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基于不同水灰比的發(fā)泡混凝土的微觀力學(xué)性能研究

2023-08-08 04:03:20
關(guān)鍵詞:脆性水灰比單軸

余 沛

(信陽學(xué)院 土木工程學(xué)院,河南 信陽 464000)

混凝土作為一種復(fù)合材料,當(dāng)其受到外部載荷作用時(shí),混凝土配合比設(shè)計(jì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度、混凝土的泊松比及混凝土滲透性等物理力學(xué)參數(shù)影響較大。近年來,在寒冷地區(qū)修建道路工程中經(jīng)常采用泡沫混凝土或發(fā)泡混凝土,其自身具有低密度、導(dǎo)熱、減震吸能及吸聲性能良好等優(yōu)點(diǎn)[1]。

孫健翔等[2]以含氟混凝土為研究對(duì)象,采取宏觀性能和微觀表征探討了含氟增強(qiáng)劑對(duì)混凝土的表面回彈強(qiáng)度和滲透性能的影響,研究結(jié)果表明,含氟增強(qiáng)劑可以有效提高混凝土表面回彈強(qiáng)度26.6%,促進(jìn)混凝土內(nèi)部水化物的產(chǎn)生,進(jìn)一步改善混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu),對(duì)混凝土的滲透性產(chǎn)生較大影響。朱茂金[3]以鋼纖維機(jī)制砂混凝土為研究對(duì)象,開展了高溫后鋼纖維機(jī)制砂混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律研究,通過室內(nèi)試驗(yàn)、電鏡掃描和X 射線衍射相結(jié)合的方法,分析了鋼纖維摻量不同時(shí)機(jī)制砂混凝土的抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。池俊生等[4]以珊瑚砂混凝土為研究對(duì)象,基于不同攪拌環(huán)境和硅灰摻量,分析了珊瑚砂混凝土的力學(xué)性能和微觀孔隙結(jié)構(gòu),研究結(jié)果表明,真空負(fù)壓環(huán)境下攪拌珊瑚砂混凝土對(duì)其強(qiáng)度有一定的提升,可以有效降低珊瑚砂混凝土的孔隙率。黃華等[5]以粉煤灰-礦渣基地聚物混凝土為研究對(duì)象,研究了粉煤灰、礦渣、水玻璃及水玻璃模數(shù)等不同配合比對(duì)地聚物混凝土宏觀力學(xué)性能的影響,并通過掃描電子顯微鏡、能量彌散X 射線等4 種方法對(duì)地聚物混凝土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析。劉振威[6]以石灰?guī)r機(jī)制砂混凝土為研究對(duì)象,分析了機(jī)制砂中石粉含量和不同溫度對(duì)機(jī)制砂混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線、彈性模量和損傷演變過程及耗能等力學(xué)性能指標(biāo)的影響。張杰[7]以納米TiO2混凝土為研究對(duì)象,通過電鏡掃描和凍融試驗(yàn),分析了碳化凍融后納米TiO2混凝土的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)特征,研究結(jié)果表明,不同摻量納米TiO2改變了混凝土孔結(jié)構(gòu),提升了混凝土的抗凍融性能。俞宣良[8]研究了廢棄玻璃粉玻璃粉對(duì)混凝土微觀性能和力學(xué)性能的影響,研究結(jié)果表明,不同玻璃粉含量對(duì)混凝土的孔隙率影響不同,有效促進(jìn)混凝土內(nèi)部膠凝孔的生成,增加了混凝土的密實(shí)度。韋立[9]以工程用水泥基復(fù)合材料(ECC)為研究對(duì)象,分析了不同配合比設(shè)計(jì)下的ECC-混凝土的界面早期力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)特性。余海燕等[10]以透水混凝土為研究對(duì)象,分析了水灰比、道路粉塵及孔隙率對(duì)透水混凝土強(qiáng)度、抗堵塞及透水性等性能的影響。宋慧等[11]研究了骨料和水灰比對(duì)透水混凝土性能的影響,基于單軸壓縮試驗(yàn)和透水系數(shù)測(cè)試,得到了不同配合比設(shè)計(jì)對(duì)透水混凝土抗壓強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響。雷東移等[12]以泡沫混凝土為研究對(duì)象,闡述了泡沫混凝土的破壞機(jī)理和國內(nèi)外發(fā)泡劑的應(yīng)用現(xiàn)狀,分析了泡沫混凝土的特性,為發(fā)泡劑及泡沫混凝土的研究提供了參考。JONES 等[13-14]根據(jù)混凝土的基本力學(xué)性能,提出了粉煤灰可以代替部分水泥,通過調(diào)整配合比和水泥用量,得到了不同干密度的發(fā)泡混凝土,并結(jié)合顯微鏡和圖像分析軟件,研究了發(fā)泡混凝土的失穩(wěn)機(jī)理。KUMAR 等[15]基于凝土為原材料,研究了發(fā)泡混凝土的孔隙率和強(qiáng)度之間的關(guān)系,構(gòu)建了發(fā)泡混凝土抗壓強(qiáng)度與孔隙率的函數(shù)模型。

綜上所述,混凝土配合比的變化對(duì)混凝土的力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)有重要影響。然而針對(duì)配合比變化對(duì)混凝土尤其在泡沫混凝土的脆性度及微觀結(jié)構(gòu)的研究較少。為了研究水灰比變化對(duì)發(fā)泡混凝土脆性度及微觀結(jié)構(gòu)的影響,本文制備6 種不同水灰比(P=0.50、0.53、0.56、0.59、0.62 和0.65)的發(fā)泡混凝土,通過對(duì)不同水灰比進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后階段對(duì)不同配比混凝土進(jìn)行脆性度分析,同時(shí)結(jié)合混凝土破壞后的碎塊的微觀形貌,研究配比變化對(duì)混凝土脆性度的影響,以期指導(dǎo)發(fā)泡混凝土結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用具有重要意義。

1 發(fā)泡混凝土的脆性度計(jì)算原理

混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以反映其應(yīng)力與變形之間的關(guān)系,通過研究混凝土峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形態(tài)可以了解混凝土的脆性程度。大量研究表明,峰后應(yīng)力降可以一定程度上反映混凝土的脆性度變化[7-9]。應(yīng)力降的表達(dá)公式如式(1)所示。

式中,α 為應(yīng)力降大小,σd為峰值應(yīng)力σp殘余應(yīng)力。

應(yīng)力降可以一定程度上反映峰后應(yīng)力的變化幅度大小,但是單純地利用應(yīng)力降來表達(dá)脆性有一定的局限性。例如相同應(yīng)力降的情況下,由于峰后階段應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降的速率不同,混凝土的脆性不一定相同,因此必須考慮峰后階段混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線下降的相對(duì)速率。由于應(yīng)力降的范圍為0~1,為了使得數(shù)據(jù)表征更加直觀,將應(yīng)力降的相對(duì)速率取對(duì)數(shù)除以10,使相對(duì)速率的范圍處于0~1。相對(duì)速率的表達(dá)式如式(2)所示。

式中,β 為應(yīng)力降的相對(duì)速率,其幾何意義表示單軸壓縮強(qiáng)度到達(dá)殘余強(qiáng)度連線速率。最終結(jié)合式(1)和式(2),獲得發(fā)泡混凝土的脆性度表示如式(3)所示。

式中,λ 為脆性度。在公式(3)中,由于應(yīng)力降及其相對(duì)速率的范圍都為0~1,因此脆性度λ 的取值范圍也為0~1。對(duì)于脆性度λ 取值對(duì)應(yīng)材料的脆性,相關(guān)研究認(rèn)為相同材料時(shí)應(yīng)力降越大脆性越強(qiáng),而峰后應(yīng)力下降的相對(duì)速率越大,脆性越強(qiáng)。因此,脆性度λ 的取值越靠近1,材料的脆性越強(qiáng),越靠近0,材料的脆性越弱。

2 水灰比對(duì)發(fā)泡混凝土的脆性度影響

2.1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)發(fā)泡混凝土中水泥選用徐州中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的P?O32.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥,水泥的化學(xué)成分如表1 所示;其他由銅山燃煤電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰、外加劑和雙氧水發(fā)泡劑等組成。制備水灰比設(shè)為P=0.50、0.53、0.56、0.59、0.62 和0.65,參照混凝土制作標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)規(guī)范[16]和試驗(yàn)所用的試件尺寸,最終制成尺寸為100 mm ×100 mm ×100 mm 的立方體發(fā)泡水泥試樣。本次試驗(yàn),混凝土成型、養(yǎng)護(hù)按照規(guī)范[16]進(jìn)行操作。

表1 水泥及粉煤灰的化學(xué)成分 %

本次單軸壓縮試驗(yàn)采用信陽學(xué)院土木工程學(xué)院信陽市裝配式重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的YAW-2000 壓力試驗(yàn)機(jī)。該系統(tǒng)由軟件控制系統(tǒng)、動(dòng)力加載控制系統(tǒng)和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,如圖1 所示。在整個(gè)試驗(yàn)過程中,系統(tǒng)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集工作,減少人為的誤差。數(shù)據(jù)采集為試驗(yàn)加載設(shè)備自身攜帶的位移-荷載采集系統(tǒng)。應(yīng)變片采用箔基應(yīng)變片,其規(guī)格是5 mm×50 mm,電阻為120 Ω。試驗(yàn)時(shí),將箔基應(yīng)變片粘貼在試件側(cè)面,沿著試塊高等距布置2 個(gè),然后將貼有應(yīng)變片的試樣放在壓力試驗(yàn)機(jī)上,采用位移加載方式按照0.002 mm/s 的加載速度實(shí)施加載,直至試樣出現(xiàn)宏觀破壞為止。

圖1 試驗(yàn)裝置

2.2 水灰比對(duì)發(fā)泡混凝土物理力學(xué)性能的影響

圖2 為不同水灰比作用下的發(fā)泡混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。不同水灰比作用下,發(fā)泡混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及力學(xué)特性變化規(guī)律不同。

圖2 不同水灰比發(fā)泡混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2 可以看出水灰比變化對(duì)發(fā)泡混凝土物理力學(xué)性能的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面:不同的應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力有差異,主要表現(xiàn)在混凝土全應(yīng)力應(yīng)變曲線中的近似線彈性階段的上升斜率,隨著水灰比的升高出現(xiàn)下降;單軸抗壓強(qiáng)度的降低表明發(fā)泡混凝土的抗承載能力,隨著水灰比的升高逐漸減弱;峰值應(yīng)變?chǔ)興和殘余應(yīng)變?chǔ)舙隨著水灰比的升高而增加。可見,不同配合比的水灰摻量對(duì)發(fā)泡混凝土力學(xué)性能產(chǎn)生的影響不同。

圖3 為發(fā)泡混凝土的應(yīng)變隨水灰比的變化曲線。從圖3(a)可以看出,發(fā)泡混凝土的峰值應(yīng)變?chǔ)興隨著水灰比的升高而逐漸增加:當(dāng)水灰比為0.5時(shí),發(fā)泡混凝土的峰值應(yīng)變?chǔ)興最小,為2.153×10-3;隨著水灰比升高到0.65 時(shí),發(fā)泡混凝土的峰值應(yīng)變?chǔ)興增加到3.322×10-3,較水灰比為0.5 時(shí)的峰值應(yīng)變?cè)黾?4.24%。峰值應(yīng)變?chǔ)興隨水灰比的變化呈近似線性增加,表明水灰比升高降低了發(fā)泡混凝土的抗變形能力。

圖3 發(fā)泡混凝土的應(yīng)變隨水灰比變化曲線

發(fā)泡混凝土的殘余應(yīng)變?chǔ)舙隨著水灰比的升高而逐漸增加,當(dāng)水灰比為0.5時(shí),發(fā)泡混凝土的殘余應(yīng)變?chǔ)舙最小,為2.552×10-3;隨著水灰比升高到0.65 時(shí),發(fā)泡混凝土的峰值應(yīng)變?chǔ)舙增加到3.583,較水灰比為0.5 時(shí)的殘余應(yīng)變?cè)黾?0.39%,殘余應(yīng)變?chǔ)舙隨水灰比的變化呈近似線性增加??梢姡冶鹊脑黾訒?huì)顯著提升發(fā)泡混凝土的性能,對(duì)發(fā)泡混凝土施加一定壓力,在一定的時(shí)間會(huì)使得發(fā)泡過程更加均勻和穩(wěn)定。

2.3 發(fā)泡混凝土的脆性度隨水灰比的變化規(guī)律

利用公式(1)、(2)和(3)結(jié)合不同水灰比發(fā)泡混凝土全應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算得出發(fā)泡混凝土的應(yīng)力降、峰后相對(duì)斜率及脆性度,如圖4和圖5所示。

圖4 發(fā)泡混凝土的應(yīng)力降隨水灰比的變化規(guī)律

圖5 發(fā)泡混凝土峰后應(yīng)力下降相對(duì)斜率隨水灰比的變化規(guī)律

從圖4 可以看出,水灰比對(duì)發(fā)泡混凝土的應(yīng)力降影響較為顯著,發(fā)泡混凝土的應(yīng)力降隨著水灰比的升高呈近似線性下降趨勢(shì)。當(dāng)水灰比為0.5 時(shí),其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力降為0.452 3;水灰比升高至0.65 時(shí),對(duì)應(yīng)的應(yīng)力降為0.158 7,較水灰比為0.5 時(shí)的應(yīng)力降下降了64.9%。應(yīng)力降的變化一定程度上反映了發(fā)泡混凝土的脆性隨著水灰比降低。

圖5 為發(fā)泡混凝土峰后應(yīng)力下降相對(duì)斜率隨水灰比的變化規(guī)律。從圖5 可以看出,水灰比對(duì)混凝土的應(yīng)力下降的相對(duì)斜率影響顯著,主要表現(xiàn)為混凝土的應(yīng)力下降相對(duì)斜率隨著水灰比的升高呈近似線性下降。當(dāng)水灰比為0.5 時(shí),其對(duì)應(yīng)的相對(duì)斜率為0.048 8;水灰比升高至0.65 時(shí),對(duì)應(yīng)的相對(duì)斜率為0.001 8,較水灰比為0.5 時(shí)的相對(duì)斜率下降了96.3%。

將不同水灰比發(fā)泡混凝土單軸壓縮后的脆性系數(shù)進(jìn)行擬合,得到如圖6 所示的擬合曲線,發(fā)泡混凝土的脆性系數(shù)隨水灰比的變化呈線性變化。

圖6 不同水灰比作用下的發(fā)泡混凝土的脆性系數(shù)變化規(guī)律

從圖6 可以看出,水灰比對(duì)混凝土的脆性度影響顯著,主要表現(xiàn)為混凝土的脆性度隨著水灰比的升高呈近似線性下降。當(dāng)水灰比為0.5 時(shí),其對(duì)應(yīng)的脆性度為0.022 3;水灰比升高至0.65 時(shí),對(duì)應(yīng)的脆性度為0.000 3,較水灰比為0.5 時(shí)的脆性度下降了98.7%?;炷恋拇嘈远入S水灰比的變化情況說明,水灰比的升高降低了發(fā)泡混凝土的脆性,增加了其延性。

3 發(fā)泡混凝土的微觀試驗(yàn)研究

本次試驗(yàn)設(shè)備采用信陽學(xué)院理工學(xué)院引進(jìn)的型號(hào)為JEOL 的掃描電子顯微鏡系統(tǒng)。首先用電鏡掃描的觀測(cè)面選擇將單軸壓縮后發(fā)泡混凝土斷口部分較光滑平面部分,取此觀測(cè)面上的碎塊作為電鏡掃描的觀測(cè)體,發(fā)泡混凝土碎塊的直徑約為1.52 cm;其次用專用毛刷將發(fā)泡混凝土碎塊表面輕刷直至碎塊表面干凈,用肉眼看不見任何可見塵埃物;再次將碎塊放入烘干箱中烘干24 h,將烘干后的碎塊式樣放入SBC-12 小型濺射儀中進(jìn)行下一步噴金粉工作;最后,用掃描電子顯微鏡觀察噴上金粉的碎塊,進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)。

圖7 為不同水灰比發(fā)泡混凝土的微觀形貌。從圖7(a)可以看出,當(dāng)P=0.5 時(shí),試件觀測(cè)面出現(xiàn)了一定量的微孔聚集現(xiàn)象,試件其他部位還存在一定的臺(tái)階花樣;從圖7(b)可以看出,當(dāng)P=0.53 時(shí),試件觀測(cè)面出現(xiàn)了一定量零散分布的微孔聚集現(xiàn)象,同時(shí)存在霧狀滑移區(qū),此外還存在著脆性特征的河流花樣;從圖7(c)中可以看出,當(dāng)P=0.56 時(shí),試件觀測(cè)面出現(xiàn)了一定量的微孔聚集現(xiàn)象,微孔聚集尺寸較小且彼此間相互獨(dú)立,除了微孔聚集之外還有臺(tái)階花樣;從圖7(d)可以看出,當(dāng)P=0.59 時(shí),試件觀測(cè)面較疏松且分布著大量的微孔聚集現(xiàn)象,少部分微孔相互貫通;從圖7(e)可以看出,當(dāng)P=0.62 時(shí),出現(xiàn)了大量的微孔聚集現(xiàn)象,微孔聚集尺寸相較于水灰比為0.59 的尺寸大,部分微孔聚集彼此連通;從圖7(f)可以看出,當(dāng)P=0.65 時(shí),整個(gè)觀測(cè)面出現(xiàn)了大量的大尺寸微孔聚集現(xiàn)象,大部分微孔相互貫通,此時(shí)對(duì)發(fā)泡混凝土強(qiáng)度影響較大。

圖7 單軸壓縮后不同水灰比發(fā)泡混凝土碎塊的微觀形貌

為了研究不同水灰比對(duì)發(fā)泡混凝土的影響,通過電鏡掃描試驗(yàn)對(duì)不同水灰比下的發(fā)泡混凝土在其單軸壓縮下脆性破壞形態(tài)觀察可以發(fā)現(xiàn),發(fā)泡混凝土試件內(nèi)部有大小不一且無規(guī)則的裂縫,裂縫整體表現(xiàn)寬度較小。伴隨水灰比的增大,試件的裂縫表現(xiàn)形式不同,由于發(fā)泡混凝土微孔聚集現(xiàn)象存在,裂縫寬度增加且形成連通但分布狀態(tài)表現(xiàn)為少而??;整體來看,裂縫無規(guī)則,呈現(xiàn)“倒八字型”、“S 型”及“樹狀”等形狀,由于發(fā)泡混凝土脆性降低,后期裂縫的高度和寬度的擴(kuò)展速率不大。隨著水灰比的升高,發(fā)泡混凝土的脆性特征變化逐漸減少,同時(shí)延性特征變化數(shù)量增多、尺寸增大且彼此間相互貫通趨勢(shì)加強(qiáng),說明發(fā)泡混凝土的脆性特性隨水灰比逐漸降低,伴隨水灰比的變化,發(fā)泡混凝土的延性逐漸增強(qiáng)。發(fā)泡混凝土的微觀的變化規(guī)律與宏觀上應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲得的脆性度系數(shù)規(guī)律相吻合??梢姡l(fā)泡混凝土的微觀形貌試驗(yàn)結(jié)果,在一定程度上可以反映發(fā)泡混凝土的宏觀性能的變化情況。

4 結(jié)論

為了探究水灰比對(duì)發(fā)泡混凝土的脆性程度的影響,本文首先對(duì)6 種不同配合比設(shè)計(jì)下的混凝土進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),利用脆性度函數(shù)結(jié)合不同水灰比下發(fā)泡混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算混凝土的脆性度,獲得脆性度與水灰比的關(guān)系;通過對(duì)試驗(yàn)后碎塊進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn),觀察不同水灰比發(fā)泡混凝土的微觀形貌,得到以下結(jié)論。

(1)不同配合比水灰摻量對(duì)發(fā)泡混凝土力學(xué)性能影響不同。隨著水灰比逐漸增大,發(fā)泡混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì),峰值應(yīng)變?chǔ)興和殘余應(yīng)變?chǔ)舙逐漸增加。

(2)隨著水灰比的增大,發(fā)泡混凝土的峰后應(yīng)力降、應(yīng)力下降相對(duì)斜率及脆性度系數(shù)逐漸減小,與水灰比呈近似線性下降關(guān)系。

(3)隨著水灰比的增加,脆性特征花樣分布減少,微孔聚集數(shù)量及尺寸逐漸增加,且微孔間彼此相互貫通趨勢(shì)加強(qiáng)。裂縫分布有一定的差異,且裂縫大小不一、無規(guī)則。脆性特征花樣及微孔聚集的分布隨水灰比的變化表明發(fā)泡混凝土脆性度隨水灰比逐漸降低。

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