王文杰，磨季云

(武漢科技大學(xué)理學(xué)院，武漢 430065)

0 引 言

隨著天然砂資源日漸枯竭，材料品質(zhì)下降，尋找可回收的工業(yè)廢棄物替代混凝土細(xì)集料，從而減少稀缺自然資源消耗已經(jīng)成為工程材料領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向[1-2]。尾礦砂改性混凝土具有原材料豐富、成本低廉、性能可調(diào)與綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，用尾礦砂取代天然砂可以極大地促進(jìn)固體廢棄物尾礦砂的回收利用[3-6]。當(dāng)前，采用尾礦砂制備生態(tài)型高性能混凝土正在逐步推廣，工程建設(shè)對(duì)尾礦砂的需求量也越來(lái)越大。因此，全面、深入地認(rèn)知尾礦砂改性混凝土的變形損傷特征具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

混凝土內(nèi)部區(qū)域受壓破壞發(fā)生能量快速釋放，進(jìn)而出現(xiàn)瞬態(tài)彈性波，此現(xiàn)象為聲發(fā)射(acoustic emission, AE)。承載和變形特征是混凝土的關(guān)鍵性能，采用AE測(cè)試技術(shù)對(duì)水泥基材料的變形損傷進(jìn)行分析已經(jīng)得到了學(xué)界的廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。當(dāng)混凝土受到外荷載作用時(shí)，水泥砂漿硬化體結(jié)構(gòu)發(fā)生的局部變形與微觀損傷以能量耗散的形式表現(xiàn)出來(lái)，采用AE信號(hào)反映結(jié)構(gòu)的損傷程度[7]。通過(guò)對(duì)AE信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、加工和分析，可以對(duì)混凝土受壓破損特征進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，進(jìn)而有效反演其結(jié)構(gòu)損傷演化機(jī)制[8]。前人關(guān)于混凝土的AE特征研究已取得了一系列成果，例如：美國(guó)學(xué)者Robinson[9]早在1965年對(duì)不同配合比與粗集料粒徑的混凝土試件在受荷載作用后的AE現(xiàn)象進(jìn)行了分析，指出了混凝土的AE信號(hào)與應(yīng)力水平的關(guān)系；邱繼生等[10]對(duì)混凝土試件進(jìn)行凍融后的力學(xué)-聲發(fā)射試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為混凝土峰值應(yīng)力與AE信號(hào)具有密切聯(lián)系；劉明輝等[11]就單軸荷載作用下的混凝土力學(xué)性能與AE特征進(jìn)行了關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)隨著變形量的增加AE信號(hào)與應(yīng)力發(fā)展呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)；賴于樹(shù)等[12]采用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與累加AE振鈴數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了回歸分析。目前關(guān)于混凝土的AE特征研究已經(jīng)取得了大量成果[13-14]，但關(guān)于尾礦砂改性混凝土結(jié)構(gòu)損傷與AE特征的關(guān)系還有待深入研究。因此，有必要開(kāi)展尾礦砂改性混凝土試件在荷載作用下的AE測(cè)試，進(jìn)而分析混凝土受壓損傷特征。

本文以4種不同含量的磷礦尾礦砂取代天然砂制備改性混凝土，通過(guò)單軸壓縮與聲發(fā)射聯(lián)合試驗(yàn)對(duì)被測(cè)試件的損傷演化特性進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)合微觀形態(tài)特征對(duì)尾礦砂改性混凝土的變形機(jī)理進(jìn)行深入探究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用的混凝土基本物料參照了某大型水電站施工現(xiàn)場(chǎng)采用的混凝土配合比，包括級(jí)配碎石、天然河砂、硅酸鹽水泥、粉煤灰、水和外加劑。此外，采用磷礦尾礦砂等質(zhì)量取代部分天然河砂制備改性混凝土試件。通過(guò)X射線衍射譜進(jìn)行半定量分析獲得了磷礦尾礦砂的礦物成分，主要包括磷灰石(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.8%)、白云石(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57.5%)、赤鐵礦(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.5%)和石英(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.2%)。本試驗(yàn)采用的尾礦砂不存在重金屬、含硫物或放射性物質(zhì)超標(biāo)問(wèn)題，是一種良好的天然砂替代骨料。

分別采用碎石、天然河砂和尾礦砂三種骨料配制混凝土，三種骨料的基本性能指標(biāo)如表1所示。粗集料采用常州市廣泰砂石材料公司生產(chǎn)的二級(jí)配碎石，粒徑范圍為10～25 mm。細(xì)集料采用廣泰砂石材料公司生產(chǎn)的天然河砂和某磷礦采場(chǎng)提供的尾礦砂，天然河砂最大粒徑均為5 mm，尾礦砂最大粒徑為4.75 mm，磷礦尾礦砂的密度高于天然河砂，透水性和細(xì)度模數(shù)小于天然河砂。試驗(yàn)制備了4組不同混凝土試件，尾礦砂的取代率分別為0%、15%、30%和45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。另外，膠凝物質(zhì)采用蕪湖海螺水泥有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)度普通硅酸鹽水泥(標(biāo)號(hào)為P·C 52.5)和發(fā)電廠生產(chǎn)的二級(jí)粉煤灰，外加劑采用聚羧酸型減水劑和AH-1型粉末狀引氣劑，采用自來(lái)水進(jìn)行砂漿拌和。

表1 粗細(xì)骨料的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of coarse and fine aggregate

1.2 混凝土制備

參照DBJ53/T-2—2016《普通混凝土配制技術(shù)規(guī)程》，根據(jù)表2所示的配合比制備混凝土試件，水灰比設(shè)置為0.45，澆筑后靜置48 h脫模，并將試件放在養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行為期28 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，表中TS為磷礦尾礦砂，NS為天然砂，G為粗集料，C為水泥，F(xiàn)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的標(biāo)準(zhǔn)立方體，采用鉆芯制樣的方式制備直徑為50 mm、高度為100 mm的圓柱體樣品，用以開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)。

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

1.3 試驗(yàn)方法

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展強(qiáng)度測(cè)試，PCI-2型聲發(fā)射信號(hào)測(cè)試儀進(jìn)行AE信號(hào)測(cè)試，試驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖見(jiàn)圖1。試驗(yàn)前用鋁合金夾持器將AE測(cè)試探頭安裝在試樣中部，由引伸計(jì)測(cè)試變形量，將AE信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳至計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接收裝置。力學(xué)測(cè)試的加載方式為壓力控制式，壓力加載速率為0.05 MPa/min，AE傳感器的諧振頻率為150 kHz，采樣頻率為5 kHz，信號(hào)最小閾值為25 dB。測(cè)試中測(cè)量AE信號(hào)與應(yīng)力隨位移的變化幅度。開(kāi)始試驗(yàn)前先對(duì)試件預(yù)加一定預(yù)荷載，測(cè)試系統(tǒng)傳感器功能的正常與否；然后設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，并開(kāi)啟萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土試件的壓縮試驗(yàn)，測(cè)試AE信號(hào)變化特征；最后在混凝土發(fā)生完全破壞后關(guān)閉萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，利用AE信號(hào)接收系統(tǒng)繪制混凝土AE信號(hào)變化幅度。

圖1 單軸壓縮-聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Uniaxial compression-acoustic emission testing system

2 結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變-聲發(fā)射演化特征

圖2給出了單軸壓縮試驗(yàn)后4種不同尾礦砂取代率的混凝土試件破壞形態(tài)。由圖2(a)可以看出，不含尾礦砂的混凝土試件呈單向剪切破壞形式，主要裂縫縱向分布，貫穿整個(gè)試件，有明顯的脆性破壞特征。如圖2(b)～(d)所示，尾礦砂改性混凝土在受制破壞時(shí)伴隨一定的塑性變形特征，主要斷裂裂縫斜向分布，隨著取代率的增加，裂縫數(shù)量明顯增加，塑性變形的程度也有所提高，其中尾礦砂取代率為45%的混凝土試件表面出現(xiàn)了明顯的掉渣現(xiàn)象。

在單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)AE信號(hào)，獲取了不同尾礦砂取代率的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線和AE信號(hào)測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。由圖可知混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可劃分為彈性變形、塑性變形、斷裂破壞和殘余變形4個(gè)主要階段。尾礦砂含量為0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的混凝土試件在彈性變形階段中,應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)近似呈直線型上升，且AE信號(hào)活躍程度較高；在進(jìn)入塑性變形階段后，應(yīng)力上升的斜率逐漸下降，且AE信號(hào)的變化劇烈，說(shuō)明試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了顯著的損傷效應(yīng)；斷裂破壞對(duì)應(yīng)應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)而劇烈下降的變形階段；發(fā)生殘余變形后，混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線繼續(xù)下降，同時(shí)AE信號(hào)趨于平穩(wěn)，表明此時(shí)混凝土的結(jié)構(gòu)損傷累積過(guò)程已經(jīng)基本結(jié)束，試件破損程度達(dá)到最大(見(jiàn)圖3(a))。

如圖3(b)、(c)所示，摻入取代率為15%和30%的尾礦砂后，混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生明顯變化:線性上升段的范圍變寬，說(shuō)明彈性變形的應(yīng)變值增大；混凝土彈性模量隨尾礦砂含量增加而上升，說(shuō)明混凝土承壓和變形性能隨尾礦砂含量增加而提高。圖3(d)表示的是尾礦砂取代率為45%的混凝土試件試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度出現(xiàn)了下降，說(shuō)明尾礦砂外摻改性作用對(duì)混凝土強(qiáng)度的提升有一定范圍。尾礦砂取代率為0%的混凝土塑性變形起始點(diǎn)軸向應(yīng)變約為0.35%，尾礦砂取代率為15%的混凝土塑性變形起始點(diǎn)軸向應(yīng)變約為0.60%，尾礦砂取代率為30%和45%的混凝土塑性變形起始點(diǎn)軸向應(yīng)變約為0.75%。上述現(xiàn)象說(shuō)明尾礦砂含量對(duì)混凝土試件的變形特征有顯著影響。

圖2 尾礦砂改性混凝土的破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of concrete modified by tailing sand

圖3 混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變-AE信號(hào)曲線Fig.3 Stress-strain-AE signal curves of concrete

根據(jù)圖3(b)～(d)對(duì)AE信號(hào)變化特點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)：3組不同取代率的尾礦砂改性混凝土在彈性和塑性變形階段的AE信號(hào)波動(dòng)比較平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的突變；應(yīng)力達(dá)到峰值之后，AE信號(hào)集中活躍于斷裂破壞階段，持續(xù)時(shí)間較短；試件進(jìn)入殘余變形階段后AE信號(hào)又歸于平穩(wěn)。這些現(xiàn)象說(shuō)明尾礦砂改性混凝土的破壞特征與普通混凝土有所差異，尾礦砂改性混凝土的AE信號(hào)活躍期主要出現(xiàn)在斷裂破壞階段，而普通混凝土發(fā)生在塑性變形階段。根據(jù)對(duì)單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中混凝土試件狀態(tài)的觀察，尾礦砂改性混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，在進(jìn)入彈性變形和塑性變形階段時(shí)，內(nèi)部的砂漿硬化體在外荷載增加過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生調(diào)整，并沒(méi)有立刻出現(xiàn)大量裂隙，故此階段AE信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定。試件進(jìn)入斷裂破壞階段后抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，裂隙迅速連通，并伴隨劇烈的結(jié)構(gòu)損傷，聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)入短暫的活躍期。進(jìn)入殘余變形階段后，由于混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)破損，故AE信號(hào)又趨于穩(wěn)定。從AE信號(hào)發(fā)展趨勢(shì)可以看出，尾礦砂改性混凝土在荷載作用下具有明顯的脆性破壞特征，這與混凝土破壞時(shí)的狀態(tài)有相似特征[15]。

從圖3中提取不同尾礦砂含量混凝土的峰值抗壓強(qiáng)度和累積AE信號(hào)，繪制峰值強(qiáng)度、累積AE信號(hào)與尾礦砂取代率的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖4)。由圖4可知，隨著尾礦砂取代率提高，峰值強(qiáng)度值和累積AE信號(hào)峰值均呈現(xiàn)先增加后保持穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。當(dāng)尾礦砂取代率為30%時(shí)，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度最大，AE信號(hào)強(qiáng)度也接近最大，說(shuō)明該摻量的尾礦砂改變了混凝土內(nèi)部砂漿結(jié)構(gòu)，有利于發(fā)揮其最大的承壓性能。根據(jù)圖5所示的擬合結(jié)果，說(shuō)明抗壓強(qiáng)度與AE信號(hào)值保持一定的正相關(guān)關(guān)系，故可以將AE信號(hào)值作為反映混凝土材料變形性能的指標(biāo)，從而對(duì)砂漿結(jié)構(gòu)的損傷特征進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)。

圖4 混凝土強(qiáng)度與累積AE信號(hào)Fig.4 Strength and cumulative AE signal of concrete

圖5 峰值強(qiáng)度與AE信號(hào)的關(guān)系Fig.5 Relation between peak strength and cumulative AE signal

2.2 損傷因子發(fā)展特征

由上述分析可知混凝土的強(qiáng)度特征與AE信號(hào)的累積數(shù)保持正相關(guān)，因此可以采用AE信號(hào)的變化特征評(píng)價(jià)混凝土在變形過(guò)程中的損傷演化規(guī)律。對(duì)單軸壓縮過(guò)程中的混凝土進(jìn)行AE信號(hào)測(cè)試后，能夠根據(jù)AE信號(hào)的變化反演水泥砂漿結(jié)構(gòu)的損傷程度與裂紋的擴(kuò)展規(guī)律?；贏E信號(hào)提出了混凝土試件在單軸壓縮試驗(yàn)中的損傷因子d，如公式(1)所示。

d=Si/∑Sj

(1)

式中:Si、Sj是不同變形階段AE信號(hào)的累積量，i、j表示不同變形階段。在單軸壓縮的過(guò)程中，4種尾礦砂取代率的混凝土損傷因子隨應(yīng)變?cè)黾拥淖兓€如圖6所示，其中1#～4#分別表示尾礦砂取代率為0%～45%的混凝土試件。

圖6 損傷因子與應(yīng)變的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves of damage factor and strain

根據(jù)損傷因子-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律可知，尾礦砂的含量對(duì)混凝土損傷特點(diǎn)有顯著影響。不含尾礦砂的混凝土的損傷發(fā)展相對(duì)較快。而尾礦砂混凝土在變形前期的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩慢，應(yīng)變超過(guò)0.6%后進(jìn)入快速躍遷階段，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到1.0%后，4種不同尾礦砂含量的混凝土損傷因子均保持穩(wěn)定。損傷因子的變化曲線表明，尾礦砂混凝土的主要損傷累積階段在塑性變形和斷裂破壞階段，而不含尾礦砂的混凝土損傷在彈性階段就開(kāi)始發(fā)展。相對(duì)于完全采用天然砂制備的混凝土，尾礦砂改性混凝土的結(jié)構(gòu)損傷集中在塑性變形和斷裂破壞階段，且其在破壞過(guò)程中的塑性變形較大，試件的延性更好。究其原因，相對(duì)于天然砂顆粒，磷礦尾礦砂顆粒的細(xì)度模數(shù)更小，吸水率更低(見(jiàn)表2)，在混凝土物料中摻入一定量尾礦砂有利于增加硬化水泥砂漿的密實(shí)度，在水化反應(yīng)過(guò)程中起到抑制裂紋擴(kuò)張的作用，從而提高混凝土試件的塑形變形性能，表現(xiàn)為混凝土的延性增強(qiáng)，強(qiáng)度提高。然而，當(dāng)尾礦砂含量過(guò)高時(shí)，水泥水化反應(yīng)的需水量更高，導(dǎo)致混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中的裂隙增多，限制了強(qiáng)度與變形性能的提高。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)特征

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)尾礦砂混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果如圖7所示。根據(jù)SEM照片提取孔隙的二值化圖像，結(jié)果如圖8所示。可以看出混凝土試件的微觀結(jié)構(gòu)受尾礦砂含量的影響較大。如圖7(a)和圖8(a)所示，普通混凝土的骨料與水泥水化產(chǎn)物之間存在明顯的裂隙，球狀的粉煤灰顆粒分布在裂隙中，水泥砂漿結(jié)構(gòu)較為松散，混凝土的孔隙率約為8.54%；如圖7(b)和圖8(b)所示，尾礦砂取代率為15%的混凝土骨料-砂漿界面的黏結(jié)程度比普通混凝土更緊密，裂隙數(shù)量明顯減少，但整體的砂漿結(jié)構(gòu)仍然比較疏松，混凝土的孔隙率降為6.43%左右；如圖7(c)和圖8(c)所示，尾礦砂取代率為30%的混凝土內(nèi)部骨料和砂漿密實(shí)度繼續(xù)提高，裂隙數(shù)量進(jìn)一步減少，此時(shí)混凝土的孔隙率進(jìn)一步降至3.35%左右。綜上，摻入一定量的尾礦砂能有效改善混凝土內(nèi)水泥砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使得水泥砂漿的密實(shí)度顯著提高，這是混凝土試件力學(xué)性能改善的本質(zhì)原因。

圖7 混凝土的微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.7 Microstructure of concrete

圖8 混凝土的二值化圖像Fig.8 Binary images of concrete

3 結(jié) 論

(1)采用一定比例的磷礦尾礦砂取代天然砂有助于提升混凝土工作性能，隨著尾礦砂取代率的增大，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度先增加后保持穩(wěn)定，尾礦砂取代率為30%的改性混凝土峰值抗壓強(qiáng)度最大。

(2)普通混凝土AE信號(hào)活躍期在塑性變形階段，尾礦砂改性混凝土AE信號(hào)活躍期集中在斷裂破壞階段，損傷因子在斷裂破壞階段變化迅速，說(shuō)明經(jīng)過(guò)尾礦砂改性后的混凝土結(jié)構(gòu)損傷與普通混凝土結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生階段有所不同。

(3)將一定比例的尾礦砂摻入水泥砂漿后，提高了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，從而增強(qiáng)了混凝土抗壓強(qiáng)度和變形性能。這為尾礦砂改性混凝土的研究提供了參考。