自燃煤矸石粗集料取代率对混凝土断裂韧性的影响

杨尚谕, 周 梅,2, 张玉琢, 张院强, 张渤群

(1.辽宁工程技术大学 土木工程学院, 辽宁 阜新 123000; 2.辽宁工程技术大学 辽宁省煤矸石资源化利用及节能建材重点实验室, 辽宁 阜新 123000; 3.沈阳建筑大学 土木工程学院, 辽宁 沈阳 110168)

以工业固体废弃物取代天然砂、石配制混凝土,已成为目前缓解混凝土集料短缺行之有效的方法之一.中国矿区堆存的煤矸石中有40%左右适合烧制轻集料,有10%左右的过火煤矸石(即自燃煤矸石)经破碎筛分后可直接制备轻集料.自燃煤矸石作为一种轻集料,以其质量轻、易开采、价格低廉等特点,在轻集料家族中占有一席之地[1].近年来,国内许多学者对自燃煤矸石集料混凝土进行了大量研究,如陈本沛等[2]对不同煤矸石集料混凝土强度进行了研究；周梅等[3-4]研究了自燃煤矸石集料吸水率对混凝土拌和物工作性和强度的影响；王栋民等[5]对自燃煤矸石集料混凝土的抗腐蚀性能进行了研究；段晓牧[6]从材质特性角度对煤矸石集料混凝土基本性质进行了研究.但各地煤矸石因地质成因和自燃程度不同造成其材质出入较大,至今在工程应用方面也没有形成规范.事实上在世界许多国家,自燃煤矸石集料在路基、路面中的应用较普遍,也有许多成功实例.作为路基、路面材料,混凝土的抗弯性能尤为重要,其中度量混凝土韧性好坏的断裂韧性将直接影响其结构的安全性.Xu等[7]认为混凝土断裂韧度与粗集料的桥连作用有关,即粗集料对起裂断裂韧度和失稳断裂韧度是有贡献的.Elices等[8]认为粗集料与水泥石基体强度的差异,导致其在混凝土断裂过程区破坏形式不同,进而对断裂能产生影响.但鲜见“固废粗集料”混凝土断裂韧性的研究报道.本文对不同自燃煤矸石粗集料取代率下混凝土断裂性能进行试验研究,以期为“固废粗集料”混凝土的科学设计与制备理论提供参考.

1)本文涉及的掺量、减水率等均为质量分数.

混凝土韧性包括断裂韧性和弯曲韧性,本文研究的是断裂韧性.采用DL/T 5332—2005《水工混凝土断裂试验规程》中混凝土三点弯曲梁试验,通过观察切口试验梁中裂缝的扩展状态,判定混凝土经历的裂缝起裂、稳定扩展、失稳扩展3个阶段的裂缝发展特征.通过实测荷载-裂缝张开口位移曲线及荷载-跨中挠度曲线,计算断裂韧度、断裂能、特征长度及延性指数等参数;基于图像处理技术,在水平投影方向对混合粗集料在断裂面的分布及其破坏方式进行分析;鉴于断裂面具有分形特征,通过对断裂面形貌进行三维重构,计算出分形维数来表征粗集料表面粗糙度,以揭示自燃煤矸石粗集料取代率对混凝土断裂性能的影响规律.

1 试验

1.1 原材料

胶凝材料采用阜新大鹰牌P·O42.5普通硅酸盐水泥、Ⅱ级粉煤灰及S95矿渣粉;细集料采用Ⅱ区砂,细度模数3.1;粗集料采用当地石灰岩碎石(NCA)及自燃煤矸石(SGCA),其主要技术指标见表1;减水剂为聚羧酸高效减水剂,掺量1)为2.0%～2.5%时,减水率为20%;水采用普通自来水.

1.2 试件设计

混凝土设计强度等级为C35,保证配合比中胶凝材料组成和用量、水胶比、砂率均相同,自燃煤矸石粗集料取代率R(以粗集料总质量计)分别为0%、25%、50%、75%、100%,对应混凝土试件编号依次为PT、MG25、MG50、MG75、MG100,其中取代率为0%的普通混凝土作为基准组.每组设计6根尺寸为100mm×100mm×515mm的混凝土试验梁,有效跨度为400mm,缝高比为0.4.在跨度和初始缝高比恒定的前提下,对标准养护28d的预制裂缝梁试件进行三点弯曲试验.预制裂缝由固定于试模的塑料板预埋而成,板厚4mm、尖角角度30°,预制裂缝长度为40mm.另外,每组配合比下同时成型了6块尺寸为100mm×100mm×100mm的立方体试件和3块尺寸为100mm×100mm×300mm的棱柱体试件,分别用于测试混凝土抗压强度、劈拉强度和弹性模量，结果取平均值.混凝土配合比及其基本力学性能试验结果见表2.

表1 粗集料主要技术指标

表2 混凝土配合比及其基本力学性能试验结果

1.3 加载方案及测试内容

试验在WAW-300系列微机控制电液伺服万能试验机上进行,为保证试验稳定进行及数据采集准确,采用位移加载控制,加载速率设置为0.1mm/min.跨中挠度由试验机自带位移传感器采集,预制裂缝张开口位移由改装后的YYU-5/50夹式位移计采集,在试件预制裂缝尖端的两侧布置应变片，用来测试裂缝发展情况,切口梁截面尺寸、缝高和应变片布置示意图见图1.试验过程中用电脑自带Smartest系统与东华DH3817K型动态应变采集仪实时记录荷载(F)、裂缝张开口位移(CMOD)、跨中挠度(δ)以及应变(ε).

图1 切口梁截面尺寸、缝高和应变片布置示意图Fig.1 Diagram of section size, incision depth and strain gauge arrangement of test beam(size:mm)

2 断裂参数确定及图像处理方法

2.1 断裂参数确定方法

(1)

(2)

Du=Gf/Fun

(3)

式中：W0为施加在试件跨中的外力所做的功(外力功),即F-δ曲线所围成的面积;Wg为两支座间试件以及附加仪器自重所做的功(重力功);Alig为试件断裂面净面积;δmax为试件破坏时跨中挠度最大值;mg为两支座间试件以及附加仪器的2倍自重;E为弹性模量;ft为抗拉强度.

2.2 图像处理方法

为减小混凝土表面初始缺陷对观察裂缝发展路径时造成的干扰,运用Matlab软件进行编程,通过灰度法、二值法等提取裂缝发展路径,得到各自燃煤矸石粗集料取代率下混凝土裂缝形态特征，见图2.

图2 混凝土裂缝形态特征Fig.2 Morphological characteristics of concrete cracks

运用Photoshop软件对试件断面照片中的粗集料进行提取[13],并对2种粗集料进行标识区分,见图3.其中,黑色区域代表天然碎石(NCA),黑色网格部分代表其断裂破坏面;白色区域代表自燃煤矸石(SGCA),白色网格部分代表其拔出破坏面.运用Matlab软件计算水平投影断面上混合粗集料与断裂带净面积水平投影之比(PM)、自燃煤矸石与混合粗集料水平投影面积之比(PSGCA)、混合粗集料中发生断裂破坏的集料比例(PMF)、天然碎石中发生断裂破坏的集料比例(PNCAF)以及自燃煤矸石中发生断裂破坏的集料比例(PSGCAF).

图3 水平投影断面示意图Fig.3 Diagrams of horizontal area projection fracture surface

采用数字重构方法[14],将断面均匀涂抹1层白漆,自然晾干后浸入深浅适中的红色溶液中,调整好光线强弱以及相机与试件高度后拍照,导入Matlab软件进行编程,通过建立灰度值与实际高差的关系,对各取代率下混凝土试件断面形貌进行三维重构,见图4.通过尺码法计算断面面积,依据分型理论,采用式(4)建立断面面积与其对应尺码之间的联系,以此求得分形维数D.

lnST(r)=(2-D)lnS0r

(4)

式中：r为尺码;ST(r)为尺码r下计算的断面面积;S0为常数.

图4 三维重构后断面示意图Fig.4 Diagrams of the fracture surface after three-dimensional reconstruction

3 结果与分析

3.1 断裂特征分析

不同取代率下自燃煤矸石粗集料混凝土抗弯破坏过程与普通混凝土相似,均经历了裂缝起裂、稳定扩展和失稳扩展3个阶段.随着自燃煤矸石粗集料取代率的增大,裂缝发展路径表现出由弯曲扩展向竖直扩展转变的趋势,见图2.由于试件高度只有100mm,当裂缝处于稳定扩展阶段时,肉眼很难判断裂缝的扩展变化趋势,但从试件典型的F-ε曲线(见图5)上可观测到应力滞回现象.在失稳扩展阶段,肉眼即可观察到裂缝迅速扩展,并在较短时间内贯穿截面,而且自燃煤矸石粗集料取代率越大,裂缝贯穿截面所用时间越短.图6、7分别为试件典型的F-CMOD曲线与F-δ曲线.从图6、7可以看出,随着自燃煤矸石粗集料取代率的增大,F-CMOD曲线与F-δ曲线上升段斜率减小,失稳荷载Fun降低,Fun所对应的位移有增大的趋势,并且曲线尾部缩短.

图5 试件典型的F-ε曲线Fig.5 Typical F-ε curve of specimen

图6 试件典型的F-CMOD曲线Fig.6 Typical F-CMOD curves of specimens

图7 试件典型的F-δ曲线Fig.7 Typical F-δ curves of specimens

3.2 断裂韧度分析

表3为不同自燃煤矸石粗集料取代率下混凝土的韧性参数.

表3 不同自燃煤矸石粗集料取代率下混凝土的韧性参数

3.3 断裂能等参数分析

断裂能Gf、外力功W0与重力功Wg、特征长度Lch及延性指数Du的计算结果也列于表3.

由表3可知：断裂能等参数皆随自燃煤矸石粗集料取代率R增大而降低；随R增大,Gf呈线性下降的趋势;与基准组相比,当R为25%、50%、75%、100%时,Gf分别下降了7.97%、19.89%、34.30%、47.86%.这是因为：一方面煤矸石自燃后孔隙率较大,破碎后内部缺陷较多,压碎值和弹性模量较天然碎石差;另一方面自燃煤矸石粗集料与水泥石基体的强度较匹配,吸水率大及其表面的活性作用改善了粗集料与水泥基体界面的黏结性能.上述正负效应共同作用,使自燃煤矸石粗集料混凝土试件的重力功与外力功在整个加载过程中,表现出随自燃煤矸石粗集料取代率增大而减小的趋势.由表3还可知：自燃煤矸石粗集料取代率对Wg和W0的影响趋势相似,但Wg降幅较W0降幅要大，当R=100%时,W0的降幅达到43.40%,Wg的降幅达到69.23%;Wg和W0之比随R增大而增大.说明随着自燃煤矸石粗集料取代率的增大,虽然Gf、W0和Wg均呈下降趋势,但混凝土相对耗能能力有所提高;在R=25%时,自燃煤矸石粗集料混凝土的特征长度Lch与延性指数Du与普通混凝土基本持平,表明此阶段自燃煤矸石粗集料取代率对混凝土脆性与变形能力的影响不明显;但当R>25%以后,随R增大Lch与Du的降幅明显增大;当R=100%时,Du降幅为36.71%,Lch降幅为47.74%，表明自燃煤矸石粗集料取代率对混凝土脆性的影响程度大于对其变形能力的影响.

3.4 图像处理结果分析

基于图像处理技术,运用Matlab软件计算得到PM、PSGCA、PMF、PNCAF、PSGCAF以及分形维数D,结果如图8所示.

图8 图像处理结果Fig.8 Image processing results

由图8(a)可知：随着自燃煤矸石粗集料取代率R的增大,PM变化幅度较小,PSGCA变化幅度较大;当R为25%、50%、75%、100%时,PSGCA分别为26.62%、57.20%、80.37%、100%.由于自燃煤矸石粗集料属于次轻级集料,其按等质量取代天然碎石后,使得PSGCA增大,同时也令断裂面上混合粗集料分布趋于密集.相比自燃煤矸石,天然碎石拔出面凹凸不平,增大了实际裸露在断裂面上的天然碎石面积,因此尽管PM有上升趋势,但并不明显.从图8(b)中粗集料的断裂情况来看：PNCAF与PSGCAF分别在26.31%～30.46%、89.68%～95.99%之间,并未随R变化而有明显波动；由于自燃煤矸石断裂破坏比例较高,且占混合粗集料比例逐渐增大,因此PMF随取代率增大而增大,且增幅平稳,当R>75%后,增幅稍平缓,当R=100%时,PMF破坏比例达到89.65%.从图8(c)可以看出,受混合粗集料破坏形式的影响,自燃煤矸石粗集料混凝土断裂面分形维数D随取代率增大而呈下降趋势.D是几何图形不规则程度的一种度量方法,D越小,断裂面规则程度越大,粗糙度越小.图3(b)已经显示出,自燃煤矸石粗集料混凝土断裂是硬化水泥浆体断裂与自燃煤矸石粗集料断裂的耦合,随着自燃煤矸石粗集料取代率的增大,混凝土断裂面上裸露的粗集料越来越多,因此混凝土断裂面表现出越来越平坦的趋势.

4 结论

(1)自燃煤矸石粗集料混凝土的弯曲破坏特征与普通混凝土相似,但随着自燃煤矸石粗集料取代率的增大,试件裂缝发展路径由弯曲扩展向竖直扩展转变,贯穿截面所用时间变短.

(2)断裂韧度等各项参数随自燃煤矸石粗集料取代率R增大而降低,其中R的变化对失稳参数影响较大,对起裂参数影响较小.当R=100%时,起裂、失稳断裂韧度较普通混凝土分别下降了11.69%、39.04%.

(3)随着自燃煤矸石粗集料取代率的增大,混凝土的断裂能呈下降趋势,当取代率为100%时,混凝土的断裂能较普通混凝土下降了47.86%.外力功与重力功均呈下降趋势,混凝土的相对耗能能力有所提高;当取代率为25%时,从特征长度与延性指数来看,混凝土的脆性及变形与普通混凝土几乎持平.但当取代率大于25%时,随取代率增大,混凝土的脆性增高、变形能力下降.

(4)取代率的变化对混合粗集料在断裂面的分布影响不明显,对混合粗集料断裂破坏比例影响明显.随着取代率的增大,混合粗集料的断裂破坏比例明显上升,分形维数逐渐下降.用混合粗集料断裂破坏比例及分形维数来定量描述自燃煤矸石粗集料混凝土断裂特征是可行的.