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碱激发混凝土单双轴压强度和变形特性研究

2020-03-12王怀亮

建筑材料学报 2020年1期
关键词:包络线双轴试块

王怀亮

(1.广西大学 土木建筑工程学院, 广西 南宁 530004;2.广西大学 工程防灾与结构安全教育部重点实验室, 广西 南宁 530004;3.大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室, 辽宁 大连 116024)

碱激发混凝土(alkali-activated concrete,AAC)是用具有火山灰活性的硅铝酸盐类矿物与碱性激发剂反应而形成的一种新型建筑结构材料[1-3].该材料具有制备工艺简易、能耗低、早硬快强以及固体废弃物可规模化综合利用等优点,已被广泛应用于建造装配式结构、构件和既有结构物的维修加固中.工程结构中的混凝土大多处于二向或三向的复杂应力状态下,由于混凝土多轴强度与单轴强度差异很大,研究复杂应力状态下混凝土力学性能对优化结构设计、节省材料具有重要的意义[4-10].然而,目前尚未见到AAC在多轴应力状态下的强度及本构关系研究.由于AAC与传统水泥混凝土的胶凝材料形成机理完全不同,为进行碱激发混凝土结构、构件设计和分析,十分有必要研究其多轴强度及本构关系.

鉴于此,本文选取普通骨料碱激发混凝土(NAAC)和轻骨料碱激发混凝土(LAAC)试块为研究对象,进行了单双轴抗压强度和变形特性的试验研究,并与对应的传统普通骨料水泥混凝土(NWC)和轻骨料水泥混凝土(LWC)的单双轴力学特性进行对比分析,探讨了碱激发混凝土双轴强度包络线和应力-应变全曲线的特征,为新型碱激发混凝土结构和构件的安全设计和全过程非线性有限元分析提供试验和理论依据.

1 试验

1.1 原材料和配合比

传统水泥混凝土用原材料为:P·O 42.5普通硅酸盐水泥(C,物理力学性能如表1)、硅粉(SF,SiO2含量(1)文中涉及的含量、减水率等均为质量分数.为85%~90%)、自来水、天然河砂(粒径为1.25~5.00mm)、石灰岩碎石(粒径为5~ 20mm)、烧结粉煤灰陶粒(800级,粒径4~16mm)和聚羧酸减水剂(SP,减水率为40%),配合比如 表2 所示.碱激发混凝土用原材料为:高炉矿渣粉(GGBFS,比表面积为494.5m2/kg,平均粒径为5.94μm)、Ⅰ级粉煤灰(FA)、氢氧化钠(分析纯粉状固体,纯度≥96%,配置成12mol/L的溶液)、硅酸钠(WG,分析纯Na2SiO3·9H2O,模数为1.03,SiO2含量为 19.3%~ 22.8%),以及与传统水泥混凝土相同的粗细骨料、拌和水和减水剂,配合比及表观密度如表3所示.

表1 P·O 42.5水泥的物理力学性能

表2 传统水泥混凝土配合比和表观密度

表3 碱激发混凝土配合比和表观密度

4种混凝土单双轴压试验均采用100mm× 100mm ×100mm立方体试块,并均先在标准养护室内养护28d,再在室温条件下放置90d后进行试验.由表2、3中的混凝土试块28d表观密度可以看出,LWC和LAAC均能达到轻质混凝土的密度要求.

1.2 加载程序

单双轴压试验均在TAWZ-5000/3000高压伺服静动真三轴试验机上进行.该试验机采用整体框架结构,3个相互垂直的方向上都具有独立的液压伺服加载作动器,其中垂直方向(Z轴)最大试验力为5000kN;水平方向(X轴和Y轴)最大试验力为3000kN.

单双轴压试验在曲线上升段采用荷载伺服控制,曲线下降段采用位移伺服控制,设定加载位移速率为0.004mm/s.试验前,需对试块受压面进行打磨处理,以保证试块立方体抗压强度大致与其轴心抗压强度一致[5-10].

X轴、Y轴和Z轴分别对应主应力σ2、σ1和σ3方向.本文规定拉应力和拉应变为正,且-σ1≤-σ2≤-σ3,试验选取的6种应力比(α=σ2∶σ3)为0∶1(单轴压)、0.10∶1、0.25∶1、0.50∶1、0.75∶1和 1.00∶ 1.每组试验包含3个试块,当某一试块的强度值大于该组平均值的15%时,舍弃该数据并补充新试块重新试验,以保证数据的可靠性.混凝土试块的变形量通过高精度位移传感器(LVDT)进行测量,在试块的加载方向和非加载方向上均布置2套LVDT,将相对两面所测变形取平均值,由此得到试块3个方向上的变形量.

1.3 扫描电镜微观测试

扫描电子显微镜(SEM)图像分析用于确定试样表面裂缝、水化产物和界面区域微观结构.对单双轴抗压试验后的各混凝土试块进行切割和研磨,取出长度约为15mm的小立方体样品.采用日本电子株式会社的JEC-560高性能离子溅射仪对试样进行喷金处理,而后用FEI-Quanta 450FEG(德国Carl Zeiss显微镜有限公司)选择合适的束斑值,采用加速电压2.0kV对混凝土试样进行扫描电镜观察.

2 试验结果及分析

2.1 试块破坏形态和微观形貌

混凝土试块在单双轴压试验后的破坏形态如 图1 所示.由图1可见:所有混凝土试块单轴受压时,主应力方向受压压缩,横向产生拉应变,均表现为柱状破坏;NAAC和LAAC试块在单轴压作用下表现出很大的脆性破坏,所产生的碎片明显多于相应的传统水泥混凝土;双轴压作用下,不同类型混凝土试块的破坏形态比较接近,多为斜剪破坏形式,试块在σ2和σ3的共同作用下产生剪切裂纹,裂缝面与σ3成15°~30°夹角.从断裂面破坏情况可以发现,NWC和NAAC的破坏基本上从骨料-胶凝材料界面处断裂,粗骨料无断裂现象,而LWC和LAAC的断裂面上有大量轻骨料被拉断,这与文献[5-10]中的试验现象相类似.

利用SEM观测各混凝土胶凝材料-粗骨料界面过渡区(ITZ)的微观形貌,如图2所示.由图2(a)、(b)可以看出,硅酸盐水泥胶凝材料与粗骨料颗粒之间存在着明显的ITZ,厚度为20~ 100μm ,与水泥浆体相比,ITZ的不均匀结构和初始收缩裂缝使其成为传统水泥混凝土的薄弱环节,对传统水泥混凝土的力学性能有着重要影响.NWC中粗骨料(石灰石)比较坚硬,受压时裂缝主要沿界面层扩展;而轻骨料颗粒存在很多孔隙,弹性模量和刚度低于水泥砂浆,更易破碎,受压时裂缝直接穿过轻骨料.另外,轻骨料颗粒的高吸水性致使ITZ孔隙率增加,所以在相同配合比和养护制度条件下,LWC性能等级要低于NWC.

由图2(c)、(d)可见,对于碱激发混凝土,无论粗骨料是石灰石还是粉煤灰陶粒,其ITZ结构都较传统水泥混凝土致密.原因是碱激发粉煤灰-矿渣复合基胶凝材料与粗骨料有更好的黏结力,并且碱激发混凝土基体中因聚合反应生成了大量的非晶硅铝酸盐凝胶体,未反应的粉煤灰颗粒可以填充胶凝材料孔隙;碱激发混凝土的基体和ITZ中的孔洞尺寸均比传统水泥混凝土基体中的孔洞尺寸小很多,结构也更加均匀和密实.这从微观结构角度解释了不同胶凝材料混凝土宏观力学性能的差异.大量力学性能试验[1,3,11]表明LAAC和NAAC均比对应的传统水泥混凝土脆性大,但拉压强度比即品质等级要高于传统水泥混凝土.

2.2 应力-应变关系曲线

由于试验用传统水泥混凝土NWC和LWC的水胶比不同,碱激发混凝土NAAC和LAAC的碱溶液浓度不同,它们的单轴抗压强度fc有一定的差别,其fc值分别为37.3、40.3、48.3、 34.6MPa.图3对比了单轴压应力状态下4种混凝土的应力-应变(σ-ε)全曲线和应力-体积应变(σ-εV)曲线,图中纵坐标使用了归一化主压应力σ3/fc.由图3(a)可见,碱激发混凝土应力-应变曲线上升段的线性段范围大于相应的传统水泥混凝土.混凝土裂缝非稳定扩展阶段开始的标志为体积压缩变形达到极限值,体积压缩转变为体积膨胀,这一应力临界点一般称为应力不连续点.由 图3(b) 可见:NWC应力不连续点处于峰值应力的50%左右,NAAC的应力不连续点处于峰值应力的80%左右,LWC和LAAC的应力不连续点分别处于峰值应力的90%和92%;2种轻骨料混凝土应力不连续点所对应的最大体积压缩应变值大于普通骨料混凝土,说明LAAC与LWC一样,其压缩变形要大于普通骨料混凝土;另外,LAAC的收缩变形略大于LWC,这是由于本研究使用的LAAC中轻骨料含量较高.从应力-应变全曲线的下降段以及应力-体积应变曲线的峰后软化段可以看出,碱激发混凝土单轴压应力-应变曲线峰后软化段下降速度很快,其脆性破坏特征更为显著.文献[12]认为养护温度和热养护时长能够显著影响碱激发混凝土的抗压强度、断裂能和单轴受压本构模型参数,因此适合预测标养条件下传统水泥混凝土应力-应变关系曲线的本构模型并不适用于碱激发混凝土;文献[13]对比了粉煤灰基碱激发混凝土和高炉矿渣基碱激发混凝土的受压应力-应变曲线,发现高炉矿渣基碱激发混凝土在峰值应力以后迅速发生脆性破坏,下降段韧性最低,而粉煤灰基碱激发混凝土一般需要热养护才能达到设计强度,且下降段与传统水泥混凝土区别不大.分析其微观机理可以发现,与硅酸盐水泥胶凝材料的C-S-H、CH等无机小分子结构组成的硬化体相比,高炉矿渣粉的钙含量比粉煤灰高,在碱激发混凝土胶凝材料中不仅形成了铝硅酸盐水合物凝胶体(C-A-S-H凝胶),还形成了铝硅酸钠水合物凝胶体(N-A-S-H凝胶),因此高炉矿渣粉掺量的增加会提高碱激发混凝土的脆性,同时也提高了室温养护条件下碱激发混凝土的抗压强度.本文采用的粉煤灰-磨细高炉矿渣复合基体的碱激发混凝土在室温条件下养护,也能达到与传统水泥混凝土相同或者更高的抗压强度,只要对峰后软化段曲线特征参数进行适当修正,用于传统水泥混凝土的应力-应变全曲线模型同样可以用于本文的2种碱激发混凝土.

图1 混凝土试块单双轴压试验后的破坏形态Fig.1 Failure modes of concrete specimens after uniaxial and biaxial compression test

图2 胶凝材料-粗骨料ITZ微观结构Fig.2 Microstructure of ITZ between binder and aggregate

图3 混凝土试块单轴压应力-应变全曲线和应力-体积应变曲线对比

每种混凝土选取4种应力比,绘出各组试块单双轴压应力-应变曲线,见图4.由图4可见:单轴压下LWC和LAAC的横向峰值应变大于轴向峰值应变,这说明轻骨料混凝土的横向膨胀变形大于普通骨料混凝土.由图4还可见,AAC应力-应变曲线下降段比传统水泥混凝土更陡,下降速度更快,这说明双轴压应力状态下AAC的脆性依旧比较大.从前文所述的AAC破坏面和微观分析可知,地聚物砂浆体与粗骨料之间有优异的界面黏结性能,AAC在双轴压作用下的破坏往往是由于粗骨料发生了剪切破坏,加载过程中应力从加载位置向内部快速传递,峰值荷载后应力降低和消散速度加快,依旧表现出较大的脆性.

图4 混凝土试块单双轴压应力-应变曲线

2.3 极限强度和变形

图5为不同类型混凝土的双轴压强度包络线.由图5可见:4种混凝土在双轴压荷载作用下的极限强度较单轴压极限强度有所提高,提高程度取决于应力比α=σ2/σ3.4种混凝土强度包络线形状有一定区别:对于NWC和LWC,其强度包络线近似为细长椭圆形,与Kupfer等[14]和Hussein等[15]试验得到的中低强度水泥混凝土双轴破坏包络线类似;而NAAC和LAAC的强度包络线接近圆形,非常类似于Hussein等[15]以及Hampel等[4]得出的高强、超高强普通骨料混凝土双轴压强度包络线.在低应力比条件下,所有混凝土双轴压强度相对值比较接近;但在高应力比条件下,由于胶凝材料和骨料类型的不同,AAC试块的双轴极限抗压强度提高值明显低于传统水泥混凝土试块.这是由于AAC破坏具有明显的硬脆特征,类似于高强和超高强水泥混凝土,而混凝土材料的“硬脆”属性越显著,其双轴压强度提高越少,强度包络线形状越接近圆形.另外,混凝土内部初始微裂纹的数量和扩展速度影响混凝土的相对双轴抗压强度,传统水泥混凝土骨料和砂浆界面处存在较多的初始缺陷(见图2),双轴压下侧向压力的约束作用对裂纹的扩展起到了抑制效应,延缓了裂纹的连续扩展,延长了裂纹扩展周期,因此传统水泥混凝土双轴抗压强度增大倍数比较高;AAC具备独特的无机缩聚三维氧化物网络结构、致密的内部结构、与粗骨料间优异的界面黏结性能,初始裂纹数量低于传统水泥混凝土,侧向压力对双轴压强度提高倍数的影响程度低于传统水泥混凝土.

图5 混凝土试块的双轴压强度包络线Fig.5 Biaxial compressive strength envelope of different types of concrete specimens

图6 混凝土试块双轴压峰值应变与应力比的关系

图6为混凝土试块双轴压峰值应变与应力比的关系.由图6(a)可见:4种类型混凝土非加载方向的横向峰值应变ε1p始终为拉应变,随着应力比α的增加大致呈线性增长,但不同类型混凝土的增长趋势不同;同一应力比条件下,AAC的ε1p略低于水泥混凝土,而轻骨料混凝土的ε1p在单轴压条件下大于普通骨料混凝土,但随着侧向压力的增大,轻骨料混凝土的ε1p小于普通骨料混凝土,这与受压试块的破坏形态基本一致.由图6(b)可见,4种类型混凝土侧压向峰值应变ε2p随着应力比的增加大致呈线性下降趋势,由单轴压时的拉应变逐步变成压应变,拉压应变转折点大致在α=0.25附近.由图6(c)可以看出:同一应力比条件下,轻骨料混凝土主压向峰值应变ε3p要高于普通骨料混凝土;AAC的主压向峰值应变ε3p略高于传统水泥混凝土;随着应力比的增长,4种类型混凝土的ε3p先增后减,在α=0.25时,ε3p提高值最大;轻骨料混凝土的ε3p在单轴和低应力比条件下远大于普通骨料混凝土,但随着应力比的增大,越来越接近普通骨料混凝土.

3 破坏准则

Kupfer-Gerstle准则[14]为目前最常用的混凝土双轴强度准则.本文采用相类似的破坏包络线方程,得到以下双轴压强度准则表达式:

(1)

式中:k和m为回归参数.

对强度试验数据进行统计回归,分析得出不同种类混凝土的回归参数k,m及相关系数r,列于表4.

表4 不同种类混凝土双轴压破坏准则回归系数

图7 混凝土试块双轴压试验值与强度准则计算值 比较曲线Fig.7 Comparison of theoretical strength criteria computed values and tested values for different types of concrete specimens

图7为混凝土试块双轴压试验值与强度准则计算值比较曲线.由图7可以看出:Kupfer-Gerstle包络线方程经过修正,采用如表4所示的回归系数后,能统一描述NWC、LWC、NAAC和LAAC的双轴压强度规律;具有“硬脆”属性、强度高的AAC强度包络线在传统水泥混凝土的强度包络线内侧,说明碱激发混凝土的双轴压强度提高倍数小于传统水泥混凝土;所有类型混凝土双轴抗压强度最大值均发生在应力比α=0.50左右,这些与试验值均比较吻合.

4 结论

(1)LAAC和LWC在破坏时均表现出很大的脆性,试块断面处的大部分轻骨料被切断;SEM结果表明,AAC骨料-地聚物砂浆界面过渡区微观结构更加均匀和致密,其品质性能要优于传统水泥混凝土.

(2)4种混凝土试块在双轴压荷载作用下的强度和峰值应变随应力比α而变化,其中强度在α=0.5左右时取得最大值,主压应变在α=0.25左右时取得最大值.应力比α对AAC抗压强度和变形的提高作用要比传统水泥混凝土小,在同一应力比下,LAAC和LWC强度提高值也低于NAAC和NWC,AAC主压向峰值应变ε3p略高于传统水泥混凝土,脆性高于传统水泥混凝土.

(3)根据本文试验数据,分别建立了不同胶凝材料和骨料类型的混凝土破坏准则,发现对Kupfer-Gerstle破坏准则进行适当修正后,可以用于AAC的多轴强度计算,也可满足工程计算要求.

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