不同替代率石墨尾矿砂混凝土断裂试验

陈 真， 陈 松， 刘猛锐， 魏 康， 冯博雅， 孙路平， 刘晓洲

(大连大学建筑工程学院， 大连 116622)

在石墨资源开发利用过程中，堆积了大量无用的石墨尾矿砂废渣，且利用率极低。每逢雨季就会造成土壤环境污染[1-2]。与此同时，近年来中国基础设施建设的飞速发展导致砂资源供不应求，由于天然砂作为不可再生资源，国家已经明令禁止开采，因此，诸多学者将石墨尾矿砂作为传统混凝土中细骨料的替代品，制成石墨尾矿砂混凝土进行研究,对于石墨尾矿砂渣的工程应用、变废为宝具有重要意义。王少海[3]、孙小巍[4]石墨尾矿砂泡沫混凝土进行了试验研究，研究结果表明，泡沫混凝土中掺加进适量的石墨尾矿砂细砂有利于泡沫混凝土的抗压强度的提高，且矿渣越细，提升效果越明显。刘洪波等[5-6]石墨尾矿砂纤维混凝土的压敏特性进行了试验研究，结果表明，在弹性范围内，石墨尾矿砂纤维混凝土的电阻率与压应力呈负相关，受压次数越多、石墨尾矿砂纤混凝土的电阻率变化率呈减弱趋势，张大双[7]石墨尾矿砂碳纤维混凝土的抗压性能和导电性进行试验研究，结果得出，水灰比越小、石墨尾矿砂纤维混凝土的抗压强度越大，随着石墨尾矿砂的替换量增加、抗压强度会呈下降趋势，且石墨尾矿砂替代率为10%～30%时，导电效果最佳、抗压性能和抗弯性能综合提升效果最好。王亮量等[8]研究了石墨尾矿砂碳纤维混凝土的导电性和力学性能之间的关系,建立了抗压强度-回弹值和抗压强度-电阻率两种测强曲线。 孙伟轩[9]石墨尾矿砂混凝土的氯离子抗渗性及干湿条件下的抗氯离子渗透性能进行了分析，结果表明，少量(10%～20%)石墨尾矿砂有助于提高混凝土浅层的抗氯离子侵蚀性能，石墨尾矿砂混凝土替代率为10%时，氯离子含量最高可降低43.7%。

目前，关于石墨尾矿砂混凝土的研究已经取得了诸多成果，但主要集中在研究抗冻性、抗氯离子渗透性、抗压性能、抗弯性能和导电性能。而石墨尾矿砂混凝土的断裂力学性能方面鲜有人进行研究。故在总结以往学者成果[10-13]的基础上，重点对石墨尾矿砂混凝土的断裂问题进行研究，通过采用三点弯曲断裂试验的方法，研究替代率为0、10%、20%及30%的石墨尾矿砂混凝土在标准养护室养护28 d后，受0.01、0.1、1、10 mm/s 4种加载速率影响的破坏形态、断裂韧度及断裂能的变化规律，为石墨尾矿砂混凝土的应用及进一步研究做了有意义的尝试。

1 试验概况

1.1 试验材料

(1)水泥：选用水泥材料为大连水泥集团有限公司生产的P.O.42.5普通硅酸盐水泥，其主要性能指标满足标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)的规定。

(2)石子：粗骨料选用大连长兴岛临港工业区晓飞石子加工厂生产的石子，其最大粒径<25 mm。

(3)砂子：细骨料采用大连瓦房店沙石厂出售的天然河砂，细砂，级配良好，经洗砂后备用。

(4)石墨尾矿砂：采用鸡西市金宇石墨尾矿砂库的石墨尾矿砂，其矿物组成成分及石墨尾矿砂与砂的物理性质，如表1和表2所示。

表1 石墨尾矿砂的矿物组成

表2 石墨尾矿砂与砂的物理性质

(5)水：拌和混凝土用水来自为大连大学建筑工程学院试验用蒸馏水。

1.2 配合比

本项试验中石墨尾矿砂混凝土试件制备选用的配合比如表3所示。

表3 1 m3石墨尾矿砂混凝土配合比

1.3 试验设备

本项试验涉及的试验设备有：HJW-150型混凝土搅拌机；电子秤；SBHY-90型标准恒温恒湿养护箱；GFL-125电热鼓风干燥箱；微机控制电子式万能试验机；夹式引伸计；磁力表架。

1.4 试件制备及试验过程

本项试验参考《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T 5332—2005)中的规定，断裂试件尺寸选用长×宽×高(L×B×H)=400 mm×100 mm× 100 mm的长方体试件。预制裂纹长度为40±0.2 mm，如图1所示。石墨尾矿砂混凝土设计强度等级采用C30强度，石墨尾矿砂替代率选用0%、10%、20%和30% 4种。石墨尾矿砂混凝土的搅拌、成型参考文献《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2002)进行，振捣后在跨中位置预埋钢片(厚度为2 mm)形成初始裂纹，浇筑8～12 h混凝土初凝后拔出、冷凝24～48 h后拆模，将试件放入标准恒温恒湿养护箱中(温度设置20 ℃±3 ℃：相对湿度≥95%)养护28 d后进行三点弯曲断裂试验。

L为试件长度；B为试件宽度；H为试件的高度；a0为预制裂缝长度；S为三点弯曲断裂试验加载时设置标距

试件分组及编号说明： OPC为普通混凝土试件，作为4种加载速率下的石墨尾矿砂混凝土断裂力学特性的对照组。三种替代率分别用GTC-10%、GTC-20%和GTC-30%来代表，4种加载速率分别用0.01、0.1、1和10来表示，每3个试件为一组编号a、b、c。

石墨尾矿砂混凝土三点弯曲断裂试验选用微机控制电子式万能试验机进行加载，最大试验力100 kN，采用位移控制的加载方式，根据范向前的试验经验[14]，结合试验仪器系统配置的实际情况，按照试验研究的目的，由慢到快制定加载速率分别为0.01、0.1、1、10 mm/s。YYJ-4/10型夹式引伸计(量程20 mm，精度0.001)测量裂纹张开位移值Dm。具体步骤如下：首先测量石墨尾矿砂混凝断裂试件的尺寸、质量及预制裂纹长度，再将厚度为2 mm塑料薄板粘贴在试件裂纹两侧，然后放置到标距为300 mm的滚动支座上，将夹式引伸计固定塑料薄板内侧，启动加载装置进行加载并利用系统采集数据,具体装置如图2所示。

图2 加载装置

2 参数确定

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(5)中：h0为引伸计刀口薄钢板厚度，m;t为试件厚度;Dm为裂纹口张开位移临界值，μm；E为计算弹性模量，GPa。

(6)

式(6)中：a0为初始裂纹长度，m;ci为F-Dm曲线直线段上任一点的斜率。

断裂能是指试件断裂过程中产生单位断裂面积所需要的能量。根据文献[12]利用裂纹张口曲线确定混凝土梁三点弯曲断裂能的试验方法,按照以下公式进行断裂能的计算：

(7)

式(7)中：Gp-ω为裂纹张口曲线确定混凝土梁三点弯曲的断裂能；W1为试件完全断裂所做的外力功；W2为试件完全断裂所做的重力功；h、a0、t分别为试件的高度、初始裂纹深度和试件的厚度。

3 试验结果与分析

3.1 断裂破坏过程及特征

由于加载速率越慢，破坏过程记录越为全面。故破坏过程以加载速率为0.01 mm/s的石墨尾矿砂混凝土三点弯曲断裂过程为例，如图3、图4所示。不同替代率和不同加载速率下的荷载裂缝张开口位移曲线如图5、图6所示。

图3 不同替代率石墨尾矿砂混凝土破坏形态

图4 GTC-10%断裂破坏过程

图5 不同加载速率荷载-裂缝张开口位移曲线

图6 不同替代率荷载-裂缝张开口位移曲线

在荷载施加过程中，普通混凝土与三种替代率的石墨尾矿砂混凝土试件的破坏过程基本一致，石墨尾矿砂混凝土试件破坏特征普遍表现最先产生一条微细裂纹沿着试件预制裂纹尖端区域开展，随着荷载的逐渐提高，裂纹的宽度逐渐增加并且沿着预制裂纹继续延伸，直至试件断裂。从图5中可以看出，石墨尾矿砂混凝土破坏特征基本可以表现为三个阶段。

(1)加载初期：石墨尾矿砂混凝土内部黏结面处于线弹性阶段，该阶段内石墨尾矿砂混凝土试件内部微裂纹相对稳定，预制裂纹尖端区域处于稳定弹性受力状态，观察外观，并无新的裂纹产生。

(2)裂纹扩展阶段：荷载达到起裂荷载值后，石墨尾矿砂混凝土试件最先表现为沿预制裂纹尖端位置产生一条微细裂纹，沿预制裂纹方向的尖端上部区域出现不连贯微细裂纹。随着荷载的继续增加，裂纹逐渐扩展延伸，各裂纹逐渐相互连接，形成贯通裂纹，且宽度缓慢增加。在此过程中，加载速率越低、荷载提升速度越慢、试件裂纹上部区域内部微裂纹具备扩展的机会就越多，故最初产生微细裂纹数量越多。

(3)破坏阶段：随着荷载的继续提升、达到最大值即失稳荷载后，荷载急速下降，前端区域裂纹非稳态扩展，裂纹长度延伸速度明显增快，且裂纹宽度越为明显，裂纹张开位移迅速增加，直至试件完全被破坏。

3.2 断裂韧度分析

根据试验得到石墨尾矿砂混凝土试件的参数，按照断裂韧度计算公式(1)～式(5)得到双K断裂韧度及断裂能，如表4～表7所示，拟合曲线方程如表8所示。图7～图10给出了不同替代率的石墨尾矿砂混凝土在不同加载速率下的断裂韧度变化关系。

图10 失稳韧度与加载速率关系图

表4 加载速率0.01 mm/s石墨尾矿砂混凝土断裂韧度试验结果

表5 加载速率0.1 mm/s石墨尾矿砂混凝土断裂韧度试验结果

表6 加载速率1 mm/s石墨尾矿砂混凝土断裂韧度试验结果

表7 加载速率10 mm/s石墨尾矿砂混凝土断裂韧度试验结果

图7 起裂韧度与石墨尾矿砂替代率关系图

表8 拟合曲线方程

由图8和图9中可以看出，不同替代率的石墨尾矿砂混凝土试件的起裂韧度和失稳韧度变化规律基本一致。与传统混凝土试件相比，GTC-10%、GTC-20%和GTC-30%起裂韧度平均增长了2.24%、5.78%和18.78%，失稳韧度分别增加了3.15%、6.78%和11.92%。表明石墨尾矿砂的掺入可以有效提高混凝土的抗断裂性能，但在石墨尾矿砂的替代率为0～10%范围内，由于掺量过少提升效果并不明显；而替换率为20%～30%的范围时，起裂韧度和失稳韧度提升效果非常显著。

图8 失稳韧度与石墨尾矿砂替代率关系图

图9 起裂韧度与加载速率关系图

表9 拟合曲线方程

从图10和图11中可以得出，不同加载速率对石墨尾矿砂混凝土试件起裂韧度和失稳韧度的影响也几乎相同，0.01～10 mm/s的范围内，各替代率的试件均表现为随着加载速率得增加，石墨尾矿砂混凝土的起裂韧度和失稳韧度总体呈上升趋势，且加载速率越大，起裂韧度和失稳韧度值越大。因此、加载速率为10 mm/s时，对试件断裂韧度的影响最为明显。究其原因，这是由于加载速率越大、荷载提升速度越快，导致作为准脆性材料的混凝土试件内部微裂纹尚未完全开展，试件就直接达到失稳荷载值。

3.3 断裂能分析

图11给出了石墨尾矿砂混凝土断裂能的变化趋势，石墨尾矿砂混凝土断裂能拟合曲线方程如表10所示。

图11 加载速率与断裂能关系图

表10 断裂能拟合曲线方程

由图11可见，随着加载速率的增加，传统混凝土试件与石墨尾矿砂混凝土试件的断裂能均呈明显上升趋势，与加载速率为0.01 mm/s状态下相比，加载速率为0.1、1、10 mm/s的断裂能分别平均提高了14.5%、47.6%、65.9%，表明加载速率可以明显提高石墨尾矿砂混凝土试件断裂过程中的耗能能力。其主要原因是随着加载速率的提高，试件起裂荷载和失稳荷载也随之增大，并且在加速断裂过程中引起了试件的变形增大，从而导致断裂能随加载速率的增加而升高。而对比不同替代率的石墨尾矿砂混凝土可以明显看出，掺加石墨尾矿砂后的混凝土试件断裂能远高于普通混凝土试件，且在0%～30%的替代范围内，替代率越高提升效果越为显著。

4 结论

通过对不同替代率石墨尾矿砂混凝土进行三点弯曲断裂试验，得出如下结论。

(1)石墨尾矿砂混凝土试件破坏特征普遍表现最先产生一条微细裂纹沿着试件预制裂纹尖端区域开展，随着荷载的逐渐提高，裂纹的宽度逐渐增加并且沿着预制裂纹继续延伸，直至试件断裂。

(2)在石墨尾矿砂替代率的0%～30%的范围内，掺加石墨尾矿砂后的混凝土试件断裂韧度及断裂能远高于传统混凝土试件，表明石墨尾矿砂的掺入可以有效提高混凝土的抗断裂性能，但在石墨尾矿砂的替代率为0～10%范围内，提升效果并不明显；替换率为20%～30%的范围内，起裂韧度和失稳韧度提升效果最为显著。

(3)随着加载速率的增加，石墨尾矿砂混凝土的断裂韧度和断裂能均呈上升趋势，且加载速率越大、起裂韧度和失稳韧度越大、断裂能越大。试件在1～10 mm/s的范围内，受加载速率影响最为明显。