不同煤矸石粗骨料替代率下混凝土的低溫力學性能研究

馬 也, 張博杰, 楊秋寧

(寧夏大學 土木與水利工程學院,寧夏 銀川 750021)

全球每年混凝土消耗量近 175 億t,其中骨料占混凝土體積的70%～80%,消耗量超過130 億t/a[1].骨料的大規模開采給生態環境造成了巨大破壞.隨著天然碎石的開采逐漸受限,解決骨料資源問題成為當下混凝土研究領域的熱點課題.煤矸石是采煤和洗煤過程中排放的固體廢棄物,產量占采煤總量的10%～25%[2].煤矸石的堆積不僅占用土地而且污染環境,煤矸石的資源化利用迫在眉睫.煤矸石骨料混凝土的制備技術既可緩解骨料資源緊缺問題,又能通過固廢資源再利用節約成本.研究顯示,煤矸石骨料混凝土基本滿足混凝土的力學性能要求[3].在超低溫條件下,混凝土的峰值應變減小,脆性增大,強度與彈性模量均提高,且在低溫條件下,混凝土的抗拉強度和抗壓強度均提高[4—5]. 寧夏的晝夜溫差較大,低溫在-20 ℃以下,低溫下服役混凝土的力學性能會受到一定影響.有關煤矸石骨料混凝土的力學性能和混凝土的低溫力學性能研究較多,而針對煤矸石骨料混凝土低溫下的力學性能研究較少.筆者設計不同強度、不同煤矸石粗骨料替代率下的煤矸石混凝土,分析煤矸石粗骨料替代率和低溫條件對煤矸石粗骨料混凝土力學性能的影響,為寒冷地區冬季采用煤矸石粗骨料混凝土施工提供參考.

1 實驗

1.1 原料

實驗采用寧夏產賽馬牌P.O42.5水泥.骨料選用粒徑為5～20 mm的連續級配碎石,符合GB/T 14685—2001中Ⅱ類碎石的要求.實驗篩選5～10,10～20 mm煤矸石,參照GB/T 14684—2011中細骨料標準砂的細度模數為2.48,煤矸石為級配良好的Ⅱ區中砂,其他各項指標均滿足要求. 實驗添加聚羧酸高效減水劑,用水為銀川市自來水.實驗材料的指標見表1～表2(表1中,w0.045為粒徑為0.045 mm顆粒的質量分數;w為標準稠度時水的質量分數;t0為初凝時間;t為終凝時間;fc為3 d的抗壓強度;F為3 d的抗折強度.表2中,w1,w2,w3,ρ1,ρ2分別為壓碎值、水的質量分數、針片狀碎石的質量分數、表觀密度和堆積密度).

表1 水泥的物理性質及力學性能

表2 未燃煤矸石及天然碎石的基本性質

1.2 方案

以配合比(煤矸石粗骨料的替代率)和溫度為變量,按照GB/T 50081—2002要求制作100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm試件,拆模后統一標準養護(溫度為(20±2)℃,相對濕度為95%).C40混凝土試件設置0%,20%,60%,100%這4組替代率;設置100%煤矸石替代率下C30,C50兩個分組,共6組配比實驗.在實驗溫度為20,-10,-20,-30 ℃,標準條件下養護56 d,擦凈試件表面水分放入低溫實驗箱.當達到設定的溫度時,繼續放置4 h,在相同溫度下進行力學性能測試.制作試件的配合比見表3.

表3 煤矸石粗骨料混凝土的配合比

1.3 儀器

煤矸石粗骨料混凝土低溫實驗采用DW-50低溫試驗箱(圖1a);動態模量測定儀(圖1b)測試煤矸石粗骨料混凝土在低溫下的動彈性模量;煤矸石粗骨料混凝土的強度測試使用WAW-2000型微機控制電液伺服萬能試驗機(圖1c).

2 實驗

2.1 抗壓破壞特征

圖2為在100%煤矸石粗骨料替代率下,C40煤矸石粗骨料混凝土試件在低溫條件下的抗壓破壞特征.當實驗溫度為-10 ℃、加載速度為0.5 MPa/s時,試件中央區域最先出現豎向細微裂縫,且裂縫平行于加載方向.隨著荷載的增大,裂縫逐漸延展.試件中部區域的側向膨脹使周圍開裂剝落直至試件被破壞.當實驗溫度為-20 ℃時,由于低溫下混凝土的極限應變降低,試件被破壞較快.當實驗溫度為-30 ℃時,荷載加載至最大,試件突然發出爆裂聲響,試件頂部及中部被壓碎,破壞嚴重.幾道豎向主裂縫貫穿截面,裂縫寬度大,使試件中部斷裂區域分離出若干小柱,試件被破壞.

圖2 低溫下煤矸石粗骨料混凝土的破壞特征

2.2 劈裂抗拉破壞特征

圖3為在100%煤矸石粗骨料替代率下,C40煤矸石粗骨料混凝土試件在低溫條件下的劈裂破壞特征.當實驗溫度為-10 ℃、加載速度為0.08 MPa/s時,試件的頂部出現碎裂現象,表面開始出現少量細微裂縫.當荷載增加至最大時,試件破壞面上的裂縫數量急劇增加,破裂速度加快,且伴隨劈裂破壞聲響,直至試件被破壞.當實驗溫度為-20 ℃時,破壞發生在煤矸石骨料和硬化水泥漿體的過渡區,劈裂破壞路徑貫穿煤矸石骨料,斷面較平整. 當實驗溫度為-30 ℃時,隨著荷載增加至最大,試件表面出現平行于荷載方向的裂縫.由于煤矸石粗骨料的強度較小,試件內部發出的劈裂聲較明顯,裂縫發展速度加快,形成縱向主裂縫所需時間明顯減小.此時裂縫貫通整個截面,斷面有凹陷不再平整,開裂時伴隨較大的破壞聲響.

圖3 低溫下煤矸石粗骨料混凝土的劈裂破壞特征

2.3 抗折破壞特征

圖4為在100%煤矸石替代率下,C40煤矸石粗骨料混凝土試件在低溫條件下的抗折破壞特征.當實驗溫度為-10 ℃、加載速度為0.08 MPa/s時,試件未出現明顯裂縫.當荷載增加至最大時,試件中部形成貫穿裂縫,同時可聽到連續破壞聲響,直至試件被破壞.當實驗溫度為-20 ℃時,荷載增加至最大,試件表面出現較-10 ℃下偏斜的裂縫,且伴隨有悶響,直至試件被破壞. 當實驗溫度為-30 ℃時,荷載增加至最大,試件表面的裂縫方向較-10 ℃和-20 ℃時的豎直.隨著溫度降至最低,試件的脆性表現更明顯,破壞時內部聲響較-10 ℃和-20℃時的更大.

圖4 低溫下煤矸石粗骨料混凝土的抗折破壞特征

3 結果與分析

3.1 抗壓強度

在煤矸石100%替代率下,C40煤矸石粗骨料混凝土試件在不同低溫下的抗壓強度見圖5～圖6,力學性能見表4.由圖5、表4可知,隨著實驗溫度的降低,不同C40煤矸石粗骨料混凝土的抗壓強度均隨溫度的降低而升高. 以C40-M100為例,當實驗溫度由20 ℃分別下降至-10,-20,-30 ℃時,其抗壓強度由28.67 MPa分別上升至40.90,56.16,58.20 MPa,分別提高42.7%,95.9%,103.0%.由于 C40-M100的內部分布著大小各異的孔隙,當實驗溫度由20 ℃降低至-10 ℃,孔溶液不斷結冰,孔隙被強度較高的冰所填實,使孔隙結構變得致密[6],因此抗壓強度升高. 當實驗溫度下降至-20 ℃時,毛細孔和較大孔隙中的水繼續凍結,致使煤矸石粗骨料混凝土的強度繼續升高.當實驗溫度下降至-30 ℃時,煤矸石粗骨料混凝土中毛細孔和大孔中的大量結冰使較大孔隙減少,而孔隙孔徑越小,結冰所需的溫度越低[7],這使孔內的結冰速率降低,煤矸石粗骨料混凝土的抗壓強度升高趨勢減緩.在相同低溫條件下,C40煤矸石粗骨料混凝土的抗壓強度隨著煤矸石替代率的增加而降低.以實驗溫度為-10 ℃時的試件為例,當煤矸石粗骨料的替代率分別為0%,20%,60%,100%時,對應的C40,C40-M20,C40-M60,C40-M100的抗壓強度分別為61.73,52.33,49.73,40.90 MPa.相比于C40混凝土,上述煤矸石粗骨料混凝土的抗壓強度分別降低15.2%,19.4%,33.7%.表明混凝土的抗壓強度與煤矸石粗骨料替代率呈負線性關系[8],即煤矸石粗骨料混凝土的抗壓強度隨煤矸石替代率的增加而下降.

圖5 溫度對C40煤矸石粗骨料混凝土抗壓強度的影響

圖6 溫度對不同等級煤矸石粗骨料混凝土抗壓強度的影響

表4 煤矸石混凝土在不同溫度下的抗壓強度(fc)、劈裂抗拉強度(ft)和抗折強度(F)

由圖6、表4可知,在100%煤矸石粗骨料替代率下,C30-M100,C40-M100,C50-M100的抗壓強度均隨著溫度的降低呈上升趨勢.以 C30-M100為例,在實驗溫度分別為-10 ,-20,-30 ℃時,其抗壓強度分別為常溫下的1.3,1.9,2.0倍. 在100%煤矸石替代率下,煤矸石粗骨料混凝土的抗壓強度隨著設計強度的減小而降低.以實驗溫度為-30 ℃下煤矸石粗骨料混凝土為例,C50-M100,C40-M100,C30-M100的抗壓強度分別為60.2,58.2,52.4 MPa.

3.2 劈裂抗拉強度

不同配比C40煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉強度均隨著實驗溫度的降低而逐漸增大(表4、圖7).以C40-M100為例,當實驗溫度從20 ℃分別下降至-10,-20,-30 ℃時,其劈裂抗拉強度由2.45 MPa分別上升至2.50,2.60,4.1 MPa,分別提高2.0%,6.1%,67.3%.當實驗溫度由20 ℃降低至-10 ℃,煤矸石粗骨料混凝土內部較大孔隙中的孔隙水開始結冰,劈裂抗拉強度開始逐漸增大,表明較大孔隙水的凍結對煤矸石粗骨料混凝土劈裂抗拉強度的提升不明顯.當實驗溫度由-10 ℃下降至-20 ℃時,煤矸石粗骨料混凝土中較大孔隙的孔隙水、較小孔隙的孔隙水開始凍結,這樣就填充了孔隙和裂縫,起到支撐、黏結作用,延緩了裂紋的進一步擴大和發展,提高了煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉強度.當實驗溫度由-20 ℃下降至-30 ℃時,煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉強度上升較快,表明較小毛細孔隙中水的凍結對煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉強度提升明顯.在相同低溫條件下,C40煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉強度隨著煤矸石替代率的增加而降低.以實驗溫度為-10 ℃的試件為例,當煤矸石替代率分別為0%,20%,60%,100%時,對應的C40,C40-M20,C40-M60,C40-M100的劈裂抗拉強度分別為3.80,3.40,2.90,2.50 MPa,相比于C40混凝土,劈裂抗拉強度分別降低10.5%,23.7%,34.2%.由于煤矸石粗骨料具有片狀顆粒和孔隙較多的結構特點,煤矸石粗骨料混凝土的力學性能較差.

圖7 溫度對C40煤矸石粗骨料混凝土劈裂抗拉強度的影響

在100%煤矸石粗骨料替代率下,C30-M100,C40-M100,C50-M100的劈裂抗拉強度均隨著實驗溫度的降低呈上升趨勢(表4、圖8). 以 C30-M100為例,在實驗溫度分別為-10,-20,-30 ℃時,其劈裂抗拉強度分別為常溫下的1.2,1.3,1.9倍.在100%煤矸石粗骨料替代率下,煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉強度隨設計強度的減小而降低.以在實驗溫度為-30 ℃下的試件為例,C50-M100,C40-M100,C30-M100的劈裂抗拉強度分別為4.7,4.1,3.77 MPa.

圖8 溫度對不同等級煤矸石粗骨料混凝土劈裂抗拉強度的影響

3.3 抗折強度

不同C40煤矸石粗骨料混凝土的抗折強度均隨著實驗溫度的降低呈上升趨勢(表4、圖9).以C40-M100為例,當實驗溫度由20 ℃分別下降至-10,-20,-30 ℃時,其抗折強度由2.7 MPa分別上升至4.6,4.8,8.9 MPa,分別提高70.4%,77.8%,229.6%.當實驗溫度由-20 ℃下降至-30 ℃時,隨著溫度的降低,煤矸石粗骨料混凝土中毛細孔的連通性被冰晶的形成所阻斷,減小了潛在的脆弱和應力集中區域[9],提高了煤矸石粗骨料混凝土的抗折強度.其中,C40-M100在該變化溫度下的抗折強度升高較大.抗折強度變化表現出與劈裂抗拉強度相似的規律,說明毛細孔中孔隙水的凍結對煤矸石粗骨料混凝土的抗折強度提升明顯.在相同低溫條件下,C40煤矸石粗骨料混凝土的抗折強度,隨著煤矸石替代率的增加而降低.以在實驗溫度為-10 ℃時的試件為例,當煤矸石粗骨料的替代率分別為0%,20%,60%,100%時,對應C40,C40-M20,C40-M60,C40-M100的抗折強度分別為6.8,6.43, 4.83,4.6 MPa,相比于C40混凝土,抗折強度分別降低5.4%,29.0%,32.4%.在相同低溫條件下,由于煤矸石粗骨料具有的片狀顆粒和多孔隙結構,降低了它的力學性能,使其抗折強度隨著煤矸石替代率的增加而下降.

圖9 溫度對C40煤矸石粗骨料混凝土抗折強度的影響

在100%煤矸石粗骨料替代率下,C30-M100,C40-M100,C50-M100的抗折強度均隨著實驗溫度的降低呈上升趨勢(表4、圖10). 以 C30-M100為例,在-10,-20,-30 ℃下,其抗折強度分別為常溫下的1.5,1.6,3.4倍.在100%煤矸替代率下,煤矸石粗骨料混凝土的抗折強度隨著設計強度的減小而降低.以實驗溫度為-30 ℃時的試件為例,C50-M100,C40-M00,C30-M100的抗折強度分別為9.5,8.9,8.8 MPa.

圖10 溫度對不同等級煤矸石粗骨料混凝土抗折強度的影響

3.4 相對動彈性模量

由圖11可知,不同C40煤矸石粗骨料混凝土的相對動彈性模量均隨著實驗溫度的降低而增加.以C40-M100為例,當實驗溫度由20 ℃分別下降至-10,-20,-30 ℃時,其相對動彈性模量分別增加102.6%,105.1%,107.8%.隨著溫度的降低,煤矸石粗骨料混凝土內部的孔隙水結冰,冰晶填充孔隙后,混凝土的塑性變形減小,使彈性模量增大[10]. 在相同低溫條件下,C40煤矸石粗骨料混凝土的相對動彈性模量,隨著煤矸石替代率的增加而升高.以實驗溫度為-10 ℃時的試件為例,當煤矸石的替代率分別為0%,20%,60%,100%時,對應C40,C40-M20,C40-M60,C40-M100的相對動彈性模量分別為100.4%,101.4%,102.1%,102.6%.一般,煤矸石粗骨料的孔隙率大,較天然碎石具有較強的吸水性.在煤矸石粗骨料的替代率從0%上升至100%過程中,單位體積的煤矸石粗骨料混凝土的孔隙率和含水率增大,且含水率越高,混凝土的彈性模量增長幅度越大[11].

圖11 溫度對C40煤矸石粗骨料混凝土相對動彈性模量的影響

在100%煤矸石替代率下,C30-M100,C40-M100,C50-M100的相對動彈性模量均隨著溫度的降低而升高(圖12). 以 C30-M100為例,當實驗溫度由20 ℃分別降至-10,-20,-30 ℃時,其相對動彈性模量分別為102.8%,105.3%,110.4%.在相同低溫、100%替代率下,煤矸石粗骨料混凝土的相對動彈性模量的增幅與其強度等級有關,且強度的等級越低,相對動彈性模量的增長幅度越大.

圖12 溫度對不同等級煤矸石粗骨料混凝土相對動彈性模量的影響

4 結論

1)在100%煤矸石替代率下,C40煤矸石粗骨料混凝土的抗壓破壞、劈裂抗拉破壞和抗折破壞特征,隨著實驗溫度的降低呈現脆性破壞的趨勢,且溫度越低脆性破壞特征越明顯.

2)隨著實驗溫度的降低,不同替代率下C40煤矸石粗骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度呈現上升趨勢.在相同低溫條件下,煤矸石粗骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度,隨著煤矸石替代率的增加呈現下降趨勢.在100%煤矸石替代率下,C30-M100,C40-M100,C50-M100的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度,隨著溫度的降低呈現上升趨勢.在相同低溫條件下,煤矸石粗骨料混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度隨著設計強度的降低而減小.

3)隨著實驗溫度的降低,不同替代率下C40煤矸石粗骨料混凝土的相對動彈性模量,隨著溫度的降低呈現上升趨勢.在相同低溫條件下, C40煤矸石粗骨料混凝土的相對動彈性模量,隨著煤矸石替代率的增加而升高.在相同低溫條件下,100%煤矸石替代率下C30-M100,C40-M100,C50-M100的相對動彈性模量,隨著混凝土強度等級的降低而升高,且強度等級越低,相對動彈性模量的增加幅度越大.