不同齡期堿礦渣陶粒混凝土抗壓強度試驗與能量特征分析

袁 璞，朱益勝

(1.安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232001；2.安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心，淮南 232001； 3.安徽理工大學深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，淮南 232001)

0 引 言

近年來，陶粒作為一種新型建筑材料得到迅速發展與應用，其外殼呈陶質或者釉質，內部結構特征呈細密蜂窩狀微孔，這些微孔賦予陶粒質輕的特性，是一種優質的人工輕骨料[1]。陶粒混凝土具有輕質、保溫隔熱、耐火耐高溫，以及抗震性、抗滲性良好等優點。李云鵬等[2]通過現場工業性試驗，證實了粉煤灰陶粒混凝土井下巷道支護的可行性。宮保聚等[3]采用正交試驗方法，得到陶粒代替石子是影響抗壓強度和導熱系數的主要因素。欒皓翔等[4]通過正交試驗和混響室法，得出再生陶粒混凝土吸音板的制備與聲學性能的主要影響因素是目標孔隙率。鄭文忠等[5]通過軸心抗壓試驗獲得堿礦渣陶粒混凝土砌塊砌體的受壓本構關系及基本力學性能。Fan等[6]建立了陶粒混凝土抗壓強度與養護溫度的函數關系。

隨著煤炭工業的快速發展，煤礦開采機械水平的提高，煤矸石的排放量和蓄積量越來越多，成為目前世界上第二大工業固體廢棄物[7]。大量堆積的煤矸石不僅占用土地，還會造成嚴重的環境污染和不良的經濟后果。中國是煤矸石儲量最多的國家，2021年末煤矸石累計積存量已達60億t[8]。煤矸石有多種用途，如生產混凝土[9]、制磚和制備氧化鋁材料[10]等。邱繼生等[11]發現在混凝土中添加煤矸石陶粒可細化內部孔隙。采用煤矸石陶粒制備混凝土是一種既能解決環境污染，又能提高煤矸石價值的有效途徑。

在發展中國家，盡管硅酸鹽水泥的生產伴隨著巨大的能源消耗和環境污染，但其生產和需求仍在不斷增加。隨著全球城市化進程不斷推進，基礎設施建筑材料的需求量不斷增長，尤其是水泥材料[12]，而水泥工業釋放的SO2和NOX會導致酸雨和溫室效應[13]。礦渣作為冶金工業的副產品，采用堿性激發劑與礦渣可代替混凝土中的水泥，不僅可以實現礦渣的廢物再利用，還能起到保護環境的效果。

為實現煤矸石和礦渣等固廢的再利用，采用煤矸石陶粒制備堿礦渣陶粒混凝土，并對不同齡期和不同陶粒體積摻量的堿礦渣陶粒混凝土進行單軸壓縮試驗，研究堿礦渣陶粒混凝土抗壓強度及能量特征隨齡期與陶粒摻量的變化規律。

1 實 驗

1.1 材料及配合比

礦渣：由強東礦產品加工廠提供，等級為S95，密度為2.83 g/cm3，比表面積為400 m2/kg，產地為河北靈壽縣。NaOH：由天津市博華通化工產品銷售中心提供，分析純。陶粒：15～20 mm連續級配的煤矸石陶粒，表觀密度為824 kg/m3，壓碎值為1.51，吸水率為14.91%。石子：15～20 mm連續級配的碎石，表觀密度為2 724 kg/m3，壓碎值為11.01，吸水率為0.52%。砂子：天然中砂，表觀密度為2 500 kg/m3。

堿礦渣陶粒混凝土配合比如表1所示。

表1 堿礦渣陶粒混凝土配合比Table 1 Mix proportion of alkali slag ceramsite concrete

1.2 試件制備及測試方法

考慮到煤矸石陶粒具有一定的吸水性，混凝土水膠比定為0.47。依次澆筑5組不同配合比的試塊，每組3個，澆筑至100 mm×100 mm×100 mm立方體模具中。在標準條件下分別養護1 d、3 d、7 d、14 d、28 d后取出，按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)[14]，采用WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機進行單軸壓縮試驗。基于單軸壓縮試驗應力-應變曲線，得到堿礦渣陶粒混凝土的立方體抗壓強度，并對不同齡期和陶粒體積摻量的堿礦渣陶粒混凝土進行能量特征分析。

2 結果與討論

2.1 堿礦渣陶粒混凝土的應力-應變曲線及工作性能

2.1.1 不同齡期下堿礦渣陶粒混凝土的應力-應變曲線

圖1 不同齡期下M2的應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of M2 at different ages

以M2為例，不同齡期下的應力-應變(σ-ε)曲線如圖1所示。5種不同齡期下試塊應力-應變曲線基本一致，都呈現有顯著的壓密階段(d2σ/dε2>0)、彈性變形階段(d2σ/dε2=0)、裂縫開展階段(d2σ/dε2<0)和破壞階段(dσ/dε<0)。

(1)在壓密階段(OA)，隨齡期的延長，壓密階段長度逐漸減小；隨著應變的增加，試塊內部逐漸密實，壓密階段切線模量逐漸增大。

(2)在彈性變形階段(AB)，由于試塊受力較小，僅存在粗骨料與礦渣結晶體的彈性變形，內部微缺陷發展很慢。應力-應變曲線基本呈線性關系，該階段卸荷后，可恢復變形。

(3)在裂縫開展階段(BC)，持續加載，混凝土內部孔隙逐漸合并貫通，并擴散到膠凝體內部。該階段裂紋加速擴展，切線模量隨應變增加逐漸降低，到達C點時降至0。

(4)在破壞階段(CD)，達到峰值應力后，試塊表面裂縫進一步迅速擴展，試塊兩端部混凝土表面出現數條與受力方向平行的裂縫，隨后裂縫逐漸變多，并迅速擴展至兩端，同時有混凝土碎渣剝落。隨齡期的延長，峰值應力越大，過峰值點后曲線下降段斜率越大，這是脆性特征的體現。

2.1.2 不同陶粒摻量下堿礦渣陶粒混凝土的應力-應變曲線及工作性能

以養護齡期28 d為例，圖2給出了不同陶粒摻量下混凝土的應力-應變曲線。應力-應變曲線同樣經歷了壓密階段(OA)、彈性變形階段(AB)、裂縫開展階段(BC)和破壞階段(CD)。由于煤矸石陶粒疏松多孔，隨陶粒摻量的增加，混凝土內部不穩定孔隙越多，壓密階段區間長度整體上呈增長的趨勢，峰值點后下降段斜率整體上是降低的趨勢。過峰值點后，微裂縫逐漸增多，然后迅速形成主要的貫通裂縫直至破壞，試塊迅速破壞是應力集中造成的結果，而煤矸石陶粒的摻入延緩了該現象的發生[15]。

圖3給出了不同陶粒摻量下混凝土坍落度的變化規律。隨陶粒摻量的增加，堿礦渣陶粒混凝土的坍落度不斷降低。這主要是由于煤矸石陶粒具有一定的吸水性，煤矸石陶粒摻量的增加使混凝土整體的流動性逐漸降低，從而使坍落度不斷減小。以煤矸石陶粒體積摻量為橫坐標，坍落度為縱坐標，選擇一元一次函數模型對試驗結果進行擬合，如圖3所示，得出堿礦渣陶粒混凝土坍落度與陶粒體積摻量的關系式,如式(1)所示。

圖2 不同陶粒摻量下混凝土的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of concrete with different ceramsite content

圖3 不同陶粒摻量下混凝土坍落度的變化Fig.3 Variation of slump of concrete with different ceramsite content

S=148.2-0.796VcR2=0.938 2 (Vc≤100%)

(1)

式中：Vc為煤矸石陶粒體積摻量；S為坍落度。

2.2 堿礦渣陶粒混凝土的抗壓強度與彈性模量

2.2.1 不同齡期下堿礦渣陶粒混凝土的抗壓強度與彈性模量

取M2分析不同齡期下抗壓強度與彈性模量的變化，如圖4所示。隨養護齡期的延長，堿礦渣陶粒混凝土的抗壓強度與彈性模量呈不斷增長的趨勢。養護齡期1 d、3 d、7 d、14 d抗壓強度分別達到28 d抗壓強度的43.82%、45.94%、61.69%、75.94%。抗壓強度與彈性模量隨齡期的變化規律具有相似的趨勢,主要是由于隨著養護齡期增加，水化反應程度更充分，有更多的生成物填充孔隙，內部結構更加密實，峰值應變越低，則抗壓強度越大，彈性模量越大。

以養護齡期為橫坐標，抗壓強度與彈性模量為縱坐標，選擇指數函數模型對試驗所得數據進行擬合，如圖4所示，得出堿礦渣陶粒混凝土抗壓強度及彈性模量和齡期的關系式，如式(2)、(3)所示。

σmax=-1.899×106+1.899×106exp(2.3t×10-7)R2=0.979 5 (t≤28 d)

(2)

E=2.329 4-1.860 3exp(-0.089 2t)R2=0.966 1 (t≤28 d)

(3)

式中：σmax為抗壓強度；E為彈性模量；t為養護齡期。

2.2.2 不同陶粒摻量下堿礦渣陶粒混凝土的抗壓強度與彈性模量

養護齡期為28 d時，不同陶粒摻量下混凝土抗壓強度與彈性模量的變化規律如圖5所示。隨陶粒摻量的增加，同一齡期下堿礦渣陶粒混凝土抗壓強度與彈性模量逐漸降低。養護齡期為28 d時，25%、50%、75%、100%陶粒摻量相比0%陶粒摻量(M0)，混凝土抗壓強度分別降低了16.51%、36.70%、46.57%、53.52%。由于煤矸石陶粒相對石子密度較低，并且煤矸石陶粒疏松多孔，在同一齡期下，煤矸石陶粒等體積替代石子越多，孔隙越多，峰值變形越大，故抗壓強度越低，彈性模量越小。

以陶粒摻量為橫坐標，抗壓強度與彈性模量為縱坐標，選擇一元二次函數模型對試驗所得數據進行擬合，如圖5所示，得出堿礦渣陶粒混凝土抗壓強度及彈性模量和陶粒摻量的關系式，如式(4)、(5)所示。

(4)

(5)

圖4 不同齡期下M2抗壓強度與彈性模量的變化Fig.4 Variation of compressive strength and elastic modulus of M2 at different ages

圖5 不同陶粒摻量下混凝土抗壓強度與彈性模量的變化Fig.5 Variation of compressive strength and elastic modulus of concrete with different ceramsite content

2.2.3 不同齡期與陶粒摻量共同作用下堿礦渣陶粒混凝土的抗壓強度

將不同齡期與陶粒摻量共同作用下的抗壓強度關系通過三維曲面擬合呈現出來，如圖6所示。以齡期為橫坐標，陶粒摻量為縱坐標，抗壓強度為立坐標,三者之間通過非線性曲面函數進行多項式擬合，公式如式(6)所示。

(6)

由式(6)可知，所得試驗數據與擬合公式具有良好的相關性，為齡期、陶粒摻量與抗壓強度三者之間的關系提供了一定的依據。

2.3 堿礦渣陶粒混凝土能量特征分析

堿礦渣陶粒混凝土的受壓變形破壞過程實質上是能量的儲蓄、耗散與釋放過程。能量耗散反映了堿礦渣陶粒混凝土內部各缺陷不斷閉合、滑移，新裂隙發展演化的過程，其本質是堿礦渣陶粒混凝土的變形破壞過程[16]。由熱力學第一定律[17]可知，堿礦渣陶粒混凝土在單軸壓縮過程中的能量轉化關系如式(7)所示。

W=Wd+We

(7)

式中：W為外力對堿礦渣陶粒混凝土試塊輸入的總能量，MJ·m-3；Wd為堿礦渣陶粒混凝土內部損傷和塑性變形消耗的耗散能，MJ·m-3；We為單軸壓縮過程中積蓄在堿礦渣陶粒混凝土中的可釋放彈性能，MJ·m-3。

應力-應變曲線中耗散能與可釋放彈性能的關系如圖7所示。圖7中三角形所圍成面積表示可釋放彈性能，用初始彈性模量E代替卸載彈性模量Eu[17]，試塊單元體能量W、We、Wd計算公式如式(8)～(10)所示。

(8)

(9)

(10)

式中：ε1為峰值應變；σ1為峰值應力。本文以峰值應力處數據進行單位體積能量特征分析。

圖6 抗壓強度與齡期和陶粒摻量三維曲面擬合關系Fig.6 Three-dimensional surface fitting relationship between compressive strength with age and ceramsite content

圖7 應力-應變曲線中耗散能與可釋放彈性能的關系Fig.7 Relationship between dissipative energy and releasable elastic energy in stress-strain curve

2.3.1 不同齡期下堿礦渣陶粒混凝土的能量特征分析

圖8為單軸壓縮作用下M2總能量隨齡期變化曲線。由圖8可知，隨齡期的延長，堿礦渣陶粒混凝土總能量大致呈增長的趨勢。采用一元三次函數對所得數據進行擬合，得出堿礦渣陶粒混凝土總能量與齡期的擬合公式，如式(11)所示。

W=0.000 006t3-0.000 192t2+0.074 430R2=0.931 4 (t≤28 d)

(11)

彈性能與耗散能隨齡期的變化曲線見圖9，彈性能隨齡期的延長不斷提高。隨齡期的延長，彈性模量不斷增大，峰值應力也不斷增加，因此彈性能不斷提高。耗散能整體上呈先減小后增大的趨勢，在單軸受壓過程中試塊內部缺陷壓密、滑移以及裂隙產生都需要消耗能量。齡期在1～3 d時，隨齡期的增加，堿礦渣陶粒混凝土速凝，使得剛度提高較大，該階段堿礦渣陶粒混凝土峰值應力增加很小，而峰值應變明顯減少，致使總能量減小，彈性能增加，耗散能降低；而齡期在3～28 d時，隨齡期的延長，生成凝膠量越多，骨料間越密實，克服骨料間與顆粒間的摩擦力越大，從而消耗的能量越多[18]。養護齡期從1 d至3 d，混凝土的耗散能降低最為明顯，由0.031 9 MJ·m-3降至0.012 8 MJ·m-3，降幅為59.87%；養護齡期從3 d至7 d，混凝土的耗散能增長最快，由0.012 8 MJ·m-3增至0.042 6 MJ·m-3，增幅為233%。

圖8 M2總能量隨齡期的變化Fig.8 Variation of total energy of M2 with age

圖9 彈性能與耗散能隨齡期的變化 Fig.9 Variation of elastic and dissipative energy with age

2.3.2 不同陶粒摻量下堿礦渣陶粒混凝土的能量特征分析

圖10為單軸壓縮作用下28 d堿礦渣陶粒混凝土總能量隨陶粒摻量變化曲線。由圖10可知，隨陶粒摻量的增加，混凝土總能量呈下降的趨勢，且與陶粒摻量呈負相關。采用一元一次函數對所得數據進行擬合，得出堿礦渣陶粒混凝土總能量與陶粒摻量的擬合公式，如式(12)所示。

W=-0.001 1Vc+0.213 4R2=0.988 4 (Vc≤100%)

(12)

彈性能與耗散能隨陶粒摻量的變化曲線見圖11。隨陶粒摻量的增大，彈性能顯著降低，而耗散能先增大后減小。由于煤矸石陶粒的承載能力遠小于碎石，隨煤矸石陶粒摻量的增大，彈性模量降低，彈性能也隨之降低，可知彈性模量與彈性能二者之間是正相關關系。當陶粒摻量為25%時，相比0%陶粒摻量(M0)，峰值變形較大，因而用于壓密、滑移以及骨料間隙能量耗散顯著增加。當陶粒摻量超過25%時，峰值變形相差不大，峰值應力顯著降低，可用于耗散的能量減小。

圖10 總能量隨陶粒摻量的變化Fig.10 Variation of total energy with ceramsite content

圖11 彈性能與耗散能隨陶粒摻量的變化Fig.11 Variation of elastic and dissipative energy with ceramsite content

3 結 論

(1)不同齡期與陶粒體積摻量下堿礦渣陶粒混凝土的應力-應變曲線均經歷了壓密階段、彈性變形階段、裂縫開展階段、破壞階段，且峰值應力越大，壓密階段越短，下降段斜率越大，而煤矸石陶粒的摻入使堿礦渣陶粒混凝土呈現一定的延性特征。

(2)當陶粒體積摻量一定時，隨齡期的延長，抗壓強度、彈性模量、總能量、彈性能不斷增大，而耗散能整體上呈先減小后增大的趨勢。

(3)當齡期一定時，隨陶粒體積摻量的增加，抗壓強度、彈性模量、總能量、彈性能逐漸降低，而耗散能呈先增大后減小的趨勢。陶粒體積摻量為25%時，耗散能最大。