粉煤灰陶粒輕骨料混凝土彈性模量試驗(yàn)研究

朱玲　吳輝琴　岑釩浬　史方宇　陳宇良

摘? 要：為研究粉煤灰陶粒輕骨料混凝土彈性模量的變化規(guī)律，以不同強(qiáng)度等級(jí)、不同骨料浸泡時(shí)間為影響參數(shù)，完成了54個(gè)輕骨料混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn).試驗(yàn)觀察其破壞形態(tài)，分析各參數(shù)對(duì)彈性模量的影響情況，并與現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外規(guī)范中關(guān)于彈性模量的計(jì)算公式結(jié)果作對(duì)比分析.研究結(jié)果表明：軸心抗壓破壞形態(tài)為斜剪破壞，受變化參數(shù)的影響不大;在同組試件中，彈性模量的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值基本低于軸心抗壓強(qiáng)度的曲線峰值;骨料浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，強(qiáng)度等級(jí)越大，輕骨料混凝土的彈性模量越大;所采用規(guī)范的彈性模量計(jì)算公式的計(jì)算值均比輕骨料混凝土試驗(yàn)值大.并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了該類混凝土的彈性模量計(jì)算式，擬合結(jié)果良好.

關(guān)鍵詞：輕骨料混凝土;粉煤灰陶粒;彈性模量;抗壓強(qiáng)度;強(qiáng)度等級(jí)

中圖分類號(hào)：TU528.041DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.02.005

0引言

粉煤灰陶?！苑勖夯覟橹饕牧?，摻入適量水泥、石膏及外加劑等，經(jīng)過成球、燒結(jié)或自然水硬性反應(yīng)制成的一種人造輕骨料.其具有綠色環(huán)保、輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱、抗凍性能好等優(yōu)點(diǎn)，是制成輕骨料混凝土的理想材料之一.輕骨料混凝土自二十世紀(jì)五十年代以來已廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程領(lǐng)域，但由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)多孔、吸水率較高，導(dǎo)致其力學(xué)性能與普通混凝土存在顯著差異[1-2]，強(qiáng)度較低、脆性大是制約輕骨料混凝土發(fā)展的主要因素.已有大量研究通過纖維增強(qiáng)[3-4]、纖維增韌[5]來改善其脆性大的特點(diǎn)，對(duì)輕骨料混凝土延性耗能進(jìn)行了深入探討.

彈性模量作為衡量混凝土的重要力學(xué)性能指標(biāo)，在確定結(jié)構(gòu)變形、分析裂縫開展、探究破壞機(jī)理和計(jì)算溫度應(yīng)力等方面都具有必要性，探究彈性模量規(guī)律對(duì)輕骨料混凝土性能和機(jī)理的深入研究都能提供一定的理論依據(jù).已有學(xué)者對(duì)輕骨料混凝土的彈性模量進(jìn)行了研究[6-7]：劉喜等[8]利用輕骨料混凝土彈性模量計(jì)算模型，分析了強(qiáng)度和表觀密度對(duì)彈性模量的影響，并對(duì)輕骨料混凝土提出了新的建議計(jì)算公式;周欣竹等[9]對(duì)輕骨料混凝土彈性模量進(jìn)行了預(yù)測(cè)的數(shù)值方法研究，提出了其彈性模量預(yù)測(cè)的快速傅里葉變化法.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)天然骨料、再生骨料混凝土已提出了多種兩相復(fù)合材料彈性模量預(yù)測(cè)模型[10-11]，統(tǒng)計(jì)分析了模型不確定性以及與關(guān)鍵參數(shù)之間的相關(guān)性.

但現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)輕骨料混凝土彈性模量的試驗(yàn)研究和理論分析仍有限，關(guān)于輕骨料混凝土彈性模量的相關(guān)變化規(guī)律研究還需進(jìn)一步補(bǔ)充，其彈性模量計(jì)算模型還沒有較為認(rèn)可的普遍適用公式.本文則以輕骨料混凝土為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)其彈性模量進(jìn)行了深入分析，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，建立彈性模量計(jì)算模型.輕骨料由于結(jié)構(gòu)多孔具有吸水返水的特性，Shen等[12]發(fā)現(xiàn)對(duì)輕骨料進(jìn)行預(yù)濕處理，會(huì)對(duì)混凝土殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和應(yīng)力松弛有影響，能延遲混凝土開裂的時(shí)間，因此，本文以不同骨料浸泡時(shí)間、不同強(qiáng)度等級(jí)為變化參數(shù)，共設(shè)計(jì)54個(gè)試件，分析各參數(shù)對(duì)輕骨料混凝土彈性模量的影響，利用現(xiàn)有規(guī)范的混凝土彈性模量計(jì)算模型與粉煤灰陶粒輕骨料混凝土試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為輕骨料混凝土的進(jìn)一步研究提供參考.

1試驗(yàn)概況

1.1?? 試驗(yàn)材料

骨料采用粉煤灰高強(qiáng)陶粒，粒徑為5～10 mm，采用連續(xù)級(jí)配.經(jīng)吸水率試驗(yàn)測(cè)試，浸泡時(shí)間在1 h以內(nèi)吸水率增長(zhǎng)最快，浸泡1 h時(shí)吸水率達(dá)到14.96%;浸泡12 h時(shí)吸水率為16.12%，之后增長(zhǎng)速度平緩;骨料浸泡約17 h達(dá)到飽和，飽和吸水率為17.22%，吸水率計(jì)算公式為：

[Mc=m2-m1m1×100%]? （1）

式中：[m1]為陶粒原始質(zhì)量;[m2]為達(dá)到預(yù)設(shè)吸水時(shí)間后陶粒的質(zhì)量;[Mc]為陶粒在預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)的吸水率，粉煤灰陶粒具體的物理性能指標(biāo)見表1.細(xì)骨料采用中粗河砂;水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥;水為城市自來水.

1.2?? 輕骨料混凝土配合比

參照J(rèn)GJ—2019《輕骨料混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行輕骨料混凝土配合比設(shè)計(jì)，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3種目標(biāo)強(qiáng)度等級(jí)LC20、LC30和LC40，具體的輕骨料混凝土配合比見表2.

1.3?? 試件設(shè)計(jì)與制作

以骨料浸泡時(shí)間、強(qiáng)度等級(jí)為變化參數(shù)，其中粉煤灰陶粒浸泡時(shí)間考慮1 h和12 h兩種，強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)LC20、LC30、LC40 3種，共制作54個(gè)輕骨料混凝土試件進(jìn)行彈性模量試驗(yàn)（18個(gè)尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件進(jìn)行彈性模量試驗(yàn);18個(gè)尺寸為150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn);18個(gè)尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)）.每組參數(shù)條件下設(shè)計(jì)9個(gè)試件，其中：3個(gè)試塊測(cè)試軸心抗壓強(qiáng)度fcp，3個(gè)試塊測(cè)試立方體抗壓強(qiáng)度fcu，3個(gè)試塊測(cè)試彈性模量Ec，分別取3個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果.試件澆筑時(shí)，提前將粉煤灰陶粒放入水池中浸泡，分別浸泡滿1 h和12 h，瀝干表面多余水分，將粉煤灰陶粒放入其他材料已經(jīng)攪拌均勻的攪拌機(jī)內(nèi)，待混合攪拌均勻后按配比分3次加入自來水，混合攪拌5 min，澆模成型，放置室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d.具體的試件編號(hào)及參數(shù)如表3所示.

1.4?? 試驗(yàn)設(shè)備與加載制度

本試驗(yàn)在中科院和SIMENS公司聯(lián)合研發(fā)的RMT-301試驗(yàn)機(jī)上完成，加載裝置如圖1（a）、圖1（b）所示.參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的“靜力受壓彈性模量試驗(yàn)”的方法進(jìn)行加載，具體加載制度見圖1（c）.

2試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1?? 試件破壞形態(tài)

粉煤灰陶粒混凝土試件的破壞形態(tài)如圖2所示，由圖2可見，粉煤灰陶粒輕骨料混凝土棱柱體試件發(fā)生斜向剪切破壞.彈性模量試驗(yàn)過程中，加載初期，在1/3的軸心抗壓強(qiáng)度內(nèi)進(jìn)行彈性循環(huán)加載，試件處于彈性階段，應(yīng)變隨應(yīng)力按比例增長(zhǎng).進(jìn)行3次荷載循環(huán)后，輕骨料混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了一定的損傷微裂紋，并隨著循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋也隨之增加，但外觀無明顯裂縫出現(xiàn).隨著荷載的進(jìn)一步增大，混凝土進(jìn)入彈塑性階段，各骨料之間以及骨料和水泥基體之間的塑性損傷不斷累積，內(nèi)部微觀裂紋不斷開展、擴(kuò)大，并在試件外部開始出現(xiàn)平行于加載方向的可視裂紋.當(dāng)荷載增大至峰值應(yīng)力時(shí)，微小裂縫迅速開展、延伸，發(fā)展成與豎向加載方向呈45°的斜向貫通裂縫.荷載峰值點(diǎn)過后，試件外觀開始有較多的混凝土剝落.由于粉煤灰陶粒結(jié)構(gòu)多孔、強(qiáng)度較低，混凝土最終破壞時(shí)，在其截面上有大量粉煤灰陶粒被剪斷，破壞過程有明顯的脆性特征.

2.2?? 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1?? 彈性模量應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3給出了軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線.由圖3可見，試件的軸心抗壓和彈性模量試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線走勢(shì)相同，分為上升段和下降段，上升段在峰值應(yīng)力的1/3之前，試件處于彈性階段.對(duì)比彈性模量與軸心抗壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€可見，彈性模量試驗(yàn)曲線峰值點(diǎn)較軸心抗壓稍低，說明粉煤灰輕骨料混凝土在歷經(jīng)彈性循環(huán)反復(fù)加載時(shí)，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)了一定的損傷，導(dǎo)致彈性模量的峰值點(diǎn)略低于軸心抗壓強(qiáng)度.由實(shí)測(cè)結(jié)果可得，彈性模量峰值荷載較軸心抗壓強(qiáng)度平均降低約2.83%.

2.2.2?? 彈性模量計(jì)算

彈性模量是混凝土變形性能的主要指標(biāo)，也是各類混凝土進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算的基本依據(jù)之一.粉煤灰陶粒輕骨料混凝土的彈性模量值取應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€上的原點(diǎn)至0.4fc點(diǎn)的割線模量，計(jì)算公式如下：

[Ec=Fa-F0A·LΔn]（2）

[Δn=εa-ε0] ?（3）

其中：[Ec]為混凝土彈性模量，MPa;[A]為試件受壓面積，mm2;[Fa]為應(yīng)力為1/3軸心抗壓強(qiáng)度時(shí)的荷載，N;[F0]為應(yīng)力為0.5 MPa時(shí)的初始荷載，N;[Δn]為從荷載[F0]最后一次加至[Fa]時(shí)試件兩側(cè)變形的平均值，mm;[L]為測(cè)量標(biāo)距，mm;[εa]為達(dá)到荷載[Fa]時(shí)試件兩側(cè)變形的平均值，mm;[ε0]為達(dá)到荷載[F0]時(shí)試件兩側(cè)變形的平均值，mm.

彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，每組數(shù)據(jù)均取3個(gè)試件平均值，軸心抗壓強(qiáng)度[fcp]取峰值應(yīng)力.由表4數(shù)據(jù)擬合可得粉煤灰陶粒輕骨料混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的換算公式：

[fcu=fcp/]0.83 （4）

3影響因素分析

3.1?? 強(qiáng)度等級(jí)對(duì)彈性模量的影響

圖4為3種不同強(qiáng)度等級(jí)下粉煤灰陶?；炷恋钠骄鶑椥阅Ａ繉?duì)比圖，由圖4可見，隨著強(qiáng)度等級(jí)的增大，粉煤灰陶粒輕骨料混凝土的彈性模量呈增大趨勢(shì)，說明提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)粉煤灰陶粒混凝土的彈性模量有一定提高作用.LC30強(qiáng)度等級(jí)的彈性模量較LC20提高了3.36%，LC40強(qiáng)度等級(jí)的彈性模量較LC30提高了5.73%.這是由于強(qiáng)度等級(jí)越高，混凝土的密實(shí)度越高，其內(nèi)部孔隙相對(duì)較少，總體的結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，在一定程度上增加了混凝土的彈性變形能力.

3.2?? 骨料浸泡時(shí)間對(duì)彈性模量的影響

圖5為骨料浸泡時(shí)間對(duì)彈性模量的影響對(duì)比圖.由圖5可見，粉煤灰陶粒骨料浸泡的時(shí)間為12 h時(shí)，其混凝土的彈性模量較浸泡時(shí)間為1 h的大，在LC20、LC30、LC40 3種混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，粉煤灰陶粒骨料浸泡12 h的試件與浸泡1 h的試件的彈性模量比值分別為0.95、1.01、1.06，說明增加粉煤灰陶粒骨料的浸泡時(shí)間可以提高輕骨料混凝土的彈性模量.這可能跟粉煤灰陶粒輕骨料的結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)有較多孔，吸水率較高，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，輕骨料的吸水狀態(tài)越接近飽和，當(dāng)粉煤灰陶粒骨料與水泥基體結(jié)合時(shí)，水泥基體的水化反應(yīng)更為充分，且其接觸面融合程度也越高，從而使得粉煤灰陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度和彈性模量有所提高.

4各彈性模量計(jì)算公式對(duì)比

結(jié)合國(guó)內(nèi)外已有的對(duì)于混凝土彈性模量的相關(guān)研究，以下為典型的混凝土彈性模量計(jì)算公式.

美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)AASHTO[13]：

[Ec=0.43r1.5cfcu]（5）

Dhir[14]：

[Ec=13 100+370fcu]（6）

Mellmann[15]：

[Ec=8 242+378fcu]（7）

美國(guó)混凝土規(guī)范ACI 318-77[16]：

[Ec=4 789fcu] （8）

歐洲混凝土規(guī)范CEB-FIP MC90[17]：

[Ec=0.1fcu+0.83×2.15×104]（9）

中國(guó)混凝土規(guī)范GB50010—2010[18]：

[Ec=1052.2+（34.7/fcu）]（10）

英國(guó)混凝土規(guī)范BS 8110[19]：

[Ec=K0+]0.2[fcu， k×103]? （11）

式中： [rc]為混凝土密度，kg/m3;K0為與骨料彈性模量緊密相關(guān)的系數(shù)，正?；炷寥?0×103 MPa;[fcu， k]為齡期為28 d時(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa;[Ec]為齡期為28 d時(shí)混凝土的彈性模量，MPa.

圖6為粉煤灰陶粒輕骨料混凝土的彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度的擬合圖，可得到粉煤灰陶?；炷翉椥阅Ａ坑?jì)算式：

[Ec=10 947.62+167.16fcu] （12）

擬合相關(guān)系數(shù)為0.673，本文提出的粉煤灰陶粒輕骨料混凝土的彈性模量計(jì)算式與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果擬合較好.

圖7給出了式（5）—式（12）的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖.由圖7可見，式（5）—式（12）計(jì)算得到的彈性模量計(jì)算結(jié)果均比本試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果大，這是因?yàn)楦鹘ㄗh公式是根據(jù)普通混凝土提出的計(jì)算式，由于粉煤灰陶粒輕骨料混凝土相對(duì)普通混凝土而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)多孔，強(qiáng)度較天然骨料要低，因此，粉煤灰陶粒輕骨料混凝土在受力時(shí)，試件內(nèi)部產(chǎn)生裂縫比普通混凝土發(fā)展更快，內(nèi)部損傷更大，導(dǎo)致輕骨料混凝土的彈性性能比普通混凝土要低.對(duì)比各規(guī)范公式計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Mellmann提出的公式計(jì)算結(jié)果與本試驗(yàn)結(jié)果最為接近，兩個(gè)結(jié)果的比值在1.17～1.46之間波動(dòng)，均值為1.32，且具有一定的安全富余.

5結(jié)論

1）輕骨料混凝土的棱柱體受壓破壞與強(qiáng)度等級(jí)、骨料浸泡時(shí)間無關(guān)，發(fā)生斜裂縫剪切破壞.

2）輕骨料混凝土彈性模量的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值基本較軸心抗壓強(qiáng)度的曲線峰值要低，說明彈性循環(huán)階段對(duì)輕骨料混凝土有一定能量耗散，內(nèi)部出現(xiàn)損傷.

3）強(qiáng)度等級(jí)、骨料浸泡時(shí)間對(duì)輕骨料混凝土的彈性模量均有一定影響，強(qiáng)度等級(jí)越高、浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，彈性模量越大.

4）采用現(xiàn)有普通混凝土的彈性模量計(jì)算公式所得粉煤灰陶粒混凝土彈性模量值均偏大，建議采用本文所提出的計(jì)算公式作為粉煤灰陶?；炷恋膹椥阅Ａ坑?jì)算式.

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lightweight aggregate concrete

ZHU Ling， WU Huiqin*， CEN Fanli， SHI Fangyu， CHEN Yuliang

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： To explore the changes in the elastic modulus of fly ash ceramsite lightweight aggregate?? concrete， 54 specimens of lightweight aggregate concrete were made to test the axial compressive strength， cube compressive strength and the elastic modulus of different strength grades and different aggregate soaking times. The experiment observes the failure behavior and analyzes the influence of various parameters on the elastic modulus， and compares the results with the existing domestic andforeign codes regarding the elastic modulus recommendations. The results show that the compression failure behavior of axial compression is oblique shear failure， which is less affected by various? influencing factors; the peak value of the stress-strain curve of the elastic modulus test in the same group of specimens is basically lower than the peak value of the axial compressive strength curve; the greater the strength level and the longer the aggregate soaking time， the greater the strength oflightweight aggregate concrete; the elastic modulus values of fly ash ceramsite concrete obtained by the existing elastic modulus calculation formula are all too large. And the elastic modulus calculation formula of this type of concrete is proposed based on the experimental data， and the fitting results are great.

Key words： lightweight aggregate concrete; fly ash ceramsite; elastic modulus; compressive strength; strength grade

（責(zé)任編輯：羅小芬、黎?? 婭）

收稿日期：2020-10-27

基金項(xiàng)目：廣西科技基地和人才專項(xiàng)（AD19110068）;廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2019KY0361）;廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助課題（GXHRI-WEMS-2020-05）;國(guó)家級(jí)（廣西）大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202010594179）資助.

作者簡(jiǎn)介：朱玲，碩士研究生.

通信作者：吳輝琴，工學(xué)碩士，教授，研究方向：先進(jìn)工程材料及其應(yīng)用，E-mail：whq6329@163.com.