粉煤灰陶粒轻骨料混凝土弹性模量试验研究

朱玲　吴辉琴　岑钒浬　史方宇　陈宇良

摘  要：为研究粉煤灰陶粒轻骨料混凝土弹性模量的变化规律，以不同强度等级、不同骨料浸泡时间为影响参数，完成了54个轻骨料混凝土试块的立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量试验.试验观察其破坏形态，分析各参数对弹性模量的影响情况，并与现有的国内外规范中关于弹性模量的计算公式结果作对比分析.研究结果表明：轴心抗压破坏形态为斜剪破坏，受变化参数的影响不大;在同组试件中，弹性模量的应力-应变曲线峰值基本低于轴心抗压强度的曲线峰值;骨料浸泡时间越长，强度等级越大，轻骨料混凝土的弹性模量越大;所采用规范的弹性模量计算公式的计算值均比轻骨料混凝土试验值大.并根据试验数据提出了该类混凝土的弹性模量计算式，拟合结果良好.

关键词：轻骨料混凝土;粉煤灰陶粒;弹性模量;抗压强度;强度等级

中图分类号：TU528.041DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.005

0引言

粉煤灰陶粒——以粉煤灰为主要原材料，掺入适量水泥、石膏及外加剂等，经过成球、烧结或自然水硬性反应制成的一种人造轻骨料.其具有绿色环保、轻质高强、保温隔热、抗冻性能好等优点，是制成轻骨料混凝土的理想材料之一.轻骨料混凝土自二十世纪五十年代以来已广泛应用于实际工程领域，但由于内部结构多孔、吸水率较高，导致其力学性能与普通混凝土存在显著差异[1-2]，强度较低、脆性大是制约轻骨料混凝土发展的主要因素.已有大量研究通过纤维增强[3-4]、纤维增韧[5]来改善其脆性大的特点，对轻骨料混凝土延性耗能进行了深入探讨.

弹性模量作为衡量混凝土的重要力学性能指标，在确定结构变形、分析裂缝开展、探究破坏机理和计算温度应力等方面都具有必要性，探究弹性模量规律对轻骨料混凝土性能和机理的深入研究都能提供一定的理论依据.已有学者对轻骨料混凝土的弹性模量进行了研究[6-7]：刘喜等[8]利用轻骨料混凝土弹性模量计算模型，分析了强度和表观密度对弹性模量的影响，并对轻骨料混凝土提出了新的建议计算公式;周欣竹等[9]对轻骨料混凝土弹性模量进行了预测的数值方法研究，提出了其弹性模量预测的快速傅里叶变化法.目前国内外对天然骨料、再生骨料混凝土已提出了多种两相复合材料弹性模量预测模型[10-11]，统计分析了模型不确定性以及与关键参数之间的相关性.

但现有文献对轻骨料混凝土弹性模量的试验研究和理论分析仍有限，关于轻骨料混凝土弹性模量的相关变化规律研究还需进一步补充，其弹性模量计算模型还没有较为认可的普遍适用公式.本文则以轻骨料混凝土为研究对象，设计试验对其弹性模量进行了深入分析，根据试验数据进行理论分析，建立弹性模量计算模型.轻骨料由于结构多孔具有吸水返水的特性，Shen等[12]发现对轻骨料进行预湿处理，会对混凝土残余应力的产生和应力松弛有影响，能延迟混凝土开裂的时间，因此，本文以不同骨料浸泡时间、不同强度等级为变化参数，共设计54个试件，分析各参数对轻骨料混凝土弹性模量的影响，利用现有规范的混凝土弹性模量计算模型与粉煤灰陶粒轻骨料混凝土试验结果进行对比，为轻骨料混凝土的进一步研究提供参考.

1试验概况

1.1   试验材料

骨料采用粉煤灰高强陶粒，粒径为5～10 mm，采用连续级配.经吸水率试验测试，浸泡时间在1 h以内吸水率增长最快，浸泡1 h时吸水率达到14.96%;浸泡12 h时吸水率为16.12%，之后增長速度平缓;骨料浸泡约17 h达到饱和，饱和吸水率为17.22%，吸水率计算公式为：

[Mc=m2-m1m1×100%]  （1）

式中：[m1]为陶粒原始质量;[m2]为达到预设吸水时间后陶粒的质量;[Mc]为陶粒在预设时间内的吸水率，粉煤灰陶粒具体的物理性能指标见表1.细骨料采用中粗河砂;水泥为42.5R普通硅酸盐水泥;水为城市自来水.

1.2   轻骨料混凝土配合比

参照JGJ—2019《轻骨料混凝土应用技术规程》进行轻骨料混凝土配合比设计，试验共设计3种目标强度等级LC20、LC30和LC40，具体的轻骨料混凝土配合比见表2.

1.3   试件设计与制作

以骨料浸泡时间、强度等级为变化参数，其中粉煤灰陶粒浸泡时间考虑1 h和12 h两种，强度等级设计LC20、LC30、LC40 3种，共制作54个轻骨料混凝土试件进行弹性模量试验（18个尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件进行弹性模量试验;18个尺寸为150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件进行轴心抗压强度试验;18个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件进行立方体抗压试验）.每组参数条件下设计9个试件，其中：3个试块测试轴心抗压强度fcp，3个试块测试立方体抗压强度fcu，3个试块测试弹性模量Ec，分别取3个数据的平均值作为试验结果.试件浇筑时，提前将粉煤灰陶粒放入水池中浸泡，分别浸泡满1 h和12 h，沥干表面多余水分，将粉煤灰陶粒放入其他材料已经搅拌均匀的搅拌机内，待混合搅拌均匀后按配比分3次加入自来水，混合搅拌5 min，浇模成型，放置室内标准养护28 d.具体的试件编号及参数如表3所示.

1.4   试验设备与加载制度

本试验在中科院和SIMENS公司联合研发的RMT-301试验机上完成，加载装置如图1（a）、图1（b）所示.参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中规定的“静力受压弹性模量试验”的方法进行加载，具体加载制度见图1（c）.

2试验过程及结果

2.1   试件破坏形态

粉煤灰陶粒混凝土试件的破坏形态如图2所示，由图2可见，粉煤灰陶粒轻骨料混凝土棱柱体试件发生斜向剪切破坏.弹性模量试验过程中，加载初期，在1/3的轴心抗压强度内进行弹性循环加载，试件处于弹性阶段，应变随应力按比例增长.进行3次荷载循环后，轻骨料混凝土内部产生了一定的损伤微裂纹，并随着循环次数的增加，微裂纹也随之增加，但外观无明显裂缝出现.随着荷载的进一步增大，混凝土进入弹塑性阶段，各骨料之间以及骨料和水泥基体之间的塑性损伤不断累积，内部微观裂纹不断开展、扩大，并在试件外部开始出现平行于加载方向的可视裂纹.当荷载增大至峰值应力时，微小裂缝迅速开展、延伸，发展成与竖向加载方向呈45°的斜向贯通裂缝.荷载峰值点过后，试件外观开始有较多的混凝土剥落.由于粉煤灰陶粒结构多孔、强度较低，混凝土最终破坏时，在其截面上有大量粉煤灰陶粒被剪断，破坏过程有明显的脆性特征.

2.2   试验结果

2.2.1   弹性模量应力-应变曲线

图3给出了轴心抗压强度和弹性模量试验应力应变全过程曲线.由图3可见，试件的轴心抗压和弹性模量试验应力-应变全过程曲线走势相同，分为上升段和下降段，上升段在峰值应力的1/3之前，试件处于弹性阶段.对比弹性模量与轴心抗压应力-应变全曲线可见，弹性模量试验曲线峰值点较轴心抗压稍低，说明粉煤灰轻骨料混凝土在历经弹性循环反复加载时，混凝土内部出现了一定的损伤，导致弹性模量的峰值点略低于轴心抗压强度.由实测结果可得，弹性模量峰值荷载较轴心抗压强度平均降低约2.83%.

2.2.2   弹性模量计算

弹性模量是混凝土变形性能的主要指标，也是各类混凝土进行结构分析与计算的基本依据之一.粉煤灰陶粒轻骨料混凝土的弹性模量值取应力-应变全曲线上的原点至0.4fc点的割线模量，计算公式如下：

[Ec=Fa-F0A·LΔn]（2）

[Δn=εa-ε0]  （3）

其中：[Ec]为混凝土弹性模量，MPa;[A]为试件受压面积，mm2;[Fa]为应力为1/3轴心抗压强度时的荷载，N;[F0]为应力为0.5 MPa时的初始荷载，N;[Δn]为从荷载[F0]最后一次加至[Fa]时试件两侧变形的平均值，mm;[L]为测量标距，mm;[εa]为达到荷载[Fa]时试件两侧变形的平均值，mm;[ε0]为达到荷载[F0]时试件两侧变形的平均值，mm.

弹性模量试验结果如表4所示，每组数据均取3个试件平均值，轴心抗压强度[fcp]取峰值应力.由表4数据拟合可得粉煤灰陶粒轻骨料混凝土轴心抗压强度与立方体抗压强度的换算公式：

[fcu=fcp/]0.83 （4）

3影响因素分析

3.1   强度等级对弹性模量的影响

图4为3种不同强度等级下粉煤灰陶粒混凝土的平均弹性模量对比图，由图4可见，随着强度等级的增大，粉煤灰陶粒轻骨料混凝土的弹性模量呈增大趋势，说明提高混凝土强度等级对粉煤灰陶粒混凝土的弹性模量有一定提高作用.LC30强度等级的弹性模量较LC20提高了3.36%，LC40强度等级的弹性模量较LC30提高了5.73%.这是由于强度等级越高，混凝土的密实度越高，其内部孔隙相对较少，总体的结构更为密实，在一定程度上增加了混凝土的弹性变形能力.

3.2   骨料浸泡时间对弹性模量的影响

图5为骨料浸泡时间对弹性模量的影响对比图.由图5可见，粉煤灰陶粒骨料浸泡的时间为12 h时，其混凝土的弹性模量较浸泡时间为1 h的大，在LC20、LC30、LC40 3种混凝土强度等级下，粉煤灰陶粒骨料浸泡12 h的试件与浸泡1 h的试件的弹性模量比值分别为0.95、1.01、1.06，说明增加粉煤灰陶粒骨料的浸泡时间可以提高轻骨料混凝土的弹性模量.这可能跟粉煤灰陶粒轻骨料的结构有关，由于陶粒内部结构有较多孔，吸水率较高，浸泡时间越长时，轻骨料的吸水状态越接近饱和，当粉煤灰陶粒骨料与水泥基体结合时，水泥基体的水化反应更为充分，且其接触面融合程度也越高，从而使得粉煤灰陶粒混凝土的抗压强度和弹性模量有所提高.

4各弹性模量计算公式对比

结合国内外已有的对于混凝土弹性模量的相关研究，以下为典型的混凝土弹性模量计算公式.

美国国家公路与运输协会AASHTO[13]：

[Ec=0.43r1.5cfcu]（5）

Dhir[14]：

[Ec=13 100+370fcu]（6）

Mellmann[15]：

[Ec=8 242+378fcu]（7）

美国混凝土规范ACI 318-77[16]：

[Ec=4 789fcu] （8）

欧洲混凝土规范CEB-FIP MC90[17]：

[Ec=0.1fcu+0.83×2.15×104]（9）

中国混凝土规范GB50010—2010[18]：

[Ec=1052.2+（34.7/fcu）]（10）

英国混凝土规范BS 8110[19]：

[Ec=K0+]0.2[fcu， k×103]  （11）

式中： [rc]为混凝土密度，kg/m3;K0为与骨料弹性模量紧密相关的系数，正常混凝土取20×103 MPa;[fcu， k]为龄期為28 d时混凝土立方体抗压强度，MPa;[Ec]为龄期为28 d时混凝土的弹性模量，MPa.

图6为粉煤灰陶粒轻骨料混凝土的弹性模量与立方体抗压强度的拟合图，可得到粉煤灰陶粒混凝土弹性模量计算式：

[Ec=10 947.62+167.16fcu] （12）

擬合相关系数为0.673，本文提出的粉煤灰陶粒轻骨料混凝土的弹性模量计算式与试验实测结果拟合较好.

图7给出了式（5）—式（12）的计算结果与试验实测结果对比图.由图7可见，式（5）—式（12）计算得到的弹性模量计算结果均比本试验实测结果大，这是因为各建议公式是根据普通混凝土提出的计算式，由于粉煤灰陶粒轻骨料混凝土相对普通混凝土而言，其内部结构多孔，强度较天然骨料要低，因此，粉煤灰陶粒轻骨料混凝土在受力时，试件内部产生裂缝比普通混凝土发展更快，内部损伤更大，导致轻骨料混凝土的弹性性能比普通混凝土要低.对比各规范公式计算结果，发现Mellmann提出的公式计算结果与本试验结果最为接近，两个结果的比值在1.17～1.46之间波动，均值为1.32，且具有一定的安全富余.

5结论

1）轻骨料混凝土的棱柱体受压破坏与强度等级、骨料浸泡时间无关，发生斜裂缝剪切破坏.

2）轻骨料混凝土弹性模量的应力-应变曲线峰值基本较轴心抗压强度的曲线峰值要低，说明弹性循环阶段对轻骨料混凝土有一定能量耗散，内部出现损伤.

3）强度等级、骨料浸泡时间对轻骨料混凝土的弹性模量均有一定影响，强度等级越高、浸泡时间越长，弹性模量越大.

4）采用现有普通混凝土的弹性模量计算公式所得粉煤灰陶粒混凝土弹性模量值均偏大，建议采用本文所提出的计算公式作为粉煤灰陶粒混凝土的弹性模量计算式.

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Experimental research on elastic modulus of fly ash ceramsite

lightweight aggregate concrete

ZHU Ling， WU Huiqin*， CEN Fanli， SHI Fangyu， CHEN Yuliang

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： To explore the changes in the elastic modulus of fly ash ceramsite lightweight aggregate   concrete， 54 specimens of lightweight aggregate concrete were made to test the axial compressive strength， cube compressive strength and the elastic modulus of different strength grades and different aggregate soaking times. The experiment observes the failure behavior and analyzes the influence of various parameters on the elastic modulus， and compares the results with the existing domestic andforeign codes regarding the elastic modulus recommendations. The results show that the compression failure behavior of axial compression is oblique shear failure， which is less affected by various  influencing factors; the peak value of the stress-strain curve of the elastic modulus test in the same group of specimens is basically lower than the peak value of the axial compressive strength curve; the greater the strength level and the longer the aggregate soaking time， the greater the strength oflightweight aggregate concrete; the elastic modulus values of fly ash ceramsite concrete obtained by the existing elastic modulus calculation formula are all too large. And the elastic modulus calculation formula of this type of concrete is proposed based on the experimental data， and the fitting results are great.

Key words： lightweight aggregate concrete; fly ash ceramsite; elastic modulus; compressive strength; strength grade

（責任编辑：罗小芬、黎   娅）

收稿日期：2020-10-27

基金项目：广西科技基地和人才专项（AD19110068）;广西高校中青年教师科研基础能力提升项目（2019KY0361）;广西水工程材料与结构

重点实验室资助课题（GXHRI-WEMS-2020-05）;国家级（广西）大学生创新创业训练计划项目（202010594179）资助.

作者简介：朱玲，硕士研究生.

通信作者：吴辉琴，工学硕士，教授，研究方向：先进工程材料及其应用，E-mail：whq6329@163.com.