不同粉煤灰摻量的混凝土抗凍融性能研究

王蘇然, 杜 曦, 陳有亮, 郜珊珊, 梁 晨, 葉锫锫

(上海理工大學環境與建筑學院,上海 200093)

不同粉煤灰摻量的混凝土抗凍融性能研究

王蘇然, 杜 曦, 陳有亮, 郜珊珊, 梁 晨, 葉锫锫

(上海理工大學環境與建筑學院,上海 200093)

通過液壓伺服試驗系統,研究不同粉煤灰摻量下混凝土的抗凍融性能.對不同粉煤灰摻量的混凝土試塊分別進行凍融循環試驗,在不同循環次數下對試塊進行單軸壓縮強度測試及質量變化測定,并研究了混凝土的凍融損傷演化方程.結果表明,在混凝土中摻入一定量的粉煤灰能夠改善其抗凍、抗裂性能,并且摻有粉煤灰的混凝土的后期強度大于普通混凝土后期強度.同時分析了混凝土的凍融損傷本構關系,為今后研究粉煤灰混凝土的凍融壽命提供了試驗基礎和理論依據.試驗所得結論對于低溫環境下混凝土在實際工程中的應用具有參考價值.

混凝土;凍融;粉煤灰;力學性能;循環試驗

粉煤灰是火力發電廠的煤粉在鍋爐中燃燒后排出的灰色粉狀廢棄物,是一種具有潛在活性的人工火山灰質材料,是我國燃煤電廠排放量最大的固體工業廢棄物之一.隨著我國工業的不斷發展,粉煤灰的排放量大幅度增長,對環境造成嚴重污染.對粉煤灰若不加以合理利用,不僅污染環境,而且占用大量農田.粉煤灰已在我國建材行業中得到廣泛應用,粉煤灰取代混凝土中的水泥能夠生產綠色高強高性能混凝土,能夠降低混凝土水化熱,改善混凝土和易性[1],并且改善了混凝土的耐久性能[2].我國北方大部分地區冬季氣溫低,其環境容易造成建筑結構中的混凝土開裂劣化.國內外大量學者已對普通混凝土及纖維混凝土的力學性質做了大量研究[3],而缺少對粉煤灰混凝土高低溫交替環境下力學性質的研究,因此對粉煤灰混凝土凍融循環后力學性質的研究很有必要.潘桂生等[4]通過試驗得出,在凍融循環作用下,混凝土試件的承載能力與沒有經歷凍融循環的混凝土相比有所下降,且下降幅度與粉煤灰摻量成反比,說明粉煤灰的摻入能夠改善混凝土的凍融性能.Bouzouba?等[5]認為粉煤灰混凝土承載能力優于普通混凝土.Wang等[6]通過試驗表明,凍融循環后,粉煤灰混凝土相對于普通混凝土的質量損失減少,且具有較高的抗氯離子滲透能力.王鵬等[7]通過試驗發現,當粉煤灰摻量達到60%時,混凝土的抗滲性和抗凍性能最好.

本文通過試驗研究了不同摻量粉煤灰混凝土在低溫凍融條件下的力學性能,并且研究了不同粉煤灰摻量和凍融循環條件對混凝土力學性質的影響.

1 試驗概況

1.1 試件制作

采用強度等級為32.5的普通硅酸鹽水泥拌合混凝土,粗骨料為碎石,細骨料為普通河沙(細度模數為2.5),拌合過程中添加pH值為7.0左右的自來水,摻入等級為Ⅱ級的粉煤灰.試驗中使用的混凝土立方體試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm.采用4種不同粉煤灰摻量的混凝土,粉煤灰摻量分別占粉煤灰與水泥總質量的0%,10%,15%和20%.混凝土試塊總數為100塊,對應各種不同粉煤灰摻量的混凝土試塊數量為20塊.其中,每種粉煤灰摻量下混凝土試塊分別作不處理、凍融循環10次、20次、30次及40次處理,每種凍融次數下對應5個試塊.混凝土配合比見表1.

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete composition kg·m-3

1.2 試驗設備及過程

試驗采用的凍融循環設備為低溫數控箱(型號: STDW-40),低溫可達-20℃,溫度控制精度可達到0.1℃.將準備好的試件置于自來水中3 d,使其吸水飽和,稱得各個試塊的飽和質量.將飽和試塊放入凍融機進行凍融實驗,-20℃維持3 h,5℃維持3 h,此過程定為一個凍融循環.分別記錄各組試塊凍融前和凍融結束后的試塊質量,用以比較質量損失.由于整個凍融試驗持續時間比較久,所以試驗的混凝土放置常溫的時間較久,測出的混凝土抗壓強度為其后期強度.單軸壓縮試驗采用上海理工大學土木工程實驗室SANS微型控制電液伺服壓力試驗機,試驗機的最大加載可達到2 000 kN.以0.5 MPa/s的速率沿軸向施加荷載,直至混凝土試件被破壞,試驗系統可自動采集試驗數據.

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象及機理分析

混凝土試件在經歷凍融循環后,表面出現微裂紋,并且隨著凍融循環次數的增多,微裂紋也增多,試件出現不同的質量損失,混凝土外表皮酥松,出現剝蝕現象.這是由于在凍融情況下,混凝土內部孔隙和毛細管中的水結冰,在膨脹壓力的作用下,多余的水流向附近的毛細管中,在水的運動過程中產生水壓力,毛細管中的液體實際上為溶鹽,由于結冰過程中純凈水析出,導致毛細管中的溶液濃度增大,產生滲透壓力[8-9].因此,在混凝土凍融循環過程中,混凝土內部裂紋在水壓力與滲透壓的共同作用下不斷發展,使得混凝土力學性質劣化.

圖1為混凝土試塊經歷不同次數凍融循環后的單軸受壓破壞形態.可以看出,混凝土試塊在沒有經歷凍融循環的情況下,其受制于試驗機中上下鋼板的約束作用,破壞形態較完整;經歷10次及20次凍融循環后,破壞時豎向裂紋貫通,破壞形態較完整;經歷30次及40次凍融循環后,混凝土出現明顯剝蝕,破壞形態不完整,呈現錐型.這主要是因為混凝土內部裂縫在水壓力與滲透壓的共同作用下,不斷發展甚至貫通,內部損失隨凍融次數增加而加劇,抗壓強度降低,與后面一節中的結論吻合.

圖1 不同凍融循環次數后混凝土試塊的單軸受壓破壞形態Fig.1 Uniaxial compressive failure modes of concrete after different numder of freezing-thawing cycles

2.2 凍融循環次數對混凝土質量損失的影響

表2記錄了混凝土試件凍融循環前后的試塊質量及質量損失情況.

凍融循環后混凝土試塊的質量損失率計算式為

式中,n為凍融循環次數;ΔWn為經歷n次凍融循環后試塊的質量損失率,以3個試塊的平均值計算; G0,Gn分別為凍融循環前和n次凍融循環后測得的試塊質量.

表2 凍融循環前后混凝土試件質量Tab.2 Mass of concrete specimens before and after a freezing-thawing cycle

由表2可以看出,相同粉煤灰摻量下的混凝土,質量損失隨著凍融循環次數的增多而增大.相同凍融循環次數后,混凝土試塊的質量損失隨著粉煤灰摻量的增大而減少.這是由于凍融循環后,混凝土內部自由水結冰膨脹,骨料間黏結力下降,混凝土產生剝蝕破壞,并且溫度交替變化導致出現不斷變化的拉壓應力,混凝土試塊發生疲勞破壞,最終混凝土試塊被由表及里地破壞[10].粉煤灰細微顆粒分散到水泥漿體中,隨著水化過程的進行,這些細微顆粒填充混凝土內部空隙,混凝土內部致密性得到改善,進而提高了混凝土的抗凍性能[11].

2.3 粉煤灰混凝土凍融循環后的應力-應變曲線

圖2(見下頁)為不同粉煤灰摻量下的混凝土凍融循環后的單軸受壓應力-應變曲線.

可以看出,混凝土變形大致經歷4個階段[12]: a.壓密階段:混凝土內存的微裂紋在外力作用下趨于閉合,曲線呈上凹型;b.彈性階段:應力與應變成比例增長;c.彈塑性階段:隨著外力的增大,應變增長速率明顯大于應力增長速率,裂縫不斷發展;d.破壞階段:當應力達到峰值應力后,應變增長較快,混凝土迅速破壞.

另外,從圖2可以看出,粉煤灰混凝土的后期強度大于相同條件下的普通混凝土,并且隨著粉煤灰摻量的增大而增大;相同粉煤灰摻量下的混凝土,其強度隨著凍融循環次數的增長而降低;隨著粉煤灰摻量的增大,混凝土凍融后應力-應變曲線趨于平緩.粉煤灰顆粒直徑細小,當混凝土中摻入粉煤灰時,其顆粒容易進入混凝土內部孔隙,提高混凝土的密實度.同時由于混凝土的自身形態效應,用粉煤灰代替混凝土中的水泥能夠減少單位用水量,進而減少混凝土在硬化后以及凍融循環后內部孔隙水膨脹所產生的裂紋.此外,由于活性細摻合料的加入,生成了較多的C—S—H凝膠[13],水泥與粉煤灰的二次水化過程需破壞粉煤灰中微珠表面的玻璃質表層以及水泥水化產生的C—S—H和Ca(OH)2表面形成的包裹層,發揮其膠凝作用,此發展過程較緩慢,粉煤灰活性隨著期齡的增長而提高,進而膠凝作用和活性效應越來越明顯,提高混凝土的密實性,因此能夠有效改善混凝土的抗凍性、抗滲性以及耐久性[6].

圖2 不同粉煤灰摻量下的混凝土凍融循環后應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of concrete with diffrent fly ash ratios after different numder of freezing-thawing cycles

2.4 粉煤灰摻量及凍融次數對混凝土峰值應力的影響

圖3給出了混凝土的峰值應力與粉煤灰摻量及凍融循環次數的關系,并對其進行線性擬合.可以看出,對于普通混凝土,其峰值應力由凍融前的31.3 MPa下降到凍融循環40次之后的15 MPa,強度降低52.1%;粉煤灰摻量為10%時,峰值應力由34.5 MPa下降到18.1 MPa,強度降低47.5%;粉煤灰摻量為15%時,峰值應力由凍融前的37.8 MPa下降到22.9 MPa,強度降低39.4%;粉煤灰摻量為20%時,峰值應力由40.3 MPa下降到27.4 MPa,強度降低32%.凍融循環作用下,混凝土內部由水泥石和骨料、水泥石黏結面產生的微裂紋逐漸發展,導致混凝土試件劣化[14].

介于粉煤灰自身的化學成分,產生的活性效應使混凝土中Ca(OH)2的含量減少,減弱混凝土內部孔隙的劣化程度,同時二次水化消耗了混凝土中的Ca(OH)2結晶,改善了混凝土內部孔隙結構,由此提高了混凝土的密實性[15].所以相比于素混凝土,凍融循環對其影響較小.

2.5 粉煤灰摻量及凍融循環次數對混凝土彈性模量的影響

對混凝土達到峰值應力前的彈性階段進行擬合,可以計算得到混凝土的切線彈性模量.該彈性模量平均值隨粉煤灰摻量及凍融循環次數的變化規律如圖4所示.可以看出,對于普通混凝土,彈性模量在凍融循環前后降低了71.2%;粉煤灰摻量為10%,15%,20%時,對應的彈性模量在凍融循環前后分別降低了67.5%,55%,49.7%.相比于普通混凝土,凍融循環后粉煤灰混凝土彈性模量變化相對較小.相同環境條件下,混凝土彈性模量隨著粉煤灰摻量的增大而提高,粉煤灰摻量為20%的混凝土彈性模量幾乎為普通混凝土彈性模量的2倍.這是因為粉煤灰顆粒粒徑較小,可以填充水泥顆粒中的空隙,乃至水泥顆粒的空隙之間,水分不易通過微小孔隙深入,提高混凝土致密性,形成了牢固的骨架.4種混凝土的彈性模量都隨凍融循環次數的增加而減小.說明凍融環境對它們都產生了影響,混凝土內部出現了凍融裂縫.另一方面,粉煤灰摻量越高,混凝土彈性模量的下降速率越慢.此現象是由于粉煤灰提高了混凝土的致密性,外部水分不易進入混凝土內部,內部裂縫的水壓減小,對混凝土的損失相應減弱.

圖3 不同粉煤灰摻量下的混凝土峰值應力與凍融循環次數的關系Fig.3 Relation between the number of freezing-thawing cycles and the peak stress in concrete with different fly ash ratios

圖4 混凝土彈性模量與凍融循環次數的關系曲線Fig.4 Relation between the elastic modulus of concrete and the number of freezing-thawing cycles

3 凍融循環后混凝土損傷本構模型

3.1 混凝土損傷演化方程

摻粉煤灰的混凝土凍融循環后,單軸受壓損傷與凍融循環次數和粉煤灰摻量都有關.下面分別研究凍融循環次數及粉煤灰摻量對混凝土損傷的影響.

1963年,Rabotnov引入了損傷變量D,現將不進行凍融循環普通混凝土對照組視為無損材料,即D=0.由混凝土損傷理論及連續介質損傷力學原理,可知

根據陳有亮等[16]的推導

聯立式(2)和式(3),得到由彈性模量所表示的損傷變量為式中,E,E′分別為混凝土凍融循環損傷前、后的彈性模量;σ為有效應力;ε為應變.本節通過研究不同凍融循環次數后混凝土彈性模量的變化規律,得到凍融損傷的演化方程,即用彈性模量作為損傷因子來研究混凝土凍融損傷規律.

圖5是凍融損傷D(y項)與凍融循環次數n (x項)的擬合曲線,得

其中,相關系數R2=0.999 9.由此可以得出實驗曲線與擬合曲線具有很好的相似性,因此可得到混凝土凍融損傷演化方程的一般形式為

式中,D(n)為混凝土的凍融損傷值;k為粉煤灰摻量對凍融損傷的修正系數;a1=1×10-5,a2= -0.000 6,a3=0.024 7,a4=-0.000 7.

圖5 凍融損傷隨凍融循環次數的擬合曲線圖Fig.5 Relation between the freezing-thawing damage and the number of freezing-thawing cycle

對不同粉煤灰摻量的凍融損傷進行歸一化處理,并選擇普通混凝土試件作為標準試件,令k= (D-Dmin)/(Dmax-Dmin),通過回歸計算可得到粉煤灰摻量與粉煤灰摻量修正系數k的關系,見圖6.

k=0.000 5x2-0.057 6x+0.990 2(7)式中,x為粉煤灰摻量百分比;相關系數R2=0.98.

由此,綜合考慮粉煤灰摻量與凍融循環次數,得到粉煤灰混凝土凍融損傷演化方程為

3.2 凍融循環后粉煤灰混凝土軸壓本構方程的建立

根據混凝土的應力-應變曲線關系,選擇Weibull分布的密度函數考慮[17]

式中,a,m分別為試件尺度參數和形狀參數.

圖6 粉煤灰摻量修正系數與粉煤灰摻量的關系圖Fig.6 Relation between the correction factor and the fly ash ratio

根據應力-應變曲線特征,可以確定以下邊界條件

式中,σpk,εpk分別為峰值應力與峰值應變.

對式(10)應變求導可得

再根據以上4個邊界條件可得

這便為混凝土單軸受壓損傷變量.將式(16)帶入式(2)可得

混凝土損傷包括凍融損傷與單軸受壓損傷,故

可以由試驗結果得出隨著凍融循環次數的增加,混凝土的損傷增加,且隨著粉煤灰摻量的增加,能夠在一定程度上減少損傷的結論,但還不能利用損傷演化方程估計混凝土的強度.

4 結 論

通過對4種不同粉煤灰摻量的混凝土在不同次數凍融循環前后的單軸壓縮試驗研究,依據試驗數據,得到以下結論:

a.在混凝土中摻入粉煤灰能夠改善其抗凍、抗裂性能,且粉煤灰混凝土的后期強度大于普通混凝土.

b.混凝土抗壓強度隨著凍融循環次數的增多而下降,且混凝土質量損失隨凍融循環次數的增多而增大.粉煤灰摻量越大,混凝土凍融后質量損失越小.

c.當粉煤灰摻量不超過20%時,凍融循環后粉煤灰混凝土強度高于普通混凝土,且由于剝蝕造成的質量損失小于普通混凝土,混凝土彈性模量隨著粉煤灰摻量的增多而增大.

d.混凝土彈性模量隨著凍融循環次數的增多而下降,但是隨著粉煤灰摻量的增大,彈性模量下降速率變慢.

e.研究了混凝土的凍融損傷演化方程和凍融損傷本構關系,為今后研究粉煤灰混凝土的凍融壽命提供了試驗基礎和理論依據.

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(編輯:董 偉)

Anti-frost Property of Concrete with Different Dosage of Fly Ash

WANGSuran, DU Xi, CHENYouliang, GAOShanshan, LIANGChen, YEPeipei (School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,200093 Shanghai,China)

A hydraulic servo testing system was adopted to study the anti-frost property of concrete with four different kinds of dosage of fly ash.Freezing-thawing cycles were conducted on the concrete with different dosage of fly ash,after that uniaxial compressive tests were performed and the change of the concrete mass was measured.The freezing-thawing damage evolution equation of concrete was analyzed.The results show that the anti-frost property and anti-cracking ability of concrete can be improved when a certain amount of fly ash is added.Moreover by defining a damage variable,the damage degree of concrete with different volume of polypropylene fibers at different temperature was analyzed quantitatively.The freezing-thawing damage constitutive relation of concrete obtained in the paper provides some experimental and theoretical bases for the future study on freezing life of fly ash concrete.In addition,the late strength of concrete with fly ash is stronger than that of the ordinary concrete,which has a certain reference value for the concrete application at low temperature in actual projects.

concrete;freezing-thawing;fly ash;mechanical property;cyclic tests

TU 528.1

A

1007-6735(2015)05-0493-07

10.13255/j.cnki.jusst.2015.05.014

2014-06-10

上海市自然科學基金資助項目(14ZR1428200);上海市研究生創新基金資助項目(JWCXSL1302)

王蘇然(1990-),男,博士研究生.研究方向:巖土和混凝土材料力學性能研究.E-mail:wsr132551678@163.com

陳有亮(1966-),男,教授.研究方向:巖土和混凝土材料力學性能研究.E-mail:chenyouliang2001@yahoo.com.cn