壞階段，而普通混凝土發(fā)生在塑性屈服階段。

究其原因，尾礦砂混凝土砂漿結(jié)構(gòu)相對(duì)比較密實(shí)，強(qiáng)度較高，在進(jìn)入彈性變形和塑性變形階段時(shí)，內(nèi)部的水泥砂漿硬化體在外荷載增加過程中出現(xiàn)滑移，混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，并沒有立刻出現(xiàn)斷裂裂縫，故此階段AE信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定。進(jìn)入斷裂破壞階段后，混凝土應(yīng)力到達(dá)峰值，裂隙迅速連通，并伴隨劇烈的結(jié)構(gòu)性損傷，AE信號(hào)進(jìn)入短暫的活躍期。而進(jìn)入殘余變形階段后，混凝土結(jié)構(gòu)總體已破壞，AE信號(hào)趨于穩(wěn)定。從AE信號(hào)變化趨勢(shì)可以看出尾砂混凝土在單軸荷載作用下有明顯的脆性特征[8]。

圖2給出了不同鉛鋅尾砂取代率條件下的混凝土抗壓強(qiáng)度和累積AE振鈴數(shù)。從圖2可以看出隨鉛鋅尾砂取代率的增加，峰值強(qiáng)度和累積AE振鈴數(shù)呈先上升后穩(wěn)定的趨勢(shì)。圖3給出了累積振鈴數(shù)與峰值應(yīng)力的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，可以看出強(qiáng)度性能指標(biāo)與聲發(fā)射信號(hào)存在一定正相關(guān)的關(guān)系，故可以將聲發(fā)射信號(hào)作為一種評(píng)價(jià)混凝土材料變形性能的指標(biāo)。

圖2 混凝土強(qiáng)度與累積AE振鈴數(shù)Fig.2 Strength and accumulated AE signal

圖3 峰值強(qiáng)度與AE信號(hào)的關(guān)系Fig.3 Relation between strength and AE signal

2.2 損傷機(jī)理分析

不同尾砂取代率的混凝土強(qiáng)度特征與AE信號(hào)累積數(shù)存在正相關(guān)特點(diǎn)，可以考慮借助AE信號(hào)變化規(guī)律評(píng)價(jià)混凝土在變形過程中的結(jié)構(gòu)損傷演化特征。對(duì)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中的混凝土開展聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)后，從而根據(jù)AE振鈴數(shù)的變化反演混凝土砂漿結(jié)構(gòu)的損傷程度與裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。基于AE振鈴計(jì)數(shù)提出了混凝土試件的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)過程中的損傷因子D，見公式（1）：

式中，Si是不同變形階段AE振鈴累積值。在單軸壓縮的過程中，4種鉛鋅尾砂取代率的混凝土損傷因子隨應(yīng)變?cè)黾拥淖兓€見圖4，其中1#～4#分別表示尾礦砂取代率為0～45%的混凝土試件。根據(jù)損傷因子-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律可知，尾砂取代率對(duì)混凝土試件的損傷特點(diǎn)存在明顯影響。其中，尾砂取代率為0的混凝土試件結(jié)構(gòu)性損傷發(fā)展速度相對(duì)較快；鉛鋅尾砂改性的混凝土試件在變形前期增長(zhǎng)數(shù)量較緩，軸向應(yīng)變超過5‰后進(jìn)入損傷因子快速躍遷階段，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到12‰后，4種不同尾砂取代率的混凝土損傷因子保持穩(wěn)定狀態(tài)。損傷因子-應(yīng)變曲線表明：鉛鋅尾砂改性混凝土結(jié)構(gòu)性損傷主要累積階段為塑性變形和破壞階段，而普通混凝土的結(jié)構(gòu)性損傷在彈性階段就開始快速上升。相對(duì)于普通混凝土試件而言，鉛鋅尾砂改性混凝土破壞階段的塑性變形量較大，混凝土試件的延性更好，該現(xiàn)象與觀察到的混凝土試件破壞形態(tài)相似。

圖4 損傷因子-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Curves of damage index and strain

從微觀角度進(jìn)行混凝土損傷分析，鉛鋅尾砂顆粒與天然砂顆粒的性質(zhì)有較大區(qū)別，其細(xì)度模數(shù)更小，透水率更低，與水泥之間存在表面相互作用，可以加速水泥水化反應(yīng)，通過尾礦砂結(jié)晶效應(yīng)形成膠凝狀的團(tuán)聚體，加速了水化硅酸鈣的形成。尾礦砂的結(jié)晶效應(yīng)可以降低材料的孔隙率、增加膠凝體數(shù)量，在混凝土中摻入一定量的尾礦砂能夠起到抑制裂紋擴(kuò)張的功能，從而提高抗壓強(qiáng)度和變形特性。但是當(dāng)尾礦砂含量過高時(shí)，水泥水化的需水量更高，導(dǎo)致混凝土的裂隙增多，強(qiáng)度與變形性能有所弱化。

3 結(jié)論

（1）采用一定比例的鉛鋅尾砂取代天然砂對(duì)混凝土進(jìn)行改性，有利于提升混凝土材料的力學(xué)性能，取代率為30%的改性混凝土強(qiáng)度和變形性能達(dá)到較佳。

（2）普通混凝土聲發(fā)射信號(hào)的活躍期集中在塑性變形和屈服階段，鉛鋅尾砂改性混凝土聲發(fā)射信號(hào)活躍期為斷裂破壞階段，損傷因子在破壞階段迅速發(fā)展。

（3）一定比例的鉛鋅尾砂摻入混凝土后與水泥發(fā)生表面反應(yīng)，加速水泥水化物的形成，阻礙裂隙擴(kuò)張，從而提高混凝土試件的力學(xué)性能。研究結(jié)果可為鉛鋅尾砂改性混凝土的研制和性能改良提供參考。