不同齡期堿礦渣陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與能量特征分析

袁 璞，朱益勝

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，淮南 232001； 3.安徽理工大學(xué)深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淮南 232001)

0 引 言

近年來，陶粒作為一種新型建筑材料得到迅速發(fā)展與應(yīng)用，其外殼呈陶質(zhì)或者釉質(zhì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征呈細(xì)密蜂窩狀微孔，這些微孔賦予陶粒質(zhì)輕的特性，是一種優(yōu)質(zhì)的人工輕骨料[1]。陶粒混凝土具有輕質(zhì)、保溫隔熱、耐火耐高溫，以及抗震性、抗?jié)B性良好等優(yōu)點(diǎn)。李云鵬等[2]通過現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，證實(shí)了粉煤灰陶粒混凝土井下巷道支護(hù)的可行性。宮保聚等[3]采用正交試驗(yàn)方法，得到陶粒代替石子是影響抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素。欒皓翔等[4]通過正交試驗(yàn)和混響室法，得出再生陶粒混凝土吸音板的制備與聲學(xué)性能的主要影響因素是目標(biāo)孔隙率。鄭文忠等[5]通過軸心抗壓試驗(yàn)獲得堿礦渣陶粒混凝土砌塊砌體的受壓本構(gòu)關(guān)系及基本力學(xué)性能。Fan等[6]建立了陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)溫度的函數(shù)關(guān)系。

隨著煤炭工業(yè)的快速發(fā)展，煤礦開采機(jī)械水平的提高，煤矸石的排放量和蓄積量越來越多，成為目前世界上第二大工業(yè)固體廢棄物[7]。大量堆積的煤矸石不僅占用土地，還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和不良的經(jīng)濟(jì)后果。中國是煤矸石儲(chǔ)量最多的國家，2021年末煤矸石累計(jì)積存量已達(dá)60億t[8]。煤矸石有多種用途，如生產(chǎn)混凝土[9]、制磚和制備氧化鋁材料[10]等。邱繼生等[11]發(fā)現(xiàn)在混凝土中添加煤矸石陶粒可細(xì)化內(nèi)部孔隙。采用煤矸石陶粒制備混凝土是一種既能解決環(huán)境污染，又能提高煤矸石價(jià)值的有效途徑。

在發(fā)展中國家，盡管硅酸鹽水泥的生產(chǎn)伴隨著巨大的能源消耗和環(huán)境污染，但其生產(chǎn)和需求仍在不斷增加。隨著全球城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，基礎(chǔ)設(shè)施建筑材料的需求量不斷增長(zhǎng)，尤其是水泥材料[12]，而水泥工業(yè)釋放的SO2和NOX會(huì)導(dǎo)致酸雨和溫室效應(yīng)[13]。礦渣作為冶金工業(yè)的副產(chǎn)品，采用堿性激發(fā)劑與礦渣可代替混凝土中的水泥，不僅可以實(shí)現(xiàn)礦渣的廢物再利用，還能起到保護(hù)環(huán)境的效果。

為實(shí)現(xiàn)煤矸石和礦渣等固廢的再利用，采用煤矸石陶粒制備堿礦渣陶粒混凝土，并對(duì)不同齡期和不同陶粒體積摻量的堿礦渣陶粒混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究堿礦渣陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度及能量特征隨齡期與陶粒摻量的變化規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料及配合比

礦渣：由強(qiáng)東礦產(chǎn)品加工廠提供，等級(jí)為S95，密度為2.83 g/cm3，比表面積為400 m2/kg，產(chǎn)地為河北靈壽縣。NaOH：由天津市博華通化工產(chǎn)品銷售中心提供，分析純。陶粒：15～20 mm連續(xù)級(jí)配的煤矸石陶粒，表觀密度為824 kg/m3，壓碎值為1.51，吸水率為14.91%。石子：15～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石，表觀密度為2 724 kg/m3，壓碎值為11.01，吸水率為0.52%。砂子：天然中砂，表觀密度為2 500 kg/m3。

堿礦渣陶粒混凝土配合比如表1所示。

表1 堿礦渣陶粒混凝土配合比Table 1 Mix proportion of alkali slag ceramsite concrete

1.2 試件制備及測(cè)試方法

考慮到煤矸石陶粒具有一定的吸水性，混凝土水膠比定為0.47。依次澆筑5組不同配合比的試塊，每組3個(gè)，澆筑至100 mm×100 mm×100 mm立方體模具中。在標(biāo)準(zhǔn)條件下分別養(yǎng)護(hù)1 d、3 d、7 d、14 d、28 d后取出，按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[14]，采用WAW-1000微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。基于單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得到堿礦渣陶粒混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，并對(duì)不同齡期和陶粒體積摻量的堿礦渣陶粒混凝土進(jìn)行能量特征分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿礦渣陶粒混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及工作性能

2.1.1 不同齡期下堿礦渣陶粒混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1 不同齡期下M2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of M2 at different ages

以M2為例，不同齡期下的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線如圖1所示。5種不同齡期下試塊應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本一致，都呈現(xiàn)有顯著的壓密階段(d2σ/dε2>0)、彈性變形階段(d2σ/dε2=0)、裂縫開展階段(d2σ/dε2<0)和破壞階段(dσ/dε<0)。

(1)在壓密階段(OA)，隨齡期的延長(zhǎng)，壓密階段長(zhǎng)度逐漸減小；隨著應(yīng)變的增加，試塊內(nèi)部逐漸密實(shí)，壓密階段切線模量逐漸增大。

(2)在彈性變形階段(AB)，由于試塊受力較小，僅存在粗骨料與礦渣結(jié)晶體的彈性變形，內(nèi)部微缺陷發(fā)展很慢。應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈線性關(guān)系，該階段卸荷后，可恢復(fù)變形。

(3)在裂縫開展階段(BC)，持續(xù)加載，混凝土內(nèi)部孔隙逐漸合并貫通，并擴(kuò)散到膠凝體內(nèi)部。該階段裂紋加速擴(kuò)展，切線模量隨應(yīng)變?cè)黾又饾u降低，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)降至0。

(4)在破壞階段(CD)，達(dá)到峰值應(yīng)力后，試塊表面裂縫進(jìn)一步迅速擴(kuò)展，試塊兩端部混凝土表面出現(xiàn)數(shù)條與受力方向平行的裂縫，隨后裂縫逐漸變多，并迅速擴(kuò)展至兩端，同時(shí)有混凝土碎渣剝落。隨齡期的延長(zhǎng)，峰值應(yīng)力越大，過峰值點(diǎn)后曲線下降段斜率越大，這是脆性特征的體現(xiàn)。

2.1.2 不同陶粒摻量下堿礦渣陶粒混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及工作性能

以養(yǎng)護(hù)齡期28 d為例，圖2給出了不同陶粒摻量下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。應(yīng)力-應(yīng)變曲線同樣經(jīng)歷了壓密階段(OA)、彈性變形階段(AB)、裂縫開展階段(BC)和破壞階段(CD)。由于煤矸石陶粒疏松多孔，隨陶粒摻量的增加，混凝土內(nèi)部不穩(wěn)定孔隙越多，壓密階段區(qū)間長(zhǎng)度整體上呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，峰值點(diǎn)后下降段斜率整體上是降低的趨勢(shì)。過峰值點(diǎn)后，微裂縫逐漸增多，然后迅速形成主要的貫通裂縫直至破壞，試塊迅速破壞是應(yīng)力集中造成的結(jié)果，而煤矸石陶粒的摻入延緩了該現(xiàn)象的發(fā)生[15]。

圖3給出了不同陶粒摻量下混凝土坍落度的變化規(guī)律。隨陶粒摻量的增加，堿礦渣陶粒混凝土的坍落度不斷降低。這主要是由于煤矸石陶粒具有一定的吸水性，煤矸石陶粒摻量的增加使混凝土整體的流動(dòng)性逐漸降低，從而使坍落度不斷減小。以煤矸石陶粒體積摻量為橫坐標(biāo)，坍落度為縱坐標(biāo)，選擇一元一次函數(shù)模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，如圖3所示，得出堿礦渣陶粒混凝土坍落度與陶粒體積摻量的關(guān)系式,如式(1)所示。

圖2 不同陶粒摻量下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of concrete with different ceramsite content

圖3 不同陶粒摻量下混凝土坍落度的變化Fig.3 Variation of slump of concrete with different ceramsite content

S=148.2-0.796VcR2=0.938 2 (Vc≤100%)

(1)

式中：Vc為煤矸石陶粒體積摻量；S為坍落度。

2.2 堿礦渣陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量

2.2.1 不同齡期下堿礦渣陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量

取M2分析不同齡期下抗壓強(qiáng)度與彈性模量的變化，如圖4所示。隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，堿礦渣陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。養(yǎng)護(hù)齡期1 d、3 d、7 d、14 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到28 d抗壓強(qiáng)度的43.82%、45.94%、61.69%、75.94%。抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨齡期的變化規(guī)律具有相似的趨勢(shì),主要是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，水化反應(yīng)程度更充分，有更多的生成物填充孔隙，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，峰值應(yīng)變?cè)降停瑒t抗壓強(qiáng)度越大，彈性模量越大。

以養(yǎng)護(hù)齡期為橫坐標(biāo)，抗壓強(qiáng)度與彈性模量為縱坐標(biāo)，選擇指數(shù)函數(shù)模型對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖4所示，得出堿礦渣陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量和齡期的關(guān)系式，如式(2)、(3)所示。

σmax=-1.899×106+1.899×106exp(2.3t×10-7)R2=0.979 5 (t≤28 d)

(2)

E=2.329 4-1.860 3exp(-0.089 2t)R2=0.966 1 (t≤28 d)

(3)

式中：σmax為抗壓強(qiáng)度；E為彈性模量；t為養(yǎng)護(hù)齡期。

2.2.2 不同陶粒摻量下堿礦渣陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量

養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，不同陶粒摻量下混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量的變化規(guī)律如圖5所示。隨陶粒摻量的增加，同一齡期下堿礦渣陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量逐漸降低。養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，25%、50%、75%、100%陶粒摻量相比0%陶粒摻量(M0)，混凝土抗壓強(qiáng)度分別降低了16.51%、36.70%、46.57%、53.52%。由于煤矸石陶粒相對(duì)石子密度較低，并且煤矸石陶粒疏松多孔，在同一齡期下，煤矸石陶粒等體積替代石子越多，孔隙越多，峰值變形越大，故抗壓強(qiáng)度越低，彈性模量越小。

以陶粒摻量為橫坐標(biāo)，抗壓強(qiáng)度與彈性模量為縱坐標(biāo)，選擇一元二次函數(shù)模型對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖5所示，得出堿礦渣陶粒混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量和陶粒摻量的關(guān)系式，如式(4)、(5)所示。

(4)

(5)

圖4 不同齡期下M2抗壓強(qiáng)度與彈性模量的變化Fig.4 Variation of compressive strength and elastic modulus of M2 at different ages

圖5 不同陶粒摻量下混凝土抗壓強(qiáng)度與彈性模量的變化Fig.5 Variation of compressive strength and elastic modulus of concrete with different ceramsite content

2.2.3 不同齡期與陶粒摻量共同作用下堿礦渣陶粒混凝土的抗壓強(qiáng)度

將不同齡期與陶粒摻量共同作用下的抗壓強(qiáng)度關(guān)系通過三維曲面擬合呈現(xiàn)出來，如圖6所示。以齡期為橫坐標(biāo)，陶粒摻量為縱坐標(biāo)，抗壓強(qiáng)度為立坐標(biāo),三者之間通過非線性曲面函數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，公式如式(6)所示。

(6)

由式(6)可知，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合公式具有良好的相關(guān)性，為齡期、陶粒摻量與抗壓強(qiáng)度三者之間的關(guān)系提供了一定的依據(jù)。

2.3 堿礦渣陶粒混凝土能量特征分析

堿礦渣陶粒混凝土的受壓變形破壞過程實(shí)質(zhì)上是能量的儲(chǔ)蓄、耗散與釋放過程。能量耗散反映了堿礦渣陶粒混凝土內(nèi)部各缺陷不斷閉合、滑移，新裂隙發(fā)展演化的過程，其本質(zhì)是堿礦渣陶粒混凝土的變形破壞過程[16]。由熱力學(xué)第一定律[17]可知，堿礦渣陶粒混凝土在單軸壓縮過程中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系如式(7)所示。

W=Wd+We

(7)

式中：W為外力對(duì)堿礦渣陶粒混凝土試塊輸入的總能量，MJ·m-3；Wd為堿礦渣陶粒混凝土內(nèi)部損傷和塑性變形消耗的耗散能，MJ·m-3；We為單軸壓縮過程中積蓄在堿礦渣陶粒混凝土中的可釋放彈性能，MJ·m-3。

應(yīng)力-應(yīng)變曲線中耗散能與可釋放彈性能的關(guān)系如圖7所示。圖7中三角形所圍成面積表示可釋放彈性能，用初始彈性模量E代替卸載彈性模量Eu[17]，試塊單元體能量W、We、Wd計(jì)算公式如式(8)～(10)所示。

(8)

(9)

(10)

式中：ε1為峰值應(yīng)變；σ1為峰值應(yīng)力。本文以峰值應(yīng)力處數(shù)據(jù)進(jìn)行單位體積能量特征分析。

圖6 抗壓強(qiáng)度與齡期和陶粒摻量三維曲面擬合關(guān)系Fig.6 Three-dimensional surface fitting relationship between compressive strength with age and ceramsite content

圖7 應(yīng)力-應(yīng)變曲線中耗散能與可釋放彈性能的關(guān)系Fig.7 Relationship between dissipative energy and releasable elastic energy in stress-strain curve

2.3.1 不同齡期下堿礦渣陶粒混凝土的能量特征分析

圖8為單軸壓縮作用下M2總能量隨齡期變化曲線。由圖8可知，隨齡期的延長(zhǎng)，堿礦渣陶粒混凝土總能量大致呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。采用一元三次函數(shù)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出堿礦渣陶粒混凝土總能量與齡期的擬合公式，如式(11)所示。

W=0.000 006t3-0.000 192t2+0.074 430R2=0.931 4 (t≤28 d)

(11)

彈性能與耗散能隨齡期的變化曲線見圖9，彈性能隨齡期的延長(zhǎng)不斷提高。隨齡期的延長(zhǎng)，彈性模量不斷增大，峰值應(yīng)力也不斷增加，因此彈性能不斷提高。耗散能整體上呈先減小后增大的趨勢(shì)，在單軸受壓過程中試塊內(nèi)部缺陷壓密、滑移以及裂隙產(chǎn)生都需要消耗能量。齡期在1～3 d時(shí)，隨齡期的增加，堿礦渣陶粒混凝土速凝，使得剛度提高較大，該階段堿礦渣陶粒混凝土峰值應(yīng)力增加很小，而峰值應(yīng)變明顯減少，致使總能量減小，彈性能增加，耗散能降低；而齡期在3～28 d時(shí)，隨齡期的延長(zhǎng)，生成凝膠量越多，骨料間越密實(shí)，克服骨料間與顆粒間的摩擦力越大，從而消耗的能量越多[18]。養(yǎng)護(hù)齡期從1 d至3 d，混凝土的耗散能降低最為明顯，由0.031 9 MJ·m-3降至0.012 8 MJ·m-3，降幅為59.87%；養(yǎng)護(hù)齡期從3 d至7 d，混凝土的耗散能增長(zhǎng)最快，由0.012 8 MJ·m-3增至0.042 6 MJ·m-3，增幅為233%。

圖8 M2總能量隨齡期的變化Fig.8 Variation of total energy of M2 with age

圖9 彈性能與耗散能隨齡期的變化 Fig.9 Variation of elastic and dissipative energy with age

2.3.2 不同陶粒摻量下堿礦渣陶粒混凝土的能量特征分析

圖10為單軸壓縮作用下28 d堿礦渣陶粒混凝土總能量隨陶粒摻量變化曲線。由圖10可知，隨陶粒摻量的增加，混凝土總能量呈下降的趨勢(shì)，且與陶粒摻量呈負(fù)相關(guān)。采用一元一次函數(shù)對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出堿礦渣陶粒混凝土總能量與陶粒摻量的擬合公式，如式(12)所示。

W=-0.001 1Vc+0.213 4R2=0.988 4 (Vc≤100%)

(12)

彈性能與耗散能隨陶粒摻量的變化曲線見圖11。隨陶粒摻量的增大，彈性能顯著降低，而耗散能先增大后減小。由于煤矸石陶粒的承載能力遠(yuǎn)小于碎石，隨煤矸石陶粒摻量的增大，彈性模量降低，彈性能也隨之降低，可知彈性模量與彈性能二者之間是正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)陶粒摻量為25%時(shí)，相比0%陶粒摻量(M0)，峰值變形較大，因而用于壓密、滑移以及骨料間隙能量耗散顯著增加。當(dāng)陶粒摻量超過25%時(shí)，峰值變形相差不大，峰值應(yīng)力顯著降低，可用于耗散的能量減小。

圖10 總能量隨陶粒摻量的變化Fig.10 Variation of total energy with ceramsite content

圖11 彈性能與耗散能隨陶粒摻量的變化Fig.11 Variation of elastic and dissipative energy with ceramsite content

3 結(jié) 論

(1)不同齡期與陶粒體積摻量下堿礦渣陶粒混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均經(jīng)歷了壓密階段、彈性變形階段、裂縫開展階段、破壞階段，且峰值應(yīng)力越大，壓密階段越短，下降段斜率越大，而煤矸石陶粒的摻入使堿礦渣陶粒混凝土呈現(xiàn)一定的延性特征。

(2)當(dāng)陶粒體積摻量一定時(shí)，隨齡期的延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度、彈性模量、總能量、彈性能不斷增大，而耗散能整體上呈先減小后增大的趨勢(shì)。

(3)當(dāng)齡期一定時(shí)，隨陶粒體積摻量的增加，抗壓強(qiáng)度、彈性模量、總能量、彈性能逐漸降低，而耗散能呈先增大后減小的趨勢(shì)。陶粒體積摻量為25%時(shí)，耗散能最大。