大摻量粉煤灰混凝土力學性能研究

劉佳瑩， 唐周鳴

(桂林理工大學土木與建筑工程學院， 廣西桂林 541004)

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大摻量粉煤灰混凝土力學性能研究

劉佳瑩， 唐周鳴

(桂林理工大學土木與建筑工程學院， 廣西桂林 541004)

【摘要】為了研究大摻量粉煤灰混凝土的力學性能，通過3種配合比的粉煤灰混凝土的單向軸向加載試驗，探討其應力應變的力學特性。同時，采用我國規范公式以及國外具有代表性的計算公式進行應力應變計算并與試驗結果進行比較。研究表明：隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土抗壓強度、抗壓強度對應的應變能有效增大，但橫向變形能力降低；中國規范公式和日本計算公式與試驗數據吻合程度較高，較好地評價粉煤灰混凝土應力應變關系。

【關鍵詞】粉煤灰；混凝土；抗壓強度；應力應變

在土木工程行業，為提高粉煤灰的利用率，學者和工程技術人員對粉煤灰混凝土的性能進行了大量的研究[1]。松藤泰典[2]的研究表明，在水灰比為0.65的前提下，只要粉煤灰摻量不超過300L/m3，則均能提高混凝土的抗壓強度；陶山裕樹[3]則解釋為：混凝土摻入粉煤灰后抗壓強度提高在于其內部的空隙變小;文獻[4-8]是關于粉煤灰混凝土力學性能的研究，但是以上研究局限于早期抗壓強度且最大煤灰參量為水泥參量的1.2倍以內。因此，本文在水灰比不變的條件下，建立三種混凝土配合比A、B、C，分別為普通硅酸鹽混凝土、大摻量粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量分別為水泥摻量的0.87、1.63倍)，對其3個月和12個

月齡期的標準試件進行加載實驗，探討其軸向和橫向應力應變的力學特性及耗能等。研究大、特大摻量粉煤灰混凝土后期力學性能。

1實驗內容

1.1材料、配合比及試件

本試驗采用的試件為圓柱體，直徑100、高200，標準條件下進行養護，齡期為3個月和12個月。

混凝土配合比共3種，粉煤灰摻量分別為0、87%和163%(表1)。每種配合比類型各制作2組試件，每組試件3個，一共18個試件。

表1　粉煤灰混凝土配合比

1.2加載試驗

試驗采用1 000kN萬能試驗機，單向軸向加載至試件破壞。

在圓柱形試件縱向、橫向對稱位置各布置2個應變片，應變片長度為70mm。

2試驗結果分析

2.1應力-應變關系

圖1、圖2分別為3個月齡期和12個月齡期試件在軸向力作用下的軸向應變曲線和橫向應變曲線。

圖1表明：首先，混凝土抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加而提高，但提高的幅度逐漸減小；其次，隨著齡期的增加，粉煤灰混凝土(配合比B和C)與普通混凝土(配合比A)相比，其后期抗壓強度提高的幅度更大；再次，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土軸向變形能力略有提高。

圖2表明：首先，隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的軸向應力顯著增大；其次，當齡期為3個月時，粉煤灰明顯提高了混凝土的橫向變形能力，但隨著齡期的繼續增加，粉煤灰混凝土橫向變形能力明顯降低，且粉煤灰摻量越大，其橫向變形能力降低越多。

圖1　軸向應力應變曲線

圖2　軸向應力-橫向應變曲線

3應力應變關系模型

3.1模型概要

為推廣粉煤灰混凝土的廣泛應用，有必要建立粉煤灰混凝土的應力應變關系公式。文獻[9]給出了一種普通硅酸鹽水泥混凝土的應力應變關系公式。由于該公式適用范圍較廣能夠應用于抗壓強度不超過130MPa的混凝土，以下將根據本次試驗結果對該公式進行討論。

(1)

式中：σ為混凝土應力；fc,r為混凝土抗壓強度試驗值；X是軸向變形與抗壓強度對應應變εc,r的比值。式(1)表明，要定義大摻量粉煤灰混凝土應力應變關系，需要明確3個參數：X、a和b。根據文獻[9]，試件的εc,r以及控制應力-應變曲線的系數a和b可用以下公式來表示：

(2)

(3)

(4)

b=1.5-0.0168fc,r

(5)

式中：εc,r為抗壓強度fc,r對應的混凝土峰值壓應變；Ec為混凝土彈性模量，可用式(6)來確定；Esec為峰值點對應的割線模量。

(6)

由式(2)～式(6)中得知，只要確定混凝土抗壓強度實驗值，就能求得3個參數以及混凝土的彈性模量。GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》中計算公式如下：其中，dc表示混凝土單軸受壓損傷演化系數，ρc、n、x為計算參數，fc,r以及εc,r與上式含義相同。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

根據文獻[10]中公式：

(12)

根據以上公式確定各試件主要參數(表2、表3)。

3.2公式計算結果與試驗結果的比較

不同配合比各種計算方法的應力應變關系理論值和實驗值如圖3所示。

為對比各計算方式的實際差別，均取應變為0.0015來進行比較。齡期為3個月時，將軸向應力從小到大依次排列，配合比A：實驗值為29.77 MPa、中國規范29.92 MPa、日本計算公式29.96 MPa、Sneaz值30.11 MPa；配合比B：實驗值35.35 MPa、中國規范37.20 MPa、日本計算公式37.80 MPa、Sneaz值38.28 MPa；配合比C：實驗值為39.04 MPa、中國規范43.36 MPa、日本計算公式44.14 MPa、Sneaz值45.49 MPa。

齡期為12個月時，將軸向應力從小到大依次排列，配合比A：實驗值為32.73 MPa、日本計算公式33.57 MPa、中國規范33.69 MPa、Sneaz值33.98 MPa；配合比B：實驗值43.94 MPa、中國規范47.37 MPa、日本計算公式48.32 MPa、Sneaz值50.72 MPa；配合比C：實驗值50.00 MPa、日本計算公式為51.74 MPa、中國規范52.44 MPa、Sneaz值57.03 MPa。

對比可以看出，各公式的契合程度都較好，計算值都略大于實驗值。從整體來看，中國規范公式和日本計算公式契合程度最好，素混凝土時誤差小于1%，但隨著粉煤灰摻量的增多，誤差有所增大。

4結論

(1)單位體積混凝土中粉煤灰摻量為水泥摻量的1.63倍以內時，隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的軸壓力學性能有所提高；但是，粉煤灰混凝土橫向變形能力降低。

表2　試件主要參數一

齡期3個月配合比ABC 試件類型參數 試件1試件2試件3試件1試件2試件3試件1試件2試件3fc,r/MPa38.1938.1938.1959.157.7359.172.4373.6372.93εc,r(計算值)0.00230.00230.00230.00260.00260.00260.00270.00280.0027εc,r(實驗值)0.00240.00240.00240.00240.00230.00240.00260.00280.0028Ec/MPa(計算值)27416.9627416.9627416.9632423.0132125.4532423.0135155.1335388.2335252.49Ec/MPa(實驗值)27260.0030920.0028920.0032720.0033640.0033520.0034540.0036360.0036960.00Esec/MPa15912.5015912.5015912.5024625.0025100.0024625.0027857.6926296.4326046.43a1.72301.72301.72301.31671.27991.31671.26201.34571.3534b0.85840.85840.85840.50710.53010.50710.28320.26300.2748ρc0.58370.51460.55020.75260.74610.73460.80650.72320.7047n2.40232.06032.22334.04203.93913.76845.16893.61303.3866

(2)本次試驗的粉煤灰混凝土應力應變關系符合了我國混凝土規范中的相關公式。

參考文獻

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[基金項目]廣西礦冶與環境科學實驗中心項目(KH2012YB027)

[作者簡介]劉佳瑩(1990～),女,壯族，碩士研究生,研究方向為結構工程。

【中圖分類號】TU502+.6

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-10-28