早齡期砂漿抗拉強度及彈性模量研究

邵爽爽, 金祖權, 于 泳, 趙繼增

(1.青島理工大學 土木工程學院, 山東 青島 266033;2.青島市西海岸軌道交通有限公司, 山東 青島 266500)

隨著中國基礎建設規模與類型的不斷擴大,中低水膠比、高用量膠凝材料的高強高性能混凝土得到了大量應用.但由于水泥水化收縮、干燥收縮及結構的約束作用,混凝土結構的早期開裂時有發生,不僅對環境產生負面影響,而且對人民的生命、財產造成危害[1-3].提高混凝土抗裂能力,一方面通過優化配合比及良好的養護降低開裂趨動應力,另一方面則要提升早齡期混凝土的抗拉強度與變形能力.早齡期抗拉強度、抗拉彈性模量是砂漿力學性能的重要參數，決定了砂漿的早期抗開裂能力.因此,水泥基材料的早齡期抗拉強度與抗拉彈性模量的研究對水泥基材料早期開裂具有重要意義.

目前,針對水泥基材料抗拉彈性模量的測定已有較多學者做了研究,如：陳萌等[4]利用軸向拉伸試驗裝置測試了混凝土5個齡期(3、7、14、28、60d)的抗拉彈性模量,得出了其抗拉彈性模量隨齡期的發展變化規律;曾力等[5]通過砂漿黏結拉伸強度測試儀測試了砂漿7、28、90d的抗拉強度,研究了礦物摻合料對彈性模量的影響;楊楊等[6]通過自制裝置測試了砂漿早期(養護齡期大于1d)的極限拉應力與應變，得到了其變化規律;Yoshitake 等[7]通過拉伸試驗對粉煤灰混凝土早期單軸抗拉強度和楊氏模量進行了定量研究,提出了強度和楊氏模量的經驗公式;Gao等[8]通過納米壓痕研究粉煤灰砂漿的微觀結構和微觀彈性性能;Carmelo等[9]通過對壓縮拉伸試驗得到的載荷-位移曲線進行反分析,確定了不同水化階段的彈性模量、抗拉強度和斷裂能的發展;Vilanova等[10]利用自密實混凝土力學性能的電流估計模型預估了自密實混凝土的彈性模量、抗拉強度及斷裂模量.但由于水泥基材料早齡期(養護齡期小于1d)的抗拉強度小、位移和變形難以測量,目前水泥基材料早齡期的抗拉強度和彈性模量的研究還鮮有報道.

數字圖像相關技術(DIC)是一種利用物體表面隨機分布的斑點來給出變形場的非接觸式、無損的變形測量方法[11-12].通過分析材料變形前后圖像的系統相關性,計算應變分布與全場位移[13-17].彈性模量的非接觸測量是在高溫等惡劣環境下對材料進行在線評估的必要條件[18],利用DIC的非接觸式測量優勢,Elfgren等[19]研究了混凝土材料的力學性能,Jiang等[20]研究了在加速腐蝕下鋼筋混凝土的變形場,這也為早齡期水泥基材料應力應變測試提供了一種理想的方法.

借助東南大學開發的水泥基材料塑性抗拉強度測試裝備[21],利用DIC測試水泥基材料在拉荷載下的變形行為,得到了水泥砂漿早齡期的抗拉強度和應力-應變曲線,擬合出了砂漿早齡期抗拉彈性模量,并研究了極限抗拉強度與抗拉彈性模量隨養護齡期的變化規律,為水泥基材料早齡期力學性能發展與抗裂性能研究提供依據.

1)文中涉及的燒蝕量、含量、水灰比等均為質量分數或質量比.

1 試驗

1.1 原材料

中聯水泥公司生產的P·O 52.5普通硅酸鹽水泥;青島中礦宏遠牌S95級礦粉(GGBS);華電濰坊產Ⅰ級粉煤灰,比表面積為379m2/kg,燒蝕量1)1%;細度模數為2.6的大沽河中砂,含泥量為1.6%,堆積密度為1563kg/m3;聚羧酸高效減水劑,減水率約為30%.硅酸鹽水泥、粉煤灰及礦粉化學組成如表1～3所示.

表1 硅酸鹽水泥化學組成

表2 粉煤灰化學組成

表3 礦粉化學組成

砂漿中膠凝材料總量為725kg/m3、水灰比控制在0.31～0.32,用純水泥作為膠凝材料制備對比砂漿.砂漿配合比如表4所示.

表4 砂漿配合比

1.2 試驗方法

抗拉八字模具有對稱可移動的2部分,主要由底座、帶滑動軌道且與底座固定的鋼板、固定端和可移動端組成.試驗過程如下：將砂漿澆筑到八字型鋼模中并養護至10、11、12、13、14h;將八字型模具通過特制卡槽固定在小車上,八字型模具左側部分與固定端相連,右側小車懸掛重物,2側滑輪與小車中心在同一高度的直線上,使砂漿試件處于軸心受拉狀態;在砂漿試件正上方固定1個75mm微距鏡頭的CCD工業相機,采集砂漿試件在拉伸過程中的表面圖像,采集頻率為0.3s/次;在八字型模具的右側懸吊塑料桶,通過往桶內加水控制所施加荷載的大小,加水速率為10～12g/s,直到砂漿試件被拉斷,在此過程中記錄施加荷載的大小和砂漿表面圖像.考慮測試裝置自身摩擦力對測試結果的影響,試驗完畢后測試試驗裝置自身摩擦力,以消除其對試驗結果的影響.為了提高DIC的試驗精度,采用人工噴涂方法制作散斑圖像[22].砂漿抗拉強度試驗測試原理圖見圖1.

圖2為砂漿受拉過程中表面應變測試與計算結果.測試過程中工業相機采集到圖2(a)所示的砂漿表面圖像后,導入Vic-2sd計算軟件,選定圖2(b)所示分析區域并對其表面應變進行DIC計算分析,得到圖2(c)所示的表面應變云圖,將數據處理成矩陣形式后導入Matlab軟件,計算出與單軸拉應力方向對應的應變圖,如圖2(d)所示.

圖1 砂漿抗拉強度試驗測試原理圖Fig.1 Schematic diagram of mortar tensile strength test

圖2 砂漿受拉過程中表面應變測試與計算結果Fig.2 Surface strain test and calculation results during mortar under tension loading

2 結果與分析

2.1 早齡期砂漿抗拉強度及抗拉彈性模量

A砂漿試件在養護10、11、12、13、14h后,拉應力σ分別選取0、0.023～0.027MPa以及極限抗拉強度(拉應力的最大值，σmax),利用其受拉過程中工業相機拍攝的圖像,可得到DIC計算表面應變云圖.圖3為A砂漿在不同養護齡期和拉荷載下的表面應變云圖.

由圖3可見：A砂漿在拉應力為0時,各齡期表面的應變值均趨于零;隨著拉應力的增大,砂漿試件表面出現明顯的應變,且中間部分(八字形模具最窄截面處)應變最大,這是因為在軸心拉應力作用下,該截面處產生了應力集中;根據DIC計算的應變云圖,可得到試件在不同荷載下的應變ε.砂漿拉應力σ和抗拉彈性模量E的計算公式為：

圖3 A砂漿在不同養護齡期和拉荷載下的表面應變云圖Fig.3 Surface strain cloud diagram of A mortar under different curing ages and tensile loads

(1)

(2)

式中：F為砂漿所受拉力;A為砂漿受拉的橫截面積;m為施加的質量;g為重力系數,取g=9.8N/kg;f為摩擦力;b為截面長度;h為截面寬度.

由式(1)計算得到砂漿的拉應力,繪制砂漿在不同拉應力下的應力-應變曲線,可以得到A砂漿的極限抗拉強度σmax.彈性模量反映瞬時荷載作用下的應力-應變性質,是鋼筋混凝土設計中的一個關鍵參數,它表示彈性范圍內的應力-應變關系,與結構的最終應力狀態有直接關系[23-25].本試驗是在加荷速度不產生徐變的條件下,外荷載短促作用下得到的瞬時變形模量[26-27].根據文獻[4]選取極限抗拉強度50%之前的數據點進行線性擬合,并通過式(2)計算砂漿的抗拉彈性模量.如圖4為A砂漿在不同養護齡期的抗拉應力-應變曲線和抗拉彈性模量.

圖4 A砂漿在不同養護齡期的抗拉應力-應變曲線和抗拉模量Fig.4 Tensile stress-strain curves and tensile elastic modulus of A mortar at different curing ages

由圖4可見：A砂漿試件隨著養護齡期的延長,試件的極限抗拉強度σmax與抗拉彈性模量均出現不同程度的增大;A砂漿齡期為12h時的極限抗拉強度、抗拉彈性模量分別比10h時增大了27%、31%,14h 的極限抗拉強度、抗拉彈性模量分別比12h時增加了14%、24%.這是因為隨著養護齡期的延長,膠凝材料不斷水化,強度不斷發展,砂漿抗拉能力提升,抵抗變形能力增強,且早期水化速度較快.

2.2 礦物摻和料對砂漿抗拉強度及抗拉彈性模量的影響

圖5、6分別為不同砂漿的抗拉應力-應變曲線、極限抗拉強度和抗拉彈性模量.由圖5、6可見：砂漿養護14h后,其極限抗拉強度小于0.085MPa,抗拉彈性模量在0.25～0.35GPa;不同砂漿的極限抗拉強度與抗拉彈性模量均隨齡期的延長呈現出相似的線性增長規律;不同砂漿從10h到12h的極限抗拉強度與抗拉彈性模量增長率都大于從12h到 14h 的增長率,可能因為粉煤灰和礦粉的摻入使10h 之前的砂漿試件抗拉彈性模量發展較慢;不同砂漿從10h到12h的抗拉彈性模量增長率相差較小,C、D砂漿在10h到12h的抗拉彈性模量的增長率比A、B砂漿高.

由圖6還可見：A砂漿的極限抗拉強度和抗拉彈性模量增長較快,其各齡期的極限抗拉強度與抗拉彈性模量值均是最大,這是因為A砂漿為純水泥砂漿試件,水泥水化反應速度比較快;B砂漿的極限抗拉強度與抗拉彈性模量明顯高于C、D砂漿,原因可能是粉煤灰和礦粉早期發揮作用小,只有極少一部分參與水化,早期只是作為微集料起到填充的作用,中后期才會充分參與水化，即粉煤灰和礦粉的摻入延緩了膠凝材料的水化速率;單摻25%粉煤灰的B砂漿相對于復摻30%礦粉、20%粉煤灰的C砂漿以及復摻20%礦粉、30%粉煤灰的D砂漿所取代的水泥量較少,所以同齡期下B砂漿的極限抗拉強度與抗拉彈性模量發展較快.

圖5 不同砂漿的抗拉應力-應變曲線Fig.5 Tensile stress-strain curves of different mortars

圖6 不同砂漿的極限抗拉強度和彈性模量Fig.6 Ultimate tensile strength and tensile elastic modulus of different mortars

3 結論

(1)隨著養護齡期的延長,砂漿的極限抗拉強度與抗拉彈性模量線性增大,且早期的極限抗拉強度與抗拉彈性模量發展較快.砂漿養護14h后,其抗拉強度小于0.085MPa,抗拉彈性模量在0.25～0.35GPa.

(2)與純水泥砂漿相比,礦粉與粉煤灰的摻入延緩了膠凝體系的水化速率，降低了砂漿的極限抗拉強度和抗拉彈性模量.