不同應變速率下電解錳渣混凝土尺寸效應研究

包瑞恩，方 琴，李 浪，楊小潔，龍昌鑫

(貴州大學 土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

電解錳渣是在碳酸錳礦粉加入硫酸溶液生產電解金屬錳的過程中產生的過濾酸渣，我國已經成為全球最大的電解錳生產國、消費國和出口國[1]。

混凝土的尺寸效應是影響構件強度的影響因素之一，此外結構設計時確保混凝土在動態荷載作用下的安全性和可靠性是設計階段所要考慮的，電解錳渣作為工業固廢，目前用于制備混凝土的研究僅停留在物理性能和靜態荷載下的力學性能方面[2- 3]。目前國內有關混凝土尺寸效應方面的研究部分較有代表性的有：錢覺時、李勇[4- 5]基于試驗研究和理論研究兩個方面對混凝土的尺寸效應進行了闡釋，并對每一種方法存在的問題進行了深入探討；蘇捷、方志[6- 7]重點研究不同骨料組分和不同強度下混凝土抗壓強度尺寸效應的影響，并提出了混凝土立方體抗壓強度尺寸效應律的計算公式；劉增晨[8]通過對不同強度、尺寸的高強混凝土試塊研究，研究表明高強混凝土的尺寸效應隨著尺寸的增大而降低，但是降低幅度卻漸漸趨于平緩；張麗[9]研究了再生混凝土抗壓強度尺寸效應規律，并建立了不同取代率的再生混凝土尺寸效應計算公式；許精文[10]對不同強度等級及不同橡膠摻量混凝土立方體的抗壓強度尺寸效應進行分析，結論為隨著橡膠摻量的增加，混凝土抗壓強度逐步降低，在尺寸較小時，混凝土抗壓強度迅速增長，在邊長100mm立方體達到橡膠混凝土的峰值；周宏宇[11]通過對不同尺寸及應變速率條件下的普通混凝土進行試驗研究，得出普通混凝土峰值應力、峰值應變及彈性模量等力學指標與混凝土尺寸及試驗加載速率的關系。

由以上分析可知，尺寸效應是混凝土一個較為關鍵的強度影響因素，若能夠對電解錳渣混凝土動態和準靜態加載速率下的尺寸效應進行對比分析，這對電解錳渣混凝土的進一步研究及最終實現生產應用是具有重要的工程價值的。

2 試驗準備

2.1 原材料化學成分

由表1可知，電解錳渣中含有的SiO2、SO3、Al2O3、MnO、MgO、CaO、Fe2O3等氧化物占整個電解錳渣的92.0%以上，SiO2含量高達25.91%，CaSO4·2H2O含量高達38.71%，這說明電解錳渣屬于含量很高的SiO2和CaSO4·2H2O工業廢棄物，pH值為5.63，呈弱酸性。

2.2 原材料預處理及配合比設計

將電解錳渣原料通過數顯鼓風恒溫干燥箱105℃烘干至恒重后用粉磨機粉磨至0.3～0.5mm保存備用。因正交試驗法不受單因素分析方法只能分析單個因數敏感性的局限[12]，且可以在不影響結果的同時減少試驗次數，所以本試驗通過配合比正交試驗法，得到本次試驗電解錳渣混凝土配合比，見表2。

表1 電解錳渣的化學成分 單位:%

表2 電解錳渣混凝土試驗配合比 單位:kg/m3

3 動載試驗

3.1 儀器設備及試驗方案

試驗依靠貴州大學土木工程學院力學實驗室的RMT- 301巖石與混凝土力學試驗機。試件尺寸分別為邊長100、150、200mm的立方體，電解錳渣摻量為水泥用量的20%。應變速率梯度為10-5、 10-4、10-3、10-2/s，受設備限制，應變速率取不到10-2/s，故將10-2/s改為2×10-3/s。本次試驗電解錳渣混凝土坍落度均為160mm以上，達到泵送條件。此外較高的坍落度反映混凝土具有良好的保水性和黏聚性[13]。應變片選用120- 50AA免焊接混凝土貼片，試件兩對立面均為T字型貼法。

3.2 試驗結果分析

3.2.1動載作用下抗壓強度尺寸效應

進行動態荷載作用下的抗壓試驗，得到3種不同邊長的混凝土立方體試件抗壓強度。學者Bazant[14]在其研究中認為混凝土抗壓破壞時，擴展消耗的能量釋放不匹配是造成尺寸效應的主要原因，所以提出了能量釋放重分布的尺寸效應率修正方程，混凝土在受壓加載破壞時名義強度σN與試件尺寸d之間的關系方程式如下：

σN=c1d-2/5+c0

(1)

式中，c1、c0—擬合參數。

將試驗數據用上式進行擬合，可以驗證上式對電解錳渣混凝土動態加載試驗條件下抗壓強度適用性如何，具體擬合結果見表3。同時畫出電解錳渣混凝土不同加載速率條件混凝土的抗壓強度與尺寸的關系如圖1所示。

表3 抗壓強度試驗值及擬合結果

從圖1和表3可知，尺寸大的電解錳渣混凝土其抗壓強度越低，此處的研究結果和其他研究者在研究普通混凝土和其他固廢混凝土時結論一致[15- 17]。擬合曲線誤差分析R2均在0.9以上，說明電解錳渣混凝土的強度同樣能被Bazant尺寸效應公式預測，兩者間適用性較強。

為進一步分析電解錳渣混凝土在不同加載速率動態荷載條件下各尺寸混凝土的抗壓強度尺寸效應，采用尺寸效應度的分析方法定義尺寸效應影響系數，具體如下：

Δβ150=1-(fc，150/fc，100)

(2)

Δβ200=1-(fc，200/fc，100)

(3)

式中，fc，100、fc，150、fc，200—邊長100、150、200mm的電解錳渣混凝土立方體28d的抗壓強度。

相關尺寸效應影響系數計算值及對應畫出的曲線見表4，如圖2所示。由表4和圖2可知，抗壓強度影響系數均隨著尺寸增大逐步提高，具體表現在10-4、10-3、2×10-3/s時Δβ200分別為Δβ150的1.46、1.57、2.57倍，抗壓強度降幅最大的是加載速率為10-3/s時，邊長200mm立方體混凝土較邊長100mm立方體混凝土強度下降了18.4%。同時，電解錳渣混凝土尺寸效應影響程度隨加載速率的加快呈現先顯著，后降低的趨勢。具體表現為，在加載速率為10-3/s時，邊長150、200mm立方體混凝土兩種尺寸的電解錳渣混凝土較邊長100mm立方體混凝土抗壓強度影響系數達到峰值，影響程度最強，分別為11.6%、18.4%，強度均下降到最低值。但當加載速率增速到2×10-3/s時，兩種尺寸混凝土強度較100mm混凝土分別下降5.1%、13.1%，影響幅度降低，尺寸效應敏感性減弱。

表4 電解錳渣混凝土抗壓強度尺寸效應影響系數

圖1 抗壓強度試驗值及擬合曲線

圖2 抗壓強度影響系數曲線

3.2.2應力-應變曲線尺寸效應

各試驗條件下電解錳渣混凝土應力-應變曲線如圖3所示。由圖3可知，電解錳渣混凝土尺寸的增大會導致混凝土峰值應力、應變的降低。10-5、10-4/s兩種條件下的應力-應變曲線較相似，同時在這兩種條件下3種尺寸的電解錳渣混凝土在峰值附近的停留時間較長，說明電解錳渣混凝土構件從屈服到破壞之間的變形能力較好，混凝土表現出更好的延性。電解錳渣混凝土在動態加載速率為2×10-3/s時的應力-應變曲線與準靜態速率10-5/s有明顯不同點。首先應力-應變曲線峰值點更加突出，峰值過后呈現應力軟化趨勢，說明加載速率變快時，尺寸大的電解錳渣混凝土內部損傷缺陷加大，延性降低。相比之下10-5、10-4/s兩種加載速率下的應力-應變曲線則在峰值附近的應力硬化現象明顯。

3.2.3彈性模量尺寸效應分析

彈性模量表征了混凝土材料線彈性變形能力[18]。表5為通過試驗數據計算得到的電解錳渣混凝土彈性模量。根據表5，電解錳渣混凝土的彈性模量同混凝土的尺寸成反比，從尺寸效應度的角度定義電解錳渣混凝土彈性模量尺寸效應影響系數:

Δγ150=1-(Ec，150/Ec，100)Δγ200=1-(Ec，200/Ec，100)

(4)

式中，Ec，100、Ec，150、Ec，200—邊長100、150、200mm的電解錳渣混凝土各自條件下28d的彈性模量。

各加載條件下的彈性模量尺寸效應影響系數及影響曲線見表6和圖4。根據表6和圖4可知，動態加載速率下電解錳渣混凝土的彈性模量隨著混凝土尺寸的增大影響會顯著提高，尺寸越大，彈性模量數值就會下降得越顯著。其中最影響程度最大的是加載速率為2×10-3/s時，彈模影響系數Δγ200達到8.1%。三種動態加載速率下，電解錳渣混凝土的彈性模量影響系數Δγ200平均為Δγ150的1.58倍。準靜態加載下電解錳渣混凝土的彈性模量尺寸效應影響較小，動態加載速率對電解錳渣混凝土的尺寸效應影響明顯，但隨著加載速率增加，其影響程度呈現衰減趨勢。具體表現在普通準靜態加載時，彈性模量影響系數Δγ150、Δγ200僅為0.5%和1.2%，此時尺寸效應影響較小，可忽略不計。加載速率為2×10-3/s時，Δγ150提高了12、4.3、1.8倍，Δγ200提升幅度則是6.75、3.1、1.6倍，影響程度均低于Δγ150。

圖3 各加載速率下不同尺寸應力-應變曲線

表5 電解錳渣混凝土彈性模量 單位：MPa

表6 電解錳渣混凝土彈性模量尺寸效應影響系數

圖4 彈性模量影響系數曲線

3.3 不同尺寸試件動態破壞形態分析

圖5為應變速率為2×10-3/s時各尺寸電解錳渣的破壞形態。中小尺寸混凝土裂縫發展相似，破壞前試件表面產生細紋、裂縫等明顯特征，破壞后新的裂縫產生且延著舊裂縫迅速發展，損傷速度加快。小試件尺寸混凝土裂縫發展規律為多縫發展共同破壞，大試件尺寸混凝土裂縫發展主要表現為集中主干式的貫穿縫。中小尺寸電解錳渣混凝土在高速加載條件下動力反應明顯，尺寸越小，試件表面混凝土剝落越嚴重，加載最快時，小尺寸試件發生的破壞越嚴重，產生明顯的塑性變形。大尺寸混凝土發生破壞后整體性較好。

圖5 不同尺寸電解錳渣混凝土動態加載速率下破壞形態

4 結論

(1)電解錳渣混凝土的抗壓強度同樣能被Bazant尺寸效應公式預測。非標尺寸電解錳渣混凝土比普通混凝土理論經驗公式計算值略小，可能是因為摻入電解錳渣后，水泥水化產物減少，內部酥松導致的強度衰減。

(2)尺寸越大的電解錳渣混凝土其抗壓強度值越低。在動態加載速率下，抗壓強度影響系數會隨著混凝土尺寸的增大而逐步提升。在加載速率不同時，電解錳渣混凝土尺寸效應影響程度呈現隨加載速率的加快先顯著、后降低的趨勢。

(3)電解錳渣混凝土尺寸的增大會導致混凝土峰值應變的降低。加載速率下慢時的應力-應變曲線較為相似，曲線峰值附近的停留時間較長，反之加載速率大時各尺寸下曲線峰值點更加突出。加載速率下相同時，電解錳渣混凝土的彈性模量隨著混凝土尺寸的增大逐步降低，且影響程度會隨著尺寸逐步顯著。速率不同時，雖然加載速率仍對電解錳渣混凝土的彈性模量尺寸效應影響明顯，但其影響程度隨著加載速率遞增呈現衰減趨勢。

(4)裂縫發展規律中小尺寸混凝土相似，為多縫發展共同破壞，破壞前表面產生細紋、裂縫明顯，破壞后新裂縫延著舊裂縫發展。中小尺寸電解錳渣混凝土在高速加載條件下混凝土表面骨料脫落現象明顯，尺寸越小試件表面混凝土剝落越嚴重，產生明顯的塑性變形。大試件尺寸混凝土裂縫發展主要為集中主干式的貫穿縫，此外大尺寸混凝土發生破壞后整體性較好。