張向?qū)?，鄺肖梅，張軒?，陳家豪3，楊健輝

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 3.河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450001)

1 前 言

將天然砂部分或全部替代全輕混凝土中的輕砂，再摻入水和水泥能夠配制成砂輕混凝土[1]。一方面，砂輕混凝土能夠滿足施工技術(shù)的要求，解決全輕混凝土成本高、易出現(xiàn)泵送堵管和粗骨料上浮等問題[2]；另一方面，砂輕混凝土力學(xué)性能高于全輕混凝土，適應(yīng)結(jié)構(gòu)向高層、大跨的輕質(zhì)高強(qiáng)、高韌性等需求[3-4]。

如今國內(nèi)外已有研究成果主要集中在由輕粗集料、天然砂或輕砂配制而成的輕骨料混凝土力學(xué)及高溫性能方面[5-9]，而關(guān)于砂輕混凝土力學(xué)性能的研究卻鮮見報道。李明利[10]初步研究了砂輕混凝土的物理性能和立方體抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明砂輕混凝土干表觀密度較普通混凝土低，物理力學(xué)性能優(yōu)越。錢偉等[11]以碎石、粉煤灰、陶砂和河砂作為混合集料配制形成砂輕混凝土，研究表明：砂輕混凝土表現(xiàn)出較為理想的輕質(zhì)高強(qiáng)，摻入適量的陶砂可明顯提高混凝土的保溫隔熱性能。

針對以往研究的不足，本研究以天然砂取代全輕頁巖集料混凝土中的陶砂，配制成為砂輕頁巖集料混凝土，對其進(jìn)行基本力學(xué)性能測試。分析了砂輕混凝土受力破壞過程與破壞形態(tài)；提出了力學(xué)性能指標(biāo)與天然砂取代率的關(guān)系式；研究了泊松比與拉壓比的規(guī)律，以期為砂輕混凝土的進(jìn)一步研究和工程應(yīng)用提供參考和借鑒。

2 試 驗(yàn)

2.1 原材料

試驗(yàn)所采用的水泥為P·O 42.5 R級水泥；拌和水為普通自來水；采用700級碎石型頁巖陶粒，粒徑≤15mm，筒壓強(qiáng)度4.5MPa，堆積密度660kg/m3；900級連續(xù)級配頁巖陶砂，粒徑≤5mm，堆積密度880kg/m3，細(xì)度模數(shù)3.15；河砂細(xì)度模數(shù)2.85，連續(xù)級配，粒徑≤5mm，堆積密度1472kg/m3。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

以頁巖陶粒為粗骨料，天然砂等體積取代細(xì)骨料中的頁巖陶砂，配置了5種不同取代率的砂輕混凝土試塊，其中，取代率為0%時的全輕混凝土試塊為基準(zhǔn)試塊，25%、50%、75%、100%等4種不同取代率的砂輕混凝土塊作為對比試塊。試驗(yàn)前將陶粒裝袋預(yù)浸泡12h，攪拌前取出袋裝的陶粒，待陶粒中的水流失至恒重后，按照配合比稱重，并與其他原材料一起放入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌；粉煤灰取水泥用量的33.7%；采用減水率大于20%的聚羧酸高效減水劑，摻量為膠凝材料的1.0%。以LC35全輕混凝土配合比為基準(zhǔn)，針對不同取代率，砂輕混凝土的配合比分別做出相應(yīng)的調(diào)整，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.3 試塊制作及加載

試驗(yàn)分別設(shè)計(jì)了5組、每組3個150 mm×150 mm×150mm的立方體試塊，用于測量立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度；設(shè)計(jì)了5組、每組設(shè)計(jì)6個150mm×150mm×300mm的棱柱體試塊，其中，3個直接用于測量軸心抗壓強(qiáng)度，3個在棱柱體側(cè)面粘貼縱向和橫向應(yīng)變片，用于獲取縱向、橫向應(yīng)變。試驗(yàn)?zāi)＞呓y(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸的塑料模，根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50080-2002)，將砂輕混凝土振動成型。放置24h拆模，在室溫養(yǎng)護(hù)28d后，加載，測定強(qiáng)度。根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB 50081-2002)的加載方法進(jìn)行加載，加載裝置采用SYE-1000型壓力試驗(yàn)機(jī)，最大量程為1000kN。

表1 LCSARPNS的配合比 Table 1 Mixing ratio of LCSARPNS /kg·m-3

注：γ為天然砂取代率；編號2-0、2-1、2-2、2-3和2-4代表天然砂取代率分別為0%、25%、50%、75%和100%的各組試塊。

3 破壞過程及形態(tài)

3.1 立方體抗壓強(qiáng)度破壞試驗(yàn)

圖1(a)為各組立方體試塊破壞后的形態(tài)照片。加載初期，各組砂輕混凝土試塊表面未發(fā)現(xiàn)裂縫。隨著荷載的增大，試塊表面出現(xiàn)微裂紋。隨著荷載的進(jìn)一步加大，試塊相鄰裂縫貫通，兩側(cè)混凝土外鼓，試塊破壞。臨近破壞時，砂輕混凝土試塊發(fā)出急促的噼啪聲，同時觀察到試塊表面有2～3條裂縫發(fā)展較迅速，澆筑面的陶粒被彈出。砂輕混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通混凝土不同，導(dǎo)致其破壞形態(tài)與普通混凝土不同。由圖1可見，當(dāng)天然砂取代率較低(0%和25%)時，輕骨料的脆性表現(xiàn)顯著，試塊破壞后，立方體側(cè)面的混凝土脫落較嚴(yán)重，尤其是棱邊的混凝土；隨著天然砂取代率的增加(50%、75%和100%)，其破壞形態(tài)呈現(xiàn)出裂而不散、無明顯爆裂的特點(diǎn)。與全輕混凝土相比，隨天然砂取代率的增加，砂輕混凝土脆性逐漸降低，韌性逐漸增強(qiáng)。

3.2 軸心抗壓強(qiáng)度破壞試驗(yàn)

圖1(b)為各組棱柱體試塊的破壞形態(tài)，加載初期，各組砂輕混凝土試塊表面未發(fā)現(xiàn)裂縫。隨著荷載的增加，棱柱體試塊表面出現(xiàn)主裂縫，且伴隨著噼啪聲響出現(xiàn)，同時，陶粒從澆筑面濺出。當(dāng)天然砂取代率小于或等于50%時，裂縫一旦出現(xiàn)，即迅速向上、下方向擴(kuò)展和貫通，形成了若干分離的小棱柱體，表現(xiàn)為縱向劈裂破壞；當(dāng)天然砂取代率大于50%時，試塊在軸心受壓作用下，發(fā)生了明顯崩裂性破壞，試塊的45°方向出現(xiàn)較寬主裂縫，中部混凝土剝落嚴(yán)重，破壞形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樾苯孛婕羟衅茐摹?/p>

圖1 試塊破壞形態(tài) (a) 立方體壓載破壞形態(tài); (b) 軸心壓載破壞形態(tài); (c) 劈拉破壞面Fig.1 Failure mode (a) cube failure mode; (b) axial mode; (c) splitting failure surface

3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度破壞試驗(yàn)

總體上，各組砂輕混凝土劈裂破壞形態(tài)與全輕混凝土基本相似。加載初期，砂輕混凝土試塊表面無明顯裂縫。繼續(xù)加載，初始微裂縫出現(xiàn)在試塊的剪切面。當(dāng)荷載增加到極限劈拉荷載時，裂縫擴(kuò)展，并迅速貫通，最后聽到“嘣”一聲，試塊被劈開成兩部分。試塊的破壞斷面如圖1(c)所示，可見，砂輕混凝土劈裂破壞面和普通混凝土不同，砂輕混凝土破壞面包含三部分：首先，混凝土內(nèi)部空隙裂開；其次，水泥砂漿的開裂；再次，混凝土內(nèi)部的陶粒、陶砂裂開，且開裂的陶粒較多，第三種情況占比最大。對于承受劈拉破壞的立方體試塊，總體上，其斷面結(jié)構(gòu)比較均勻完整，破壞面沒有出現(xiàn)陶粒上浮和水泥砂漿下沉的分層現(xiàn)象，破壞時伴隨有明顯的爆裂聲，可歸屬為脆性破壞。

4 試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果及影響因素分析

4.1 砂輕混凝土性能

試驗(yàn)分級加載獲得了荷載-橫向應(yīng)變和荷載-縱向應(yīng)變上升段曲線，取荷載-縱向應(yīng)變上升段曲線0.4fc處的應(yīng)力與應(yīng)變的比值作為砂輕混凝土的彈性模量，泊松比取分級加載的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比值的平均值。由試驗(yàn)獲得的砂輕混凝土力學(xué)性能指標(biāo)見表2。由表2可見：全輕混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度達(dá)到了35.8MPa，已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級LC35的要求；隨天然砂取代率的增加，砂輕混凝土立方體抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)取代率為100%時，砂輕混凝土強(qiáng)度等級至少達(dá)到LC40。

表2 LCSARPNS力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Mechanical property test results of LCSARPNS

注：fcu為立方體抗壓強(qiáng)度；fc為軸心抗壓強(qiáng)度；fts為劈裂抗拉強(qiáng)度；fts/fcu為拉壓比，即劈裂抗拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值；Ec為彈性模量；ν為泊松比

4.2 天然砂取代率對立方體抗壓強(qiáng)度的影響

由表2可見，砂輕混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨天然砂取代率的增加而增加。試驗(yàn)表明：天然砂部分(或全部)取代全輕混凝土中的陶砂，可提高全輕混凝土的抗壓強(qiáng)度。這是因?yàn)樘丈捌骄奖忍烊簧暗钠骄酱螅?dāng)天然砂的取代率較小時，成型后的水泥砂漿骨架結(jié)構(gòu)較為松散，導(dǎo)致試塊抵抗外荷載的能力下降，從而表現(xiàn)為強(qiáng)度的降低；當(dāng)天然砂取代率較大時，細(xì)骨料平均粒徑雖小，但增加了比表面積，使細(xì)骨料與水泥漿之間的體粘接力增強(qiáng)(特別是天然砂與漿體接觸面)，且小粒徑在一定程度上降低砂輕混凝土內(nèi)部裂縫出現(xiàn)的概率，故砂輕混凝土立方體抗壓強(qiáng)度隨取代率的增加而提高。

4.3 天然砂取代率對軸心抗壓強(qiáng)度的影響

由表2可見，砂輕混凝土軸心抗壓強(qiáng)度隨天然砂取代率的增加而增加。其原因同立方體抗壓強(qiáng)度破壞試驗(yàn)。

4.4 天然砂取代率對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

由表2可見，砂輕混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨天然砂取代率的增加而增加。影響砂輕混凝土劈拉破壞的因素較多，如砂輕混凝土內(nèi)部的骨料強(qiáng)度和空隙等。當(dāng)天然砂取代率較小時，強(qiáng)度較低的陶粒和陶砂占比較大，對砂輕混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度有不利影響，隨天然砂取代率的增加，天然砂可以較多地填充砂漿與陶粒之間的空隙，使砂輕混凝土試塊內(nèi)部的密實(shí)度顯著增強(qiáng)，從而使得砂輕混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸增大。

由圖2可見，砂輕混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度無量綱化后與天然砂取代率(γ)呈線性關(guān)系。將所測強(qiáng)度值運(yùn)用最小二乘法原理擬合得到的表達(dá)式為：

ft/fts,0=0.41γ+ 0.99R2=0.94

(1)

其中：fts,0為全輕混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。

4.5 天然砂取代率對拉壓比的影響

拉壓比是反映混凝土脆性的主要指標(biāo)之一，拉壓比越大，混凝土的脆性越小，韌性越大。試驗(yàn)實(shí)測的砂輕混凝土拉壓比在0.086～0.100之間，且隨天然砂取代率的增加呈整體增加趨勢。與全輕混凝土相比，取代率為25%時的拉壓比降低不多，而取代率為50%、75%、100%的拉壓比分別增加2.3%、3.4%和14.9%。天然砂取代率達(dá)到50%之前，砂輕混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增長速度相對于劈裂抗拉強(qiáng)度的增長速度快，拉壓比增加不多，故砂輕混凝土將會表現(xiàn)出脆性大、韌性小的特點(diǎn)；天然砂取代率達(dá)到50%之后，拉壓比增長較快，砂輕混凝土表現(xiàn)出脆性小，韌性大的特點(diǎn)。這表明一定量的天然砂取代全輕混凝土中的陶砂之后，可改善全輕混凝土脆性大的缺陷，從而使得砂輕混凝土具備較大的抗變形能力。

圖2 fts/fts,0與γ關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between fts/fts,0 and γ

4.6 變形性能

4.6.1荷載-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線 試驗(yàn)實(shí)測的棱柱體試塊荷載(N)-軸向應(yīng)變(ε)部分關(guān)系曲線和荷載(N)-橫向應(yīng)變(ε)部分關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 荷載與應(yīng)變的關(guān)系曲線 (a) 縱向應(yīng)變; (b) 橫向應(yīng)變Fig.3 Relationship curve of load versus strain (a) longitudinal strain; (b) transverse strain

由圖3可見：隨天然砂取代率的增加，曲線上升段的斜率逐漸增加，即配制的砂輕混凝土彈性模量逐漸增加。試塊的橫、縱向變形與承載力大致成線性關(guān)系，這是由于在初始彈性階段，分布于砂輕混凝土內(nèi)部的輕骨料彈性模量大，剛度大，抑制砂輕混凝土基體應(yīng)變能力強(qiáng)。隨著軸向應(yīng)變的進(jìn)一步增加，在砂輕混凝土內(nèi)部不斷形成微小裂縫，試塊橫向膨脹，故橫向應(yīng)變以較快的速度增加。隨荷載的進(jìn)一步加大，當(dāng)橫向變形超過砂輕混凝土所能承受的受拉變形時，裂縫不斷貫通，最后試塊被分割成若干個小棱柱體，該過程應(yīng)力集中嚴(yán)重，加速了砂輕混凝土的破壞。

4.6.2彈性模量 由表2可見，隨天然砂取代率的增加，砂輕混凝土的彈性模量逐漸增加。這是因?yàn)樘樟！⑻丈暗膹椥阅Ａ恐挥?0.50～3.00)×104MPa，而天然砂的彈性模量一般在(2.79～4.76)×104MPa之間，即天然砂的彈性模量較陶粒、陶砂的大，因此，隨天然砂在砂輕混凝土中所占比例的增加，砂輕混凝土水泥砂漿的彈性模量逐漸得到改善，從而使得砂輕混凝土整體的彈性模量增加。

4.6.3泊松比 由表2可見，試驗(yàn)實(shí)測的砂輕混凝土泊松比變化區(qū)間為0.09～0.28，且隨天然砂取代率的增加，砂輕混凝土的泊松比逐漸降低。

從圖4可見，當(dāng)應(yīng)力比(σ/fc)較小時，天然砂取代率較低的砂輕混凝土的泊松比幾乎等于全輕混凝土的泊松比；對于全輕混凝土，應(yīng)力比小于0.2時，泊松比隨應(yīng)力比呈正比例增加，當(dāng)應(yīng)力比大于0.2時，泊松比變化較大，且無論全輕混凝土應(yīng)力比處于哪個階段，其泊松比都是5組試塊中最大的；與全輕混凝土相比，取代率為25%的砂輕混凝土σ/fc～ν曲線變得更陡；對于取代率為50%的砂輕混凝土，當(dāng)應(yīng)力比大于0.2后，σ/fc～ν之間的關(guān)系直線上升，且隨應(yīng)力比的增加，ν基本不再變化；天然砂取代率為100%的σ/fc～ν曲線與取代率為75%的σ/fc～ν曲線基本相似，隨σ/fc的增加，ν值基本線性增大，但達(dá)到0.6fc之后，ν不再變化。

圖4 應(yīng)力比與泊松比曲線Fig.4 Curve of stress ratio versus Poisson’s ratio

孫南屏[12]研究表明，在一定的條件下，混凝土拉壓比僅由泊松比確定，混凝土拉壓比間接反映了受壓時功能轉(zhuǎn)化變形能的分配比例關(guān)系。孫南屏模型是基于普通混凝土推導(dǎo)建立起來的。為進(jìn)一步認(rèn)識和應(yīng)用砂輕混凝土的拉壓比fts/fcu與泊松比ν的變化規(guī)律，在孫南屏模型[10]的基礎(chǔ)上乘以一個待定系數(shù)α，如下式所示。

(2)

將試驗(yàn)所得泊松比和拉壓比代入式(2)，得到的不同天然砂取代率下砂輕混凝土的α值分別為0.64、1.41、2.72、4.59和6.27，參數(shù)α與取代率γ表現(xiàn)出了一定的相關(guān)性。為得到兩者之間關(guān)系式，以取代率γ為自變量，參數(shù)α為因變量進(jìn)行分析和擬合，結(jié)果如圖5所示。建立的方程如下式：

α=5.78γ+0.47R2=0.99

(3)

圖5 α與γ之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between α and γ

分別取γ=0%、25%、50%、75%、100%，代入式(3)，計(jì)算得到參數(shù)α值，然后代入式(2)，計(jì)算得到fts/fcu值。將fts/fcu-ν計(jì)算曲線與實(shí)測曲線作對比，如圖6所示，顯示計(jì)算曲線與實(shí)測曲線吻合良好。

圖6 實(shí)測的和計(jì)算得到的fts/fcu-ν曲線對比Fig.6 Comparison of curves for fts/fcu versus ν

1．砂輕混凝土的破壞形態(tài)與普通混凝土破壞形態(tài)不同，砂輕混凝土主要表現(xiàn)為輕骨料的裂開。隨著天然砂取代率的增加，立方體受壓破壞形態(tài)表現(xiàn)為裂而不散，軸心受壓破壞形態(tài)由縱向劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)樾苯孛婕羟衅茐?，劈裂抗拉破壞表現(xiàn)為脆性破壞。

2．隨著天然砂取代率的增加，砂輕混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、拉壓比和彈性模量呈整體增加的趨勢，而泊松比則逐漸減小。

3．通過回歸分析提出了無量綱化后劈裂抗拉強(qiáng)度與天然砂取代率的關(guān)系式。

4．在孫南屏模型的基礎(chǔ)上，引入天然砂取代率影響參數(shù)，建立了不同取代率下的砂輕混凝土拉壓比-泊松比曲線方程，計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果吻合良好。