鐵尾礦砂混凝土受壓作用下破壞演化特征

姚 汐

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

鐵尾礦砂屬于廢棄資源長期堆積，累計量約為600 億噸，占用土地，污染環境。隨著混凝土工程對天然砂資源需求加大，鐵尾礦砂資源二次利用具有很大前景。圍繞鐵尾礦砂混凝土抗壓強度、抗滲性等工作性能，研究者展開相關大量研究。利用尾礦砂取代部分天然砂，不僅有利于改善混凝土骨料顆粒級配，更有利于提高混凝土的強度[1-6]。

宋少民研究證實，混凝土在摻入鐵尾礦砂后密實性與抗滲性均得到改善[7-9]。目前對鐵尾礦砂混凝土的研究主要集中于抗壓強度、彈性模量、抗滲性等單一性能指標進行測試及優化，針對試樣平面應變研究則很少見報道。本文利用VIC-3D技術對比尾礦砂混凝土與天然砂混凝土加載過程平面應變特征，分析兩種試樣受壓后的損傷破壞過程。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

（1）膠凝材料：水泥采用P.L.H.32.5 低熱硅酸鹽水泥（撫順水泥有限公司生產）；富余系數1.13，水泥密度3 100kg/m3，執行標準GB200-2003。

（2）鐵尾礦砂：采用遼寧丹東鐵尾礦，細度模數2.21～2.70，表觀密度2860kg/m3，其中SiO2含量74.36%，Fe2O3含量9.26% ，Al2O3含量5.75%，CaO 含量3.78%，MgO 含量2.98%，K2O 含量1.37%，CO2含量1.2%，Na2O 含量0.87%，Ti2O 含量0.43%。

天然水洗砂：表觀密度2562kg/m3.堆積密度為 1410kg/m3，主要是巖石顆粒組成，壓碎值10%，其細度模數為2.69～3.10,鐵相礦物5%～10%，含水率1%，顆粒級配良好。對尾礦砂與天然砂進行粒徑試驗，分析兩種砂的顆粒級配，試驗結果見圖1 天然砂。

混合砂：鐵尾礦砂與天然砂按照2:3 比例混合，細度模數1.9～3.1,表觀密度2696 kg/m3。

圖1 混凝土細集料級配曲線

由圖1 可以看出，兩種砂級配曲線符合建筑用砂規范Ⅱ區標準，天然砂顆粒主要集中在0.3～2.36mm 之間，混合砂顆粒主要集中在0.15～2.36 之間,在0.075～0.3 之間，混合砂比之天然砂較多，兩種砂雖同處于JGJ52-2006Ⅱ標準級配區間內，但混合砂整體細度模數小于天然砂。

（3）粗骨料：天然卵石堆積密度710kg/m3，表觀密度2677kg/m3

2 試樣制作及試驗方法

2.1 試樣制作

試驗制作兩組混凝土試樣根據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[10]，試樣規格為100×100×100 mm的立方體試塊，澆筑12h后脫模，置于20℃，濕度≧95%，的環境中養護28d。天然砂混凝土與鐵尾礦砂混凝土配合比，水、水 泥、 尾 礦 砂、 天 然 砂、 卵 石， 分 別225,450,0,665 ， 1069kg/m3；225,450,262,393,1069kg/m3。

2.2 單軸抗壓

采用微機控制電液伺服壓力試驗機，配備有自動數據采集系統，滿足系統加載精度以及混凝土試塊位移變化的穩定測量[11]。試樣達到養護齡期，取出試塊去除試樣表面雜質，置于壓力機承壓板中心，對試樣豎直方向加壓至試樣破壞。

2.3 VIC—3D 數字圖像分析系統測試方法

抗壓試驗前，在試樣外表面噴涂散斑，試驗中采用VIC—3D 圖像追蹤系統，分析軟件根據試樣表面散斑狀態，繪制即時應變云圖。依據受壓過程散斑變形特征，分析混凝土裂縫萌生擴展過程。

3 試驗結果分析

3.1 鐵尾礦砂對混凝土抗壓強度的影響

抗壓強度試驗得出結果，常規天然砂混凝土立方體抗壓強度為30.1MPa，彈性模量3.02×104MPa，鐵尾礦砂混凝土立方體抗壓強度為36.9MPa，3.24×104MPa。試驗結果表明摻入40%鐵尾礦砂可明顯提高混凝土強度，顆粒大部分處于0.075～0.15mm 之間，多棱角，鐵相礦物與石粉成分含量高，屬于堅硬成分，對混凝強度有利。按照一定比列與天然砂混合后，可填充天然砂顆粒之間孔隙，優化混凝土的密實度，使得混凝土內摩擦阻力增大，達到增加混凝土抗壓強度的效果。

3.2 VIC—3D 數字圖像技術下混凝土破壞過程

3.2.1 兩種試樣單軸抗壓橫縱方向應變

通過VIC—3D 圖像數字系統分析軟件，在兩種類型試樣表面豎直方向與水平方向設置兩條直線E0E1，見圖3（a）圖4（a）；VIC—3D 系統可根據照片像素點的變化，分析出試樣在整個受壓過程中E0E1兩條橫縱線上的應變，根據兩條線的應變，可計算兩種混凝土試樣整體水平與豎直方向的應變。

圖2 兩種混凝土單軸抗壓橫縱線時間應變

天然砂混凝土在0～30s 橫縱線應變較小，且均處于緩慢增加狀態，30s～45s內斜率均發生變化，應變速率增大，50s 應變急劇增大，斜率趨于無窮大,這表明在試樣E0E2線上出現裂紋天然砂混凝土處于破壞階段；鐵尾礦砂混凝土在0～75s內，橫縱線應變較小，應變呈線型緩慢增加，80s 以后斜率斜率趨于無窮大，E0E1應變急劇增大，表明試樣E0E1線上出現裂紋，鐵礦砂混凝土處于破壞階段。從圖2 可看出尾礦砂混凝土抗壓應變性能明顯高于天然砂混凝土，線上的裂紋萌生晚于天然砂混凝土。

3.2.2 混凝土破壞過程應變云圖

從萌生裂紋到被壓碎，是混凝土受壓破壞的必經過程，但是在混凝土受壓到破壞期間，光靠壓力機難以記錄整個過程的數據[10]，采用VIC—3D 可觀測試樣從加載到壓碎破壞完整周期。天然砂混凝土受壓狀態下表面豎直Y 方向應變云圖見圖3。

圖3 天然砂混凝土破壞應變過程云圖

圖3 中右側顏色應變軸可判斷應變大小。eyy 代表試樣y 方向應變，顏色越是接近紫色應變越大，越接近紅色應變越小。應變越大說明該區域骨料間壓應力也會越大，本試驗中應變較大的紫色區域定義為混凝土相對薄弱區域。

試樣未加載時，圖中區域均為綠色，表示應變為0，試樣并未受到壓縮，見圖3（a）；加載30s 時應變區間0.45～-8.7‰應力云圖顏色變化明顯試樣處于受壓過程，圖中絕大部分區域應變處于-0.70～-4.1‰之間，試樣左下方出現兩處壓應變較大的紫色區域對應應變值為-7.0～-8.7‰，見圖3（b）；加載60s 時應變區間為0.0～-13.4‰，根據顏色軸可知，試樣中心區域出現部分深藍區域應變值增加為-6.043～-7.431‰，原有左下方薄弱區域應變值為-10.0～-13.4‰，紫色區域箭頭指向處最先出現細小裂紋，將兩塊最為薄弱的紫色區域貫通，圖中箭頭所指方向為裂紋，見圖3（c）。加載80s 時應變區間為0.20～-18.0‰，試樣中心深藍區域變為紫色并出現微裂紋應變值變為-13.4～-18.0‰，表明該區域承受應力達到極限，骨料之間產生相對位移，試樣中心及左下方三處紫色區域的裂紋延伸相互貫穿，最終形成貫穿性裂縫試樣破壞，見圖3（d）。

圖4 鐵尾礦砂混凝土破壞應變過程云圖

圖4 為鐵尾礦砂混凝土受壓破壞過程豎直Y 方向應變云圖，顏色軸eyy 表示應變值，0s 時整個區域顯示綠色試樣未受壓，見圖4（a）；加載50s 應變區間為-0.1～-3.6‰，應力云圖大部分區域應變值處于-0.1～-2.1‰呈現橙、黃、綠，試樣上部邊緣區域及右上方邊緣小片區域顏色較深，試樣上方，右上方邊緣及試樣中心，出現三處應變值范圍達到2.7～-3.6‰的薄弱區域，見圖4（b）。加載100s 時應變區間為-0.3～-6.5‰，最初試樣上方邊緣兩處應紫色色區域轉變為綠色與橙色應變值變為-5.0～-7.6‰，這說明在混凝土受壓過程中應力傳遞并不均勻從而出現應力重分布現象，云圖右上方邊緣紫色區域應變進一步劣化為-9.5～-10.8‰，應力云圖除原有紫色區域外，又出現一處深藍色應變為-6.9～-8.9‰薄弱區域，見圖4（c）；140s 時應變區間為-0.2～-15.4‰云圖中多處出現相比其它區域應變較大的紫色、深藍色薄弱區域，應變范圍處于-8.25～-12.90‰，并且裂紋沿著這些區域擴展，形成完整的貫穿性裂縫，混凝土變形錯位嚴重試樣破壞，見圖4（d）。

通過混凝土受壓破壞過程應變云圖顯示，常規混凝土從60s 左右開始裂紋萌生，到80s 左右時裂紋延伸形成貫穿性裂紋試樣破壞，鐵尾礦砂混凝土100s 左右微裂紋萌生，到140s 左右裂紋演化為貫穿性裂紋試樣破壞，可看出鐵尾礦砂混凝土抗壓應變性能明顯優于天然砂混凝土，兩種混凝土強度不同裂紋演化規律卻基本相同。混凝土離散型較大屬于各向異性材料，同一個面存在多處薄弱區域。

綜上所述：可以將天然砂混凝土與鐵尾礦砂混凝土破壞分為三個階段：

（1）從加載起初一段時間，試樣分析區域應變整體分布相對均勻，應變值較小，試樣處于初步壓縮狀態。

（2）隨著荷載增加，由于混凝土離散性較大，粗細骨料之間應力傳遞越發不規則，試樣出現多處局部應力集中區域。

（3）最大集中應力區域為混凝土抗壓薄弱區域，最先萌生裂紋，隨著壓應力增大裂紋擴展延伸，貫穿其它幾處薄弱區域，最終形成貫穿性裂縫，混凝土破壞。

4 結論

（1）在相同水灰比、砂率情況下，摻入40%鐵尾礦砂混凝土強度優于天然砂。

（2）鐵尾礦砂混凝土破壞形式是局部到整體的破壞。混凝土受壓過程應力傳遞不規律導致應集中是試樣破壞的主要原因。

（3）試驗從裂紋出現到破壞用時間極短沒有明顯預兆屬于脆性破壞。