壓剪作用下地聚物珊瑚混凝土的力學性能研究

楊海峰, 楊青梅, 柳岸然

(1.廣西大學 土木建筑工程學院, 廣西 南寧 530004;2.工程防災與結構安全教育部重點實驗室, 廣西 南寧 530004;3.廣西防災減災與工程安全實驗室, 廣西 南寧 530004)

0 引言

基礎設施建設的不斷擴大導致混凝土的需求量不斷增加,硅酸鹽水泥的使用量亦增多。據統計,生產1 t水泥將會產生 10 kg粉塵、2 kg氮氧化物、1 kg SO2等副產物[1],生產1 kg的普通硅酸鹽水泥產生0.66～0.82 kg的碳化物[2],生產水泥所排放的CO2約占全球范圍內CO2排放總量的5%～7%[3]。如此驚人的占比與“碳達峰碳中和”雙碳目標背道而馳,為此人們逐漸將目光轉移到另外一種膠凝材料——地聚物上。地聚物是利用堿溶液和建筑垃圾或工業廢棄物等原材料發生復雜的化學反應形成的新型膠凝材料,是傳統水泥理想的代替品[4]。研究表明,地聚物具有制備工藝簡單[5]、生產碳排放量低[6]及綠色環保[7]等優點。同時,堿激發地聚物的加入可以提高混凝土的力學性能。毛明杰等[8]發現在20 ℃養護條件下粉煤灰地聚物混凝土的28 d抗壓強度高于普通水泥混凝土的。Behfarnia等[9]通過實驗發現,在礦渣地聚物混凝土中添加硅灰可以增大混凝土的抗壓強度。不僅如此,礦渣和粉煤灰的加入可以提高地聚物混凝土的抗壓強度和抗拉強度,并證明其適合用于實際工程[10-11]。部分學者也進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激發體系,NaOH激發地聚物混凝土抗硫酸鹽侵蝕的性能更好。李健[13]開展礦渣-粉煤灰基地聚物混凝土在不同彎曲應力荷載作用下抗碳化耐久性的研究,表明養護齡期對地聚物混凝土力學性能及抗碳化性能更為有利,這與混凝土本身微觀結構密切相關。

陸地資源日益匱乏,使得海洋石油、天然氣等資源的開發成為了熱門話題[14],加快島礁工程建設迫在眉睫,然而,從大陸運輸島礁建設需要的建筑材料會消耗龐大的財力、物力及人力[15]。針對這一問題,一些學者發現島礁的珊瑚碎石可以用作混凝土的粗、細骨料,通過與膠凝材料及水混合澆筑制成珊瑚混凝土[16]。珊瑚混凝土不僅滿足工程強度要求[17],具備就地取材、重量輕的特點,而且有效處理珊瑚碎屑堆放在海灘上造成垃圾堆放的問題,在道路、碼頭及橋梁等基礎建筑設施中具有廣泛的應用前景[18]。有關珊瑚混凝土力學性能及耐久性方面的研究近年來越來越受到國內外學者的重視,取得了可觀的成果。Liu等[19]在制備珊瑚混凝土時加入了不同體積的碳纖維,并對其進行了單軸受壓試驗,結果表明,珊瑚混凝土的峰值應變、彈性模量、延性和軸壓韌性比均低于普通混凝土的,但可以通過添加碳纖維來提高。碳纖維的摻入也增加了珊瑚混凝土的峰值應力、殘余應力和極限應變,在試驗結果的基礎上提出了碳纖維珊瑚混凝土的經驗本構模型和損傷本構模型,最后通過與試驗測試的結果比較,驗證了所提出的模型。馬林建等[20]進行珊瑚混凝土單軸靜力壓縮及循環加載下試驗研究,結果表明,減小幾何尺寸會提高混凝土的強度,得到的損傷演化曲線表明試件體積越大則損傷發展越快。

假若在島礁建設中利用地聚物和珊瑚骨料制備地聚物珊瑚混凝土(geopolymer coral concrete, GCC),不僅可以有效解決建筑垃圾堆放等難題,而且也踐行了變廢為寶、低碳環保的理念。實際工程中混凝土結構受力復雜,其中壓、剪復合作用是一種常見的受力類型,這種受力常出現在薄板結構、梁柱節點、剪力墻等[21-23]。剪切破壞通常為脆性破壞,破壞后果較為嚴重[24],然而,在目前所發表的研究成果中,關于壓-剪復合作用下地聚物珊瑚混凝土力學性能和損傷演化鮮有報道。鑒于此,本文以混凝土強度和正應力比為參數進行壓剪受力狀態下的試驗研究,獲取GCC壓剪作用下的受力性能,以期為地聚物珊瑚混凝土工程設計和理論分析提供參考。

1 實驗概況

1.1 原材料與配合比

試驗所采用的粗、細骨料均為南海海域附近采集的珊瑚骨料。粗骨料的粒徑為4.75～19 mm連續級配珊瑚碎石;細骨料的粒徑為0.15～4.75 mm連續級配珊瑚砂,細度模數為3.0,根據規范《輕集料及其試驗方法 第2部分:輕集料試驗方法》(GB/T 17431—2010)[25]評定級配分區為Ⅱ區。粗骨料和細骨料的基本物理性能見表1。采用的地聚物膠凝材料購自河北省石家莊市某礦產品有限公司,由粉煤灰和礦粉以質量比3∶2配置,粉煤灰和礦粉化學組分的質量分數見表2。堿激發劑為液體水玻璃和固體NaOH混合而得,固體NaOH的顆粒純度質量分數≥99%,水玻璃的主要性能指標見表3。采用的海水按標準ASTM D1141-98[26]的規定人工配制而成,其主要化合物成分見表4。此外,采用QS-8020H聚羧酸高效減水劑以減少膠凝材料絮化成團狀況。采用等體積法配置3種不同強度等級(C20、C30、C40)地聚物珊瑚混凝土配合比見表5。

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

表2 粉煤灰和礦粉化學組分的質量分數Tab.2 Composition of fly ash and mineral powder %

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

表4 人工海水化學組分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 試件設計

試驗以混凝土強度等級和壓應力比為設計參數,混凝土強度等級為C20、C30、C40,每種強度等級下設計并制作了6種不同壓應力比(k=σ/fc,其中σ為壓應力,fc為單軸抗壓強度,k=0,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8)的試件。試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm(長度×寬度×高度)的立方體,每組3個試件,共計18組(54個)試件。參考標準[27]測試了地聚物珊瑚混凝土每種強度等級下的100 mm立方體單軸抗壓強度fc,共9個試件。地聚物珊瑚混凝土試件制備流程如圖1所示。試塊成型后室內放置24h,然后進行脫模并移至模擬海洋環境的自制固化柜中養護,28 d后轉移到實驗室待測。

圖1 地聚物珊瑚混凝土試件制作流程Fig.1 Production process of the specimen

1.3 加載方案

加載裝置為巖石與混凝土力學試驗壓力機RMT-201,壓剪復合試驗受力示意[7]如圖2所示。RMT加載儀器豎直方向對試件施加剪切荷載。同時水平方向使用壓力泵施加壓力,使試件發生壓剪復合受力破壞。在上、下傳力板分別放置2個位移計,采集剪切位移和法向位移。本試驗的加載步驟參考先前研究[7]。

圖2 壓剪試驗加載裝置及受力示意Fig.2 Schematic of loading device and forces

2 試驗結果與分析

2.1 破壞模式及剪切荷載-位移曲線

不同壓應力比作用下地聚物珊瑚混凝土的破壞模式和剪切荷載-位移曲線如圖3所示。直接剪切(k=0)的破壞歸為拉伸破壞,混凝土試件剪切面近似水平,達到峰值荷載立即被劈成兩半,屬于典型的脆性破壞;從剪切荷載-位移曲線可看出荷載在峰值點后突然降至接近于0。當壓應力較小時(k=0.1、0.2和0.4),破壞面呈鋸齒狀,附近出現斜裂縫,有部分混凝土碎屑剝落。曲線下降段荷載降至一定值時趨于穩定,稱為壓-剪破壞。當壓應力較大時(k=0.6,0.8),試件沒有明顯的剪切破壞面,其被分割成小斜柱被壓碎而破壞,為壓碎破壞?；炷磷杂杀砻孚呌趧冸x,裂縫數量和長度均有明顯增加,曲線下降段沒有穩定階段。

(a) 壓應力比為0

由圖3也可看出,隨著壓應力比的增加,混凝土剪切面上剝落的碎屑和摩擦痕跡逐漸明顯;峰值剪切荷載Fp和峰值剪切位移sp均呈現增加趨勢。不同混凝土等級在同一壓應力下的破壞模式大致相同,高強度等級的混凝土破壞程度略微嚴重;剪切荷載和峰值剪切位移隨混凝土強度等級的提高也相應增大。觀察k=0.2時GCC-30混凝土試件可發現,裂縫貫穿骨料而發生破壞,這是由珊瑚骨料脆性高、強度低的特性所決定。

2.2 剪切承載力

2.2.1 剪切承載力組成分析

研究剪切承載力的組成有助于掌握壓剪作用下試件在受力過程中剪切荷載-位移曲線的分析,同時有利于剪切破壞面的深入了解。根據先前研究成果[28],剪切承載力Fp由黏聚力Fc、骨料咬合力Fi和界面摩擦力Ff組成,有如下關系:

Fp=Fc+Fi+Ff。

(1)

根據以下假設進行簡化計算:①當裂縫貫通時黏聚力消失,且界面剪切力從峰值后衰減的幅度不變[28],即剪切荷載-位移曲線上軟化階段的轉折點b點與剛進入穩定階段c點,延伸cb與峰值點的垂線相交于d點,則線段ad為黏聚力Fc,如圖4所示。②剪切荷載-位移曲線穩定階段的殘余荷載完全由界面摩擦力提供[29],若沒有殘余階段,則如作者先前研究[7]由拐點決定。殘余荷載定義為下降階段過到穩定階段對應點的剪切強度,如圖中c點的荷載值為界面摩擦力的數值Ff。骨料咬合力Fi由式(1)獲得。

圖4 典型剪切荷載-位移曲線Fig.4 Typical shear load-displacement curve

計算得到3個剪切荷載分量分別除以剪切面積,計算得到峰值剪切強度τp、黏聚強度τc、骨料咬合強度τi及界面摩擦強度τf。根據上述方法和圖3計算得到各強度組成及占比的結果,如圖5所示。由圖可知,GCC黏聚強度約占峰值剪切強度τp的11%～37%,其占比隨混凝土強度和壓應力比的提高而減小,原因主要是當水灰比增大時,混凝土試件具有較多的自由水,加上珊瑚骨料形狀各異,表面多孔使得漿體水化反應更加充足,生成的絮凝結構和網狀結構增多并相互搭接,從而增大了漿體的化學健力和范德華力,宏觀上體現為地聚物漿體與骨料的黏聚強度增大,然而,較大的壓應力可能抑制了黏聚力發揮作用。界面摩擦強度τf約占40%～67%,占比隨著壓應力和混凝土強度的增加而增大,這是因為法向荷載的增加導致接觸摩擦強度增大,當混凝土強度較高時,珊瑚骨料顆粒之間的距離較近,移動所受阻力越大,從而增大了界面摩擦。骨料咬合強度占比約為16%～34%。此外,雖然混凝土的骨料咬合強度是通過間接方法得到的,但其占比隨著壓應力的增加呈現先增后減的趨勢。

(a) 黏聚強度

2.2.2 與其他類型混凝土剪切承載力的比較

選取本試驗GCC強度等級為C30的實驗數據、引用文獻[28,30]對珊瑚混凝土(coral corcrete, CC)和普通混凝土(ordinary concrete, OC)壓剪研究的峰值剪切荷載數據進行研究,由圖6可得到不同壓應力比與剪切承載力的關系。由圖可知,相同軸壓比下,地聚物珊瑚混凝土的峰值剪切承載力介于普通混凝土與珊瑚混凝土之間。普通混凝土最不易發生剪切破壞,可以從骨料分析,珊瑚骨料本身疏松多孔,脆性明顯,這些缺點減弱了它的抗剪能力,導致其容易被剪壞。從膠凝材料角度分析,地聚物中粉煤灰、礦渣與水玻璃在常溫下發生復雜的堿激發反應,這種特殊的黏結機制不同于普通水泥,在壓剪作用下表現出良好的抗裂性能。此外,地聚物珊瑚混凝土與珊瑚混凝土均使用海水作為拌合劑,但地聚物還具備良好的抗化學侵蝕性能,這也是導致地聚物珊瑚混凝土在剪切性能上略優于珊瑚混凝土的原因之一。

2.3 初始剪切剛度

剪切荷載-位移曲線中處于彈性階段的斜率定義為初始剪切剛度t0。由于實驗儀器原因及環境影響等因素,因此難以判別彈性階段。為此,本文中根據前人研究[31-32],將峰值荷載的1/3處的割線斜率取為初始剪切剛度,初始剪切剛度的測定值如圖7所示。由圖可以發現,初始剪切剛度隨著混凝土強度等級提高而增大,可能是由于較低的水灰比越有助于減少混凝土中的空隙和孔隙,提高其密實性,從而增大了試件發生相對位移的難度。通過對比,初始剪切剛度隨壓應力比呈增大趨勢,這是因為壓應力的增加能夠增大混凝土的有效側向約束,從而提高混凝土的初始剪切剛度。

圖7 初始剪切剛度的測定值 Fig.7 Measured values of initial shear stiffness

2.4 損傷本構模型

混凝土材料的損傷形式較為復雜,為了方便提出GCC的壓剪損傷模型,本文根據文獻[30,33]提出的損傷變量D值獲取方法是測量截面上損傷面積,其表達式為

(2)

式中:Ab表示混凝土試件受損傷的面積;A為截面總面積。由定義可得損傷變量D的取值范圍為[0,1]。假設損傷區域無法抵抗任何應力,可得

σmA=σe(A-Ad),

(3)

式中σm和σe分別為平均應力和有效應力。結合式(2)、(3)可以得

F=Fe(1-D),

(4)

式中:F、Fe分別為剪切荷載、有效剪切荷載。事實上,直接測量材料在加載過程中的截面破損面積是很難的,因此有必要結合試驗剪切荷載-位移曲線中提取損傷變量演化曲線。假設當材料為損傷時剪切荷載對剪切位移的響應為線彈性,已知初始剪切剛度t0,則基本損傷模型的表達式為

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

(5)

式中s為剪切位移

考慮混凝土服從Weibull統計分布,其損傷變量D的表達式[34]為

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

(6)

式中a、b分別為尺度參數和形狀控制參數。將式(6)代入式(5)得

F=t0sexp[-(s/a)b]。

(7)

選用壓應力比k=0.1的混凝土試件分析GCC剪切荷載-位移曲線的擬合情況。式(6)擬合值與試驗值的比較如圖8所示。由圖8可得,損傷本構模型的曲線在峰值荷載之前與試驗曲線幾乎重合,適合用于上升段的擬合;然而,峰值之后荷載出現較大偏差,擬合值遠大于試驗值,因此峰值后采用Weibull統計分布是不合理的。參考文獻[35],修正下降段曲線的表達式為

圖8 式(6)擬合值與試驗值的比較 Fig.8 Comparison of fitted values and test values in Eq.(6)

(8)

式中:Fp表示峰值荷載;m、n為下降段的形狀控制參數;sp表示峰值荷載下對應的剪切位移。對應的損傷演變方程為

(9)

從式(8)、(9)可看出,地聚物珊瑚混凝土的損傷本構關系和損傷演化方程只與材料自身的峰值荷載、峰值位移和初始剪切剛度有關。由于篇幅限制,因此選用壓應力比k=0.1的3種混凝土強度及強度等級為C30的5種壓應力比的實驗數據,將其導入Origin軟件中實現擬合,圖9為試驗曲線與本構模型擬合結果。從圖9中可看出,2條曲線具有較高的擬合度,說明擬合效果良好。擬合得到損傷本構模型參數的測定值見表6。

(a) 壓應力比k為0.1

表6 壓-剪復合作用下損傷本構模型參數測定值Tab.6 Measured parameters of the damage constitutive model under compression-shear stresses

由圖7、表6、式(8)和實驗數據可得到地聚物珊瑚混凝土損傷變量D隨剪切位移的演化曲線(見圖10)?？梢钥闯?當剪切位移相對較小時,損傷變量約為0,說明低剪力條件下,混凝土試件不發生損傷。當剪切位移增大,損傷變量加速增大;當剪切位移進一步增大,損傷變量的增幅逐漸減小,并趨近于1。圖10(a)表明混凝土強度越高,損傷越快發生,可能是較低水灰比可能會導致混凝土的可塑性和延展性降低,使其損傷演化速度加快。圖10(b)可看出,隨著壓應力比增大,GCC的損傷速度減小,說明正應力比的施加有助于延緩損傷的演化,而且壓應力比越大,損傷變量越大,說明混凝土的破壞程度更嚴重,與試驗觀察到的結果一致。

(a) 壓應力比k為0.1

3 結論

① 不同壓應力比作用下地聚物珊瑚混凝土的破壞模式不同,可劃分為拉伸破壞、壓-剪破壞和壓碎破壞?；炷翉姸群蛪簯Ρ鹊奶岣邔е禄炷良羟忻嫔蟿兟涞乃樾己湍Σ梁圹E逐漸明顯,峰值剪切荷載和峰值剪切位移均有不同程度地增大。

② 利用剪切荷載-位移曲線分析剪切強度的組成,發現黏聚強度約占剪切強度的11%～37%,界面摩擦強度約占40%～67%,骨料咬合強度約占16%～34%?；炷翉姸群蛪簯υ黾?界面摩擦力強度隨之增加,黏聚強度占比反而降低;骨料咬合強度占比隨壓應力比的提高先增大后減小。3種不同混凝土類型的抗剪能力由大到小的順序為普通混凝土、地聚物珊瑚混凝土、珊瑚混凝土。

③ 初始剪切剛度隨混凝土強度和壓應力比的提高而增大;基于Weibull統計分布和修正的普通混凝土單軸抗壓損傷本構模型有效反映了地聚物珊瑚混凝土的壓剪特性,該模型能夠很好地預測試件的損傷演化過程。不同的壓應力比下損傷演化曲線特征與破壞模式密切相關。