粉煤灰陶粒輕骨料混凝土彈性模量試驗研究

朱玲　吳輝琴　岑釩浬　史方宇　陳宇良

摘? 要：為研究粉煤灰陶粒輕骨料混凝土彈性模量的變化規律，以不同強度等級、不同骨料浸泡時間為影響參數，完成了54個輕骨料混凝土試塊的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和彈性模量試驗.試驗觀察其破壞形態，分析各參數對彈性模量的影響情況，并與現有的國內外規范中關于彈性模量的計算公式結果作對比分析.研究結果表明：軸心抗壓破壞形態為斜剪破壞，受變化參數的影響不大;在同組試件中，彈性模量的應力-應變曲線峰值基本低于軸心抗壓強度的曲線峰值;骨料浸泡時間越長，強度等級越大，輕骨料混凝土的彈性模量越大;所采用規范的彈性模量計算公式的計算值均比輕骨料混凝土試驗值大.并根據試驗數據提出了該類混凝土的彈性模量計算式，擬合結果良好.

關鍵詞：輕骨料混凝土;粉煤灰陶粒;彈性模量;抗壓強度;強度等級

中圖分類號：TU528.041DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.005

0引言

粉煤灰陶?！苑勖夯覟橹饕牧?，摻入適量水泥、石膏及外加劑等，經過成球、燒結或自然水硬性反應制成的一種人造輕骨料.其具有綠色環保、輕質高強、保溫隔熱、抗凍性能好等優點，是制成輕骨料混凝土的理想材料之一.輕骨料混凝土自二十世紀五十年代以來已廣泛應用于實際工程領域，但由于內部結構多孔、吸水率較高，導致其力學性能與普通混凝土存在顯著差異[1-2]，強度較低、脆性大是制約輕骨料混凝土發展的主要因素.已有大量研究通過纖維增強[3-4]、纖維增韌[5]來改善其脆性大的特點，對輕骨料混凝土延性耗能進行了深入探討.

彈性模量作為衡量混凝土的重要力學性能指標，在確定結構變形、分析裂縫開展、探究破壞機理和計算溫度應力等方面都具有必要性，探究彈性模量規律對輕骨料混凝土性能和機理的深入研究都能提供一定的理論依據.已有學者對輕骨料混凝土的彈性模量進行了研究[6-7]：劉喜等[8]利用輕骨料混凝土彈性模量計算模型，分析了強度和表觀密度對彈性模量的影響，并對輕骨料混凝土提出了新的建議計算公式;周欣竹等[9]對輕骨料混凝土彈性模量進行了預測的數值方法研究，提出了其彈性模量預測的快速傅里葉變化法.目前國內外對天然骨料、再生骨料混凝土已提出了多種兩相復合材料彈性模量預測模型[10-11]，統計分析了模型不確定性以及與關鍵參數之間的相關性.

但現有文獻對輕骨料混凝土彈性模量的試驗研究和理論分析仍有限，關于輕骨料混凝土彈性模量的相關變化規律研究還需進一步補充，其彈性模量計算模型還沒有較為認可的普遍適用公式.本文則以輕骨料混凝土為研究對象，設計試驗對其彈性模量進行了深入分析，根據試驗數據進行理論分析，建立彈性模量計算模型.輕骨料由于結構多孔具有吸水返水的特性，Shen等[12]發現對輕骨料進行預濕處理，會對混凝土殘余應力的產生和應力松弛有影響，能延遲混凝土開裂的時間，因此，本文以不同骨料浸泡時間、不同強度等級為變化參數，共設計54個試件，分析各參數對輕骨料混凝土彈性模量的影響，利用現有規范的混凝土彈性模量計算模型與粉煤灰陶粒輕骨料混凝土試驗結果進行對比，為輕骨料混凝土的進一步研究提供參考.

1試驗概況

1.1?? 試驗材料

骨料采用粉煤灰高強陶粒，粒徑為5～10 mm，采用連續級配.經吸水率試驗測試，浸泡時間在1 h以內吸水率增長最快，浸泡1 h時吸水率達到14.96%;浸泡12 h時吸水率為16.12%，之后增長速度平緩;骨料浸泡約17 h達到飽和，飽和吸水率為17.22%，吸水率計算公式為：

[Mc=m2-m1m1×100%]? （1）

式中：[m1]為陶粒原始質量;[m2]為達到預設吸水時間后陶粒的質量;[Mc]為陶粒在預設時間內的吸水率，粉煤灰陶粒具體的物理性能指標見表1.細骨料采用中粗河砂;水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥;水為城市自來水.

1.2?? 輕骨料混凝土配合比

參照JGJ—2019《輕骨料混凝土應用技術規程》進行輕骨料混凝土配合比設計，試驗共設計3種目標強度等級LC20、LC30和LC40，具體的輕骨料混凝土配合比見表2.

1.3?? 試件設計與制作

以骨料浸泡時間、強度等級為變化參數，其中粉煤灰陶粒浸泡時間考慮1 h和12 h兩種，強度等級設計LC20、LC30、LC40 3種，共制作54個輕骨料混凝土試件進行彈性模量試驗（18個尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件進行彈性模量試驗;18個尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件進行軸心抗壓強度試驗;18個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件進行立方體抗壓試驗）.每組參數條件下設計9個試件，其中：3個試塊測試軸心抗壓強度fcp，3個試塊測試立方體抗壓強度fcu，3個試塊測試彈性模量Ec，分別取3個數據的平均值作為試驗結果.試件澆筑時，提前將粉煤灰陶粒放入水池中浸泡，分別浸泡滿1 h和12 h，瀝干表面多余水分，將粉煤灰陶粒放入其他材料已經攪拌均勻的攪拌機內，待混合攪拌均勻后按配比分3次加入自來水，混合攪拌5 min，澆模成型，放置室內標準養護28 d.具體的試件編號及參數如表3所示.

1.4?? 試驗設備與加載制度

本試驗在中科院和SIMENS公司聯合研發的RMT-301試驗機上完成，加載裝置如圖1（a）、圖1（b）所示.參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中規定的“靜力受壓彈性模量試驗”的方法進行加載，具體加載制度見圖1（c）.

2試驗過程及結果

2.1?? 試件破壞形態

粉煤灰陶?；炷猎嚰钠茐男螒B如圖2所示，由圖2可見，粉煤灰陶粒輕骨料混凝土棱柱體試件發生斜向剪切破壞.彈性模量試驗過程中，加載初期，在1/3的軸心抗壓強度內進行彈性循環加載，試件處于彈性階段，應變隨應力按比例增長.進行3次荷載循環后，輕骨料混凝土內部產生了一定的損傷微裂紋，并隨著循環次數的增加，微裂紋也隨之增加，但外觀無明顯裂縫出現.隨著荷載的進一步增大，混凝土進入彈塑性階段，各骨料之間以及骨料和水泥基體之間的塑性損傷不斷累積，內部微觀裂紋不斷開展、擴大，并在試件外部開始出現平行于加載方向的可視裂紋.當荷載增大至峰值應力時，微小裂縫迅速開展、延伸，發展成與豎向加載方向呈45°的斜向貫通裂縫.荷載峰值點過后，試件外觀開始有較多的混凝土剝落.由于粉煤灰陶粒結構多孔、強度較低，混凝土最終破壞時，在其截面上有大量粉煤灰陶粒被剪斷，破壞過程有明顯的脆性特征.

2.2?? 試驗結果

2.2.1?? 彈性模量應力-應變曲線

圖3給出了軸心抗壓強度和彈性模量試驗應力應變全過程曲線.由圖3可見，試件的軸心抗壓和彈性模量試驗應力-應變全過程曲線走勢相同，分為上升段和下降段，上升段在峰值應力的1/3之前，試件處于彈性階段.對比彈性模量與軸心抗壓應力-應變全曲線可見，彈性模量試驗曲線峰值點較軸心抗壓稍低，說明粉煤灰輕骨料混凝土在歷經彈性循環反復加載時，混凝土內部出現了一定的損傷，導致彈性模量的峰值點略低于軸心抗壓強度.由實測結果可得，彈性模量峰值荷載較軸心抗壓強度平均降低約2.83%.

2.2.2?? 彈性模量計算

彈性模量是混凝土變形性能的主要指標，也是各類混凝土進行結構分析與計算的基本依據之一.粉煤灰陶粒輕骨料混凝土的彈性模量值取應力-應變全曲線上的原點至0.4fc點的割線模量，計算公式如下：

[Ec=Fa-F0A·LΔn]（2）

[Δn=εa-ε0] ?（3）

其中：[Ec]為混凝土彈性模量，MPa;[A]為試件受壓面積，mm2;[Fa]為應力為1/3軸心抗壓強度時的荷載，N;[F0]為應力為0.5 MPa時的初始荷載，N;[Δn]為從荷載[F0]最后一次加至[Fa]時試件兩側變形的平均值，mm;[L]為測量標距，mm;[εa]為達到荷載[Fa]時試件兩側變形的平均值，mm;[ε0]為達到荷載[F0]時試件兩側變形的平均值，mm.

彈性模量試驗結果如表4所示，每組數據均取3個試件平均值，軸心抗壓強度[fcp]取峰值應力.由表4數據擬合可得粉煤灰陶粒輕骨料混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的換算公式：

[fcu=fcp/]0.83 （4）

3影響因素分析

3.1?? 強度等級對彈性模量的影響

圖4為3種不同強度等級下粉煤灰陶?；炷恋钠骄鶑椥阅Ａ繉Ρ葓D，由圖4可見，隨著強度等級的增大，粉煤灰陶粒輕骨料混凝土的彈性模量呈增大趨勢，說明提高混凝土強度等級對粉煤灰陶?；炷恋膹椥阅Ａ坑幸欢ㄌ岣咦饔?LC30強度等級的彈性模量較LC20提高了3.36%，LC40強度等級的彈性模量較LC30提高了5.73%.這是由于強度等級越高，混凝土的密實度越高，其內部孔隙相對較少，總體的結構更為密實，在一定程度上增加了混凝土的彈性變形能力.

3.2?? 骨料浸泡時間對彈性模量的影響

圖5為骨料浸泡時間對彈性模量的影響對比圖.由圖5可見，粉煤灰陶粒骨料浸泡的時間為12 h時，其混凝土的彈性模量較浸泡時間為1 h的大，在LC20、LC30、LC40 3種混凝土強度等級下，粉煤灰陶粒骨料浸泡12 h的試件與浸泡1 h的試件的彈性模量比值分別為0.95、1.01、1.06，說明增加粉煤灰陶粒骨料的浸泡時間可以提高輕骨料混凝土的彈性模量.這可能跟粉煤灰陶粒輕骨料的結構有關，由于陶粒內部結構有較多孔，吸水率較高，浸泡時間越長時，輕骨料的吸水狀態越接近飽和，當粉煤灰陶粒骨料與水泥基體結合時，水泥基體的水化反應更為充分，且其接觸面融合程度也越高，從而使得粉煤灰陶?；炷恋目箟簭姸群蛷椥阅Ａ坑兴岣?

4各彈性模量計算公式對比

結合國內外已有的對于混凝土彈性模量的相關研究，以下為典型的混凝土彈性模量計算公式.

美國國家公路與運輸協會AASHTO[13]：

[Ec=0.43r1.5cfcu]（5）

Dhir[14]：

[Ec=13 100+370fcu]（6）

Mellmann[15]：

[Ec=8 242+378fcu]（7）

美國混凝土規范ACI 318-77[16]：

[Ec=4 789fcu] （8）

歐洲混凝土規范CEB-FIP MC90[17]：

[Ec=0.1fcu+0.83×2.15×104]（9）

中國混凝土規范GB50010—2010[18]：

[Ec=1052.2+（34.7/fcu）]（10）

英國混凝土規范BS 8110[19]：

[Ec=K0+]0.2[fcu， k×103]? （11）

式中： [rc]為混凝土密度，kg/m3;K0為與骨料彈性模量緊密相關的系數，正?；炷寥?0×103 MPa;[fcu， k]為齡期為28 d時混凝土立方體抗壓強度，MPa;[Ec]為齡期為28 d時混凝土的彈性模量，MPa.

圖6為粉煤灰陶粒輕骨料混凝土的彈性模量與立方體抗壓強度的擬合圖，可得到粉煤灰陶?；炷翉椥阅Ａ坑嬎闶剑?/p>

[Ec=10 947.62+167.16fcu] （12）

擬合相關系數為0.673，本文提出的粉煤灰陶粒輕骨料混凝土的彈性模量計算式與試驗實測結果擬合較好.

圖7給出了式（5）—式（12）的計算結果與試驗實測結果對比圖.由圖7可見，式（5）—式（12）計算得到的彈性模量計算結果均比本試驗實測結果大，這是因為各建議公式是根據普通混凝土提出的計算式，由于粉煤灰陶粒輕骨料混凝土相對普通混凝土而言，其內部結構多孔，強度較天然骨料要低，因此，粉煤灰陶粒輕骨料混凝土在受力時，試件內部產生裂縫比普通混凝土發展更快，內部損傷更大，導致輕骨料混凝土的彈性性能比普通混凝土要低.對比各規范公式計算結果，發現Mellmann提出的公式計算結果與本試驗結果最為接近，兩個結果的比值在1.17～1.46之間波動，均值為1.32，且具有一定的安全富余.

5結論

1）輕骨料混凝土的棱柱體受壓破壞與強度等級、骨料浸泡時間無關，發生斜裂縫剪切破壞.

2）輕骨料混凝土彈性模量的應力-應變曲線峰值基本較軸心抗壓強度的曲線峰值要低，說明彈性循環階段對輕骨料混凝土有一定能量耗散，內部出現損傷.

3）強度等級、骨料浸泡時間對輕骨料混凝土的彈性模量均有一定影響，強度等級越高、浸泡時間越長，彈性模量越大.

4）采用現有普通混凝土的彈性模量計算公式所得粉煤灰陶?；炷翉椥阅Ａ恐稻?，建議采用本文所提出的計算公式作為粉煤灰陶?；炷恋膹椥阅Ａ坑嬎闶?

參考文獻

[1] 葉列平，孫海林，陸新征，等.高強輕骨料混凝土結構性能、分析與計算[M].北京：科學出版社，2009.

[2] 范利丹，李培濤，余永強，等.輕骨料混凝土性能、本構關系和破壞機理研究進展[J].混凝土，2017（11）：44-49.

[3] 董健苗，王留陽，曹嘉威，等.單摻與混摻纖維增強自密實輕骨料混凝土力學性能試驗研究[J].廣西科技大學學報，2020，31（1）：39-44.

[4] 董健苗，王亞東，杜亞聰，等.不同長度及直徑的劍麻纖維對自密實輕骨料混凝土力學性能的影響[J].廣西科技大學學報，2017，28（3）：26-30.

[5] 魏慧，吳濤，楊雪，等.纖維增韌輕骨料混凝土單軸受壓應力-應變全曲線試驗研究[J].工程力學，2019，36（7）：126-135，173.

[6] 李青，晏方，陳宇良，等.外摻鋼纖維混凝土早期力學性能的試驗研究[J].混凝土，2020（6）：102-105.

[7] 陳思穎，雷冬，趙彬娜，等.混凝土界面過渡區彈性模量分布的數值模擬[J].混凝土，2020（4）：46-49.

[8] 劉喜，史尚冕，趙天俊，等.輕骨料混凝土彈性模量計算模型分析[J].硅酸鹽通報，2017，36（7）：2192-2196，2202.

[9] 周欣竹，陳丹陽，鄭建軍，等.輕骨料混凝土彈性模量預測的數值方法[J].混凝土，2020（2）：161-164.

[10]?? 常熤存，耿悅，王玉銀，等.基于兩相復合材料的再生混凝土彈性模量預測模型[J].建筑結構學報，2020，41（12）：165-173.

[11]?? OUYANG X，SHI C J，WU Z M， et al. Experimental investigation and prediction of elastic modulus of ultra-high performance concrete （UHPC） based on its composition[J].Cement and?Concrete?Research，2020，138：106241. DOI：10.1016/j.cemconres.2020.106241.

[12]?? SHEN D J，FENG Z Z，ZHU P F，et al. Effect of pre-wetted lightweight aggregates on residual stress development and stress relaxation in restrained concrete ring specimens[J]. Construction and Building Materials，2020，258. DOI：10.1016/j.conbuildmat.2020.119151.

[13]?? AASHTO LRFD. Bridge design specifications：AASHTO LRFD-2007[S]. Washington DC：The American association of state highway and transportationo fficials， 2007.

[14]?? DHIR R K，LIMBACHIYA M C，LEELAWAT L. Suitability of recycled concrete aggregate for use in BS 5328 designated mixes[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers：Structures and Buildings，1999，134（3）：257-274.

[15]?? MELLMANN G. Processed concrete rubble for the reuse as aggregate[C]// Proceedings of the International Conference on Exploiting Waste in Concrete，Dundee，1999：171-178.

[16]?? ACI?Committee 318. ACI 318-14 building code requirements for structural concrete and commentary?[M].?Farmington Hills： American?Concrete?Institute，?2014.

[17]?? CEB-FIP. Services model code 1990：design code[S]. London：Thomas Telford Ltd，1991.

[18]?? 中華人民共和國建設部.混凝土結構設計規范：GB 50010—2002[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[19]?? British Standards Institute. Steel，concrete and composite bridges-Part 10：code of practice for fatigue：BS 5400-10：1980[S].London：BSI，1980.

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

（責任編輯：羅小芬、黎?? 婭）

收稿日期：2020-10-27

基金項目：廣西科技基地和人才專項（AD19110068）;廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目（2019KY0361）;廣西水工程材料與結構

重點實驗室資助課題（GXHRI-WEMS-2020-05）;國家級（廣西）大學生創新創業訓練計劃項目（202010594179）資助.

作者簡介：朱玲，碩士研究生.

通信作者：吳輝琴，工學碩士，教授，研究方向：先進工程材料及其應用，E-mail：whq6329@163.com.