压剪作用下地聚物珊瑚混凝土的力学性能研究

杨海峰, 杨青梅, 柳岸然

(1.广西大学 土木建筑工程学院, 广西 南宁 530004;2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室, 广西 南宁 530004;3.广西防灾减灾与工程安全实验室, 广西 南宁 530004)

0 引言

基础设施建设的不断扩大导致混凝土的需求量不断增加,硅酸盐水泥的使用量亦增多。据统计,生产1 t水泥将会产生 10 kg粉尘、2 kg氮氧化物、1 kg SO2等副产物[1],生产1 kg的普通硅酸盐水泥产生0.66～0.82 kg的碳化物[2],生产水泥所排放的CO2约占全球范围内CO2排放总量的5%～7%[3]。如此惊人的占比与“碳达峰碳中和”双碳目标背道而驰,为此人们逐渐将目光转移到另外一种胶凝材料——地聚物上。地聚物是利用碱溶液和建筑垃圾或工业废弃物等原材料发生复杂的化学反应形成的新型胶凝材料,是传统水泥理想的代替品[4]。研究表明,地聚物具有制备工艺简单[5]、生产碳排放量低[6]及绿色环保[7]等优点。同时,碱激发地聚物的加入可以提高混凝土的力学性能。毛明杰等[8]发现在20 ℃养护条件下粉煤灰地聚物混凝土的28 d抗压强度高于普通水泥混凝土的。Behfarnia等[9]通过实验发现,在矿渣地聚物混凝土中添加硅灰可以增大混凝土的抗压强度。不仅如此,矿渣和粉煤灰的加入可以提高地聚物混凝土的抗压强度和抗拉强度,并证明其适合用于实际工程[10-11]。部分学者也进行了地聚物混凝土耐久性方面的研究。Petermann等[12]指出,相比于Na2SiO3激发体系,NaOH激发地聚物混凝土抗硫酸盐侵蚀的性能更好。李健[13]开展矿渣-粉煤灰基地聚物混凝土在不同弯曲应力荷载作用下抗碳化耐久性的研究,表明养护龄期对地聚物混凝土力学性能及抗碳化性能更为有利,这与混凝土本身微观结构密切相关。

陆地资源日益匮乏,使得海洋石油、天然气等资源的开发成为了热门话题[14],加快岛礁工程建设迫在眉睫,然而,从大陆运输岛礁建设需要的建筑材料会消耗庞大的财力、物力及人力[15]。针对这一问题,一些学者发现岛礁的珊瑚碎石可以用作混凝土的粗、细骨料,通过与胶凝材料及水混合浇筑制成珊瑚混凝土[16]。珊瑚混凝土不仅满足工程强度要求[17],具备就地取材、重量轻的特点,而且有效处理珊瑚碎屑堆放在海滩上造成垃圾堆放的问题,在道路、码头及桥梁等基础建筑设施中具有广泛的应用前景[18]。有关珊瑚混凝土力学性能及耐久性方面的研究近年来越来越受到国内外学者的重视,取得了可观的成果。Liu等[19]在制备珊瑚混凝土时加入了不同体积的碳纤维,并对其进行了单轴受压试验,结果表明,珊瑚混凝土的峰值应变、弹性模量、延性和轴压韧性比均低于普通混凝土的,但可以通过添加碳纤维来提高。碳纤维的掺入也增加了珊瑚混凝土的峰值应力、残余应力和极限应变,在试验结果的基础上提出了碳纤维珊瑚混凝土的经验本构模型和损伤本构模型,最后通过与试验测试的结果比较,验证了所提出的模型。马林建等[20]进行珊瑚混凝土单轴静力压缩及循环加载下试验研究,结果表明,减小几何尺寸会提高混凝土的强度,得到的损伤演化曲线表明试件体积越大则损伤发展越快。

假若在岛礁建设中利用地聚物和珊瑚骨料制备地聚物珊瑚混凝土(geopolymer coral concrete, GCC),不仅可以有效解决建筑垃圾堆放等难题,而且也践行了变废为宝、低碳环保的理念。实际工程中混凝土结构受力复杂,其中压、剪复合作用是一种常见的受力类型,这种受力常出现在薄板结构、梁柱节点、剪力墙等[21-23]。剪切破坏通常为脆性破坏,破坏后果较为严重[24],然而,在目前所发表的研究成果中,关于压-剪复合作用下地聚物珊瑚混凝土力学性能和损伤演化鲜有报道。鉴于此,本文以混凝土强度和正应力比为参数进行压剪受力状态下的试验研究,获取GCC压剪作用下的受力性能,以期为地聚物珊瑚混凝土工程设计和理论分析提供参考。

1 实验概况

1.1 原材料与配合比

试验所采用的粗、细骨料均为南海海域附近采集的珊瑚骨料。粗骨料的粒径为4.75～19 mm连续级配珊瑚碎石;细骨料的粒径为0.15～4.75 mm连续级配珊瑚砂,细度模数为3.0,根据规范《轻集料及其试验方法 第2部分:轻集料试验方法》(GB/T 17431—2010)[25]评定级配分区为Ⅱ区。粗骨料和细骨料的基本物理性能见表1。采用的地聚物胶凝材料购自河北省石家庄市某矿产品有限公司,由粉煤灰和矿粉以质量比3∶2配置,粉煤灰和矿粉化学组分的质量分数见表2。碱激发剂为液体水玻璃和固体NaOH混合而得,固体NaOH的颗粒纯度质量分数≥99%,水玻璃的主要性能指标见表3。采用的海水按标准ASTM D1141-98[26]的规定人工配制而成,其主要化合物成分见表4。此外,采用QS-8020H聚羧酸高效减水剂以减少胶凝材料絮化成团状况。采用等体积法配置3种不同强度等级(C20、C30、C40)地聚物珊瑚混凝土配合比见表5。

表1 珊瑚骨料基本物理性能Tab.1 Basic physical properties of coral aggregates

表2 粉煤灰和矿粉化学组分的质量分数Tab.2 Composition of fly ash and mineral powder %

表3 水玻璃的主要性能指标Tab.3 Main performance indexes of sodium silicate

表4 人工海水化学组分Tab.4 Chemical composition of artificial seawater

表5 地聚物珊瑚混凝土配合比Tab.5 Mix ratio of geopolymer coral aggregate concrete

1.2 试件设计

试验以混凝土强度等级和压应力比为设计参数,混凝土强度等级为C20、C30、C40,每种强度等级下设计并制作了6种不同压应力比(k=σ/fc,其中σ为压应力,fc为单轴抗压强度,k=0,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8)的试件。试件尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm(长度×宽度×高度)的立方体,每组3个试件,共计18组(54个)试件。参考标准[27]测试了地聚物珊瑚混凝土每种强度等级下的100 mm立方体单轴抗压强度fc,共9个试件。地聚物珊瑚混凝土试件制备流程如图1所示。试块成型后室内放置24h,然后进行脱模并移至模拟海洋环境的自制固化柜中养护,28 d后转移到实验室待测。

图1 地聚物珊瑚混凝土试件制作流程Fig.1 Production process of the specimen

1.3 加载方案

加载装置为岩石与混凝土力学试验压力机RMT-201,压剪复合试验受力示意[7]如图2所示。RMT加载仪器竖直方向对试件施加剪切荷载。同时水平方向使用压力泵施加压力,使试件发生压剪复合受力破坏。在上、下传力板分别放置2个位移计,采集剪切位移和法向位移。本试验的加载步骤参考先前研究[7]。

图2 压剪试验加载装置及受力示意Fig.2 Schematic of loading device and forces

2 试验结果与分析

2.1 破坏模式及剪切荷载-位移曲线

不同压应力比作用下地聚物珊瑚混凝土的破坏模式和剪切荷载-位移曲线如图3所示。直接剪切(k=0)的破坏归为拉伸破坏,混凝土试件剪切面近似水平,达到峰值荷载立即被劈成两半,属于典型的脆性破坏;从剪切荷载-位移曲线可看出荷载在峰值点后突然降至接近于0。当压应力较小时(k=0.1、0.2和0.4),破坏面呈锯齿状,附近出现斜裂缝,有部分混凝土碎屑剥落。曲线下降段荷载降至一定值时趋于稳定,称为压-剪破坏。当压应力较大时(k=0.6,0.8),试件没有明显的剪切破坏面,其被分割成小斜柱被压碎而破坏,为压碎破坏。混凝土自由表面趋于剥离,裂缝数量和长度均有明显增加,曲线下降段没有稳定阶段。

(a) 压应力比为0

由图3也可看出,随着压应力比的增加,混凝土剪切面上剥落的碎屑和摩擦痕迹逐渐明显;峰值剪切荷载Fp和峰值剪切位移sp均呈现增加趋势。不同混凝土等级在同一压应力下的破坏模式大致相同,高强度等级的混凝土破坏程度略微严重;剪切荷载和峰值剪切位移随混凝土强度等级的提高也相应增大。观察k=0.2时GCC-30混凝土试件可发现,裂缝贯穿骨料而发生破坏,这是由珊瑚骨料脆性高、强度低的特性所决定。

2.2 剪切承载力

2.2.1 剪切承载力组成分析

研究剪切承载力的组成有助于掌握压剪作用下试件在受力过程中剪切荷载-位移曲线的分析,同时有利于剪切破坏面的深入了解。根据先前研究成果[28],剪切承载力Fp由黏聚力Fc、骨料咬合力Fi和界面摩擦力Ff组成,有如下关系:

Fp=Fc+Fi+Ff。

(1)

根据以下假设进行简化计算:①当裂缝贯通时黏聚力消失,且界面剪切力从峰值后衰减的幅度不变[28],即剪切荷载-位移曲线上软化阶段的转折点b点与刚进入稳定阶段c点,延伸cb与峰值点的垂线相交于d点,则线段ad为黏聚力Fc,如图4所示。②剪切荷载-位移曲线稳定阶段的残余荷载完全由界面摩擦力提供[29],若没有残余阶段,则如作者先前研究[7]由拐点决定。残余荷载定义为下降阶段过到稳定阶段对应点的剪切强度,如图中c点的荷载值为界面摩擦力的数值Ff。骨料咬合力Fi由式(1)获得。

图4 典型剪切荷载-位移曲线Fig.4 Typical shear load-displacement curve

计算得到3个剪切荷载分量分别除以剪切面积,计算得到峰值剪切强度τp、黏聚强度τc、骨料咬合强度τi及界面摩擦强度τf。根据上述方法和图3计算得到各强度组成及占比的结果,如图5所示。由图可知,GCC黏聚强度约占峰值剪切强度τp的11%～37%,其占比随混凝土强度和压应力比的提高而减小,原因主要是当水灰比增大时,混凝土试件具有较多的自由水,加上珊瑚骨料形状各异,表面多孔使得浆体水化反应更加充足,生成的絮凝结构和网状结构增多并相互搭接,从而增大了浆体的化学健力和范德华力,宏观上体现为地聚物浆体与骨料的黏聚强度增大,然而,较大的压应力可能抑制了黏聚力发挥作用。界面摩擦强度τf约占40%～67%,占比随着压应力和混凝土强度的增加而增大,这是因为法向荷载的增加导致接触摩擦强度增大,当混凝土强度较高时,珊瑚骨料颗粒之间的距离较近,移动所受阻力越大,从而增大了界面摩擦。骨料咬合强度占比约为16%～34%。此外,虽然混凝土的骨料咬合强度是通过间接方法得到的,但其占比随着压应力的增加呈现先增后减的趋势。

(a) 黏聚强度

2.2.2 与其他类型混凝土剪切承载力的比较

选取本试验GCC强度等级为C30的实验数据、引用文献[28,30]对珊瑚混凝土(coral corcrete, CC)和普通混凝土(ordinary concrete, OC)压剪研究的峰值剪切荷载数据进行研究,由图6可得到不同压应力比与剪切承载力的关系。由图可知,相同轴压比下,地聚物珊瑚混凝土的峰值剪切承载力介于普通混凝土与珊瑚混凝土之间。普通混凝土最不易发生剪切破坏,可以从骨料分析,珊瑚骨料本身疏松多孔,脆性明显,这些缺点减弱了它的抗剪能力,导致其容易被剪坏。从胶凝材料角度分析,地聚物中粉煤灰、矿渣与水玻璃在常温下发生复杂的碱激发反应,这种特殊的黏结机制不同于普通水泥,在压剪作用下表现出良好的抗裂性能。此外,地聚物珊瑚混凝土与珊瑚混凝土均使用海水作为拌合剂,但地聚物还具备良好的抗化学侵蚀性能,这也是导致地聚物珊瑚混凝土在剪切性能上略优于珊瑚混凝土的原因之一。

2.3 初始剪切刚度

剪切荷载-位移曲线中处于弹性阶段的斜率定义为初始剪切刚度t0。由于实验仪器原因及环境影响等因素,因此难以判别弹性阶段。为此,本文中根据前人研究[31-32],将峰值荷载的1/3处的割线斜率取为初始剪切刚度,初始剪切刚度的测定值如图7所示。由图可以发现,初始剪切刚度随着混凝土强度等级提高而增大,可能是由于较低的水灰比越有助于减少混凝土中的空隙和孔隙,提高其密实性,从而增大了试件发生相对位移的难度。通过对比,初始剪切刚度随压应力比呈增大趋势,这是因为压应力的增加能够增大混凝土的有效侧向约束,从而提高混凝土的初始剪切刚度。

图7 初始剪切刚度的测定值 Fig.7 Measured values of initial shear stiffness

2.4 损伤本构模型

混凝土材料的损伤形式较为复杂,为了方便提出GCC的压剪损伤模型,本文根据文献[30,33]提出的损伤变量D值获取方法是测量截面上损伤面积,其表达式为

(2)

式中:Ab表示混凝土试件受损伤的面积;A为截面总面积。由定义可得损伤变量D的取值范围为[0,1]。假设损伤区域无法抵抗任何应力,可得

σmA=σe(A-Ad),

(3)

式中σm和σe分别为平均应力和有效应力。结合式(2)、(3)可以得

F=Fe(1-D),

(4)

式中:F、Fe分别为剪切荷载、有效剪切荷载。事实上,直接测量材料在加载过程中的截面破损面积是很难的,因此有必要结合试验剪切荷载-位移曲线中提取损伤变量演化曲线。假设当材料为损伤时剪切荷载对剪切位移的响应为线弹性,已知初始剪切刚度t0,则基本损伤模型的表达式为

F=Fe(1-D)=t0s(1-D),

(5)

式中s为剪切位移

考虑混凝土服从Weibull统计分布,其损伤变量D的表达式[34]为

D=1-exp[-(s/a)b],

(6)

式中a、b分别为尺度参数和形状控制参数。将式(6)代入式(5)得

F=t0sexp[-(s/a)b]。

(7)

选用压应力比k=0.1的混凝土试件分析GCC剪切荷载-位移曲线的拟合情况。式(6)拟合值与试验值的比较如图8所示。由图8可得,损伤本构模型的曲线在峰值荷载之前与试验曲线几乎重合,适合用于上升段的拟合;然而,峰值之后荷载出现较大偏差,拟合值远大于试验值,因此峰值后采用Weibull统计分布是不合理的。参考文献[35],修正下降段曲线的表达式为

图8 式(6)拟合值与试验值的比较 Fig.8 Comparison of fitted values and test values in Eq.(6)

(8)

式中:Fp表示峰值荷载;m、n为下降段的形状控制参数;sp表示峰值荷载下对应的剪切位移。对应的损伤演变方程为

(9)

从式(8)、(9)可看出,地聚物珊瑚混凝土的损伤本构关系和损伤演化方程只与材料自身的峰值荷载、峰值位移和初始剪切刚度有关。由于篇幅限制,因此选用压应力比k=0.1的3种混凝土强度及强度等级为C30的5种压应力比的实验数据,将其导入Origin软件中实现拟合,图9为试验曲线与本构模型拟合结果。从图9中可看出,2条曲线具有较高的拟合度,说明拟合效果良好。拟合得到损伤本构模型参数的测定值见表6。

(a) 压应力比k为0.1

表6 压-剪复合作用下损伤本构模型参数测定值Tab.6 Measured parameters of the damage constitutive model under compression-shear stresses

由图7、表6、式(8)和实验数据可得到地聚物珊瑚混凝土损伤变量D随剪切位移的演化曲线(见图10)。可以看出,当剪切位移相对较小时,损伤变量约为0,说明低剪力条件下,混凝土试件不发生损伤。当剪切位移增大,损伤变量加速增大;当剪切位移进一步增大,损伤变量的增幅逐渐减小,并趋近于1。图10(a)表明混凝土强度越高,损伤越快发生,可能是较低水灰比可能会导致混凝土的可塑性和延展性降低,使其损伤演化速度加快。图10(b)可看出,随着压应力比增大,GCC的损伤速度减小,说明正应力比的施加有助于延缓损伤的演化,而且压应力比越大,损伤变量越大,说明混凝土的破坏程度更严重,与试验观察到的结果一致。

(a) 压应力比k为0.1

3 结论

① 不同压应力比作用下地聚物珊瑚混凝土的破坏模式不同,可划分为拉伸破坏、压-剪破坏和压碎破坏。混凝土强度和压应力比的提高导致混凝土剪切面上剥落的碎屑和摩擦痕迹逐渐明显,峰值剪切荷载和峰值剪切位移均有不同程度地增大。

② 利用剪切荷载-位移曲线分析剪切强度的组成,发现黏聚强度约占剪切强度的11%～37%,界面摩擦强度约占40%～67%,骨料咬合强度约占16%～34%。混凝土强度和压应力增加,界面摩擦力强度随之增加,黏聚强度占比反而降低;骨料咬合强度占比随压应力比的提高先增大后减小。3种不同混凝土类型的抗剪能力由大到小的顺序为普通混凝土、地聚物珊瑚混凝土、珊瑚混凝土。

③ 初始剪切刚度随混凝土强度和压应力比的提高而增大;基于Weibull统计分布和修正的普通混凝土单轴抗压损伤本构模型有效反映了地聚物珊瑚混凝土的压剪特性,该模型能够很好地预测试件的损伤演化过程。不同的压应力比下损伤演化曲线特征与破坏模式密切相关。