不同粉煤灰摻量再生混凝土能量演化特征

賈珊珊

（山西省公路工程監理技術咨詢公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國基礎設施建設的速度不斷加快，城鎮化建設促進了新型混凝土材料的不斷發展，如，再生混凝土、納米混凝土、珊瑚混凝土等[1-3]。再生混凝土是通過廢棄混凝土的再處理后制備成不同級配的再生骨料，結合新集料及其他原材料配制成的一種混凝土。該項技術一方面能夠大量地利用廢棄的建筑垃圾，節約土地資源，保護區域生態環境；另一方面，能夠降低混凝土的制造成本，獲得較高的經濟效益[4-5]。目前，對于再生混凝土的研究已經取得豐碩成果，對于再生混凝土力學性質的研究，鄧志恒等研究材料應力- 應變全曲線的變化特征，并提出分段數學經驗公式[6]；肖建莊等研究完全取代新集料后，混凝土的壓縮疲勞特性，主要分析混凝土的疲勞應變響應以及材料的損傷特征[7]；胡瓊等從水灰比、再生骨料、取代率等影響條件下著手，研究再生混凝土強度、變形規律[8]；陳愛玖等針對凍融循環對材料力學影響，研究再生混凝土抗凍耐久性，并建立了材料的凍融損傷模型[9]。一些學者研究通過摻加不同材料實現對混凝土改性，魏濤研究了摻加鐵尾礦砂對混凝土抗壓、抗折以及劈裂強度影響[10]；羅素蓉等研究納米SiO2溶液對再生混凝土斷裂力學特性的影響[11]；左奇麗等研究了摻加粉煤灰對再生混凝土強度與坍落度的影響[12]；任莉莉研究混雜纖維對再生混凝土破壞形態以及不同強度參數的影響特征[13]；杜婷等研究摻加橡膠粉對混凝土路用特性影響，并得到最優橡膠粉摻量[14]。

本文以粉煤灰再生混凝土為研究對象，研究粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響規律，并從材料能量演化的角度，研究再生混凝土的能量演化特征，分析材料細觀結構特征與宏觀強度之間的關系，為混凝土力學性質的研究提供有益思路。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

以不同粉煤灰摻量再生混凝土為研究對象，主要試驗材料包括42.5 級普通硅酸鹽水泥、粗細骨料、粉煤灰以及拌合水、減水劑等；粗骨料包括再生骨料和天然骨料，細骨料為細河砂等。本文選取再生骨料取代率為50%，粒徑范圍為5～20 mm 的廢棄混凝土塊制成；天然骨料為連續級配的碎石，粒徑范圍也為5～20 mm；粉煤灰為某發電廠產生的Ⅲ級干排灰，顏色為灰褐色，主要組分為SiO2、Fe2O3、CaO等。

1.2 試驗方法

由于本文主要研究粉煤灰摻量的影響，選取再生骨料取代率為50%，粉煤灰摻量分別設置為水泥總量的10%、20%、35%、45%、60%，再生混凝土材料的具體配合比，如表1 所示。根據混凝土材料的配合比，制備尺寸為150 mm×150 mm×500 mm 的棱柱體試件，制備好的混凝土試件在標準條件下養護28 d。利用巖石混凝土加載試驗裝置，通過控制加載應變實現對混凝土試件的單軸壓縮試驗。

表1 再生混凝土材料配合比

2 試驗結果

2.1 抗壓強度

根據不同粉煤灰摻量試件的位移與荷載的變化關系，得到試件的應力- 應變曲線特征，如圖1 所示，應力- 應變曲線反映了試件的強度和變形特征。

圖1 試件壓縮應力-應變曲線

根據混凝土試件的單軸壓縮試驗結果，可以得到不同粉煤灰摻量條件下材料的抗壓強度、峰值應變參數，如表2 所示。

表2 試件抗壓強度與峰值應變

根據表2 及圖2 的分析結果，混凝土粉煤灰摻量存在最優值，在0～35%時，隨粉煤灰摻量增加抗壓強度逐漸增加，當粉煤灰摻量超過35%后，隨摻量的增加抗壓強度降低。因此粉煤灰的最優摻量為35%。在最優摻量范圍內，抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸增大，根據圖2，其變化趨勢符合指數函數變化特征。

圖2 抗壓強度變化規律

粉煤灰的摻加在一定程度上改變了混凝土的內部結構，提高了再生混凝土的強度，但當超過最優摻量之后，混凝土強度會逐漸降低，這與粉煤灰的性質有關。因此，對于最優粉煤灰摻量的確定，需要考慮所選取材料的物理力學性質。

2.2 能量演化

材料的變形與破壞都伴隨著能量的轉化，外部荷載對材料所做的功一部分轉化彈性應變能儲存在材料內部，另一部分隨著材料內部結構的變化逐漸耗散，因此，根據能量守恒定律可以得到：外力總功等于材料的彈性應變能與材料耗散能之和。通過材料的壓縮應力- 應變曲線可以得到各部分能量，如圖3 所示。

圖3 材料能量關系

根據熱力學相關理論，在整個試驗過程中為恒溫無熱力交換的封閉系統，在外部荷載作用下的混凝土試件產生變形破壞，假定外部荷載所做的功為輸入總能量P，巖石能量組成關系為：

式中：Pd為材料的耗散能，Pe為材料彈性應變能，根據單軸壓縮試驗特征，單軸壓縮狀態存在σ2=σ3=0，得到：

不同粉煤灰摻量條件下各部分能量，如表3 所示。

表3 材料各部分能量值

在最優粉煤灰摻量范圍內，不同粉煤灰摻量條件下，混凝土試件總能量以及彈性應變能隨著摻量的增加而逐漸增大，表明粉煤灰的摻加使得試件內部結構之間致密性增大，對于外部荷載的抗性增強。混凝土的儲能極限逐漸增大，意味著導致試件破壞所需要的能量更多，混凝土越不容易發生變形破壞。

3 結論

以不同粉煤灰摻量再生混凝土為研究對象，研究材料抗壓強度變化規律以及能量演化特征，主要研究結論包括：

a）粉煤灰的摻入在一定程度上提高了再生混凝土的強度，當粉煤灰摻量為35%時，抗壓強度最大為49.38 MPa，抗壓強度與粉煤灰摻量可采用指數函數定量描述。

b）能量演化與材料內部結構變化密切相關，根據材料能量變化特征可以反映材料宏觀力學性能的變化特征。在最優混凝土摻量范圍內，材料的彈性應變能與粉煤灰摻量成正比例變化，儲能極限越高，產生破壞耗散能量越多。