铁尾矿砂混凝土受压作用下破坏演化特征

姚 汐

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

铁尾矿砂属于废弃资源长期堆积，累计量约为600 亿吨，占用土地，污染环境。随着混凝土工程对天然砂资源需求加大，铁尾矿砂资源二次利用具有很大前景。围绕铁尾矿砂混凝土抗压强度、抗渗性等工作性能，研究者展开相关大量研究。利用尾矿砂取代部分天然砂，不仅有利于改善混凝土骨料颗粒级配，更有利于提高混凝土的强度[1-6]。

宋少民研究证实，混凝土在掺入铁尾矿砂后密实性与抗渗性均得到改善[7-9]。目前对铁尾矿砂混凝土的研究主要集中于抗压强度、弹性模量、抗渗性等单一性能指标进行测试及优化，针对试样平面应变研究则很少见报道。本文利用VIC-3D技术对比尾矿砂混凝土与天然砂混凝土加载过程平面应变特征，分析两种试样受压后的损伤破坏过程。

1 试验概况

1.1 试验材料

（1）胶凝材料：水泥采用P.L.H.32.5 低热硅酸盐水泥（抚顺水泥有限公司生产）；富余系数1.13，水泥密度3 100kg/m3，执行标准GB200-2003。

（2）铁尾矿砂：采用辽宁丹东铁尾矿，细度模数2.21～2.70，表观密度2860kg/m3，其中SiO2含量74.36%，Fe2O3含量9.26% ，Al2O3含量5.75%，CaO 含量3.78%，MgO 含量2.98%，K2O 含量1.37%，CO2含量1.2%，Na2O 含量0.87%，Ti2O 含量0.43%。

天然水洗砂：表观密度2562kg/m3.堆积密度为 1410kg/m3，主要是岩石颗粒组成，压碎值10%，其细度模数为2.69～3.10,铁相矿物5%～10%，含水率1%，颗粒级配良好。对尾矿砂与天然砂进行粒径试验，分析两种砂的颗粒级配，试验结果见图1 天然砂。

混合砂：铁尾矿砂与天然砂按照2:3 比例混合，细度模数1.9～3.1,表观密度2696 kg/m3。

图1 混凝土细集料级配曲线

由图1 可以看出，两种砂级配曲线符合建筑用砂规范Ⅱ区标准，天然砂颗粒主要集中在0.3～2.36mm 之间，混合砂颗粒主要集中在0.15～2.36 之间,在0.075～0.3 之间，混合砂比之天然砂较多，两种砂虽同处于JGJ52-2006Ⅱ标准级配区间内，但混合砂整体细度模数小于天然砂。

（3）粗骨料：天然卵石堆积密度710kg/m3，表观密度2677kg/m3

2 试样制作及试验方法

2.1 试样制作

试验制作两组混凝土试样根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[10]，试样规格为100×100×100 mm的立方体试块，浇筑12h后脱模，置于20℃，湿度≧95%，的环境中养护28d。天然砂混凝土与铁尾矿砂混凝土配合比，水、水 泥、 尾 矿 砂、 天 然 砂、 卵 石， 分 别225,450,0,665 ， 1069kg/m3；225,450,262,393,1069kg/m3。

2.2 单轴抗压

采用微机控制电液伺服压力试验机，配备有自动数据采集系统，满足系统加载精度以及混凝土试块位移变化的稳定测量[11]。试样达到养护龄期，取出试块去除试样表面杂质，置于压力机承压板中心，对试样竖直方向加压至试样破坏。

2.3 VIC—3D 数字图像分析系统测试方法

抗压试验前，在试样外表面喷涂散斑，试验中采用VIC—3D 图像追踪系统，分析软件根据试样表面散斑状态，绘制即时应变云图。依据受压过程散斑变形特征，分析混凝土裂缝萌生扩展过程。

3 试验结果分析

3.1 铁尾矿砂对混凝土抗压强度的影响

抗压强度试验得出结果，常规天然砂混凝土立方体抗压强度为30.1MPa，弹性模量3.02×104MPa，铁尾矿砂混凝土立方体抗压强度为36.9MPa，3.24×104MPa。试验结果表明掺入40%铁尾矿砂可明显提高混凝土强度，颗粒大部分处于0.075～0.15mm 之间，多棱角，铁相矿物与石粉成分含量高，属于坚硬成分，对混凝强度有利。按照一定比列与天然砂混合后，可填充天然砂颗粒之间孔隙，优化混凝土的密实度，使得混凝土内摩擦阻力增大，达到增加混凝土抗压强度的效果。

3.2 VIC—3D 数字图像技术下混凝土破坏过程

3.2.1 两种试样单轴抗压横纵方向应变

通过VIC—3D 图像数字系统分析软件，在两种类型试样表面竖直方向与水平方向设置两条直线E0E1，见图3（a）图4（a）；VIC—3D 系统可根据照片像素点的变化，分析出试样在整个受压过程中E0E1两条横纵线上的应变，根据两条线的应变，可计算两种混凝土试样整体水平与竖直方向的应变。

图2 两种混凝土单轴抗压横纵线时间应变

天然砂混凝土在0～30s 横纵线应变较小，且均处于缓慢增加状态，30s～45s内斜率均发生变化，应变速率增大，50s 应变急剧增大，斜率趋于无穷大,这表明在试样E0E2线上出现裂纹天然砂混凝土处于破坏阶段；铁尾矿砂混凝土在0～75s内，横纵线应变较小，应变呈线型缓慢增加，80s 以后斜率斜率趋于无穷大，E0E1应变急剧增大，表明试样E0E1线上出现裂纹，铁矿砂混凝土处于破坏阶段。从图2 可看出尾矿砂混凝土抗压应变性能明显高于天然砂混凝土，线上的裂纹萌生晚于天然砂混凝土。

3.2.2 混凝土破坏过程应变云图

从萌生裂纹到被压碎，是混凝土受压破坏的必经过程，但是在混凝土受压到破坏期间，光靠压力机难以记录整个过程的数据[10]，采用VIC—3D 可观测试样从加载到压碎破坏完整周期。天然砂混凝土受压状态下表面竖直Y 方向应变云图见图3。

图3 天然砂混凝土破坏应变过程云图

图3 中右侧颜色应变轴可判断应变大小。eyy 代表试样y 方向应变，颜色越是接近紫色应变越大，越接近红色应变越小。应变越大说明该区域骨料间压应力也会越大，本试验中应变较大的紫色区域定义为混凝土相对薄弱区域。

试样未加载时，图中区域均为绿色，表示应变为0，试样并未受到压缩，见图3（a）；加载30s 时应变区间0.45～-8.7‰应力云图颜色变化明显试样处于受压过程，图中绝大部分区域应变处于-0.70～-4.1‰之间，试样左下方出现两处压应变较大的紫色区域对应应变值为-7.0～-8.7‰，见图3（b）；加载60s 时应变区间为0.0～-13.4‰，根据颜色轴可知，试样中心区域出现部分深蓝区域应变值增加为-6.043～-7.431‰，原有左下方薄弱区域应变值为-10.0～-13.4‰，紫色区域箭头指向处最先出现细小裂纹，将两块最为薄弱的紫色区域贯通，图中箭头所指方向为裂纹，见图3（c）。加载80s 时应变区间为0.20～-18.0‰，试样中心深蓝区域变为紫色并出现微裂纹应变值变为-13.4～-18.0‰，表明该区域承受应力达到极限，骨料之间产生相对位移，试样中心及左下方三处紫色区域的裂纹延伸相互贯穿，最终形成贯穿性裂缝试样破坏，见图3（d）。

图4 铁尾矿砂混凝土破坏应变过程云图

图4 为铁尾矿砂混凝土受压破坏过程竖直Y 方向应变云图，颜色轴eyy 表示应变值，0s 时整个区域显示绿色试样未受压，见图4（a）；加载50s 应变区间为-0.1～-3.6‰，应力云图大部分区域应变值处于-0.1～-2.1‰呈现橙、黄、绿，试样上部边缘区域及右上方边缘小片区域颜色较深，试样上方，右上方边缘及试样中心，出现三处应变值范围达到2.7～-3.6‰的薄弱区域，见图4（b）。加载100s 时应变区间为-0.3～-6.5‰，最初试样上方边缘两处应紫色色区域转变为绿色与橙色应变值变为-5.0～-7.6‰，这说明在混凝土受压过程中应力传递并不均匀从而出现应力重分布现象，云图右上方边缘紫色区域应变进一步劣化为-9.5～-10.8‰，应力云图除原有紫色区域外，又出现一处深蓝色应变为-6.9～-8.9‰薄弱区域，见图4（c）；140s 时应变区间为-0.2～-15.4‰云图中多处出现相比其它区域应变较大的紫色、深蓝色薄弱区域，应变范围处于-8.25～-12.90‰，并且裂纹沿着这些区域扩展，形成完整的贯穿性裂缝，混凝土变形错位严重试样破坏，见图4（d）。

通过混凝土受压破坏过程应变云图显示，常规混凝土从60s 左右开始裂纹萌生，到80s 左右时裂纹延伸形成贯穿性裂纹试样破坏，铁尾矿砂混凝土100s 左右微裂纹萌生，到140s 左右裂纹演化为贯穿性裂纹试样破坏，可看出铁尾矿砂混凝土抗压应变性能明显优于天然砂混凝土，两种混凝土强度不同裂纹演化规律却基本相同。混凝土离散型较大属于各向异性材料，同一个面存在多处薄弱区域。

综上所述：可以将天然砂混凝土与铁尾矿砂混凝土破坏分为三个阶段：

（1）从加载起初一段时间，试样分析区域应变整体分布相对均匀，应变值较小，试样处于初步压缩状态。

（2）随着荷载增加，由于混凝土离散性较大，粗细骨料之间应力传递越发不规则，试样出现多处局部应力集中区域。

（3）最大集中应力区域为混凝土抗压薄弱区域，最先萌生裂纹，随着压应力增大裂纹扩展延伸，贯穿其它几处薄弱区域，最终形成贯穿性裂缝，混凝土破坏。

4 结论

（1）在相同水灰比、砂率情况下，掺入40%铁尾矿砂混凝土强度优于天然砂。

（2）铁尾矿砂混凝土破坏形式是局部到整体的破坏。混凝土受压过程应力传递不规律导致应集中是试样破坏的主要原因。

（3）试验从裂纹出现到破坏用时间极短没有明显预兆属于脆性破坏。