不同粉煤灰摻量再生混凝土能量演化特征

賈珊珊

（山西省公路工程監(jiān)理技術(shù)咨詢公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的速度不斷加快，城鎮(zhèn)化建設(shè)促進(jìn)了新型混凝土材料的不斷發(fā)展，如，再生混凝土、納米混凝土、珊瑚混凝土等[1-3]。再生混凝土是通過廢棄混凝土的再處理后制備成不同級(jí)配的再生骨料，結(jié)合新集料及其他原材料配制成的一種混凝土。該項(xiàng)技術(shù)一方面能夠大量地利用廢棄的建筑垃圾，節(jié)約土地資源，保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境；另一方面，能夠降低混凝土的制造成本，獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益[4-5]。目前，對(duì)于再生混凝土的研究已經(jīng)取得豐碩成果，對(duì)于再生混凝土力學(xué)性質(zhì)的研究，鄧志恒等研究材料應(yīng)力- 應(yīng)變?nèi)€的變化特征，并提出分段數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式[6]；肖建莊等研究完全取代新集料后，混凝土的壓縮疲勞特性，主要分析混凝土的疲勞應(yīng)變響應(yīng)以及材料的損傷特征[7]；胡瓊等從水灰比、再生骨料、取代率等影響條件下著手，研究再生混凝土強(qiáng)度、變形規(guī)律[8]；陳愛玖等針對(duì)凍融循環(huán)對(duì)材料力學(xué)影響，研究再生混凝土抗凍耐久性，并建立了材料的凍融損傷模型[9]。一些學(xué)者研究通過摻加不同材料實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土改性，魏濤研究了摻加鐵尾礦砂對(duì)混凝土抗壓、抗折以及劈裂強(qiáng)度影響[10]；羅素蓉等研究納米SiO2溶液對(duì)再生混凝土斷裂力學(xué)特性的影響[11]；左奇麗等研究了摻加粉煤灰對(duì)再生混凝土強(qiáng)度與坍落度的影響[12]；任莉莉研究混雜纖維對(duì)再生混凝土破壞形態(tài)以及不同強(qiáng)度參數(shù)的影響特征[13]；杜婷等研究摻加橡膠粉對(duì)混凝土路用特性影響，并得到最優(yōu)橡膠粉摻量[14]。

本文以粉煤灰再生混凝土為研究對(duì)象，研究粉煤灰摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并從材料能量演化的角度，研究再生混凝土的能量演化特征，分析材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀強(qiáng)度之間的關(guān)系，為混凝土力學(xué)性質(zhì)的研究提供有益思路。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

以不同粉煤灰摻量再生混凝土為研究對(duì)象，主要試驗(yàn)材料包括42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥、粗細(xì)骨料、粉煤灰以及拌合水、減水劑等；粗骨料包括再生骨料和天然骨料，細(xì)骨料為細(xì)河砂等。本文選取再生骨料取代率為50%，粒徑范圍為5～20 mm 的廢棄混凝土塊制成；天然骨料為連續(xù)級(jí)配的碎石，粒徑范圍也為5～20 mm；粉煤灰為某發(fā)電廠產(chǎn)生的Ⅲ級(jí)干排灰，顏色為灰褐色，主要組分為SiO2、Fe2O3、CaO等。

1.2 試驗(yàn)方法

由于本文主要研究粉煤灰摻量的影響，選取再生骨料取代率為50%，粉煤灰摻量分別設(shè)置為水泥總量的10%、20%、35%、45%、60%，再生混凝土材料的具體配合比，如表1 所示。根據(jù)混凝土材料的配合比，制備尺寸為150 mm×150 mm×500 mm 的棱柱體試件，制備好的混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d。利用巖石混凝土加載試驗(yàn)裝置，通過控制加載應(yīng)變實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土試件的單軸壓縮試驗(yàn)。

表1 再生混凝土材料配合比

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)不同粉煤灰摻量試件的位移與荷載的變化關(guān)系，得到試件的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線特征，如圖1 所示，應(yīng)力- 應(yīng)變曲線反映了試件的強(qiáng)度和變形特征。

圖1 試件壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)混凝土試件的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，可以得到不同粉煤灰摻量條件下材料的抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變參數(shù)，如表2 所示。

表2 試件抗壓強(qiáng)度與峰值應(yīng)變

根據(jù)表2 及圖2 的分析結(jié)果，混凝土粉煤灰摻量存在最優(yōu)值，在0～35%時(shí)，隨粉煤灰摻量增加抗壓強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)粉煤灰摻量超過35%后，隨摻量的增加抗壓強(qiáng)度降低。因此粉煤灰的最優(yōu)摻量為35%。在最優(yōu)摻量范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸增大，根據(jù)圖2，其變化趨勢(shì)符合指數(shù)函數(shù)變化特征。

圖2 抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

粉煤灰的摻加在一定程度上改變了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高了再生混凝土的強(qiáng)度，但當(dāng)超過最優(yōu)摻量之后，混凝土強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，這與粉煤灰的性質(zhì)有關(guān)。因此，對(duì)于最優(yōu)粉煤灰摻量的確定，需要考慮所選取材料的物理力學(xué)性質(zhì)。

2.2 能量演化

材料的變形與破壞都伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，外部荷載對(duì)材料所做的功一部分轉(zhuǎn)化彈性應(yīng)變能儲(chǔ)存在材料內(nèi)部，另一部分隨著材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化逐漸耗散，因此，根據(jù)能量守恒定律可以得到：外力總功等于材料的彈性應(yīng)變能與材料耗散能之和。通過材料的壓縮應(yīng)力- 應(yīng)變曲線可以得到各部分能量，如圖3 所示。

圖3 材料能量關(guān)系

根據(jù)熱力學(xué)相關(guān)理論，在整個(gè)試驗(yàn)過程中為恒溫?zé)o熱力交換的封閉系統(tǒng)，在外部荷載作用下的混凝土試件產(chǎn)生變形破壞，假定外部荷載所做的功為輸入總能量P，巖石能量組成關(guān)系為：

式中：Pd為材料的耗散能，Pe為材料彈性應(yīng)變能，根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)特征，單軸壓縮狀態(tài)存在σ2=σ3=0，得到：

不同粉煤灰摻量條件下各部分能量，如表3 所示。

表3 材料各部分能量值

在最優(yōu)粉煤灰摻量范圍內(nèi)，不同粉煤灰摻量條件下，混凝土試件總能量以及彈性應(yīng)變能隨著摻量的增加而逐漸增大，表明粉煤灰的摻加使得試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間致密性增大，對(duì)于外部荷載的抗性增強(qiáng)?；炷恋膬?chǔ)能極限逐漸增大，意味著導(dǎo)致試件破壞所需要的能量更多，混凝土越不容易發(fā)生變形破壞。

3 結(jié)論

以不同粉煤灰摻量再生混凝土為研究對(duì)象，研究材料抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律以及能量演化特征，主要研究結(jié)論包括：

a）粉煤灰的摻入在一定程度上提高了再生混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)粉煤灰摻量為35%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大為49.38 MPa，抗壓強(qiáng)度與粉煤灰摻量可采用指數(shù)函數(shù)定量描述。

b）能量演化與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)，根據(jù)材料能量變化特征可以反映材料宏觀力學(xué)性能的變化特征。在最優(yōu)混凝土摻量范圍內(nèi)，材料的彈性應(yīng)變能與粉煤灰摻量成正比例變化，儲(chǔ)能極限越高，產(chǎn)生破壞耗散能量越多。