鉛鋅尾礦砂對混凝土單軸壓縮聲發(fā)射特征的影響研究

張亞利，陳昌遠，王杰，季云

（1.河南質量工程職業(yè)學院，河南 平頂山 467000；2.中建一局集團第二建筑有限公司，北京 102600；3.中南大學 冶金與環(huán)境學院環(huán)境工程研究所，湖南 長沙 410083）

天然砂是建筑工程領域的一種極為重要的礦產資源，但也存在日漸枯竭和品質下降的現狀[1]。因此，找到天然砂的可替代資源用作砂漿細骨料是工程材料領域的重要研究方向之一[2]。尾礦砂是一種常見的礦產固態(tài)廢料，具有成本低廉、資源眾多與綠色環(huán)保等優(yōu)點。采用尾礦砂骨料用作天然砂的替代材料，能夠大大促進尾礦砂的回收利用，也可以相對提高混凝土材料的生產效益[3-4]。當前，尾礦砂改性的高性能混凝土材料正在工程界逐步推廣，對尾礦砂資源的需求量也逐漸增加，深入地認知不同類別尾礦砂對混凝土變形損傷特征的影響具有重要的科學價值。

聲發(fā)射Acoustic Emission(簡稱AE)現象是材料內部區(qū)域在外部荷載作用下發(fā)生破壞引起能量快速釋放，進而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現象。聲發(fā)射信號特征是評價混凝土受壓性能的關鍵指標，聲發(fā)射技術在水泥基材料變形損傷分析中已引起廣泛關注?；炷敛牧显谳d荷作用下，砂漿體發(fā)生局部變形和結構性損傷，這種效應表現為能量耗散的形式，聲發(fā)射信號可以有效地反映顆粒結構的損傷級別[5]。具與聲發(fā)射信號數據的后期加工處理和量化分析能夠準確地評價混凝土砂漿結構的破損特征，進而反演處結構的損傷演化規(guī)律[6]。

雖然對混凝土AE信號與強度特征的內在關系已取得了一定成果，然而尾礦砂混凝土的AE損傷關系分析還較少見[7]。因此，有必要進行尾礦砂混凝土的力學性能與聲發(fā)射聯(lián)合測試，深入分析材料受壓損傷演化特征。

本文以4種不同替代率的鉛鋅尾砂作為天然砂替代骨料制備改性混凝土，開展單軸壓縮與聲發(fā)射聯(lián)合實驗，進而對其損傷演化特征進行了結構性損傷分析，基于微觀結構對混凝土損傷變形機制進行細致探討。本研究旨在為尾砂混凝土的制備和改性提供科學參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗采用的混凝土樣品的基本物料配合比由某大型水電站施工現場提供，包括：碎石粗骨料、天然河砂細骨料、普通硅酸鹽水泥、二級粉煤灰、水和外加劑。本研究采用鉛鋅尾砂作為天然河砂的替代材料制備改性試件。三種骨料：碎石、天然河砂和尾礦砂的性能指標見表1。粗集料粒徑范圍為10～25 mm的碎石；細集料分別采用天然河砂和鉛鋅尾砂，河砂粒徑最大為5 mm，尾砂粒徑最大為4.75 mm，河砂天然密度低于鉛鋅尾砂，透水性和細度模數高于鉛鋅尾砂。本研究制備了4組不同鉛鋅尾礦砂取代率（0、15%、30%和45%）的混凝土試件。

表1 粗細骨料的基本物理特性Table1 Basic physical index of coarse and fine aggregate

1.2 混凝土制備

參照《普通混凝土制備方法》DBJ53/T-2-2016制備混凝土試件，配合比見表2，水灰比為0.45，澆筑后靜置48 h后脫模，養(yǎng)護28 d齡期。表2中TS為鉛鋅尾礦砂，NS為天然砂，G為粗集料，C為水泥，F為粉煤灰，AA為引氣劑，WA為減水劑。成型后的混凝土試件為150 mm×150 mm×150 mm的棱柱體，采用鉆芯制樣的方式制備直徑50 mm，高度100 mm的圓柱樣品，用以開展力學實驗。

表2 混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of concrete

1.3 實驗方法

采用液壓伺服式壓縮實驗儀和PCI-2型聲發(fā)射測試探討進行測試（圖1）。實驗前用夾持器把AE測試探頭固定在混凝土試件中間。采用壓力控制式進行加載，加載的速率為0.05 MPa/min，AE探頭諧振頻率是150 kHz，頻率為5 kHz，最小閾值為25 dB。

2 實驗結果分析

2.1 應力-應變-聲發(fā)射演化特征

圖2給出了4種不同鉛鋅尾砂取代率的混凝土壓縮破壞形態(tài)圖片。不含鉛鋅尾砂的混凝土破壞時呈單向剪切形式，裂縫豎向分布且貫穿混凝土試件，呈脆性破壞特點。不同尾砂取代率的改性混凝土在破壞時存在一定塑性特征，破壞的主要斷裂裂縫為斜向分布。且混凝土破壞裂縫數量隨著鉛鋅尾砂取代率的增加劇烈增加，塑性變形程度也逐漸提高，尾砂取代率為45%的混凝土表面出現了掉渣現象。

在力學過程中測試聲發(fā)射信號獲取了混凝土的應力-應變曲線和聲發(fā)射振鈴計數（AE信號）測試結果。由圖1可知，不同鉛鋅尾砂取代率的混凝土應力-應變關系曲線均可劃分為彈性變形、塑性屈服、斷裂破壞和殘余變形4個主要階段。鉛鋅尾礦砂取代率為0%的混凝土試件在彈性變形階段中,應力隨應變增長近似呈直線型上升，且聲發(fā)射信號活躍程度較高；在進入塑性屈服變形階段后，應力上升的斜率逐漸下降，且聲發(fā)射信號的變化劇烈，說明試件的內部結構出現了顯著的損傷效應；斷裂破壞的應力隨應變增長而劇烈下降的變形階段；發(fā)生殘余變形后，應力-應變曲線繼續(xù)下降，同時聲發(fā)射振鈴數趨于平穩(wěn)，表明此時混凝土的結構性損傷累積過程基本結束，結構的破損程度達到較大。

由圖1(b)～(c)所知，鉛鋅尾砂取代率為15%和30%的混凝土的應力-應變曲線發(fā)生明顯變化。線性上升段的范圍變寬，說明彈性變形的應變值增大，彈性變形的軸向應變最大可達0.7%～0.8%。另外，彈性模量隨尾礦砂含量增加而上升，說明混凝土承壓和變形性能隨尾礦砂含量增加而提高。圖1(d)所示的是鉛鋅尾礦砂取代率為45%的混凝土實驗結果，可以看出較尾礦砂取代率為30%的試件，該組混凝土的峰值強度下降，說明尾礦砂外摻改性作用對混凝土強度的提升有一定范圍。對于本實驗而言，尾礦砂改性混凝土的較佳取代率為30%。

圖1 混凝土的應力-應變-AE信號曲線Fig.1 Stress-strain-AE signal curve of concrete

對混凝土單軸破壞時的AE信號變化特點開展進一步的分析，不同取代率的鉛鋅尾砂混凝土在彈性和塑性變形階段的信號波動較平穩(wěn)，沒有明顯突變；進行破壞階段后，AE振鈴數開始活躍，且持續(xù)的階段較短；進入殘余變形階段后，聲發(fā)射信號又歸于平穩(wěn)。該現象說明鉛鋅尾砂改性混凝土的破壞特征與普通混凝土有明顯差異，尾砂改性混凝土的AE信號活躍期主要出現在斷裂破壞階段，而普通混凝土發(fā)生在塑性屈服階段。

究其原因，尾礦砂混凝土砂漿結構相對比較密實，強度較高，在進入彈性變形和塑性變形階段時，內部的水泥砂漿硬化體在外荷載增加過程中出現滑移，混凝土結構發(fā)生調整，并沒有立刻出現斷裂裂縫，故此階段AE信號相對穩(wěn)定。進入斷裂破壞階段后，混凝土應力到達峰值，裂隙迅速連通，并伴隨劇烈的結構性損傷，AE信號進入短暫的活躍期。而進入殘余變形階段后，混凝土結構總體已破壞，AE信號趨于穩(wěn)定。從AE信號變化趨勢可以看出尾砂混凝土在單軸荷載作用下有明顯的脆性特征[8]。

圖2給出了不同鉛鋅尾砂取代率條件下的混凝土抗壓強度和累積AE振鈴數。從圖2可以看出隨鉛鋅尾砂取代率的增加，峰值強度和累積AE振鈴數呈先上升后穩(wěn)定的趨勢。圖3給出了累積振鈴數與峰值應力的數據擬合結果，可以看出強度性能指標與聲發(fā)射信號存在一定正相關的關系，故可以將聲發(fā)射信號作為一種評價混凝土材料變形性能的指標。

圖2 混凝土強度與累積AE振鈴數Fig.2 Strength and accumulated AE signal

圖3 峰值強度與AE信號的關系Fig.3 Relation between strength and AE signal

2.2 損傷機理分析

不同尾砂取代率的混凝土強度特征與AE信號累積數存在正相關特點，可以考慮借助AE信號變化規(guī)律評價混凝土在變形過程中的結構損傷演化特征。對單軸壓縮實驗中的混凝土開展聲發(fā)射信號監(jiān)測后，從而根據AE振鈴數的變化反演混凝土砂漿結構的損傷程度與裂紋的擴展規(guī)律?；贏E振鈴計數提出了混凝土試件的單軸壓縮實驗過程中的損傷因子D，見公式（1）：

式中，Si是不同變形階段AE振鈴累積值。在單軸壓縮的過程中，4種鉛鋅尾砂取代率的混凝土損傷因子隨應變增加的變化曲線見圖4，其中1#～4#分別表示尾礦砂取代率為0～45%的混凝土試件。根據損傷因子-應變曲線的變化規(guī)律可知，尾砂取代率對混凝土試件的損傷特點存在明顯影響。其中，尾砂取代率為0的混凝土試件結構性損傷發(fā)展速度相對較快；鉛鋅尾砂改性的混凝土試件在變形前期增長數量較緩，軸向應變超過5‰后進入損傷因子快速躍遷階段，當軸向應變達到12‰后，4種不同尾砂取代率的混凝土損傷因子保持穩(wěn)定狀態(tài)。損傷因子-應變曲線表明：鉛鋅尾砂改性混凝土結構性損傷主要累積階段為塑性變形和破壞階段，而普通混凝土的結構性損傷在彈性階段就開始快速上升。相對于普通混凝土試件而言，鉛鋅尾砂改性混凝土破壞階段的塑性變形量較大，混凝土試件的延性更好，該現象與觀察到的混凝土試件破壞形態(tài)相似。

圖4 損傷因子-應變關系曲線Fig.4 Curves of damage index and strain

從微觀角度進行混凝土損傷分析，鉛鋅尾砂顆粒與天然砂顆粒的性質有較大區(qū)別，其細度模數更小，透水率更低，與水泥之間存在表面相互作用，可以加速水泥水化反應，通過尾礦砂結晶效應形成膠凝狀的團聚體，加速了水化硅酸鈣的形成。尾礦砂的結晶效應可以降低材料的孔隙率、增加膠凝體數量，在混凝土中摻入一定量的尾礦砂能夠起到抑制裂紋擴張的功能，從而提高抗壓強度和變形特性。但是當尾礦砂含量過高時，水泥水化的需水量更高，導致混凝土的裂隙增多，強度與變形性能有所弱化。

3 結論

（1）采用一定比例的鉛鋅尾砂取代天然砂對混凝土進行改性，有利于提升混凝土材料的力學性能，取代率為30%的改性混凝土強度和變形性能達到較佳。

（2）普通混凝土聲發(fā)射信號的活躍期集中在塑性變形和屈服階段，鉛鋅尾砂改性混凝土聲發(fā)射信號活躍期為斷裂破壞階段，損傷因子在破壞階段迅速發(fā)展。

（3）一定比例的鉛鋅尾砂摻入混凝土后與水泥發(fā)生表面反應，加速水泥水化物的形成，阻礙裂隙擴張，從而提高混凝土試件的力學性能。研究結果可為鉛鋅尾砂改性混凝土的研制和性能改良提供參考。