不同替代率石墨尾礦砂混凝土斷裂試驗

陳 真， 陳 松， 劉猛銳， 魏 康， 馮博雅， 孫路平， 劉曉洲

(大連大學建筑工程學院， 大連 116622)

在石墨資源開發(fā)利用過程中，堆積了大量無用的石墨尾礦砂廢渣，且利用率極低。每逢雨季就會造成土壤環(huán)境污染[1-2]。與此同時，近年來中國基礎設施建設的飛速發(fā)展導致砂資源供不應求，由于天然砂作為不可再生資源，國家已經明令禁止開采，因此，諸多學者將石墨尾礦砂作為傳統(tǒng)混凝土中細骨料的替代品，制成石墨尾礦砂混凝土進行研究,對于石墨尾礦砂渣的工程應用、變廢為寶具有重要意義。王少海[3]、孫小巍[4]石墨尾礦砂泡沫混凝土進行了試驗研究，研究結果表明，泡沫混凝土中摻加進適量的石墨尾礦砂細砂有利于泡沫混凝土的抗壓強度的提高，且礦渣越細，提升效果越明顯。劉洪波等[5-6]石墨尾礦砂纖維混凝土的壓敏特性進行了試驗研究，結果表明，在彈性范圍內，石墨尾礦砂纖維混凝土的電阻率與壓應力呈負相關，受壓次數(shù)越多、石墨尾礦砂纖混凝土的電阻率變化率呈減弱趨勢，張大雙[7]石墨尾礦砂碳纖維混凝土的抗壓性能和導電性進行試驗研究，結果得出，水灰比越小、石墨尾礦砂纖維混凝土的抗壓強度越大，隨著石墨尾礦砂的替換量增加、抗壓強度會呈下降趨勢，且石墨尾礦砂替代率為10%～30%時，導電效果最佳、抗壓性能和抗彎性能綜合提升效果最好。王亮量等[8]研究了石墨尾礦砂碳纖維混凝土的導電性和力學性能之間的關系,建立了抗壓強度-回彈值和抗壓強度-電阻率兩種測強曲線。 孫偉軒[9]石墨尾礦砂混凝土的氯離子抗?jié)B性及干濕條件下的抗氯離子滲透性能進行了分析，結果表明，少量(10%～20%)石墨尾礦砂有助于提高混凝土淺層的抗氯離子侵蝕性能，石墨尾礦砂混凝土替代率為10%時，氯離子含量最高可降低43.7%。

目前，關于石墨尾礦砂混凝土的研究已經取得了諸多成果，但主要集中在研究抗凍性、抗氯離子滲透性、抗壓性能、抗彎性能和導電性能。而石墨尾礦砂混凝土的斷裂力學性能方面鮮有人進行研究。故在總結以往學者成果[10-13]的基礎上，重點對石墨尾礦砂混凝土的斷裂問題進行研究，通過采用三點彎曲斷裂試驗的方法，研究替代率為0、10%、20%及30%的石墨尾礦砂混凝土在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d后，受0.01、0.1、1、10 mm/s 4種加載速率影響的破壞形態(tài)、斷裂韌度及斷裂能的變化規(guī)律，為石墨尾礦砂混凝土的應用及進一步研究做了有意義的嘗試。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

(1)水泥：選用水泥材料為大連水泥集團有限公司生產的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標滿足標準《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的規(guī)定。

(2)石子：粗骨料選用大連長興島臨港工業(yè)區(qū)曉飛石子加工廠生產的石子，其最大粒徑<25 mm。

(3)砂子：細骨料采用大連瓦房店沙石廠出售的天然河砂，細砂，級配良好，經洗砂后備用。

(4)石墨尾礦砂：采用雞西市金宇石墨尾礦砂庫的石墨尾礦砂，其礦物組成成分及石墨尾礦砂與砂的物理性質，如表1和表2所示。

表1 石墨尾礦砂的礦物組成

表2 石墨尾礦砂與砂的物理性質

(5)水：拌和混凝土用水來自為大連大學建筑工程學院試驗用蒸餾水。

1.2 配合比

本項試驗中石墨尾礦砂混凝土試件制備選用的配合比如表3所示。

表3 1 m3石墨尾礦砂混凝土配合比

1.3 試驗設備

本項試驗涉及的試驗設備有：HJW-150型混凝土攪拌機；電子秤；SBHY-90型標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱；GFL-125電熱鼓風干燥箱；微機控制電子式萬能試驗機；夾式引伸計；磁力表架。

1.4 試件制備及試驗過程

本項試驗參考《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》(DL/T 5332—2005)中的規(guī)定，斷裂試件尺寸選用長×寬×高(L×B×H)=400 mm×100 mm× 100 mm的長方體試件。預制裂紋長度為40±0.2 mm，如圖1所示。石墨尾礦砂混凝土設計強度等級采用C30強度，石墨尾礦砂替代率選用0%、10%、20%和30% 4種。石墨尾礦砂混凝土的攪拌、成型參考文獻《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2002)進行，振搗后在跨中位置預埋鋼片(厚度為2 mm)形成初始裂紋，澆筑8～12 h混凝土初凝后拔出、冷凝24～48 h后拆模，將試件放入標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱中(溫度設置20 ℃±3 ℃：相對濕度≥95%)養(yǎng)護28 d后進行三點彎曲斷裂試驗。

L為試件長度；B為試件寬度；H為試件的高度；a0為預制裂縫長度；S為三點彎曲斷裂試驗加載時設置標距

試件分組及編號說明： OPC為普通混凝土試件，作為4種加載速率下的石墨尾礦砂混凝土斷裂力學特性的對照組。三種替代率分別用GTC-10%、GTC-20%和GTC-30%來代表，4種加載速率分別用0.01、0.1、1和10來表示，每3個試件為一組編號a、b、c。

石墨尾礦砂混凝土三點彎曲斷裂試驗選用微機控制電子式萬能試驗機進行加載，最大試驗力100 kN，采用位移控制的加載方式，根據(jù)范向前的試驗經驗[14]，結合試驗儀器系統(tǒng)配置的實際情況，按照試驗研究的目的，由慢到快制定加載速率分別為0.01、0.1、1、10 mm/s。YYJ-4/10型夾式引伸計(量程20 mm，精度0.001)測量裂紋張開位移值Dm。具體步驟如下：首先測量石墨尾礦砂混凝斷裂試件的尺寸、質量及預制裂紋長度，再將厚度為2 mm塑料薄板粘貼在試件裂紋兩側，然后放置到標距為300 mm的滾動支座上，將夾式引伸計固定塑料薄板內側，啟動加載裝置進行加載并利用系統(tǒng)采集數(shù)據(jù),具體裝置如圖2所示。

圖2 加載裝置

2 參數(shù)確定

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式(5)中：h0為引伸計刀口薄鋼板厚度，m;t為試件厚度;Dm為裂紋口張開位移臨界值，μm；E為計算彈性模量，GPa。

(6)

式(6)中：a0為初始裂紋長度，m;ci為F-Dm曲線直線段上任一點的斜率。

斷裂能是指試件斷裂過程中產生單位斷裂面積所需要的能量。根據(jù)文獻[12]利用裂紋張口曲線確定混凝土梁三點彎曲斷裂能的試驗方法,按照以下公式進行斷裂能的計算：

(7)

式(7)中：Gp-ω為裂紋張口曲線確定混凝土梁三點彎曲的斷裂能；W1為試件完全斷裂所做的外力功；W2為試件完全斷裂所做的重力功；h、a0、t分別為試件的高度、初始裂紋深度和試件的厚度。

3 試驗結果與分析

3.1 斷裂破壞過程及特征

由于加載速率越慢，破壞過程記錄越為全面。故破壞過程以加載速率為0.01 mm/s的石墨尾礦砂混凝土三點彎曲斷裂過程為例，如圖3、圖4所示。不同替代率和不同加載速率下的荷載裂縫張開口位移曲線如圖5、圖6所示。

圖3 不同替代率石墨尾礦砂混凝土破壞形態(tài)

圖4 GTC-10%斷裂破壞過程

圖5 不同加載速率荷載-裂縫張開口位移曲線

圖6 不同替代率荷載-裂縫張開口位移曲線

在荷載施加過程中，普通混凝土與三種替代率的石墨尾礦砂混凝土試件的破壞過程基本一致，石墨尾礦砂混凝土試件破壞特征普遍表現(xiàn)最先產生一條微細裂紋沿著試件預制裂紋尖端區(qū)域開展，隨著荷載的逐漸提高，裂紋的寬度逐漸增加并且沿著預制裂紋繼續(xù)延伸，直至試件斷裂。從圖5中可以看出，石墨尾礦砂混凝土破壞特征基本可以表現(xiàn)為三個階段。

(1)加載初期：石墨尾礦砂混凝土內部黏結面處于線彈性階段，該階段內石墨尾礦砂混凝土試件內部微裂紋相對穩(wěn)定，預制裂紋尖端區(qū)域處于穩(wěn)定彈性受力狀態(tài)，觀察外觀，并無新的裂紋產生。

(2)裂紋擴展階段：荷載達到起裂荷載值后，石墨尾礦砂混凝土試件最先表現(xiàn)為沿預制裂紋尖端位置產生一條微細裂紋，沿預制裂紋方向的尖端上部區(qū)域出現(xiàn)不連貫微細裂紋。隨著荷載的繼續(xù)增加，裂紋逐漸擴展延伸，各裂紋逐漸相互連接，形成貫通裂紋，且寬度緩慢增加。在此過程中，加載速率越低、荷載提升速度越慢、試件裂紋上部區(qū)域內部微裂紋具備擴展的機會就越多，故最初產生微細裂紋數(shù)量越多。

(3)破壞階段：隨著荷載的繼續(xù)提升、達到最大值即失穩(wěn)荷載后，荷載急速下降，前端區(qū)域裂紋非穩(wěn)態(tài)擴展，裂紋長度延伸速度明顯增快，且裂紋寬度越為明顯，裂紋張開位移迅速增加，直至試件完全被破壞。

3.2 斷裂韌度分析

根據(jù)試驗得到石墨尾礦砂混凝土試件的參數(shù)，按照斷裂韌度計算公式(1)～式(5)得到雙K斷裂韌度及斷裂能，如表4～表7所示，擬合曲線方程如表8所示。圖7～圖10給出了不同替代率的石墨尾礦砂混凝土在不同加載速率下的斷裂韌度變化關系。

圖10 失穩(wěn)韌度與加載速率關系圖

表4 加載速率0.01 mm/s石墨尾礦砂混凝土斷裂韌度試驗結果

表5 加載速率0.1 mm/s石墨尾礦砂混凝土斷裂韌度試驗結果

表6 加載速率1 mm/s石墨尾礦砂混凝土斷裂韌度試驗結果

表7 加載速率10 mm/s石墨尾礦砂混凝土斷裂韌度試驗結果

圖7 起裂韌度與石墨尾礦砂替代率關系圖

表8 擬合曲線方程

由圖8和圖9中可以看出，不同替代率的石墨尾礦砂混凝土試件的起裂韌度和失穩(wěn)韌度變化規(guī)律基本一致。與傳統(tǒng)混凝土試件相比，GTC-10%、GTC-20%和GTC-30%起裂韌度平均增長了2.24%、5.78%和18.78%，失穩(wěn)韌度分別增加了3.15%、6.78%和11.92%。表明石墨尾礦砂的摻入可以有效提高混凝土的抗斷裂性能，但在石墨尾礦砂的替代率為0～10%范圍內，由于摻量過少提升效果并不明顯；而替換率為20%～30%的范圍時，起裂韌度和失穩(wěn)韌度提升效果非常顯著。

圖8 失穩(wěn)韌度與石墨尾礦砂替代率關系圖

圖9 起裂韌度與加載速率關系圖

表9 擬合曲線方程

從圖10和圖11中可以得出，不同加載速率對石墨尾礦砂混凝土試件起裂韌度和失穩(wěn)韌度的影響也幾乎相同，0.01～10 mm/s的范圍內，各替代率的試件均表現(xiàn)為隨著加載速率得增加，石墨尾礦砂混凝土的起裂韌度和失穩(wěn)韌度總體呈上升趨勢，且加載速率越大，起裂韌度和失穩(wěn)韌度值越大。因此、加載速率為10 mm/s時，對試件斷裂韌度的影響最為明顯。究其原因，這是由于加載速率越大、荷載提升速度越快，導致作為準脆性材料的混凝土試件內部微裂紋尚未完全開展，試件就直接達到失穩(wěn)荷載值。

3.3 斷裂能分析

圖11給出了石墨尾礦砂混凝土斷裂能的變化趨勢，石墨尾礦砂混凝土斷裂能擬合曲線方程如表10所示。

圖11 加載速率與斷裂能關系圖

表10 斷裂能擬合曲線方程

由圖11可見，隨著加載速率的增加，傳統(tǒng)混凝土試件與石墨尾礦砂混凝土試件的斷裂能均呈明顯上升趨勢，與加載速率為0.01 mm/s狀態(tài)下相比，加載速率為0.1、1、10 mm/s的斷裂能分別平均提高了14.5%、47.6%、65.9%，表明加載速率可以明顯提高石墨尾礦砂混凝土試件斷裂過程中的耗能能力。其主要原因是隨著加載速率的提高，試件起裂荷載和失穩(wěn)荷載也隨之增大，并且在加速斷裂過程中引起了試件的變形增大，從而導致斷裂能隨加載速率的增加而升高。而對比不同替代率的石墨尾礦砂混凝土可以明顯看出，摻加石墨尾礦砂后的混凝土試件斷裂能遠高于普通混凝土試件，且在0%～30%的替代范圍內，替代率越高提升效果越為顯著。

4 結論

通過對不同替代率石墨尾礦砂混凝土進行三點彎曲斷裂試驗，得出如下結論。

(1)石墨尾礦砂混凝土試件破壞特征普遍表現(xiàn)最先產生一條微細裂紋沿著試件預制裂紋尖端區(qū)域開展，隨著荷載的逐漸提高，裂紋的寬度逐漸增加并且沿著預制裂紋繼續(xù)延伸，直至試件斷裂。

(2)在石墨尾礦砂替代率的0%～30%的范圍內，摻加石墨尾礦砂后的混凝土試件斷裂韌度及斷裂能遠高于傳統(tǒng)混凝土試件，表明石墨尾礦砂的摻入可以有效提高混凝土的抗斷裂性能，但在石墨尾礦砂的替代率為0～10%范圍內，提升效果并不明顯；替換率為20%～30%的范圍內，起裂韌度和失穩(wěn)韌度提升效果最為顯著。

(3)隨著加載速率的增加，石墨尾礦砂混凝土的斷裂韌度和斷裂能均呈上升趨勢，且加載速率越大、起裂韌度和失穩(wěn)韌度越大、斷裂能越大。試件在1～10 mm/s的范圍內，受加載速率影響最為明顯。