基于細觀結(jié)構(gòu)的混凝土力學(xué)性能相關(guān)性的試驗研究

寇西湖，余紅發(fā)，吳成友

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016； 2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016；3.南京航空航天大學(xué)土木與機場工程系，江蘇 南京 210016)

混凝土是由水泥和礦物摻合料等膠凝材料、粗細骨料、外加劑和水拌合而成的具有三維堆積結(jié)構(gòu)的人造材料，具有抗壓強度高、物美價廉、可塑性好等優(yōu)點，是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中運用最多的材料之一。目前，關(guān)于混凝土材料的研究主要集中在宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)上[1-2]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者開始從細觀結(jié)構(gòu)的角度研究混凝土?；炷良氂^結(jié)構(gòu)是介于宏觀力學(xué)性能和微觀形貌之間的一個尺度。一方面，可以總結(jié)材料微觀結(jié)構(gòu)的研究成果；另一方面，可以為混凝土結(jié)構(gòu)的計算提供思路和建議?；炷良氂^結(jié)構(gòu)由粗骨料、砂漿和粗骨料-砂漿界面組成[3-5]。大多數(shù)學(xué)者主要從界面的微觀結(jié)構(gòu)、顯微硬度和納米壓痕等角度對粗骨料-砂漿界面進行研究[6-8]，直接測試粗骨料-砂漿界面宏觀力學(xué)性能的文獻較少。刁益彤等[9]對珊瑚混凝土界面過渡區(qū)的性能進行試驗研究，得出界面過渡區(qū)是珊瑚混凝土的薄弱環(huán)節(jié)。然而，大多數(shù)試驗研究所用的砂漿是通過直接制備的方式得到成型試件的，與相同水膠比的混凝土堆積結(jié)構(gòu)中的砂漿存在水膠比方面的明顯差異[10-12]，并不能很好地代替混凝土細觀結(jié)構(gòu)中的砂漿。因此，不能直接應(yīng)用于混凝土細觀力學(xué)計算分析。此外，在傳統(tǒng)的混凝土細觀力學(xué)模型計算時，多數(shù)學(xué)者采用的界面黏結(jié)強度不是一個實測數(shù)據(jù)，往往是取砂漿強度的一定百分比，缺乏試驗依據(jù)，并不能準確反映界面過渡區(qū)對混凝土試件力學(xué)性能的影響。因此，本試驗通過制備混凝土、濕篩砂漿和用濕篩砂漿澆筑的粗骨料-砂漿界面等三種試件，同時直接測試混凝土細觀結(jié)構(gòu)的各組分力學(xué)性能，從混凝土細觀力學(xué)的角度直接研究混凝土強度與其細觀結(jié)構(gòu)的各組成強度之間的關(guān)系，為混凝土細觀力學(xué)分析計算提供理論模型驗證。

1 試驗概況

1.1 骨料

水泥混凝土常見的粗骨料是石灰石和玄武巖，細骨料通常采用以石英砂為主要組分的河砂，本試驗采用的粗骨料分別為石灰石、石英石和玄武巖。其中，石灰石來自青海省西寧市湟中區(qū)嘉恒鎂業(yè)公司生產(chǎn)的5～20 mm的連續(xù)級配石灰石碎石；石英石和玄武巖均來自南京市久熠石材有限公司，采用顎式破碎機將其破碎，調(diào)配成5～20 mm的連續(xù)級配。依據(jù)GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》[13]對粗骨料的基本力學(xué)性能進行測試，測試結(jié)果如表1所示。依據(jù)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》[14]對河砂的基本性能指標進行測試。其中，河砂的細度模數(shù)為2.685(中砂)，緊密堆積密度為1 840 kg/m3，松散堆積密度為1 720 kg/m3，表觀密度為2 669 kg/m3。粗骨料和細骨料的顆粒級配曲線分別如圖1、圖2所示。為便于觀察，細骨料粒徑采用對數(shù)坐標。

表1 粗骨料的基本力學(xué)性能

圖1 粗骨料級配曲線圖Fig.1 Grading curve of coarse aggregate

圖2 細骨料級配曲線圖Fig.2 Grading curve of fine aggregate

1.2 其他原材料

試驗采用20 mm×20 mm×10 mm的長方體標準骨料，如圖3所示。其中，標準骨料石灰石、石英石和玄武巖的抗壓強度分別為76、149、232 MPa。水泥混凝土的膠凝材料主要由硅酸鹽水泥、粉煤灰和磨細礦渣等組成。本試驗采用青海祁連山水泥有限公司生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5級硅酸鹽水泥，各項指標如表2所示。粉煤灰、磨細礦渣、減水劑和引氣劑均來自西寧楊建防水外加劑有限公司，粉煤灰和磨細礦渣的化學(xué)成分見表3。為了使混凝土的流動性滿足泵送混凝土的要求，需要在混凝土中加入減水劑改善其流動性。本試驗采用的減水劑的含固量為37.4%，通過控制混凝土的坍落度在110～160 mm確定減水劑的用量。為提高混凝土拌合物的和易性和改善混凝土試件的抗裂性能，在混凝土中加入少量引氣劑。

圖3 標準骨料圖Fig.3 Standard aggregate

表2 水泥的各項指標

表3 磨細礦渣和粉煤灰的化學(xué)組成

1.3 混凝土配合比設(shè)計與試件制備

本試驗為制備C40、C55和C70三種強度等級的混凝土，分別設(shè)計0.53、0.42和0.35三種水膠比；為探究礦物摻合料對混凝土細觀結(jié)構(gòu)各組成部分力學(xué)性能的影響，分別設(shè)計了單摻15%粉煤灰與雙摻15%粉煤灰+30%磨細礦渣兩種礦物摻合料；為探究粗骨料種類對混凝土和粗骨料-砂漿界面力學(xué)性能的影響，分別用石英石、玄武巖和石灰石三種常見粗骨料進行試驗。本試驗設(shè)計了6種配合比(詳見表4)，其中C55強度等級設(shè)計了4組配合比，分別選用單摻粉煤灰的石灰石骨料和雙摻15%粉煤灰+30%磨細礦渣的石灰石、石英石和玄武巖骨料。每種配合比制備2組(每組3個)100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方體試件，分別用于抗壓強度和劈裂抗拉強度測試。此外，用濕篩砂漿法制備配合比編號為C70F15L35、C55F15S30L42、C55F15L42和C40F15L53的邊長70.7 mm的砂漿立方體試件。最后，粗骨料-砂漿界面試件按圖4a所示方法進行制備。在每個界面試件模具內(nèi)分別按10 mm等間距放置4塊標準骨料，之后在間距部分澆筑砂漿，并在入模成型后的試件表面覆蓋保鮮膜防止試件內(nèi)部的水分蒸發(fā)，在養(yǎng)護24 h后將成型的試件進行拆模。并在混凝土、砂漿和粗骨料-砂漿界面試件標準養(yǎng)護27 d后，稱取每個混凝土和砂漿試件的質(zhì)量。

表4 混凝土配合比設(shè)計表

圖4 粗骨料-砂漿界面試件Fig.4 Interface specimen of coarse aggregate-mortar

1.4 試驗方法與儀器

每種配合比分別選取1組試件用YAW4306微機控制電液伺服壓力試驗機以0.8 MPa/s的加載速率測試其混凝土和砂漿試件的28 d抗壓強度，用JES—2000A型壓力試驗機測試混凝土和砂漿試件的28 d劈裂抗拉強度，用TYE—300F型水泥膠砂抗折抗壓試驗機在粗骨料-砂漿界面處施加壓力測試界面的黏結(jié)抗拉強度，界面黏結(jié)強度測試示意圖如圖4b所示。其中，界面黏結(jié)抗拉強度按下式進行計算:

fbs-INT=0.637F/A

(1)

式中：fbs-INT為界面黏結(jié)抗拉強度(MPa)，F(xiàn)為界面試件加載過程中受到的最大荷載(N)，A為粗骨料與砂漿黏結(jié)面的面積(mm2)。

在混凝土試件強度計算時，將非標準試件的混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度值分別乘0.95和0.85的換算系數(shù)轉(zhuǎn)化為標準試件強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 混凝土的抗壓強度與劈裂抗拉強度

圖5為不同配合比的混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度及兩者之間的關(guān)系圖。由圖可見，當水膠比由0.53降至0.35時，混凝土試件的抗壓強度由39 MPa增大至77 MPa，增加了97.4%；而劈裂抗拉強度從2.6 MPa增大至3.5 MPa，僅增加34.6%。表明混凝土抗壓強度隨著水膠比的減小而顯著增大，劈裂抗拉強度隨水膠比的減小而緩慢增加。這是因為隨著水膠比的減少，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生孔隙的含量減少，混凝土的密實度增大，從而提升了混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度[15]。

圖5 混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度的關(guān)系圖 Fig.5 Relationship between splitting tensile strength and compressive strength of concrete

從圖中還可以看出，在水膠比和膠凝材料總量相同的條件下，摻入30%磨細礦渣后，混凝土試件的抗壓強度由61 MPa降低至56 MPa，降低了8.2%；而劈裂抗拉強度由3.0 MPa增加至3.5 MPa，增加了16.7%。表明雙摻礦物摻合料會降低混凝土的抗壓強度，提高試件的劈裂抗拉強度。這是因為礦物摻合料替換了部分水泥，使水泥的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠減少，減弱了粗骨料與砂漿之間的黏結(jié)力，導(dǎo)致雙摻礦物摻合料的抗壓強度略低于單摻粉煤灰的抗壓強度；降低了混凝土的彈性模量，從而改善了混凝土的劈裂抗拉強度[16-17]。

從圖中還可以看出，在質(zhì)量配合比相同時，用玄武巖作為粗骨料制備的混凝土試件的抗壓強度最大，石英石次之，石灰石最小。混凝土試件的抗壓強度與對應(yīng)的粗骨料的抗壓強度大小一致。說明在其他條件相同時，混凝土抗壓強度隨制備混凝土?xí)r所用粗骨料強度的增加而增大。不同配合比的混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度的線性擬合結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出，總體上混凝土的劈裂抗拉強度隨抗壓強度的增加而增大，混凝土劈裂抗拉強度與抗壓強度具有正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R=0.499 74)；由相關(guān)系數(shù)臨界值可知，當樣品n=18時，r0.05=0.468；由R>r0.05可知，混凝土的劈裂抗拉強度與抗壓強度的線性關(guān)系在置信水平0.05上顯著相關(guān)。

2.2 砂漿組分的抗壓強度與劈裂抗拉強度及其兩者之間的關(guān)系

圖6是不同配合比的混凝土細觀結(jié)構(gòu)中砂漿的抗壓強度與劈裂抗拉強度及兩者之間的關(guān)系圖。由圖可見，當水膠比由0.53降低至0.35時，砂漿試件的抗壓強度由49 MPa增大至93 MPa，增加89.8%；而劈裂抗拉強度從2.8 MPa增大至3.9 MPa，僅增加39.3%。表明砂漿抗壓強度和劈裂抗拉強度均隨水膠比的減小而增大，且抗壓強度的增長速率遠大于劈裂抗拉強度的增長速率。這是因為膠凝材料在水化過程中所需的用水量較少，隨著水膠比的減少，砂漿內(nèi)部產(chǎn)生的孔隙含量減少，增大了砂漿的密實度，從而提升了砂漿的抗壓強度和劈裂抗拉強度。從圖中還可以看出，在水膠比和膠凝材料總量相同的條件下，摻入30%磨細礦渣后，砂漿試件的抗壓強度由63 MPa增大至72 MPa，增加14.3%。說明雙摻礦物摻合料能提高砂漿試件的抗壓強度。這是因為磨細礦渣的粒徑小于水泥顆粒的粒徑，磨細礦渣能夠填充水泥顆粒內(nèi)部的孔隙，提高砂漿試件的密實度。其次，礦渣的火山灰效應(yīng)能進一步改善砂漿試件內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高砂漿的抗壓強度[18]。摻入30%磨細礦渣后，劈裂抗拉強度由2.8 MPa增大至4.0 MPa，增加42.9%。說明雙摻礦物摻合料能顯著改善砂漿的劈裂抗拉強度。其原因同混凝土劈裂抗拉強度的增大機理相同。

圖6 砂漿的劈裂抗拉強度與抗壓強度的關(guān)系Fig.6 Relationship between splitting tensile strength and compressive strength of mortar

砂漿組分的劈裂抗拉強度與抗壓強度的線性關(guān)系如圖6所示，從圖中可以看出，砂漿的劈裂抗拉強度隨抗壓強度的增加而增大，具有正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R=0.707 8)；由相關(guān)系數(shù)臨界值可知，當樣品n=12時，r0.02=0.658，相關(guān)系數(shù)R>r0.02，故砂漿試件的劈裂抗拉強度與抗壓強度的線性相關(guān)關(guān)系在置信水平0.02上顯著相關(guān)。和混凝土的劈裂抗拉強度與抗壓強度的置信水平相比，砂漿的劈裂抗拉強度與抗壓強度的相關(guān)性更強。這是因為與砂漿試件相比，混凝土中的粗骨料降低了混凝土試件的均勻性，并導(dǎo)致相關(guān)性下降。

2.3 混凝土與砂漿的強度關(guān)系

從混凝土細觀力學(xué)角度分析，砂漿作為混凝土的組成部分之一，其力學(xué)性能必然會對混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。圖7和圖8分別反映了混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度與濕篩砂漿的相應(yīng)強度之間的關(guān)系。從圖7可以看出，混凝土與濕篩砂漿試件抗壓強度的坐標點均位于45°輔助線下方，表明所有配合比的混凝土抗壓強度均低于對應(yīng)的濕篩砂漿試件的抗壓強度。該結(jié)果與危小靈等[19]的研究結(jié)果一致。一般認為，混凝土內(nèi)部的粗骨料-砂漿界面過渡區(qū)作為混凝土的薄弱環(huán)節(jié)[9]，導(dǎo)致混凝土的抗壓強度低于相應(yīng)濕篩砂漿的抗壓強度。

圖7 混凝土與濕篩砂漿的抗壓強度關(guān)系Fig.7 Relationship of compressive strength between concrete and wet screened mortar

圖8 混凝土與濕篩砂漿的劈裂抗拉強度關(guān)系Fig.8 Relationship of splitting tensile strength between concrete and wet screened mortar

混凝土與濕篩砂漿試件的抗壓強度的線性擬合結(jié)果如圖7所示，線性擬合的相關(guān)系數(shù)R=0.921 06，當n=12時，r0.001=0.823 3，相關(guān)系數(shù)R>r0.001，故混凝土與配套砂漿試件的抗壓強度之間的相關(guān)性在置信水平0.001上顯著相關(guān)。從圖8可以看出，混凝土的劈裂抗拉強度隨對應(yīng)濕篩砂漿的劈裂抗拉強度的增加而增大?；炷僚c濕篩砂漿試件的劈裂抗拉強度的線性擬合結(jié)果如圖8所示，線性擬合的相關(guān)系數(shù)R=0.798 28，當n=12時，r0.002=0.795，相關(guān)系數(shù)R>r0.002，故混凝土與配套濕篩砂漿試件的劈裂抗拉強度之間的相關(guān)性在置信水平0.002上顯著相關(guān)。綜上所述，混凝土與配套砂漿抗壓強度之間的線性相關(guān)性最強，在置信水平0.001上顯著相關(guān)，同時也說明了混凝土細觀力學(xué)將砂漿作為混凝土的組成部分之一的合理性。從相關(guān)性系數(shù)來看，在混凝土細觀力學(xué)計算時，砂漿基體的強度應(yīng)該以抗壓強度為計算依據(jù)。

2.4 混凝土抗壓強度與粗骨料-砂漿界面黏結(jié)抗拉強度之間的關(guān)系

粗骨料-砂漿界面過渡區(qū)是混凝土試件的薄弱位置，在很大程度上影響著混凝土的強度。本試驗的粗骨料-砂漿界面試件的黏結(jié)抗拉強度在2.36～4.84 MPa，顯著低于混凝土試件的抗壓強度，約為混凝土抗壓強度的5.3%～7.6%，這與混凝土抗壓強度高、抗拉強度低的特性一致。圖9是混凝土抗壓強度與界面黏結(jié)抗拉強度及兩者之間的關(guān)系圖，從圖中可以看出，混凝土抗壓強度和界面黏結(jié)抗拉強度均隨水膠比的減小而增大，這是因為水膠比越小，單位體積試件內(nèi)部的膠凝材料含量越高，水化生成更多的C-S-H凝膠，增強了粗骨料-砂漿界面的黏結(jié)力，從而提升界面過渡區(qū)和混凝土試件的力學(xué)強度。

圖9 混凝土抗壓強度與界面黏結(jié)抗拉強度的關(guān)系Fig.9 Relationship between compressive strength of concrete and interfacial bond tensile strength

與單摻粉煤灰相比，雙摻礦物摻合料的混凝土抗壓強度和界面黏結(jié)抗拉強度值均低于單摻粉煤灰對應(yīng)試件的強度。這是因為磨細礦渣替代部分水泥，使水泥的含量減少，且礦渣的水化速率低于水泥的水化速率，在28 d時部分礦渣沒有完全水化，從而導(dǎo)致雙摻礦物摻合料的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠含量減少，降低了界面試件的黏結(jié)性能，最終導(dǎo)致雙摻礦物摻合料的混凝土和界面試件的強度均低于單摻粉煤灰對應(yīng)試件的強度。

從圖中還可以看出，相同配合比的砂漿與不同種類粗骨料之間的黏結(jié)性能不同。其中，砂漿與玄武巖之間的黏結(jié)力最強，石英石次之，石灰石最弱，這與混凝土的抗壓強度大小一致。說明混凝土細觀結(jié)構(gòu)的界面黏結(jié)強度越大，混凝土的強度也越大。從圖中可以看出，混凝土試件的抗壓強度隨粗骨料-砂漿界面黏結(jié)抗拉強度的增加而增大，當界面黏結(jié)抗拉強度由2.36 MPa增大至4.84 MPa時，混凝土抗壓強度由32.5 MPa增大至77.7 MPa?；炷量箟簭姸扰c界面黏結(jié)抗拉強度的線性擬合結(jié)果如圖9所示,此時線性相關(guān)系數(shù)R=0.736 88，當n=18時，r0.001=0.708，R>r0.001，故混凝土抗壓強度與界面黏結(jié)抗拉強度在置信水平0.001上顯著相關(guān)。因此，在進行混凝土細觀力學(xué)計算時，粗骨料-砂漿界面的黏結(jié)抗拉強度是一個重要參數(shù)，不能以砂漿強度的估算百分比來代替。

2.5 混凝土抗壓強度與粗骨料抗壓強度、砂漿抗壓強度和界面黏結(jié)抗拉強度的相關(guān)性分析

混凝土細觀力學(xué)是將混凝土視為由粗骨料、砂漿和粗骨料-砂漿界面三部分組成，說明混凝土抗壓強度不是只受單一因素的影響。通過建立單一因素與混凝土強度的關(guān)系，很難得到準確可靠的結(jié)果。因此，通過建立混凝土抗壓強度與粗骨料抗壓強度、砂漿抗壓強度和界面黏結(jié)抗拉強度之間的三元函數(shù)關(guān)系，能夠更加準確地反映出不同因素對混凝土抗壓強度的影響程度。用三元函數(shù)表示混凝土抗壓強度的擬合結(jié)果如公式(2)所示:

(2)

式中：fac為粗骨料抗壓強度(MPa)，fmc為砂漿抗壓強度(MPa)，fbs-INT為界面黏結(jié)抗拉強度(MPa)，fcc為混凝土抗壓強度(MPa)。

此時，相關(guān)系數(shù)R=0.938 1，當n=18時，r0.001=0.742，R>r0.001，故混凝土抗壓強度與細觀結(jié)構(gòu)各組分強度之間的相關(guān)性在置信水平0.001上顯著相關(guān)，并且大于用單一因素進行擬合的相關(guān)系數(shù)。說明用粗骨料抗壓強度、砂漿抗壓強度和界面黏結(jié)抗拉強度對混凝土抗壓強度進行擬合時得到的結(jié)果，比用單一因素擬合得到的結(jié)果更加精確。從公式(2)可以看出，在混凝土各組分中，砂漿抗壓強度對混凝土抗壓強度的影響最大，界面過渡區(qū)次之，粗骨料影響最小。一般而言，若砂漿對混凝土強度的影響為1，則界面過渡區(qū)為0.288，粗骨料強度為0.148。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，混凝土強度與砂漿、粗骨料和界面過渡區(qū)三者的強度相關(guān):(1)從相關(guān)性系數(shù)來看，在進行混凝土細觀力學(xué)計算時，砂漿基體的強度應(yīng)該以抗壓強度為計算依據(jù);(2)在質(zhì)量配合比相同的條件下，混凝土抗壓強度隨制備混凝土?xí)r所用的粗骨料的強度的增加而增大;(3)粗骨料-砂漿界面黏結(jié)抗拉強度是一個重要參數(shù)，不能以砂漿強度的估算百分比來代替。當界面黏結(jié)抗拉強度由2.36 MPa增大至4.84 MPa時，混凝土抗壓強度由32.5 MPa增大至77.7 MPa;(4)在混凝土各組分中，砂漿抗壓強度對混凝土抗壓強度的影響最大，界面過渡區(qū)次之，粗骨料強度最小。若砂漿對混凝土強度的影響為1，則界面過渡區(qū)為0.288，粗骨料強度為0.148。