堿激發(fā)混凝土單雙軸壓強(qiáng)度和變形特性研究

王懷亮

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004;2.廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣西 南寧 530004；3.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024)

堿激發(fā)混凝土(alkali-activated concrete，AAC)是用具有火山灰活性的硅鋁酸鹽類礦物與堿性激發(fā)劑反應(yīng)而形成的一種新型建筑結(jié)構(gòu)材料[1-3].該材料具有制備工藝簡易、能耗低、早硬快強(qiáng)以及固體廢棄物可規(guī)模化綜合利用等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于建造裝配式結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和既有結(jié)構(gòu)物的維修加固中.工程結(jié)構(gòu)中的混凝土大多處于二向或三向的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，由于混凝土多軸強(qiáng)度與單軸強(qiáng)度差異很大，研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下混凝土力學(xué)性能對優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、節(jié)省材料具有重要的意義[4-10].然而，目前尚未見到AAC在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度及本構(gòu)關(guān)系研究.由于AAC與傳統(tǒng)水泥混凝土的膠凝材料形成機(jī)理完全不同，為進(jìn)行堿激發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件設(shè)計和分析，十分有必要研究其多軸強(qiáng)度及本構(gòu)關(guān)系.

鑒于此，本文選取普通骨料堿激發(fā)混凝土(NAAC)和輕骨料堿激發(fā)混凝土(LAAC)試塊為研究對象，進(jìn)行了單雙軸抗壓強(qiáng)度和變形特性的試驗(yàn)研究，并與對應(yīng)的傳統(tǒng)普通骨料水泥混凝土(NWC)和輕骨料水泥混凝土(LWC)的單雙軸力學(xué)特性進(jìn)行對比分析，探討了堿激發(fā)混凝土雙軸強(qiáng)度包絡(luò)線和應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的特征，為新型堿激發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的安全設(shè)計和全過程非線性有限元分析提供試驗(yàn)和理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料和配合比

傳統(tǒng)水泥混凝土用原材料為：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(C,物理力學(xué)性能如表1)、硅粉(SF，SiO2含量(1)文中涉及的含量、減水率等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).為85%～90%)、自來水、天然河砂(粒徑為1.25～5.00mm)、石灰?guī)r碎石(粒徑為5～ 20mm)、燒結(jié)粉煤灰陶粒(800級，粒徑4～16mm)和聚羧酸減水劑(SP，減水率為40%)，配合比如 表2 所示.堿激發(fā)混凝土用原材料為：高爐礦渣粉(GGBFS，比表面積為494.5m2/kg，平均粒徑為5.94μm)、Ⅰ級粉煤灰(FA)、氫氧化鈉(分析純粉狀固體，純度≥96%，配置成12mol/L的溶液)、硅酸鈉(WG,分析純Na2SiO3·9H2O，模數(shù)為1.03，SiO2含量為 19.3%～ 22.8%)，以及與傳統(tǒng)水泥混凝土相同的粗細(xì)骨料、拌和水和減水劑，配合比及表觀密度如表3所示.

表1 P·O 42.5水泥的物理力學(xué)性能

表2 傳統(tǒng)水泥混凝土配合比和表觀密度

表3 堿激發(fā)混凝土配合比和表觀密度

4種混凝土單雙軸壓試驗(yàn)均采用100mm× 100mm ×100mm立方體試塊，并均先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d，再在室溫條件下放置90d后進(jìn)行試驗(yàn).由表2、3中的混凝土試塊28d表觀密度可以看出，LWC和LAAC均能達(dá)到輕質(zhì)混凝土的密度要求.

1.2 加載程序

單雙軸壓試驗(yàn)均在TAWZ-5000/3000高壓伺服靜動真三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.該試驗(yàn)機(jī)采用整體框架結(jié)構(gòu)，3個相互垂直的方向上都具有獨(dú)立的液壓伺服加載作動器，其中垂直方向(Z軸)最大試驗(yàn)力為5000kN；水平方向(X軸和Y軸)最大試驗(yàn)力為3000kN.

單雙軸壓試驗(yàn)在曲線上升段采用荷載伺服控制，曲線下降段采用位移伺服控制，設(shè)定加載位移速率為0.004mm/s.試驗(yàn)前，需對試塊受壓面進(jìn)行打磨處理，以保證試塊立方體抗壓強(qiáng)度大致與其軸心抗壓強(qiáng)度一致[5-10].

X軸、Y軸和Z軸分別對應(yīng)主應(yīng)力σ2、σ1和σ3方向.本文規(guī)定拉應(yīng)力和拉應(yīng)變?yōu)檎?，?σ1≤-σ2≤-σ3，試驗(yàn)選取的6種應(yīng)力比(α=σ2∶σ3)為0∶1(單軸壓)、0.10∶1、0.25∶1、0.50∶1、0.75∶1和 1.00∶ 1.每組試驗(yàn)包含3個試塊，當(dāng)某一試塊的強(qiáng)度值大于該組平均值的15%時，舍棄該數(shù)據(jù)并補(bǔ)充新試塊重新試驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性.混凝土試塊的變形量通過高精度位移傳感器(LVDT)進(jìn)行測量，在試塊的加載方向和非加載方向上均布置2套LVDT，將相對兩面所測變形取平均值，由此得到試塊3個方向上的變形量.

1.3 掃描電鏡微觀測試

掃描電子顯微鏡(SEM)圖像分析用于確定試樣表面裂縫、水化產(chǎn)物和界面區(qū)域微觀結(jié)構(gòu).對單雙軸抗壓試驗(yàn)后的各混凝土試塊進(jìn)行切割和研磨，取出長度約為15mm的小立方體樣品.采用日本電子株式會社的JEC-560高性能離子濺射儀對試樣進(jìn)行噴金處理，而后用FEI-Quanta 450FEG(德國Carl Zeiss顯微鏡有限公司)選擇合適的束斑值，采用加速電壓2.0kV對混凝土試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試塊破壞形態(tài)和微觀形貌

混凝土試塊在單雙軸壓試驗(yàn)后的破壞形態(tài)如 圖1 所示.由圖1可見：所有混凝土試塊單軸受壓時，主應(yīng)力方向受壓壓縮，橫向產(chǎn)生拉應(yīng)變，均表現(xiàn)為柱狀破壞；NAAC和LAAC試塊在單軸壓作用下表現(xiàn)出很大的脆性破壞，所產(chǎn)生的碎片明顯多于相應(yīng)的傳統(tǒng)水泥混凝土；雙軸壓作用下，不同類型混凝土試塊的破壞形態(tài)比較接近,多為斜剪破壞形式，試塊在σ2和σ3的共同作用下產(chǎn)生剪切裂紋，裂縫面與σ3成15°～30°夾角.從斷裂面破壞情況可以發(fā)現(xiàn)，NWC和NAAC的破壞基本上從骨料-膠凝材料界面處斷裂，粗骨料無斷裂現(xiàn)象，而LWC和LAAC的斷裂面上有大量輕骨料被拉斷，這與文獻(xiàn)[5-10]中的試驗(yàn)現(xiàn)象相類似.

利用SEM觀測各混凝土膠凝材料-粗骨料界面過渡區(qū)(ITZ)的微觀形貌，如圖2所示.由圖2(a)、(b)可以看出，硅酸鹽水泥膠凝材料與粗骨料顆粒之間存在著明顯的ITZ，厚度為20～ 100μm ，與水泥漿體相比，ITZ的不均勻結(jié)構(gòu)和初始收縮裂縫使其成為傳統(tǒng)水泥混凝土的薄弱環(huán)節(jié)，對傳統(tǒng)水泥混凝土的力學(xué)性能有著重要影響.NWC中粗骨料(石灰石)比較堅硬，受壓時裂縫主要沿界面層擴(kuò)展；而輕骨料顆粒存在很多孔隙，彈性模量和剛度低于水泥砂漿，更易破碎，受壓時裂縫直接穿過輕骨料.另外，輕骨料顆粒的高吸水性致使ITZ孔隙率增加，所以在相同配合比和養(yǎng)護(hù)制度條件下，LWC性能等級要低于NWC.

由圖2(c)、(d)可見，對于堿激發(fā)混凝土，無論粗骨料是石灰石還是粉煤灰陶粒，其ITZ結(jié)構(gòu)都較傳統(tǒng)水泥混凝土致密.原因是堿激發(fā)粉煤灰-礦渣復(fù)合基膠凝材料與粗骨料有更好的黏結(jié)力，并且堿激發(fā)混凝土基體中因聚合反應(yīng)生成了大量的非晶硅鋁酸鹽凝膠體，未反應(yīng)的粉煤灰顆?？梢蕴畛淠z凝材料孔隙；堿激發(fā)混凝土的基體和ITZ中的孔洞尺寸均比傳統(tǒng)水泥混凝土基體中的孔洞尺寸小很多，結(jié)構(gòu)也更加均勻和密實(shí).這從微觀結(jié)構(gòu)角度解釋了不同膠凝材料混凝土宏觀力學(xué)性能的差異.大量力學(xué)性能試驗(yàn)[1,3,11]表明LAAC和NAAC均比對應(yīng)的傳統(tǒng)水泥混凝土脆性大，但拉壓強(qiáng)度比即品質(zhì)等級要高于傳統(tǒng)水泥混凝土.

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由于試驗(yàn)用傳統(tǒng)水泥混凝土NWC和LWC的水膠比不同，堿激發(fā)混凝土NAAC和LAAC的堿溶液濃度不同，它們的單軸抗壓強(qiáng)度fc有一定的差別，其fc值分別為37.3、40.3、48.3、 34.6MPa.圖3對比了單軸壓應(yīng)力狀態(tài)下4種混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)全曲線和應(yīng)力-體積應(yīng)變(σ-εV)曲線，圖中縱坐標(biāo)使用了歸一化主壓應(yīng)力σ3/fc.由圖3(a)可見，堿激發(fā)混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段的線性段范圍大于相應(yīng)的傳統(tǒng)水泥混凝土.混凝土裂縫非穩(wěn)定擴(kuò)展階段開始的標(biāo)志為體積壓縮變形達(dá)到極限值，體積壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)轶w積膨脹，這一應(yīng)力臨界點(diǎn)一般稱為應(yīng)力不連續(xù)點(diǎn).由 圖3(b) 可見：NWC應(yīng)力不連續(xù)點(diǎn)處于峰值應(yīng)力的50%左右，NAAC的應(yīng)力不連續(xù)點(diǎn)處于峰值應(yīng)力的80%左右，LWC和LAAC的應(yīng)力不連續(xù)點(diǎn)分別處于峰值應(yīng)力的90%和92%；2種輕骨料混凝土應(yīng)力不連續(xù)點(diǎn)所對應(yīng)的最大體積壓縮應(yīng)變值大于普通骨料混凝土，說明LAAC與LWC一樣，其壓縮變形要大于普通骨料混凝土；另外，LAAC的收縮變形略大于LWC，這是由于本研究使用的LAAC中輕骨料含量較高.從應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段以及應(yīng)力-體積應(yīng)變曲線的峰后軟化段可以看出，堿激發(fā)混凝土單軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后軟化段下降速度很快，其脆性破壞特征更為顯著.文獻(xiàn)[12]認(rèn)為養(yǎng)護(hù)溫度和熱養(yǎng)護(hù)時長能夠顯著影響堿激發(fā)混凝土的抗壓強(qiáng)度、斷裂能和單軸受壓本構(gòu)模型參數(shù)，因此適合預(yù)測標(biāo)養(yǎng)條件下傳統(tǒng)水泥混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的本構(gòu)模型并不適用于堿激發(fā)混凝土；文獻(xiàn)[13]對比了粉煤灰基堿激發(fā)混凝土和高爐礦渣基堿激發(fā)混凝土的受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)高爐礦渣基堿激發(fā)混凝土在峰值應(yīng)力以后迅速發(fā)生脆性破壞，下降段韌性最低，而粉煤灰基堿激發(fā)混凝土一般需要熱養(yǎng)護(hù)才能達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，且下降段與傳統(tǒng)水泥混凝土區(qū)別不大.分析其微觀機(jī)理可以發(fā)現(xiàn)，與硅酸鹽水泥膠凝材料的C-S-H、CH等無機(jī)小分子結(jié)構(gòu)組成的硬化體相比，高爐礦渣粉的鈣含量比粉煤灰高，在堿激發(fā)混凝土膠凝材料中不僅形成了鋁硅酸鹽水合物凝膠體(C-A-S-H凝膠)，還形成了鋁硅酸鈉水合物凝膠體(N-A-S-H凝膠)，因此高爐礦渣粉摻量的增加會提高堿激發(fā)混凝土的脆性，同時也提高了室溫養(yǎng)護(hù)條件下堿激發(fā)混凝土的抗壓強(qiáng)度.本文采用的粉煤灰-磨細(xì)高爐礦渣復(fù)合基體的堿激發(fā)混凝土在室溫條件下養(yǎng)護(hù)，也能達(dá)到與傳統(tǒng)水泥混凝土相同或者更高的抗壓強(qiáng)度，只要對峰后軟化段曲線特征參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)修正，用于傳統(tǒng)水泥混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€模型同樣可以用于本文的2種堿激發(fā)混凝土.

圖1 混凝土試塊單雙軸壓試驗(yàn)后的破壞形態(tài)Fig.1 Failure modes of concrete specimens after uniaxial and biaxial compression test

圖2 膠凝材料-粗骨料ITZ微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of ITZ between binder and aggregate

圖3 混凝土試塊單軸壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和應(yīng)力-體積應(yīng)變曲線對比

每種混凝土選取4種應(yīng)力比，繪出各組試塊單雙軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖4.由圖4可見：單軸壓下LWC和LAAC的橫向峰值應(yīng)變大于軸向峰值應(yīng)變，這說明輕骨料混凝土的橫向膨脹變形大于普通骨料混凝土.由圖4還可見，AAC應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段比傳統(tǒng)水泥混凝土更陡，下降速度更快，這說明雙軸壓應(yīng)力狀態(tài)下AAC的脆性依舊比較大.從前文所述的AAC破壞面和微觀分析可知，地聚物砂漿體與粗骨料之間有優(yōu)異的界面黏結(jié)性能，AAC在雙軸壓作用下的破壞往往是由于粗骨料發(fā)生了剪切破壞，加載過程中應(yīng)力從加載位置向內(nèi)部快速傳遞，峰值荷載后應(yīng)力降低和消散速度加快，依舊表現(xiàn)出較大的脆性.

圖4 混凝土試塊單雙軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.3 極限強(qiáng)度和變形

圖5為不同類型混凝土的雙軸壓強(qiáng)度包絡(luò)線.由圖5可見：4種混凝土在雙軸壓荷載作用下的極限強(qiáng)度較單軸壓極限強(qiáng)度有所提高,提高程度取決于應(yīng)力比α=σ2/σ3.4種混凝土強(qiáng)度包絡(luò)線形狀有一定區(qū)別：對于NWC和LWC，其強(qiáng)度包絡(luò)線近似為細(xì)長橢圓形，與Kupfer等[14]和Hussein等[15]試驗(yàn)得到的中低強(qiáng)度水泥混凝土雙軸破壞包絡(luò)線類似；而NAAC和LAAC的強(qiáng)度包絡(luò)線接近圓形，非常類似于Hussein等[15]以及Hampel等[4]得出的高強(qiáng)、超高強(qiáng)普通骨料混凝土雙軸壓強(qiáng)度包絡(luò)線.在低應(yīng)力比條件下，所有混凝土雙軸壓強(qiáng)度相對值比較接近；但在高應(yīng)力比條件下，由于膠凝材料和骨料類型的不同，AAC試塊的雙軸極限抗壓強(qiáng)度提高值明顯低于傳統(tǒng)水泥混凝土試塊.這是由于AAC破壞具有明顯的硬脆特征，類似于高強(qiáng)和超高強(qiáng)水泥混凝土，而混凝土材料的“硬脆”屬性越顯著，其雙軸壓強(qiáng)度提高越少，強(qiáng)度包絡(luò)線形狀越接近圓形.另外，混凝土內(nèi)部初始微裂紋的數(shù)量和擴(kuò)展速度影響混凝土的相對雙軸抗壓強(qiáng)度，傳統(tǒng)水泥混凝土骨料和砂漿界面處存在較多的初始缺陷(見圖2)，雙軸壓下側(cè)向壓力的約束作用對裂紋的擴(kuò)展起到了抑制效應(yīng)，延緩了裂紋的連續(xù)擴(kuò)展，延長了裂紋擴(kuò)展周期，因此傳統(tǒng)水泥混凝土雙軸抗壓強(qiáng)度增大倍數(shù)比較高；AAC具備獨(dú)特的無機(jī)縮聚三維氧化物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、與粗骨料間優(yōu)異的界面黏結(jié)性能，初始裂紋數(shù)量低于傳統(tǒng)水泥混凝土，側(cè)向壓力對雙軸壓強(qiáng)度提高倍數(shù)的影響程度低于傳統(tǒng)水泥混凝土.

圖5 混凝土試塊的雙軸壓強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.5 Biaxial compressive strength envelope of different types of concrete specimens

圖6 混凝土試塊雙軸壓峰值應(yīng)變與應(yīng)力比的關(guān)系

圖6為混凝土試塊雙軸壓峰值應(yīng)變與應(yīng)力比的關(guān)系.由圖6(a)可見：4種類型混凝土非加載方向的橫向峰值應(yīng)變ε1p始終為拉應(yīng)變，隨著應(yīng)力比α的增加大致呈線性增長，但不同類型混凝土的增長趨勢不同；同一應(yīng)力比條件下，AAC的ε1p略低于水泥混凝土，而輕骨料混凝土的ε1p在單軸壓條件下大于普通骨料混凝土，但隨著側(cè)向壓力的增大，輕骨料混凝土的ε1p小于普通骨料混凝土，這與受壓試塊的破壞形態(tài)基本一致.由圖6(b)可見，4種類型混凝土側(cè)壓向峰值應(yīng)變ε2p隨著應(yīng)力比的增加大致呈線性下降趨勢,由單軸壓時的拉應(yīng)變逐步變成壓應(yīng)變，拉壓應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)大致在α=0.25附近.由圖6(c)可以看出：同一應(yīng)力比條件下，輕骨料混凝土主壓向峰值應(yīng)變ε3p要高于普通骨料混凝土；AAC的主壓向峰值應(yīng)變ε3p略高于傳統(tǒng)水泥混凝土；隨著應(yīng)力比的增長，4種類型混凝土的ε3p先增后減，在α=0.25時,ε3p提高值最大；輕骨料混凝土的ε3p在單軸和低應(yīng)力比條件下遠(yuǎn)大于普通骨料混凝土，但隨著應(yīng)力比的增大，越來越接近普通骨料混凝土.

3 破壞準(zhǔn)則

Kupfer-Gerstle準(zhǔn)則[14]為目前最常用的混凝土雙軸強(qiáng)度準(zhǔn)則.本文采用相類似的破壞包絡(luò)線方程，得到以下雙軸壓強(qiáng)度準(zhǔn)則表達(dá)式：

(1)

式中:k和m為回歸參數(shù).

對強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計回歸，分析得出不同種類混凝土的回歸參數(shù)k，m及相關(guān)系數(shù)r，列于表4.

表4 不同種類混凝土雙軸壓破壞準(zhǔn)則回歸系數(shù)

圖7 混凝土試塊雙軸壓試驗(yàn)值與強(qiáng)度準(zhǔn)則計算值 比較曲線Fig.7 Comparison of theoretical strength criteria computed values and tested values for different types of concrete specimens

圖7為混凝土試塊雙軸壓試驗(yàn)值與強(qiáng)度準(zhǔn)則計算值比較曲線.由圖7可以看出：Kupfer-Gerstle包絡(luò)線方程經(jīng)過修正，采用如表4所示的回歸系數(shù)后，能統(tǒng)一描述NWC、LWC、NAAC和LAAC的雙軸壓強(qiáng)度規(guī)律；具有“硬脆”屬性、強(qiáng)度高的AAC強(qiáng)度包絡(luò)線在傳統(tǒng)水泥混凝土的強(qiáng)度包絡(luò)線內(nèi)側(cè)，說明堿激發(fā)混凝土的雙軸壓強(qiáng)度提高倍數(shù)小于傳統(tǒng)水泥混凝土；所有類型混凝土雙軸抗壓強(qiáng)度最大值均發(fā)生在應(yīng)力比α=0.50左右，這些與試驗(yàn)值均比較吻合.

4 結(jié)論

(1)LAAC和LWC在破壞時均表現(xiàn)出很大的脆性，試塊斷面處的大部分輕骨料被切斷;SEM結(jié)果表明，AAC骨料-地聚物砂漿界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)更加均勻和致密，其品質(zhì)性能要優(yōu)于傳統(tǒng)水泥混凝土.

(2)4種混凝土試塊在雙軸壓荷載作用下的強(qiáng)度和峰值應(yīng)變隨應(yīng)力比α而變化,其中強(qiáng)度在α=0.5左右時取得最大值,主壓應(yīng)變在α=0.25左右時取得最大值.應(yīng)力比α對AAC抗壓強(qiáng)度和變形的提高作用要比傳統(tǒng)水泥混凝土小，在同一應(yīng)力比下，LAAC和LWC強(qiáng)度提高值也低于NAAC和NWC，AAC主壓向峰值應(yīng)變ε3p略高于傳統(tǒng)水泥混凝土,脆性高于傳統(tǒng)水泥混凝土.

(3)根據(jù)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別建立了不同膠凝材料和骨料類型的混凝土破壞準(zhǔn)則,發(fā)現(xiàn)對Kupfer-Gerstle破壞準(zhǔn)則進(jìn)行適當(dāng)修正后，可以用于AAC的多軸強(qiáng)度計算，也可滿足工程計算要求.