不同龄期碱矿渣陶粒混凝土抗压强度试验与能量特征分析

2022-08-08朱益胜

硅酸盐通报 2022年7期

袁璞，朱益胜

(1.安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001；2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，淮南 232001； 3.安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，淮南 232001)

0 引言

近年来，陶粒作为一种新型建筑材料得到迅速发展与应用，其外壳呈陶质或者釉质，内部结构特征呈细密蜂窝状微孔，这些微孔赋予陶粒质轻的特性，是一种优质的人工轻骨料[1]。陶粒混凝土具有轻质、保温隔热、耐火耐高温，以及抗震性、抗渗性良好等优点。李云鹏等[2]通过现场工业性试验，证实了粉煤灰陶粒混凝土井下巷道支护的可行性。宫保聚等[3]采用正交试验方法，得到陶粒代替石子是影响抗压强度和导热系数的主要因素。栾皓翔等[4]通过正交试验和混响室法，得出再生陶粒混凝土吸音板的制备与声学性能的主要影响因素是目标孔隙率。郑文忠等[5]通过轴心抗压试验获得碱矿渣陶粒混凝土砌块砌体的受压本构关系及基本力学性能。Fan等[6]建立了陶粒混凝土抗压强度与养护温度的函数关系。

随着煤炭工业的快速发展，煤矿开采机械水平的提高，煤矸石的排放量和蓄积量越来越多，成为目前世界上第二大工业固体废弃物[7]。大量堆积的煤矸石不仅占用土地，还会造成严重的环境污染和不良的经济后果。中国是煤矸石储量最多的国家，2021年末煤矸石累计积存量已达60亿t[8]。煤矸石有多种用途，如生产混凝土[9]、制砖和制备氧化铝材料[10]等。邱继生等[11]发现在混凝土中添加煤矸石陶粒可细化内部孔隙。采用煤矸石陶粒制备混凝土是一种既能解决环境污染，又能提高煤矸石价值的有效途径。

在发展中国家，尽管硅酸盐水泥的生产伴随着巨大的能源消耗和环境污染，但其生产和需求仍在不断增加。随着全球城市化进程不断推进，基础设施建筑材料的需求量不断增长，尤其是水泥材料[12]，而水泥工业释放的SO2和NOX会导致酸雨和温室效应[13]。矿渣作为冶金工业的副产品，采用碱性激发剂与矿渣可代替混凝土中的水泥，不仅可以实现矿渣的废物再利用，还能起到保护环境的效果。

为实现煤矸石和矿渣等固废的再利用，采用煤矸石陶粒制备碱矿渣陶粒混凝土，并对不同龄期和不同陶粒体积掺量的碱矿渣陶粒混凝土进行单轴压缩试验，研究碱矿渣陶粒混凝土抗压强度及能量特征随龄期与陶粒掺量的变化规律。

1 实验

1.1 材料及配合比

矿渣：由强东矿产品加工厂提供，等级为S95，密度为2.83 g/cm3，比表面积为400 m2/kg，产地为河北灵寿县。NaOH：由天津市博华通化工产品销售中心提供，分析纯。陶粒：15～20 mm连续级配的煤矸石陶粒，表观密度为824 kg/m3，压碎值为1.51，吸水率为14.91%。石子：15～20 mm连续级配的碎石，表观密度为2 724 kg/m3，压碎值为11.01，吸水率为0.52%。砂子：天然中砂，表观密度为2 500 kg/m3。

碱矿渣陶粒混凝土配合比如表1所示。

表1 碱矿渣陶粒混凝土配合比Table 1 Mix proportion of alkali slag ceramsite concrete

1.2 试件制备及测试方法

考虑到煤矸石陶粒具有一定的吸水性，混凝土水胶比定为0.47。依次浇筑5组不同配合比的试块，每组3个，浇筑至100 mm×100 mm×100 mm立方体模具中。在标准条件下分别养护1 d、3 d、7 d、14 d、28 d后取出，按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[14]，采用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机进行单轴压缩试验。基于单轴压缩试验应力-应变曲线，得到碱矿渣陶粒混凝土的立方体抗压强度，并对不同龄期和陶粒体积掺量的碱矿渣陶粒混凝土进行能量特征分析。

2 结果与讨论

2.1 碱矿渣陶粒混凝土的应力-应变曲线及工作性能

2.1.1 不同龄期下碱矿渣陶粒混凝土的应力-应变曲线

图1 不同龄期下M2的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of M2 at different ages

以M2为例，不同龄期下的应力-应变(σ-ε)曲线如图1所示。5种不同龄期下试块应力-应变曲线基本一致，都呈现有显著的压密阶段(d2σ/dε2>0)、弹性变形阶段(d2σ/dε2=0)、裂缝开展阶段(d2σ/dε2<0)和破坏阶段(dσ/dε<0)。

(1)在压密阶段(OA)，随龄期的延长，压密阶段长度逐渐减小；随着应变的增加，试块内部逐渐密实，压密阶段切线模量逐渐增大。

(2)在弹性变形阶段(AB)，由于试块受力较小，仅存在粗骨料与矿渣结晶体的弹性变形，内部微缺陷发展很慢。应力-应变曲线基本呈线性关系，该阶段卸荷后，可恢复变形。

(3)在裂缝开展阶段(BC)，持续加载，混凝土内部孔隙逐渐合并贯通，并扩散到胶凝体内部。该阶段裂纹加速扩展，切线模量随应变增加逐渐降低，到达C点时降至0。

(4)在破坏阶段(CD)，达到峰值应力后，试块表面裂缝进一步迅速扩展，试块两端部混凝土表面出现数条与受力方向平行的裂缝，随后裂缝逐渐变多，并迅速扩展至两端，同时有混凝土碎渣剥落。随龄期的延长，峰值应力越大，过峰值点后曲线下降段斜率越大，这是脆性特征的体现。

2.1.2 不同陶粒掺量下碱矿渣陶粒混凝土的应力-应变曲线及工作性能

以养护龄期28 d为例，图2给出了不同陶粒掺量下混凝土的应力-应变曲线。应力-应变曲线同样经历了压密阶段(OA)、弹性变形阶段(AB)、裂缝开展阶段(BC)和破坏阶段(CD)。由于煤矸石陶粒疏松多孔，随陶粒掺量的增加，混凝土内部不稳定孔隙越多，压密阶段区间长度整体上呈增长的趋势，峰值点后下降段斜率整体上是降低的趋势。过峰值点后，微裂缝逐渐增多，然后迅速形成主要的贯通裂缝直至破坏，试块迅速破坏是应力集中造成的结果，而煤矸石陶粒的掺入延缓了该现象的发生[15]。

图3给出了不同陶粒掺量下混凝土坍落度的变化规律。随陶粒掺量的增加，碱矿渣陶粒混凝土的坍落度不断降低。这主要是由于煤矸石陶粒具有一定的吸水性，煤矸石陶粒掺量的增加使混凝土整体的流动性逐渐降低，从而使坍落度不断减小。以煤矸石陶粒体积掺量为横坐标，坍落度为纵坐标，选择一元一次函数模型对试验结果进行拟合，如图3所示，得出碱矿渣陶粒混凝土坍落度与陶粒体积掺量的关系式,如式(1)所示。

图2 不同陶粒掺量下混凝土的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of concrete with different ceramsite content

图3 不同陶粒掺量下混凝土坍落度的变化Fig.3 Variation of slump of concrete with different ceramsite content

S=148.2-0.796VcR2=0.938 2 (Vc≤100%)

(1)

式中：Vc为煤矸石陶粒体积掺量；S为坍落度。

2.2 碱矿渣陶粒混凝土的抗压强度与弹性模量

2.2.1 不同龄期下碱矿渣陶粒混凝土的抗压强度与弹性模量

取M2分析不同龄期下抗压强度与弹性模量的变化，如图4所示。随养护龄期的延长，碱矿渣陶粒混凝土的抗压强度与弹性模量呈不断增长的趋势。养护龄期1 d、3 d、7 d、14 d抗压强度分别达到28 d抗压强度的43.82%、45.94%、61.69%、75.94%。抗压强度与弹性模量随龄期的变化规律具有相似的趋势,主要是由于随着养护龄期增加，水化反应程度更充分，有更多的生成物填充孔隙，内部结构更加密实，峰值应变越低，则抗压强度越大，弹性模量越大。

以养护龄期为横坐标，抗压强度与弹性模量为纵坐标，选择指数函数模型对试验所得数据进行拟合，如图4所示，得出碱矿渣陶粒混凝土抗压强度及弹性模量和龄期的关系式，如式(2)、(3)所示。

σmax=-1.899×106+1.899×106exp(2.3t×10-7)R2=0.979 5 (t≤28 d)

(2)

E=2.329 4-1.860 3exp(-0.089 2t)R2=0.966 1 (t≤28 d)

(3)

式中：σmax为抗压强度；E为弹性模量；t为养护龄期。

2.2.2 不同陶粒掺量下碱矿渣陶粒混凝土的抗压强度与弹性模量

养护龄期为28 d时，不同陶粒掺量下混凝土抗压强度与弹性模量的变化规律如图5所示。随陶粒掺量的增加，同一龄期下碱矿渣陶粒混凝土抗压强度与弹性模量逐渐降低。养护龄期为28 d时，25%、50%、75%、100%陶粒掺量相比0%陶粒掺量(M0)，混凝土抗压强度分别降低了16.51%、36.70%、46.57%、53.52%。由于煤矸石陶粒相对石子密度较低，并且煤矸石陶粒疏松多孔，在同一龄期下，煤矸石陶粒等体积替代石子越多，孔隙越多，峰值变形越大，故抗压强度越低，弹性模量越小。

以陶粒掺量为横坐标，抗压强度与弹性模量为纵坐标，选择一元二次函数模型对试验所得数据进行拟合，如图5所示，得出碱矿渣陶粒混凝土抗压强度及弹性模量和陶粒掺量的关系式，如式(4)、(5)所示。

(4)

(5)

图4 不同龄期下M2抗压强度与弹性模量的变化Fig.4 Variation of compressive strength and elastic modulus of M2 at different ages

图5 不同陶粒掺量下混凝土抗压强度与弹性模量的变化Fig.5 Variation of compressive strength and elastic modulus of concrete with different ceramsite content

2.2.3 不同龄期与陶粒掺量共同作用下碱矿渣陶粒混凝土的抗压强度

将不同龄期与陶粒掺量共同作用下的抗压强度关系通过三维曲面拟合呈现出来，如图6所示。以龄期为横坐标，陶粒掺量为纵坐标，抗压强度为立坐标,三者之间通过非线性曲面函数进行多项式拟合，公式如式(6)所示。

(6)

由式(6)可知，所得试验数据与拟合公式具有良好的相关性，为龄期、陶粒掺量与抗压强度三者之间的关系提供了一定的依据。

2.3 碱矿渣陶粒混凝土能量特征分析

碱矿渣陶粒混凝土的受压变形破坏过程实质上是能量的储蓄、耗散与释放过程。能量耗散反映了碱矿渣陶粒混凝土内部各缺陷不断闭合、滑移，新裂隙发展演化的过程，其本质是碱矿渣陶粒混凝土的变形破坏过程[16]。由热力学第一定律[17]可知，碱矿渣陶粒混凝土在单轴压缩过程中的能量转化关系如式(7)所示。

W=Wd+We

(7)

式中：W为外力对碱矿渣陶粒混凝土试块输入的总能量，MJ·m-3；Wd为碱矿渣陶粒混凝土内部损伤和塑性变形消耗的耗散能，MJ·m-3；We为单轴压缩过程中积蓄在碱矿渣陶粒混凝土中的可释放弹性能，MJ·m-3。

应力-应变曲线中耗散能与可释放弹性能的关系如图7所示。图7中三角形所围成面积表示可释放弹性能，用初始弹性模量E代替卸载弹性模量Eu[17]，试块单元体能量W、We、Wd计算公式如式(8)～(10)所示。

(8)

(9)

(10)

式中：ε1为峰值应变；σ1为峰值应力。本文以峰值应力处数据进行单位体积能量特征分析。

图6 抗压强度与龄期和陶粒掺量三维曲面拟合关系Fig.6 Three-dimensional surface fitting relationship between compressive strength with age and ceramsite content

图7 应力-应变曲线中耗散能与可释放弹性能的关系Fig.7 Relationship between dissipative energy and releasable elastic energy in stress-strain curve

2.3.1 不同龄期下碱矿渣陶粒混凝土的能量特征分析

图8为单轴压缩作用下M2总能量随龄期变化曲线。由图8可知，随龄期的延长，碱矿渣陶粒混凝土总能量大致呈增长的趋势。采用一元三次函数对所得数据进行拟合，得出碱矿渣陶粒混凝土总能量与龄期的拟合公式，如式(11)所示。

W=0.000 006t3-0.000 192t2+0.074 430R2=0.931 4 (t≤28 d)

(11)

弹性能与耗散能随龄期的变化曲线见图9，弹性能随龄期的延长不断提高。随龄期的延长，弹性模量不断增大，峰值应力也不断增加，因此弹性能不断提高。耗散能整体上呈先减小后增大的趋势，在单轴受压过程中试块内部缺陷压密、滑移以及裂隙产生都需要消耗能量。龄期在1～3 d时，随龄期的增加，碱矿渣陶粒混凝土速凝，使得刚度提高较大，该阶段碱矿渣陶粒混凝土峰值应力增加很小，而峰值应变明显减少，致使总能量减小，弹性能增加，耗散能降低；而龄期在3～28 d时，随龄期的延长，生成凝胶量越多，骨料间越密实，克服骨料间与颗粒间的摩擦力越大，从而消耗的能量越多[18]。养护龄期从1 d至3 d，混凝土的耗散能降低最为明显，由0.031 9 MJ·m-3降至0.012 8 MJ·m-3，降幅为59.87%；养护龄期从3 d至7 d，混凝土的耗散能增长最快，由0.012 8 MJ·m-3增至0.042 6 MJ·m-3，增幅为233%。

图8 M2总能量随龄期的变化Fig.8 Variation of total energy of M2 with age

图9 弹性能与耗散能随龄期的变化 Fig.9 Variation of elastic and dissipative energy with age

2.3.2 不同陶粒掺量下碱矿渣陶粒混凝土的能量特征分析

图10为单轴压缩作用下28 d碱矿渣陶粒混凝土总能量随陶粒掺量变化曲线。由图10可知，随陶粒掺量的增加，混凝土总能量呈下降的趋势，且与陶粒掺量呈负相关。采用一元一次函数对所得数据进行拟合，得出碱矿渣陶粒混凝土总能量与陶粒掺量的拟合公式，如式(12)所示。

W=-0.001 1Vc+0.213 4R2=0.988 4 (Vc≤100%)

(12)

弹性能与耗散能随陶粒掺量的变化曲线见图11。随陶粒掺量的增大，弹性能显著降低，而耗散能先增大后减小。由于煤矸石陶粒的承载能力远小于碎石，随煤矸石陶粒掺量的增大，弹性模量降低，弹性能也随之降低，可知弹性模量与弹性能二者之间是正相关关系。当陶粒掺量为25%时，相比0%陶粒掺量(M0)，峰值变形较大，因而用于压密、滑移以及骨料间隙能量耗散显著增加。当陶粒掺量超过25%时，峰值变形相差不大，峰值应力显著降低，可用于耗散的能量减小。