袁曉輝,石艷羽,陳宜新,關(guān)慧亭,蘆 峰,陳秀云

(1. 信陽(yáng)師范大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院, 河南 信陽(yáng) 464000; 2. 武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430070;3. 黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 河南 駐馬店 463000)

0 引言

堿礦渣混凝土(Alkali-activated slag concrete, AASC)是一種用強(qiáng)堿溶液作為激發(fā)劑激發(fā)高爐礦渣和粉煤灰作為膠凝材料替代水泥并與砂子、石子混合而形成的一種新型建筑材料,具有早強(qiáng)、快硬、耐高溫、耐久性好和綠色環(huán)保等優(yōu)異性能,在替代硅酸鹽水泥混凝土材料方面表現(xiàn)出了巨大潛力[1-3]。AASC部分性能優(yōu)于普通混凝土[4-5],但同樣是多相復(fù)合材料,干燥收縮大的特點(diǎn)限制了其推廣應(yīng)用[6],因其水化硬化過程中過大的收縮容易造成構(gòu)件局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生收縮裂縫,這些收縮裂縫通常是導(dǎo)致構(gòu)件最終破壞或耐久性差的主要缺陷[7]。要改善AASC的抗裂性能,就要設(shè)法盡量降低裂縫空隙的大小和數(shù)量,提升材料的延續(xù)性。鋼纖維作為最常見的纖維材料有著很好的抗拉、抗剪、阻裂和韌性性能,在混凝土基質(zhì)材料中加入鋼纖維能提高混凝土的抗?jié)B、抗收縮、抗變形的能力,并可減小結(jié)構(gòu)正常使用階段的裂縫寬度[8]。RANJBAR等[9]研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維能增加堿礦渣混凝土的韌性,但過多的鋼纖維在混凝土內(nèi)無(wú)法均勻分布,會(huì)使混凝土內(nèi)部缺陷增多。AYDM等[10]以鋼纖維摻量和長(zhǎng)度作為影響因素,研究了鋼纖維對(duì)堿礦渣砂漿性能的影響,結(jié)果表明,隨著鋼纖維摻量和長(zhǎng)度的增加,砂漿的干縮量逐漸減少,抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有所增加。

截至目前,國(guó)內(nèi)對(duì)鋼纖維堿礦渣混凝土的相關(guān)研究還不是很多。本文以鋼纖維摻量為變量,分別制作立方體與棱柱體混凝土力學(xué)性能測(cè)試試件,研究鋼纖維摻量對(duì)堿礦渣混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律,并對(duì)鋼纖維的增益和減益機(jī)理進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料與配合比

礦渣來自新鄉(xiāng)新星水泥廠,等級(jí)為S95級(jí),密度為3.27 g/cm3,比表面積為434.60 m2/kg,物理形狀為塊體,SEM微觀形貌見圖1。粉煤灰選用河南豫聯(lián)電廠的粉煤灰,密度為2.19 g/cm3,物理形狀為球形,表面光滑,SEM微觀形貌見圖2。礦渣、粉煤灰主要化學(xué)成分見表1。

表1 礦渣和粉煤灰化學(xué)組成Tab. 1 Chemical composition of slag and fly ash

圖2 粉煤灰的SEM圖Fig. 2 SEM diagram of fly ash

激發(fā)劑為水玻璃、氫氧化鈉和水的混合溶液,三者質(zhì)量比見表2,氫氧化鈉溶液的作用是調(diào)節(jié)水玻璃的模數(shù),水的作用是調(diào)節(jié)激發(fā)劑的含水率,經(jīng)調(diào)節(jié)后水玻璃模數(shù)為1.60,激發(fā)劑含水率為64.21%。砂子選自信陽(yáng)本地河砂,表觀密度為2600 kg/m3,細(xì)度模數(shù)為2.99,屬Ⅱ區(qū)中砂。石子選自信陽(yáng)本地石子,粒徑小于20 mm,表觀密度2700 kg/m3。

表2 鋼纖維堿礦渣混凝土配合比設(shè)計(jì)Tab. 2 Mix proportion design of Alkali-activated slag steel fiber concrete

鋼纖維選用長(zhǎng)度為36 mm,有效直徑為1.08 mm的波紋型鋼纖維,其抗拉強(qiáng)度大于700 MPa,見圖3。鋼纖維含量特征參數(shù)為λf=βVf(lf/df)=40Vf,式中:Vf為鋼纖維體積摻量;lf為鋼纖維有效長(zhǎng)度;df為鋼纖維有效直徑;β為與鋼纖維形狀有關(guān)的參數(shù)(取1.2),其反映了鋼纖維體積摻量和長(zhǎng)徑比的變化。

圖3 鋼纖維Fig. 3 Steel fibre

鋼纖維體積摻量采用外摻法,包括0.0%、0.5%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%共9個(gè)體積率,試件編號(hào)按照AASSFC-X%的格式命名,其中X表示對(duì)應(yīng)組別的鋼纖維摻量,堿礦渣混凝土的具體配合比見表2?，F(xiàn)場(chǎng)投料攪拌按照砂子、石子、鋼纖維、礦粉和激發(fā)劑的順序依次進(jìn)行。每次混合投料后攪拌60 s,攪拌完成后快速澆筑試件,每組試件為邊長(zhǎng)100 mm的立方體試件3個(gè)、150 mm的棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件3個(gè)。成型后試件表面覆蓋保鮮膜,24 h后拆模,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及加載制度

立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比的測(cè)試參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50081—2002)》、《水泥混凝土棱柱體軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法(T 0555—2005)》等規(guī)范執(zhí)行。

彈性模量測(cè)試前要對(duì)棱柱體試件進(jìn)行預(yù)先清潔和打磨處理,確保兩側(cè)對(duì)稱面的光潔和平整度,并根據(jù)彈性模量測(cè)試試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定夾具控制點(diǎn)和應(yīng)變測(cè)試控制點(diǎn)。夾具上下控制點(diǎn)距離為150 mm,之間安裝千分表測(cè)試豎向位移。在應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)處粘貼縱向、橫向應(yīng)變片,分別測(cè)試試件的縱向變形和橫向變形,應(yīng)變片采用BX120-50AA混凝土表面應(yīng)變片。壓力機(jī)采用濟(jì)南東方試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),型號(hào)WAW3000,規(guī)格3000 kN,加載裝置見圖4。加載前先多次預(yù)加載卸載,調(diào)整試件位置,確保試件處于絕對(duì)的軸心受壓狀態(tài),位移和應(yīng)變片的讀數(shù)差控制在5%以內(nèi)方可正式加載。正式加載采用力控制加載方式,加載速度0.5 MPa/s。

圖4 試驗(yàn)加載裝置圖Fig. 4 Test loading device diagram

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)《鋼纖維混凝土(JG/T 472—2015)》[11]中的規(guī)定,對(duì)本試驗(yàn)立方體抗壓強(qiáng)度均乘以系數(shù)0.9,換算成立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,結(jié)果見表3。

表3 抗壓強(qiáng)度結(jié)果Tab. 3 Compressive strength results

由表3可見,增加鋼纖維的摻量對(duì)鋼纖維堿礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度有明顯影響。隨著鋼纖維摻量的增加,試件的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)鋼纖維摻量為1.4%時(shí),抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。然而,當(dāng)鋼纖維摻量增加到1.5%時(shí),抗壓強(qiáng)度開始降低。降低的原因主要是較高的鋼纖維摻量可能導(dǎo)致鋼纖維發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,導(dǎo)致鋼纖維的橋接作用降低。鋼纖維堿礦渣混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式借鑒湯寄予[12]給出的理論計(jì)算式:

ffc=ff0(1+αcλf),

(1)

式中:ffc表示鋼纖維堿礦渣混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度計(jì)算值,單位MPa;αc表示鋼纖維對(duì)堿礦渣混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)系數(shù),對(duì)鋼纖維堿礦渣混凝土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析后得αc=0.83,鋼纖維立方體抗壓強(qiáng)度公式擬合曲線見圖5;λf表示鋼纖維含量特征參數(shù);ff0表示不摻鋼纖維堿礦渣混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度,單位MPa。

圖5 鋼纖維立方體抗壓強(qiáng)度公式擬合Fig. 5 Fitting of compressive strength formula of steel fiber cube

根據(jù)理論公式,結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,擬合曲線的相關(guān)度R為0.87,表明修正后的理論公式安全可行。

(2)

式中:αc1為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的比值,通過修正取0.90;αc2表示混凝土的脆性系數(shù),αc2取1.0;0.88表示修正系數(shù);αc取0.30。

鋼纖維堿礦渣混凝土棱柱體28 d單軸抗壓試驗(yàn)的荷載-位移曲線見圖6所示。由圖可見,曲線可分為彈性段、彈塑性段和塑性段,各曲線上升段趨勢(shì)基本一致,彈性段表現(xiàn)出了較好的線性行為;各曲線的峰值荷載和峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移存在較大的差異,主要是因?yàn)殇摾w維對(duì)堿礦渣混凝土的增強(qiáng)增韌作用;峰值荷載后,0.0%鋼纖維摻量試件荷載位移曲線達(dá)到峰值荷載后急速下降,0.5%～1.5%鋼纖維摻量試件荷載位移曲線達(dá)到峰值荷載后,會(huì)在峰值附近波動(dòng)一段位移后急速下降。隨著鋼纖維摻量的增大,波動(dòng)段有延長(zhǎng)的趨勢(shì),試件表現(xiàn)出較好的延性性能,但鋼纖維摻量過多會(huì)有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,1.5%鋼纖維摻量的波動(dòng)段縮短。

圖6 棱柱體軸壓力-位移曲線Fig. 6 Prismatic axial pressure-displacement curve

棱柱體試件破壞實(shí)物圖見圖7。當(dāng)試件未摻鋼纖維時(shí),其極限荷載最小。曲線達(dá)到頂峰后迅速下降,沒有出現(xiàn)水平延展的現(xiàn)象。試件達(dá)到極限荷載時(shí),混凝土表現(xiàn)出明顯的脆性特征。破壞的聲響尖銳而短促,斷裂處的基質(zhì)材料崩出,試件分裂成上下兩塊,破壞形態(tài)為剪切破壞,如圖7 a、c所示。

圖7 棱柱體破壞實(shí)物圖Fig. 7 Prismatic failure diagram

隨著鋼纖維摻量的增加,各試件的曲線峰值荷載都有所增加,與峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移值也明顯增加。在峰值荷載后,出現(xiàn)了微小的水平塑性段,有這種現(xiàn)象的原因是試件在受到壓力后,鋼纖維堿礦渣混凝土內(nèi)部的微裂縫迅速發(fā)展,并逐漸貫通形成宏觀裂縫,這些裂縫在擴(kuò)展的過程中遇到了鋼纖維,鋼纖維的橋接作用,延緩了裂縫尖端的應(yīng)力集中,使得鋼纖維堿礦渣混凝土內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生了重分布,改變了裂縫的發(fā)展方向,從而減弱了試件的脆性,表現(xiàn)出一定的延性性能[13-14]。

一定范圍內(nèi),鋼纖維的摻量越高,裂縫處的橋接作用越明顯,裂縫越難擴(kuò)展,隨著荷載的繼續(xù)增加,裂縫處的鋼纖維開始承擔(dān)大部分荷載,這種情況在試件內(nèi)部頻繁出現(xiàn),使得鋼纖維堿礦渣混凝土在達(dá)到峰值荷載左右時(shí)狀態(tài)非常不穩(wěn)定,出現(xiàn)了一定程度的波動(dòng)。

鋼纖維摻量為1.1%、1.2%和1.3%的試件曲線都出現(xiàn)類似犀牛角狀的尖端,原因是一些裂縫處的鋼纖維承受的荷載強(qiáng)度高于鋼纖維與膠凝材料之間的黏接強(qiáng)度,導(dǎo)致鋼纖維從基質(zhì)材料中被拔出,這一過程經(jīng)歷了“基質(zhì)材料承載—基質(zhì)材料開裂—鋼纖維承載—鋼纖維被拔出破壞”的過程。在試件加載破壞的過程中,除了混凝土開裂的聲音外,還伴隨有一些鋼纖維被拔出的“嚓嚓”聲。

在有鋼纖維的8組試件破壞時(shí),上下部分在斜面處有微小的錯(cuò)開。由于鋼纖維的作用,試塊沒有完全分離,斜破壞面上的部分鋼纖維仍然連接著上下塊混凝土,如圖7b、d所示。

試件破壞面局部實(shí)物圖見圖8。1.5%體積摻量的試件抗壓強(qiáng)度有所降低,由圖8a、b可見,破壞面鋼纖維發(fā)生了明顯的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,此處粗骨料、細(xì)骨料分布不均,屬于薄弱區(qū),容易產(chǎn)生裂縫而發(fā)生破壞。圖8a破壞面用紅色虛線分成1、2兩個(gè)區(qū)域,在區(qū)域1可以明顯地看到鋼纖維發(fā)生了結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,在區(qū)域2幾乎看不到鋼纖維。以上分析表明過多的摻入鋼纖維不利于堿礦渣混凝土的增強(qiáng)增韌。

鋼纖維與膠凝材料的接觸面積會(huì)隨著鋼纖維摻量的增加而增大,這些接觸面處于水灰比較高、孔隙率較大的富水區(qū)域,在試件硬化收縮過程中,接觸面會(huì)脫粘而產(chǎn)生微小間隙,進(jìn)而會(huì)降低鋼纖維堿礦渣混凝土的力學(xué)性能。圖8c、d中鋼纖維附近有肉眼可見因硬化而形成的微小間隙,斷面鋼纖維越多,這些間隙也越多。

2.2 靜彈性模量

堿礦渣混凝土的彈性模量(E)、泊松比(μ)、彈強(qiáng)比試驗(yàn)結(jié)果見表4。彈性模量的值隨著鋼纖維的摻量增加逐漸增大,主要原因有:鋼纖維的加入提高了混凝土的強(qiáng)度和剛度;鋼纖維在混凝土中的橋接作用;高鋼纖維摻量可以改變混凝土中鋼纖維的排列方式,有效地抑制了裂縫的擴(kuò)展。鋼纖維摻量在0.5%～1.4%之間,材料泊松比在0.2范圍左右,1.5%時(shí)泊松比增大為0.3,可能是因?yàn)楦邠搅夸摾w維的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,對(duì)混凝土材料的橫向變形起到了反作用,而混凝土單軸加載的破壞過程實(shí)際上就是膠凝材料晶體或黏結(jié)部位發(fā)生垂直于荷載方向的橫向受拉破壞或斜剪切面的破壞[15]。

表4 靜彈性模量、泊松比和彈強(qiáng)比Tab. 4 Static elastic modulus, Poisson’s ratio and elastic strength ratio

彈強(qiáng)比表示材料彈性模量和棱柱體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值(E/fck),彈強(qiáng)比越小,表明混凝土的抗裂性能越好。表4為靜彈性模量、泊松比和彈強(qiáng)比試驗(yàn)值,由表4可見,隨著鋼纖維摻量的增加彈強(qiáng)比總體走向降低,鋼纖維堿礦渣混凝土的抗裂性能得到優(yōu)化,在這里1.5%組的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了逆趨勢(shì)反跳,主要是鋼纖維的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象造成。

2.3 裂縫損傷程度分析

為研究鋼纖維堿礦渣混凝土的裂縫損傷程度,引入LOO[16]的比裂縫面積法對(duì)其裂縫損傷程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià),計(jì)算公式如下:

ΔAT=ΔAc+ΔAPR,

(3)

(4)

式中:ΔAT是堿礦渣混凝土棱柱體試件在加載后橫截面積的總變化量;ΔAc是由非彈性變形引起的截面積變化量;ΔAPR是泊松比效應(yīng)影響產(chǎn)生的截面積的彈性變化量;εcr表示比裂縫面積,是單位截面面積上裂縫開展的面積;A是加載前的截面面積。

ΔAT=(a+aεx)2-a2,

(5)

ΔAPR=(a+aμεy)2-a2,

(6)

ΔAc=2a2(εx-μεy),

(7)

式中:a是棱柱體截面邊長(zhǎng);εx、εy分別是橫向和軸向應(yīng)變;μ是彈性泊松比。棱柱體試件中間處的比裂縫面積為:

εcr=2(εx-μεy)。

(8)

各試件比裂縫面積變化曲線見圖9。

圖9 比裂縫面積變化曲線Fig. 9 Specific fracture area curve

比裂縫面積變化曲線圖沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律,是因?yàn)長(zhǎng)OO的無(wú)損表征方法是基于單軸壓力下混凝土試件的截面積變化、非彈性膨脹以及微裂縫擴(kuò)展等因素的綜合影響。然而,非彈性變形也包括初始裂縫受壓閉合引起的變形以及膠凝材料的壓縮引起的塑性變形[17]。

圖9中除了1.5%鋼纖維摻量試件的圖像明顯右移,其余8個(gè)試件的比裂縫面積圖像明顯偏向左側(cè),可見鋼纖維摻量越高的試件,其非彈性變形引起的截面積變化量越大,內(nèi)部裂縫也越多,約為其他試件的1.5～3.0倍,印證了鋼纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象會(huì)削弱鋼纖維的橋接作用,造成試件內(nèi)部產(chǎn)生較多的裂縫,進(jìn)而降低其材料強(qiáng)度。

3 結(jié)論

(1)鋼纖維對(duì)堿礦渣混凝土有增強(qiáng)、增韌作用,摻入鋼纖維會(huì)提高堿礦渣混凝土的強(qiáng)度和韌性性能,本研究鋼纖維的最佳體積摻量為1.4%。

(2)在0.0%～1.4%范圍內(nèi),隨著鋼纖維摻量的增加,鋼纖維的約束效果增強(qiáng),試件抵抗變形的能力增加,抗裂性能也有所提升。

(3)過高的鋼纖維摻量,會(huì)導(dǎo)致鋼纖維在混凝土內(nèi)部結(jié)團(tuán),增大鋼纖維與基質(zhì)材料的界面過渡區(qū)面積,降低鋼纖維的橋接效應(yīng),進(jìn)而降低堿礦渣混凝土的抗壓強(qiáng)度。