劉飛鵬，許 婧，龔愛民，陳春武，謝 非，羅聰聰

(1.國家林業(yè)和草原局昆明勘察設(shè)計(jì)院，650216，昆明；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，650201，昆明)

0 引言

目前，由于工業(yè)速度的急劇增長，粉煤灰等工業(yè)廢渣排放增加，粉煤灰的排放將產(chǎn)生各類污染[1]。將粉煤灰應(yīng)用于混凝土的摻合料已經(jīng)數(shù)見不鮮，但仍存在一些關(guān)鍵的技術(shù)問題[2]。玻璃體作為粉煤灰的活性成分，大多為致密結(jié)構(gòu)，可溶活性SiO2、Al2O3少[3]，摻堿激發(fā)劑能激發(fā)粉煤灰中的玻璃體，使Al3+、Si4+加快溶出，故粉煤灰中摻堿能夠激發(fā)早期的活性[4]。

混凝土材料的研究，大多只集中于宏觀過程的，對(duì)于細(xì)觀結(jié)構(gòu)很少關(guān)注[5]。目前，少數(shù)科學(xué)家采用細(xì)觀力學(xué)模型來研究細(xì)觀力學(xué)過程，最具典型的細(xì)觀數(shù)值模型有格構(gòu)模型(Lattice model)、隨機(jī)力學(xué)特性模型(Random property model)和隨機(jī)骨料模型(Random aggregate model)。大體將混凝土分為三相材料：水泥砂漿基質(zhì)、骨料和兩者之間的黏結(jié)界面，從細(xì)觀層次入手，采用多個(gè)指標(biāo)多維度模擬混凝土的應(yīng)力、變形等的微觀過程[6]。格構(gòu)模型通過在有限元軟件中輸入材料性能指標(biāo)，通過分析骨料和概率分布特征來模擬混凝土細(xì)觀層次特征[7]；因此，許多學(xué)者采用該模型模擬混凝土拉伸破壞。

物理模型試驗(yàn)受現(xiàn)場條件和人為因素限制，通常做小尺寸的試件試驗(yàn)[8]。因此，本文不但對(duì)摻堿激發(fā)劑粉煤灰-水泥膠砂的強(qiáng)度性能進(jìn)行試驗(yàn)，而且在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上作數(shù)值模擬；建立三維數(shù)值模擬模型，將混凝土模型材料中輸入了合理的材料參數(shù)，對(duì)試件加載，模擬試件破壞的過程，研究混凝土試件的強(qiáng)度和微觀力學(xué)過程，可以為混凝土力學(xué)性能的研究開辟新途徑。

1 氫氧化鈉的摻量的影響

1.1 膠砂強(qiáng)度配合比

膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法采用ISO法(GBT17671-1999)(表1)。

表1 膠砂配合比

1.2 摻氫氧化鈉的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)

將上述配合比制作試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至3 d、28 d齡期后，其強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2。

將圖3的強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行正交分析，結(jié)果見表3。

表2 氫氧化鈉摻量影響粉煤灰活性配比及不同齡期的抗折抗壓強(qiáng)度

表3 3 d、28 d抗折抗壓強(qiáng)度的正交分析結(jié)果/MPa

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得以下結(jié)論。

1)分析3 d齡期可得，由于NaOH摻量的不足，膠砂中的早期強(qiáng)度激發(fā)不夠，為使得強(qiáng)度達(dá)到最大的粉煤灰摻量為10%，NaOH的最佳摻量為5%。

圖1、圖2可知，NaOH摻量的增加強(qiáng)度先增加后減小，水泥中堿含量不足，粉煤灰的活性激發(fā)較慢，需要外摻堿激發(fā)劑來激發(fā)其活性[9]。

圖1 氫氧化鈉摻量影響3 d抗折強(qiáng)度

圖2 氫氧化鈉摻量影響3 d抗壓強(qiáng)度

2)粉煤灰的最佳摻量為20%，因?yàn)? d的抗折抗壓強(qiáng)度相對(duì)于基準(zhǔn)組提高率最高。

分析圖3可知，粉煤灰摻量為10%時(shí)抗折、抗壓強(qiáng)度提高率分別為20%、11%；當(dāng)為20%時(shí)提高率分別為29%、34%；當(dāng)為30%時(shí)提高率分別為13%、4%。從而可知在5%氫氧化鈉時(shí)，20%Ⅱ級(jí)粉煤灰強(qiáng)度提高率最高，20%更加有利于粉煤灰發(fā)揮其應(yīng)有的效率。

圖3 各粉煤灰摻量最佳組3 d抗折抗壓強(qiáng)度對(duì)比表

3)摻NaOH的粉煤灰膠砂能夠激發(fā)其早期強(qiáng)度，強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高較高。圖4表明，摻5%NaOH和20%粉煤灰的膠砂抗折和抗壓強(qiáng)度分別為5.4 MPa和22.4 MPa，比基準(zhǔn)組分別提高29%和34%。

圖4 20%Ⅱ級(jí)粉煤灰3 d強(qiáng)度對(duì)比

2 齡期的影響

根據(jù)表3和表4中的強(qiáng)度分析結(jié)果并結(jié)合圖4和圖5可以得出如下。

1)在28 d時(shí)，使得膠砂強(qiáng)度最大的粉煤灰摻量為10%，NaOH摻量為6%。從正交分析結(jié)果表明，最優(yōu)組合為A1B1或者A1B5，即抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大的NaOH摻量為0或6%，兩者抗壓強(qiáng)度值接近，故NaOH摻量為6%。

2)不同齡期NaOH的最佳摻量不同，28 d時(shí)NaOH最佳摻量為粉煤灰質(zhì)量的6%，而3 d為5%。原因是早期水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2含量多，而后期較少。

圖5 28 d抗折強(qiáng)度

圖6 28 d抗壓強(qiáng)度

3)28 d齡期時(shí)，粉煤灰最佳摻量為30%，而3 d為20%。從圖7可以得：28 d時(shí)，只有30%粉煤灰摻量膠砂強(qiáng)度大于基準(zhǔn)組，其余均低于基準(zhǔn)組。所以28 d時(shí)粉煤灰最佳摻量為30%，因?yàn)?0%摻量的形態(tài)效應(yīng)和活性最佳。

4)摻NaOH粉煤灰-水泥能激發(fā)早期強(qiáng)度，其后期強(qiáng)度增長較慢。分析圖8、圖9可知，3 d最優(yōu)組合抗壓抗折強(qiáng)度比基準(zhǔn)組分別提高29%、34%，而28 d強(qiáng)度均只提高5%。從而論證了NaOH激發(fā)粉煤灰能激發(fā)早期強(qiáng)度。

3 數(shù)值模擬

圖7 28 d各粉煤灰摻量最佳組合抗折抗壓強(qiáng)度對(duì)比表

圖8 20%Ⅱ級(jí)粉煤灰3 d強(qiáng)度對(duì)比

圖9 30%Ⅱ級(jí)粉煤灰28 d強(qiáng)度對(duì)比圖

3.1 單軸抗壓的數(shù)值模擬

本次實(shí)驗(yàn)所用模型為MISO本構(gòu)模型[10]，該模型滿足Mises屈服準(zhǔn)則。計(jì)算式如下：

σe-σy=0,

混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上升采用 GB 50010-2002規(guī)定的公式，下降段則采用Hongnestad 的處理方法，即：

當(dāng)εc≤ε0時(shí)，

當(dāng)ε0≤εc≤εcu時(shí)，

基于有限元軟件的三維建模及數(shù)值模擬功能，對(duì)上述混凝土進(jìn)行參數(shù)化建模(圖10)，賦予模型材料性能(彈性模量、密度等)參數(shù)，對(duì)模型加上標(biāo)準(zhǔn)荷載進(jìn)行模擬計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)荷載加載見圖11，模擬室內(nèi)物理實(shí)驗(yàn)的破壞過程，將模擬結(jié)果進(jìn)行多維度分析(應(yīng)力、變形、裂縫)，并將其中的強(qiáng)度和破壞位置與物理模型進(jìn)行對(duì)照。

圖10 數(shù)值模型圖

圖11 實(shí)驗(yàn)物理模型圖

在有限元軟件中輸入(彈性模量、密度等)參數(shù)，對(duì)試件施加標(biāo)準(zhǔn)荷載，三維模擬試件的破壞過程，破壞后的應(yīng)力及變形圖如圖12所示。結(jié)果表明：單軸抗壓時(shí)，試件中部受力最大，隨著材料受集中力的擠壓，中間逐漸膨脹，破裂面集中于此。通過分析指定剖面的開裂圖可知，破壞面集中于三相材料的界面粘接處，因?yàn)檎辰用媪W(xué)性能較差。

圖12 混凝土三維試塊模擬破壞結(jié)果

圖13 模擬荷載大小隨時(shí)間的變化圖

3.2 單軸抗壓的不連續(xù)點(diǎn)荷載

試件在加載過程中混凝土的形態(tài)跟著改變，大體分為開始出現(xiàn)裂縫階段和最終破壞階段。荷載圖13中荷載呈下降趨勢時(shí)，說明結(jié)構(gòu)已最終破壞，完全喪失承載能力。

根據(jù)膠砂強(qiáng)度的試驗(yàn)規(guī)范(GBT17671-1999)，本次三維建模試塊的尺寸為：15 cm×15 cm×30 cm，有限元軟件中監(jiān)測了材料內(nèi)部的荷載-時(shí)間(V-Time)變化過程，如圖4所示。隨著加載的進(jìn)行，0～A段為正常工作階段，A～B段為開裂階段，B以后由于荷載持續(xù)持平，說明結(jié)構(gòu)最終破壞。其中A點(diǎn)為線性變形的終點(diǎn)，壓強(qiáng)值PA=15.6 Mpa，為材料極限強(qiáng)度，B點(diǎn)壓強(qiáng)為PB=13.6 Mpa。材料的破壞強(qiáng)度PB=15.6 Mpa=87%PA，符合混凝土破壞時(shí)強(qiáng)度的特征。

4 結(jié)論

4.1 膠砂強(qiáng)度物理實(shí)驗(yàn)

1)摻NaOH粉煤灰早期強(qiáng)度發(fā)展快； 3 d齡期最優(yōu)組合的摻量為5%NaOH和10%粉煤灰，20%粉煤灰的強(qiáng)度提高率最高。

2)摻NaOH粉煤灰后期強(qiáng)度增長較慢；28 d齡期的最優(yōu)組合為6%NaOH和10%粉煤灰，30%粉煤灰的強(qiáng)度提高率最高。

4.2 膠砂強(qiáng)度數(shù)值模擬

1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果中的裂縫分析表明，三相界面的粘接處的應(yīng)力較復(fù)雜，為破壞的薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)際工程中應(yīng)將混凝土均勻攪拌以及選用級(jí)配良好的材料，以提高粘結(jié)界面的力學(xué)性能和工作狀態(tài)。

2)有限元數(shù)值模擬計(jì)算的混凝土破壞結(jié)果與實(shí)際結(jié)果接近；數(shù)值模擬能夠模擬混凝土受壓破壞的過程，并能夠生成荷載時(shí)間圖和三維空間變形圖，期待在未來混凝土的研究中，能夠作為物理模型試驗(yàn)的補(bǔ)充，產(chǎn)生更多杰出的成果。