尾礦砂改性混凝土的強度與聲發(fā)射損傷特征研究

王文杰，磨季云

(武漢科技大學理學院，武漢 430065)

0 引 言

隨著天然砂資源日漸枯竭，材料品質下降，尋找可回收的工業(yè)廢棄物替代混凝土細集料，從而減少稀缺自然資源消耗已經成為工程材料領域的一個重要發(fā)展方向[1-2]。尾礦砂改性混凝土具有原材料豐富、成本低廉、性能可調與綠色環(huán)保等優(yōu)勢，用尾礦砂取代天然砂可以極大地促進固體廢棄物尾礦砂的回收利用[3-6]。當前，采用尾礦砂制備生態(tài)型高性能混凝土正在逐步推廣，工程建設對尾礦砂的需求量也越來越大。因此，全面、深入地認知尾礦砂改性混凝土的變形損傷特征具有重要現(xiàn)實意義。

混凝土內部區(qū)域受壓破壞發(fā)生能量快速釋放，進而出現(xiàn)瞬態(tài)彈性波，此現(xiàn)象為聲發(fā)射(acoustic emission, AE)。承載和變形特征是混凝土的關鍵性能，采用AE測試技術對水泥基材料的變形損傷進行分析已經得到了學界的廣泛認可和應用。當混凝土受到外荷載作用時，水泥砂漿硬化體結構發(fā)生的局部變形與微觀損傷以能量耗散的形式表現(xiàn)出來，采用AE信號反映結構的損傷程度[7]。通過對AE信號數(shù)據(jù)進行處理、加工和分析，可以對混凝土受壓破損特征進行定量化評價，進而有效反演其結構損傷演化機制[8]。前人關于混凝土的AE特征研究已取得了一系列成果，例如：美國學者Robinson[9]早在1965年對不同配合比與粗集料粒徑的混凝土試件在受荷載作用后的AE現(xiàn)象進行了分析，指出了混凝土的AE信號與應力水平的關系；邱繼生等[10]對混凝土試件進行凍融后的力學-聲發(fā)射試驗，根據(jù)試驗結果認為混凝土峰值應力與AE信號具有密切聯(lián)系；劉明輝等[11]就單軸荷載作用下的混凝土力學性能與AE特征進行了關聯(lián)度評價，發(fā)現(xiàn)隨著變形量的增加AE信號與應力發(fā)展呈現(xiàn)相似的變化趨勢；賴于樹等[12]采用無側限抗壓強度與累加AE振鈴數(shù)的試驗結果進行了回歸分析。目前關于混凝土的AE特征研究已經取得了大量成果[13-14]，但關于尾礦砂改性混凝土結構損傷與AE特征的關系還有待深入研究。因此，有必要開展尾礦砂改性混凝土試件在荷載作用下的AE測試，進而分析混凝土受壓損傷特征。

本文以4種不同含量的磷礦尾礦砂取代天然砂制備改性混凝土，通過單軸壓縮與聲發(fā)射聯(lián)合試驗對被測試件的損傷演化特性進行相關分析，結合微觀形態(tài)特征對尾礦砂改性混凝土的變形機理進行深入探究。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗所用的混凝土基本物料參照了某大型水電站施工現(xiàn)場采用的混凝土配合比，包括級配碎石、天然河砂、硅酸鹽水泥、粉煤灰、水和外加劑。此外，采用磷礦尾礦砂等質量取代部分天然河砂制備改性混凝土試件。通過X射線衍射譜進行半定量分析獲得了磷礦尾礦砂的礦物成分，主要包括磷灰石(質量分數(shù)為9.8%)、白云石(質量分數(shù)為57.5%)、赤鐵礦(質量分數(shù)為14.5%)和石英(質量分數(shù)為18.2%)。本試驗采用的尾礦砂不存在重金屬、含硫物或放射性物質超標問題，是一種良好的天然砂替代骨料。

分別采用碎石、天然河砂和尾礦砂三種骨料配制混凝土，三種骨料的基本性能指標如表1所示。粗集料采用常州市廣泰砂石材料公司生產的二級配碎石，粒徑范圍為10～25 mm。細集料采用廣泰砂石材料公司生產的天然河砂和某磷礦采場提供的尾礦砂，天然河砂最大粒徑均為5 mm，尾礦砂最大粒徑為4.75 mm，磷礦尾礦砂的密度高于天然河砂，透水性和細度模數(shù)小于天然河砂。試驗制備了4組不同混凝土試件，尾礦砂的取代率分別為0%、15%、30%和45%(質量分數(shù)，下同)。另外，膠凝物質采用蕪湖海螺水泥有限公司生產的高強度普通硅酸鹽水泥(標號為P·C 52.5)和發(fā)電廠生產的二級粉煤灰，外加劑采用聚羧酸型減水劑和AH-1型粉末狀引氣劑，采用自來水進行砂漿拌和。

表1 粗細骨料的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of coarse and fine aggregate

1.2 混凝土制備

參照DBJ53/T-2—2016《普通混凝土配制技術規(guī)程》，根據(jù)表2所示的配合比制備混凝土試件，水灰比設置為0.45，澆筑后靜置48 h脫模，并將試件放在養(yǎng)護箱中進行為期28 d的標準養(yǎng)護，表中TS為磷礦尾礦砂，NS為天然砂，G為粗集料，C為水泥，F(xiàn)為粉煤灰，AA為引氣劑，WA為減水劑。成型后的混凝土試件為150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體，采用鉆芯制樣的方式制備直徑為50 mm、高度為100 mm的圓柱體樣品，用以開展力學試驗。

表2 混凝土的配合比Table 2 Mix proportion of concrete

1.3 試驗方法

采用萬能試驗機開展強度測試，PCI-2型聲發(fā)射信號測試儀進行AE信號測試，試驗系統(tǒng)的示意圖見圖1。試驗前用鋁合金夾持器將AE測試探頭安裝在試樣中部，由引伸計測試變形量，將AE信號轉換成電信號傳至計算機數(shù)據(jù)接收裝置。力學測試的加載方式為壓力控制式，壓力加載速率為0.05 MPa/min，AE傳感器的諧振頻率為150 kHz，采樣頻率為5 kHz，信號最小閾值為25 dB。測試中測量AE信號與應力隨位移的變化幅度。開始試驗前先對試件預加一定預荷載，測試系統(tǒng)傳感器功能的正常與否；然后設置測試系統(tǒng)各項參數(shù)，并開啟萬能試驗機進行混凝土試件的壓縮試驗，測試AE信號變化特征；最后在混凝土發(fā)生完全破壞后關閉萬能試驗機，利用AE信號接收系統(tǒng)繪制混凝土AE信號變化幅度。

圖1 單軸壓縮-聲發(fā)射試驗系統(tǒng)Fig.1 Uniaxial compression-acoustic emission testing system

2 結果與討論

2.1 應力-應變-聲發(fā)射演化特征

圖2給出了單軸壓縮試驗后4種不同尾礦砂取代率的混凝土試件破壞形態(tài)。由圖2(a)可以看出，不含尾礦砂的混凝土試件呈單向剪切破壞形式，主要裂縫縱向分布，貫穿整個試件，有明顯的脆性破壞特征。如圖2(b)～(d)所示，尾礦砂改性混凝土在受制破壞時伴隨一定的塑性變形特征，主要斷裂裂縫斜向分布，隨著取代率的增加，裂縫數(shù)量明顯增加，塑性變形的程度也有所提高，其中尾礦砂取代率為45%的混凝土試件表面出現(xiàn)了明顯的掉渣現(xiàn)象。

在單軸壓縮試驗過程中檢測AE信號，獲取了不同尾礦砂取代率的混凝土應力-應變曲線和AE信號測試結果，如圖3所示。由圖可知混凝土應力-應變曲線均可劃分為彈性變形、塑性變形、斷裂破壞和殘余變形4個主要階段。尾礦砂含量為0%(質量分數(shù))的混凝土試件在彈性變形階段中,應力隨應變增長近似呈直線型上升，且AE信號活躍程度較高；在進入塑性變形階段后，應力上升的斜率逐漸下降，且AE信號的變化劇烈，說明試件內部結構出現(xiàn)了顯著的損傷效應；斷裂破壞對應應力隨應變增長而劇烈下降的變形階段；發(fā)生殘余變形后，混凝土的應力-應變曲線繼續(xù)下降，同時AE信號趨于平穩(wěn)，表明此時混凝土的結構損傷累積過程已經基本結束，試件破損程度達到最大(見圖3(a))。

如圖3(b)、(c)所示，摻入取代率為15%和30%的尾礦砂后，混凝土試件的應力-應變曲線發(fā)生明顯變化:線性上升段的范圍變寬，說明彈性變形的應變值增大；混凝土彈性模量隨尾礦砂含量增加而上升，說明混凝土承壓和變形性能隨尾礦砂含量增加而提高。圖3(d)表示的是尾礦砂取代率為45%的混凝土試件試驗結果，可以看出較尾礦砂取代率為30%的試件，該組混凝土的峰值強度出現(xiàn)了下降，說明尾礦砂外摻改性作用對混凝土強度的提升有一定范圍。尾礦砂取代率為0%的混凝土塑性變形起始點軸向應變約為0.35%，尾礦砂取代率為15%的混凝土塑性變形起始點軸向應變約為0.60%，尾礦砂取代率為30%和45%的混凝土塑性變形起始點軸向應變約為0.75%。上述現(xiàn)象說明尾礦砂含量對混凝土試件的變形特征有顯著影響。

圖2 尾礦砂改性混凝土的破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of concrete modified by tailing sand

圖3 混凝土的應力-應變-AE信號曲線Fig.3 Stress-strain-AE signal curves of concrete

根據(jù)圖3(b)～(d)對AE信號變化特點分析發(fā)現(xiàn)：3組不同取代率的尾礦砂改性混凝土在彈性和塑性變形階段的AE信號波動比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)明顯的突變；應力達到峰值之后，AE信號集中活躍于斷裂破壞階段，持續(xù)時間較短；試件進入殘余變形階段后AE信號又歸于平穩(wěn)。這些現(xiàn)象說明尾礦砂改性混凝土的破壞特征與普通混凝土有所差異，尾礦砂改性混凝土的AE信號活躍期主要出現(xiàn)在斷裂破壞階段，而普通混凝土發(fā)生在塑性變形階段。根據(jù)對單軸壓縮試驗過程中混凝土試件狀態(tài)的觀察，尾礦砂改性混凝土具有較高的抗壓強度，在進入彈性變形和塑性變形階段時，內部的砂漿硬化體在外荷載增加過程中內部結構發(fā)生調整，并沒有立刻出現(xiàn)大量裂隙，故此階段AE信號相對穩(wěn)定。試件進入斷裂破壞階段后抗壓強度達到峰值，裂隙迅速連通，并伴隨劇烈的結構損傷，聲發(fā)射信號進入短暫的活躍期。進入殘余變形階段后，由于混凝土結構已經破損，故AE信號又趨于穩(wěn)定。從AE信號發(fā)展趨勢可以看出，尾礦砂改性混凝土在荷載作用下具有明顯的脆性破壞特征，這與混凝土破壞時的狀態(tài)有相似特征[15]。

從圖3中提取不同尾礦砂含量混凝土的峰值抗壓強度和累積AE信號，繪制峰值強度、累積AE信號與尾礦砂取代率的關系曲線(見圖4)。由圖4可知，隨著尾礦砂取代率提高，峰值強度值和累積AE信號峰值均呈現(xiàn)先增加后保持穩(wěn)定的變化趨勢。當尾礦砂取代率為30%時，混凝土試件的抗壓強度最大，AE信號強度也接近最大，說明該摻量的尾礦砂改變了混凝土內部砂漿結構，有利于發(fā)揮其最大的承壓性能。根據(jù)圖5所示的擬合結果，說明抗壓強度與AE信號值保持一定的正相關關系，故可以將AE信號值作為反映混凝土材料變形性能的指標，從而對砂漿結構的損傷特征進行合理的評價。

圖4 混凝土強度與累積AE信號Fig.4 Strength and cumulative AE signal of concrete

圖5 峰值強度與AE信號的關系Fig.5 Relation between peak strength and cumulative AE signal

2.2 損傷因子發(fā)展特征

由上述分析可知混凝土的強度特征與AE信號的累積數(shù)保持正相關，因此可以采用AE信號的變化特征評價混凝土在變形過程中的損傷演化規(guī)律。對單軸壓縮過程中的混凝土進行AE信號測試后，能夠根據(jù)AE信號的變化反演水泥砂漿結構的損傷程度與裂紋的擴展規(guī)律?；贏E信號提出了混凝土試件在單軸壓縮試驗中的損傷因子d，如公式(1)所示。

d=Si/∑Sj

(1)

式中:Si、Sj是不同變形階段AE信號的累積量，i、j表示不同變形階段。在單軸壓縮的過程中，4種尾礦砂取代率的混凝土損傷因子隨應變增加的變化曲線如圖6所示，其中1#～4#分別表示尾礦砂取代率為0%～45%的混凝土試件。

圖6 損傷因子與應變的關系曲線Fig.6 Relation curves of damage factor and strain

根據(jù)損傷因子-應變曲線的變化規(guī)律可知，尾礦砂的含量對混凝土損傷特點有顯著影響。不含尾礦砂的混凝土的損傷發(fā)展相對較快。而尾礦砂混凝土在變形前期的增長趨勢較為緩慢，應變超過0.6%后進入快速躍遷階段，當應變達到1.0%后，4種不同尾礦砂含量的混凝土損傷因子均保持穩(wěn)定。損傷因子的變化曲線表明，尾礦砂混凝土的主要損傷累積階段在塑性變形和斷裂破壞階段，而不含尾礦砂的混凝土損傷在彈性階段就開始發(fā)展。相對于完全采用天然砂制備的混凝土，尾礦砂改性混凝土的結構損傷集中在塑性變形和斷裂破壞階段，且其在破壞過程中的塑性變形較大，試件的延性更好。究其原因，相對于天然砂顆粒，磷礦尾礦砂顆粒的細度模數(shù)更小，吸水率更低(見表2)，在混凝土物料中摻入一定量尾礦砂有利于增加硬化水泥砂漿的密實度，在水化反應過程中起到抑制裂紋擴張的作用，從而提高混凝土試件的塑形變形性能，表現(xiàn)為混凝土的延性增強，強度提高。然而，當尾礦砂含量過高時，水泥水化反應的需水量更高，導致混凝土養(yǎng)護過程中的裂隙增多，限制了強度與變形性能的提高。

2.3 微觀結構特征

采用掃描電子顯微鏡(SEM)對尾礦砂混凝土的微觀結構進行探測，結果如圖7所示。根據(jù)SEM照片提取孔隙的二值化圖像，結果如圖8所示?？梢钥闯龌炷猎嚰奈⒂^結構受尾礦砂含量的影響較大。如圖7(a)和圖8(a)所示，普通混凝土的骨料與水泥水化產物之間存在明顯的裂隙，球狀的粉煤灰顆粒分布在裂隙中，水泥砂漿結構較為松散，混凝土的孔隙率約為8.54%；如圖7(b)和圖8(b)所示，尾礦砂取代率為15%的混凝土骨料-砂漿界面的黏結程度比普通混凝土更緊密，裂隙數(shù)量明顯減少，但整體的砂漿結構仍然比較疏松，混凝土的孔隙率降為6.43%左右；如圖7(c)和圖8(c)所示，尾礦砂取代率為30%的混凝土內部骨料和砂漿密實度繼續(xù)提高，裂隙數(shù)量進一步減少，此時混凝土的孔隙率進一步降至3.35%左右。綜上，摻入一定量的尾礦砂能有效改善混凝土內水泥砂漿的孔隙結構，進而使得水泥砂漿的密實度顯著提高，這是混凝土試件力學性能改善的本質原因。

圖7 混凝土的微觀結構特征Fig.7 Microstructure of concrete

圖8 混凝土的二值化圖像Fig.8 Binary images of concrete

3 結 論

(1)采用一定比例的磷礦尾礦砂取代天然砂有助于提升混凝土工作性能，隨著尾礦砂取代率的增大，混凝土試件的抗壓強度先增加后保持穩(wěn)定，尾礦砂取代率為30%的改性混凝土峰值抗壓強度最大。

(2)普通混凝土AE信號活躍期在塑性變形階段，尾礦砂改性混凝土AE信號活躍期集中在斷裂破壞階段，損傷因子在斷裂破壞階段變化迅速，說明經過尾礦砂改性后的混凝土結構損傷與普通混凝土結構損傷的發(fā)生階段有所不同。

(3)將一定比例的尾礦砂摻入水泥砂漿后，提高了混凝土內部結構的密實度，從而增強了混凝土抗壓強度和變形性能。這為尾礦砂改性混凝土的研究提供了參考。