鐵尾礦砂混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€特性*

寧寶寬，徐永澤，崔 琨，王 寧

(沈陽工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，沈陽 110870)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)與民用建筑的數(shù)量越來越多，導(dǎo)致對(duì)混凝土的需求量迅猛增長，目前我國僅用于混凝土建筑的用砂量已達(dá)到年均20億噸.建筑所用的普通砂通常為河砂，河砂的大量開采必然導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，多個(gè)城市已明令禁止開采河砂.與此同時(shí)，我國各地礦山產(chǎn)生了大量的尾礦，廢棄的尾礦不僅占用大量耕地，還污染環(huán)境.若用尾礦砂代替天然河砂配制混凝土，既能夠解決天然河砂短缺的問題，又可以解決尾礦的危害[1].將鐵尾礦砂用于配制混凝土的研究已經(jīng)取得了較大成果，經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)鐵尾礦砂混凝土的配制技術(shù)、力學(xué)性能進(jìn)行了改善和發(fā)展.李濤等[2]利用磨碎的粉狀鐵尾礦取代水泥，利用鐵尾礦砂取代細(xì)骨料，研究了不同取代率下鐵尾礦砂混凝土的工作性能與抗壓性能.黃杰等[3]針對(duì)塑性混凝土具有彈性模量低、抗?jié)B性及塑性變形特性良好等特點(diǎn)，利用尾礦砂配置了不同尾礦砂砂率和不同水泥摻量的塑性混凝土，對(duì)尾礦砂塑性混凝土試件分別進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度以及彈性模量等試驗(yàn).魏建利等[4]研究了鐵尾礦砂混凝土配制技術(shù)，利用鐵尾礦廢料分別替代混凝土中的粗骨料、細(xì)骨料，從配制技術(shù)、力學(xué)性能、耐久性能等方面進(jìn)行了綜述.王光琦等[5]利用鐵尾礦砂取代細(xì)骨料，比較同等級(jí)鐵尾礦砂混凝土與普通混凝土的強(qiáng)度性能.

目前，國內(nèi)外針對(duì)鐵尾礦砂混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€均已開展了相關(guān)研究.康洪震等[6]采用鐵尾礦砂替代普通砂制備強(qiáng)度等級(jí)為C20～C55的混凝土，分析了不同強(qiáng)度等級(jí)下鐵尾礦砂混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€；王冬衛(wèi)[7]對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)鐵尾礦砂混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行了研究，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的上升段幾乎相同，強(qiáng)度越大，下降段下降得越快，與普通混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€特點(diǎn)相同；張龍生[8]對(duì)鐵尾礦砂混凝土梁進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鐵尾礦砂混凝土梁的應(yīng)力-應(yīng)變特性與普通混凝土梁基本相同，不同點(diǎn)在于鐵尾礦砂混凝土梁縱向受力鋼筋的應(yīng)變比普通混凝土梁略大；王光琦[9]通過對(duì)鐵尾礦砂鋼筋混凝土梁的荷載-撓度曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)同等強(qiáng)度的鐵尾礦砂鋼筋混凝土梁與普通鋼筋混凝土梁的開裂、屈服、極限荷載大致相同.同時(shí)，許多國外學(xué)者和工程人員對(duì)混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€也進(jìn)行了廣泛研究[10-14].

但是，目前關(guān)于鐵尾礦砂混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的研究，大多集中在對(duì)不同強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，沒有對(duì)不同鐵尾礦砂摻量的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)研究.為了分析不同鐵尾礦砂摻量對(duì)鐵尾礦砂混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的影響，本試驗(yàn)制備了相同強(qiáng)度等級(jí)的鐵尾礦砂混凝土，鐵尾礦砂摻量分別為0、20%、40%、60%、80%，通過棱柱體單軸受壓全過程試驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有的理論模型分析了鐵尾礦砂混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€受不同鐵尾礦砂摻量的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

試驗(yàn)采用的鐵尾礦砂取自鞍鋼集團(tuán)某尾礦庫，屬高硅型尾礦砂，細(xì)度模數(shù)為1.34，屬于特細(xì)砂.粗骨料采用粒徑為25 mm具有連續(xù)級(jí)配的天然碎石，細(xì)骨料所用砂為天然河砂.水泥采用遼寧山水工源水泥有限公司生產(chǎn)的PO42.5普通硅酸鹽水泥.粉煤灰采用阜新市某粉煤灰廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰.減水劑為高效減水劑.

1.2 方案設(shè)計(jì)

鐵尾礦砂混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C35，單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)分為5組，具體配合比如表1所示.混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm，每種配合比取6塊，總數(shù)量為30塊，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，提前一天取出曬干后再進(jìn)行試驗(yàn).

表1 應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗(yàn)試件配合比Tab.1 Mix proportion of specimens for stress-strain full curve tests

1.3 試驗(yàn)過程

采用300 t的MTS電液伺服試驗(yàn)機(jī)，加載裝置的總剛度滿足大于下降段最大負(fù)剛度的要求，為了測(cè)出試件受壓曲線的全過程，試驗(yàn)首先采用力控制的方式加載，加載速率為0.5 kN/s，當(dāng)施加的荷載達(dá)到約極限荷載的50%時(shí)，改用位移控制的方式繼續(xù)加載，調(diào)整加載速率為0.03 mm/min.所有試件均加載至殘余強(qiáng)度階段，利用壓力機(jī)的微機(jī)控制系統(tǒng)，通過IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，可通過Origin Pro軟件生成試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.

軸心抗壓試驗(yàn)按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算公式為

(1)

式中：fcp為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；F為試件破壞荷載；A為試件承壓面積.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過程與形態(tài)

圖1為鐵尾礦砂混凝土的破壞形態(tài).試件表面的第一條可見裂縫是在荷載達(dá)到極限荷載之后，應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€剛剛進(jìn)入下降段時(shí)形成的，裂縫方向垂直于地面，位于混凝土澆注位置側(cè)面的中心位置.連續(xù)加載時(shí)，由于裂縫的發(fā)展，混凝土粗骨料和水泥砂漿之間的粘結(jié)作用被破壞，混凝土的抗剪作用被削弱，形成兩條新的斜裂縫，一般位于第一條豎向裂縫的左上方與右下方(或右上方與左下方).隨著應(yīng)變的增加，斜裂縫發(fā)展迅速，以至三條裂縫連接到一起形成貫通整個(gè)界面的主斜裂縫，主斜裂縫與荷載垂線的夾角θ約為30°.從破壞斷面上看，鐵尾礦砂混凝土和普通混凝土的破壞均為粗骨料和水泥砂漿之間的粘結(jié)破壞，未發(fā)現(xiàn)有粗骨料斷裂，表明鐵尾礦砂混凝土的破壞形態(tài)與普通混凝土相同.由于試件的唯一性，每個(gè)試件的破壞過程都不可能完全相同，試件的局部缺陷會(huì)影響裂縫的形成過程，但應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的總體形狀變化不大.

圖1 混凝土破壞形態(tài)Fig.1 Failure modes of concrete

2.2 鐵尾礦砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度

圖2為不同鐵尾礦砂摻量下的軸心抗壓強(qiáng)度.鐵尾礦砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土，鐵尾礦砂摻量在0～40%時(shí)，隨著鐵尾礦砂摻量的增加，軸心抗壓強(qiáng)度不斷下降，40%摻量的鐵尾礦砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比降低了11.9%，但在40%～80%摻量時(shí)，軸心抗壓強(qiáng)度先增加后減小，在60%摻量時(shí)取得極大值，60%摻量的鐵尾礦砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與40%摻量的鐵尾礦砂混凝土相比提高了10.7%，與普通混凝土相比降低了2.5%，是所有摻量條件下與普通混凝土相差最小的，而80%摻量的鐵尾礦砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比降低了7.2%.這是因?yàn)殍F尾礦砂顆粒粗糙、多棱角、內(nèi)摩擦力較大，摻入少量鐵尾礦砂時(shí)起主要作用的細(xì)骨料是普通砂，鐵尾礦砂與普通砂之間的摩擦力較差，所以軸心抗壓強(qiáng)度下降.而當(dāng)鐵尾礦砂摻量超過40%時(shí)，起主要作用的為鐵尾礦砂，砂粒之間的摩擦力隨著鐵尾礦砂摻量的增加而有一定好轉(zhuǎn).但當(dāng)鐵尾礦砂摻量超過80%以后，起作用的細(xì)骨料幾乎完全是鐵尾礦砂，又因?yàn)殍F尾礦砂的細(xì)度模數(shù)小于普通砂，導(dǎo)致鐵尾礦砂混凝土的粘聚性低于普通混凝土，所以鐵尾礦砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土.

圖2 不同鐵尾礦砂摻量下的軸心抗壓強(qiáng)度Fig.2 Axial compressive strength under different iron tailing sand contents

2.3 鐵尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€

為了方便對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€進(jìn)行分析，本試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€采用無量綱坐標(biāo)表示，通過Origin Pro軟件得出鐵尾礦砂混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€，如圖3所示.圖3中，橫縱坐標(biāo)含義參見規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010).

圖3 混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€Fig.3 Uniaxial compressive stress-strain full curve of concrete

2.4 不同鐵尾礦砂摻量對(duì)單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的影響

本試驗(yàn)中，1號(hào)混凝土為不摻鐵尾礦砂的普通混凝土，2號(hào)混凝土的鐵尾礦砂摻量為20%，3號(hào)混凝土的鐵尾礦砂摻量為40%，4號(hào)混凝土的鐵尾礦砂摻量為60%，5號(hào)混凝土的鐵尾礦砂摻量為80%，對(duì)比曲線如圖4所示.由圖4可知，在摻入少量鐵尾礦砂時(shí)，鐵尾礦砂混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€與普通混凝土相差不大，摻入少量鐵尾礦砂的混凝土下降段前期強(qiáng)度降低較慢，下降段后期與普通混凝土幾近相同，曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積也與普通混凝土相近；在摻入大量鐵尾礦砂時(shí)，混凝土前期破壞與普通混凝土相似，但在下降段后期混凝土破壞迅速，很快達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，同時(shí)隨著鐵尾礦砂摻量的增加，曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積逐漸減小，說明隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土剛度下降，抵抗彈性變形能力減弱，脆性增強(qiáng).

圖4 不同鐵尾礦砂摻量下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€Fig.4 Stress-strain full curves under different iron tailing sand contents

3 理論模型

目前，參數(shù)較少、意義明確、與試驗(yàn)結(jié)果符合較好的應(yīng)力-應(yīng)變方程采用規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2010)里的方程，即

y=ax+(3-2a)x2+(a-2)x3(0≤x≤1)

(2)

(3)

式中：x=ε/ε0，ε為任一點(diǎn)的應(yīng)變，ε0為峰值應(yīng)變；y=σ/σmax，σ為任一點(diǎn)的應(yīng)力，σmax為峰值應(yīng)力；a、b為與混凝土強(qiáng)度相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，a為初始段彈性模量與峰值割線模量的比值，b為反映混凝土脆性的參數(shù)，其值越大混凝土脆性越強(qiáng).通過改變a、b兩個(gè)參數(shù)的值可以得到不同混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€.a、b兩個(gè)參數(shù)的值可以分別利用式(2)～(3)，根據(jù)試驗(yàn)所得曲線數(shù)據(jù)，用最小二乘法計(jì)算求出.計(jì)算結(jié)果如表2所示.

表2 不同鐵尾礦砂摻量下的a、b值Tab.2 a and b values under different iron tailing sand contents

理論曲線與實(shí)際單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€對(duì)比如圖5所示.

圖5 理論曲線與實(shí)際曲線的對(duì)比Fig.5 Comparison between theoretical and practical curves

經(jīng)過擬合分析，得出在不同鐵尾礦砂摻量下的混凝土參數(shù)a、b值，同時(shí)發(fā)現(xiàn)a值隨鐵尾礦砂摻量的增加而減小，說明混凝土隨著鐵尾礦砂摻量的增加，彈性模量降低，彈性隨之降低；b值隨鐵尾礦砂摻量的增加而增加，說明混凝土隨著鐵尾礦砂摻量的增加，脆性隨之增加.

由圖5可以看出，鐵尾礦砂混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€和理論曲線在上升段和下降段前期(出現(xiàn)主斜裂縫之前)吻合良好，在下降段后期(出現(xiàn)主斜裂縫之后)離散性較大.對(duì)此進(jìn)行分析，鐵尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段與試件內(nèi)部微裂紋發(fā)展密切相關(guān)，如初始微裂縫、氣泡、粗骨料的排列和骨料與水泥砂漿的粘結(jié)性狀等因素都影響微裂紋的發(fā)展過程.此外混凝土棱柱體受壓試件的主斜裂縫和宏觀主斜破壞面，都是在試件達(dá)到峰值荷載之后再加載一段時(shí)間才出現(xiàn)的，只對(duì)試件的殘余強(qiáng)度和后期變形產(chǎn)生影響，屬于試件的后期破壞形態(tài)，只影響應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段后期，對(duì)上升段曲線幾乎沒有影響.而鐵尾礦砂混凝土因?yàn)楣橇虾退嗌皾{之間的粘結(jié)能力不如普通混凝土，致使其在下降段承載能力降低加快.

同時(shí)，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，后期裂縫貫通，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本已無法繼續(xù)承載，故此階段并不影響結(jié)構(gòu)的承載能力，說明《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》里的模型仍然適用于本試驗(yàn)的鐵尾礦砂混凝土，只是在本構(gòu)參數(shù)的取值上有所不同.

4 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1)鐵尾礦砂混凝土的破壞形態(tài)與普通混凝土相似，軸心抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土，當(dāng)鐵尾礦砂摻量為60%時(shí)最為合理，強(qiáng)度僅損失2.5%，同時(shí)解決了鐵尾礦砂的危害，可以取得最大經(jīng)濟(jì)效益；

2)鐵尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的下降段應(yīng)力臺(tái)階隨鐵尾礦砂摻量的增加而逐漸縮短，說明隨著鐵尾礦砂摻量的增加，混凝土剛度下降，抵抗彈性變形能力減弱，當(dāng)鐵尾礦砂摻量為80%時(shí)剛度最小；

3)擬合曲線中a值隨鐵尾礦砂摻量的增加而減小，b值隨鐵尾礦砂摻量的增加而增加，說明混凝土隨著鐵尾礦砂摻量的增加，彈性模量降低，彈性隨之降低，同時(shí)脆性增加.