珍珠岩基相变骨料混凝土断裂特性试验与分析

马芹永， 白 梅

(1.安徽理工大学 土木建筑学院， 安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大学 矿山地下工程教育部工程研究中心， 安徽 淮南 232001)

雾霾、极端天气和全球变暖等一系列环境问题使得人们越来越重视能源的合理利用和环境的可持续发展.混凝土作为全世界使用最广泛的建筑材料，对环境产生了巨大影响.因此，发展绿色混凝土成为当务之急和实现环境可持续发展的有力举措.相变储能混凝土作为绿色混凝土的一种，是将相变储能材料添加到混凝土中所制备的具有较好储能性能的新型混凝土，可使建筑物自动调节温度、改善室内舒适度，实现节能环保[1].

近年来，对相变储能混凝土的研究主要集中在储能性能和基本力学性能2个方面.张东等[2]对相变储能混凝土的制备方法和储能性能进行了研究，发现用“两步法”制备的相变储能混凝土具有较好的储能能力；杨玉山等[3]研究的相变储能混凝土储能效果明显优于普通混凝土，但是抗压强度较低，不能用于重结构；马芹永等[4]制备的相变储能混凝土具有较高的抗压强度，但能否在承重结构中使用，尚需考虑其断裂性能[5].

本文利用干燥膨胀珍珠岩吸附硬脂酸丁酯，并用石灰石粉末改性，制备出珍珠岩基相变骨料(PBPCA)，再将其等体积取代混凝土中的部分砂，制备了珍珠岩基相变骨料混凝土(PBPCAC).该相变储能混凝土具有较高抗压强度，较大比热容和储能能力[4].在此基础上，通过三点弯曲梁断裂试验研究其断裂过程以及不同PBPCA掺量下混凝土的拉压比、临界有效裂缝长度、起裂断裂韧度和失稳断裂韧度.

1 试验

1.1 原材料

八公山牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥；95级硅粉，45μm筛余(质量分数，文中所涉及筛余、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比)为1.7%；石灰石粉末，CaCO3含量为99.0%，化学纯；中砂，细度模数为2.6；石子，粒径为5～10mm的连续级配碎石；相变材料为纯度99.0%以上的工业级硬脂酸丁酯；膨胀珍珠岩，粒径为0.1～1.5mm，吸水率85.0%，1MPa条件下体积损失率为38.0%；减水率17.0%的聚羧酸高效减水剂；普通自来水.

1.2 试样制备

先在20℃条件下，将膨胀珍珠岩烘干后吸附硬脂酸丁酯(硬脂酸丁酯的吸附率为75.0%)，静置3h；再用石灰石粉末包裹，静置，筛去多余石灰石粉，即可制备出PBPCA.

吸附了硬脂酸丁酯的膨胀珍珠岩表现为憎水性，用石灰石粉末包裹可发挥较好的改性效果，使其表现为亲水性，以此改善膨胀珍珠岩与水泥砂浆的黏结界面[6].PBPCA的粒径为0.5～2.0mm，密度为518kg/m3，测得其相变温度为18℃，相变焓为52J/g.

混凝土设计强度等级为C40，基准配合比m(水泥)∶m(硅粉)∶m(石子)∶m(砂)=1.00∶0.11∶2.57∶1.20，水胶比为0.34，减水剂按胶凝材料总质量的0.4%外掺.

未添加PBPCA的普通混凝土编号为C-00，用PBPCA等体积取代10%和15%砂所制备的PBPCAC编号分别为PC-10和PC-15.在混凝土制作过程中，先将PBPCA与砂搅拌均匀，再按普通混凝土的制作步骤制备PBPCAC.每组混凝土制作5个100mm×100mm×400mm的小梁试件，用于断裂特性试验，预制裂缝深度为40mm.此外，每组混凝土成型6个100mm×100mm×100mm的立方体试块，测试其28d龄期的抗拉强度和抗压强度.

1.3 试验方法

混凝土断裂试验采用WAW-600微机控制电液伺服万能试验机，加载速率为0.05mm/min，加载方式如图1所示.在三点弯曲小梁试件中部安装高精度夹式引伸计，测量裂缝口张开位移(CMOD)，在三点弯曲梁试件裂缝口尖端按图2所示布置4个电阻应变片(型号为BX120-10AA)，来判定混凝土的起裂情况.试验在环境温度为10℃的实验室进行，此时硬脂酸丁酯处于固态.

图1 三点弯曲梁加载图Fig.1 Illustration of three-point bending test(size:mm)

图2 电阻应变片布置图Fig.2 Arrangement diagram of the electric resistance strain gauges(size:mm)

2 珍珠岩基相变骨料混凝土的储能性能

利用差示扫描量热(DSC)法分别测定C-00，PC-10和PC-15混凝土的相对比热容.DSC测试在气流量为100mL/min的氮气气氛条件下进行，温度变化速率为5℃/min，温度变化范围为-10～50℃.图3为3组混凝土的相对比热容.

图3 3组混凝土的相对比热容Fig.3 Relative specific heat capacity of concretes

由图3可知，PBPCAC的相对比热容值明显高于普通混凝土，升温过程中，25℃时PC-10和PC-15混凝土的相对比热容值分别为1.033，1.217，分别比普通混凝土提高了3.30%和21.70%；降温过程中，25℃时PC-10和PC-15混凝土的相对比热容值分别为1.050,1.228kJ/(kg·K)，分别比普通混凝土提高了5.00%和22.80%.

以PBPCAC在25℃时的相对比热容值为例，计算20～30℃时各组混凝土的单位体积相对储能量，利用C-00，PC-10和PC-15混凝土密度值2350.25，2331.38，2319.28kg/m3，计算得到升温过程中PC-10和PC-15混凝土的单位体积相对储能量分别为2.409×104，2.822×104kJ/m3，其中PC-15混凝土的单位体积相对储能量比普通混凝土提高了20.09%；降温过程中，PC-10和PC-15组混凝土的单位体积相对储能量分别为2.447×104，2.849×104kJ/m3，其中PC-15混凝土的单位体积相对储能量比普通混凝土提高了21.33%.

3 试验结果与分析

3.1 珍珠岩基相变骨料混凝土断裂试验现象

图4为3组混凝土的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线.

图4 3组混凝土P-CMOD曲线Fig.4 P-CMOD curves of concretes

图5 混凝土裂缝扩展形态Fig.5 Crack propagation shape of concretes

由图4可见，普通混凝土的断裂过程主要分为裂缝产生阶段、裂缝发展阶段和裂缝失稳阶段[7]；PBPCAC的断裂过程与普通混凝土相似，同样分为以上3个阶段.

以PC-15混凝土的P-CMOD曲线为例，分析PBPCAC的断裂过程.图4中点O为初始加载点；点A为裂缝产生点，对应起裂荷载(Pini)和初始裂缝长度(a0)；点B为裂缝失稳点，对应失稳荷载(Pun)、临界有效裂缝长度(ac)和临界裂缝口张开位移(CMODun).

OA段：裂缝产生阶段，0≤P

AB段：裂缝发展阶段，Pini≤P

BC段：裂缝失稳阶段，P=Pun时裂缝失稳.普通混凝土试件的裂缝口张开位移由CMODun扩展到0.2mm大约需要30s，而PBPCAC大约需要15s.PBPCA的掺加相当于在硬化水泥浆中引入了孔隙，硬化水泥浆强度降低，所以PBPCAC的裂缝失稳阶段经历的时间变短.

3.2 双K断裂参数的确定与计算方法

图6 珍珠岩基相变骨料混凝土P-ε曲线Fig.6 P-ε curves of PBPCAC

3.3 珍珠岩基相变骨料掺量对混凝土双K断裂参数的影响

表1为混凝土断裂参数计算结果.ac是试件发生失稳断裂破坏时对应的裂缝长度，其值越大，试件的韧性就越好.由表1可见：当PBPCA的掺量(体积分数，下同)为10%时，PBPCAC的ac值几乎与普通混凝土的一致；当PBPCA的掺量增加到15%时，PBPCAC的ac值略有降低.从整体上看，PBPCA的掺量对混凝土的临界有效裂缝长度影响很小.

表1 混凝土断裂参数计算结果Table 1 Calculated results for fracture parameters of concrete

Note:There are four PC-15 PCESAC specimens, because one of the five specimens is broke during production process; The mark “*” means that the data is not available.

由表1可知，PBPCA的掺量对混凝土的断裂韧度影响较小.由于PBPCA等体积取代混凝土中的砂所引起的混凝土骨料体积变化非常有限，所以PBPCAC的断裂韧度与普通混凝土的相同，这与张立新等[10]的研究结果一致.另外，PC-10混凝土的失稳裂断韧度比普通混凝土有所提高，可能是因为试件数量较少，数据离散性大造成的，还有待进一步的研究.由表1还可见，PBPCAC的起裂荷载与失稳荷载之比(Pini/Pun)高于普通混凝土，PBPCA的掺量越大，该值越大，即试件越难开裂，这与PBPCAC试件起裂所用时间较长的试验结果一致.

混凝土的拉压比(ft/fc)可以反映混凝土的韧性，ft/fc越大，韧性越大.PC-10和PC-15混凝土的ft/fc分别为0.071和0.076，其值在普通混凝土ft/fc范围内[11]，所以掺加PBPCA后造成的混凝土韧性损失很小.

4 结论

(1)珍珠岩基相变骨料混凝土的断裂过程与普通混凝土相似，分为裂缝产生、裂缝发展和裂缝失稳3个阶段，但其裂缝产生过程较普通混凝土长，裂缝失稳过程较普通混凝土短.

(2)珍珠岩基相变骨料的掺加对混凝土的临界有效裂缝长度影响较小，当其掺量为15%时，临界有效裂缝长度小幅降低；珍珠岩基相变骨料混凝土的断裂韧度与普通混凝土基本相同.

(3)与普通混凝土相比，珍珠岩基相变骨料混凝土不易起裂，起裂断裂韧度与失稳断裂韧度的比值与普通混凝土一致，拉压比在普通混凝土范围之内.说明珍珠岩基相变骨料的掺加明显改变混凝土的延性和韧性.

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