磨細(xì)礦渣和粉煤灰摻量對(duì)混凝土彎曲疲勞性能的影響
摘要:將磨細(xì)礦渣和粉煤灰分別等量取代水泥得到的3組磨細(xì)礦渣混凝土和2組粉煤灰混凝土進(jìn)行了彎曲疲勞試驗(yàn),與基準(zhǔn)混凝土的疲勞性能進(jìn)行了對(duì)比。并由差熱一熱重試驗(yàn)和恒溫箱干燥一高溫爐灼燒法,分別測(cè)得了Ca(OH)2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)和非蒸發(fā)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨混凝土中磨細(xì)礦渣或粉煤灰摻量的變化規(guī)律。結(jié)果表明,對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期為90 d的C50混凝土,當(dāng)S95級(jí)磨細(xì)礦渣或I級(jí)粉煤灰等量取代水泥質(zhì)量的30% 時(shí),混凝土的彎曲疲勞性能最佳。
關(guān)鍵詞:彎曲疲勞;磨細(xì)礦渣;粉煤灰;最適宜摻量
隨著高性能混凝土在我國(guó)高速公路、跨海大橋等重大工程中用量的日益增加,磨細(xì)礦渣和粉煤灰的用量也越來(lái)越大。在混凝土中摻入磨細(xì)礦渣和粉煤灰,不僅能有效改善其流動(dòng)性和力學(xué)性能,而且降低了混凝土成本和環(huán)境壓力。但是對(duì)于承受循環(huán)荷載作用下的高性能混凝土而言,為得到相對(duì)較好的彎曲疲勞性能,混凝土中磨細(xì)礦渣和粉煤灰摻量并不是越多越好,均存在一個(gè)最適宜摻量。近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者均通過(guò)各種試驗(yàn)從不同角度對(duì)其最適宜摻量值進(jìn)行了研究和討論。當(dāng)水膠比(質(zhì)量比)在0.35~0.50范圍內(nèi)時(shí),文獻(xiàn)[1]從水泥砂漿的強(qiáng)度及流動(dòng)度試驗(yàn)得出:當(dāng)磨細(xì)礦渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%左右時(shí),礦渣水泥砂漿的強(qiáng)度與流動(dòng)度都達(dá)到最大值,最適于施工;文獻(xiàn)[2]從磨細(xì)礦渣摻量對(duì)水泥凈漿水化產(chǎn)物及孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,總結(jié)出當(dāng)磨細(xì)礦渣等量取代水泥30%時(shí),漿體中的水化產(chǎn)物含量最多、孔隙率最低的規(guī)律;文獻(xiàn)[3]也認(rèn)為磨細(xì)礦渣等量取代30%水泥配制的高性能混凝土具有最優(yōu)的強(qiáng)度和抗?jié)B性能。當(dāng)水膠比在0.30~0.40范圍內(nèi)時(shí),文獻(xiàn)[4]提出粉煤灰摻量達(dá)到30%時(shí),所配混凝土具有最佳等抗氯離子滲透及降低堿集料反應(yīng)等性能;文獻(xiàn)[5]的研究也發(fā)現(xiàn):當(dāng)粉煤灰摻量為30%時(shí),混凝土的抗?jié)B性能最佳。文獻(xiàn)[6,7]研究了粉煤灰在砂漿和混凝土中的強(qiáng)度效應(yīng),結(jié)果表明:強(qiáng)度效應(yīng)指數(shù)達(dá)到最大值時(shí)的粉煤灰摻量為40%;而從充分發(fā)揮粉煤灰作用效應(yīng)的角度提出其飽和摻量約為25%。
但是混凝土的彎曲疲勞性能不同于常規(guī)力學(xué)性能,疲勞壽命對(duì)混凝土中的微細(xì)缺陷更為敏感。在公路工程中使用的高性能混凝土水膠比通常選擇0.35,因此,本文采用0.35水膠比,對(duì)單摻不同比例磨細(xì)礦渣、粉煤灰的高性能混凝土進(jìn)行等幅彎曲疲勞試驗(yàn),以探討這2種活性摻合料在混凝土中的最適宜摻量,為確定工程設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)。
1 混凝土配合比和疲勞試驗(yàn)參數(shù)
本文選用P。II 42.5硅酸鹽水泥,S95級(jí)磨細(xì)礦渣,I級(jí)粉煤灰;細(xì)集料采用細(xì)度模數(shù)2.4的天然河砂(中砂);粗集料為玄武巖碎石,最大粒徑為20 mm,級(jí)配良好;減水劑選用萘系JM-B高效減水劑。膠凝材料的化學(xué)成分及主要物理性能如表1和表2所示。
本文旨在研究S95級(jí)磨細(xì)礦渣和I級(jí)粉煤灰摻量對(duì)混凝土彎曲疲勞性能的影響規(guī)律,尋找這2種活性摻合料的最適宜摻量,故在配合比設(shè)計(jì)中同定了水膠比(w/b=0.35)、砂子和石子的用量(配合比見(jiàn)表3),調(diào)整減水劑摻量以保證混凝土坍落度控制在8~12 cm范圍內(nèi)。6組配合比新拌混凝土均具有良好的工作性能。疲勞試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體,養(yǎng)護(hù)齡期為90 d。
疲勞試驗(yàn)用型號(hào)為PWS一100B的電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及配套的疲勞試驗(yàn)控制儀。疲勞選取0.90,0.85,0.80,0.75,0.70,0.65六個(gè)應(yīng)力水平,應(yīng)力特征值R=0.1的4點(diǎn)等幅加載方式。當(dāng)應(yīng)力水平在0.75以上,加載頻率選取2 Hz;當(dāng)應(yīng)力水平等于或低于0.75,加載頻率選取10 Hz。
2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果
混凝土中膠凝材料的組成對(duì)其力學(xué)性能影響較大,疲勞試驗(yàn)參數(shù)的確定與混凝土靜載抗彎強(qiáng)度密切相關(guān),因此本文將測(cè)得的6組配合比混凝土靜載抗彎強(qiáng)度繪于圖1。試驗(yàn)在萬(wàn)能動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)上完成,加載速度為0.2 kN/s。從圖1可知:隨著混凝土中磨細(xì)礦渣和粉煤灰摻量的逐漸增大,其靜載抗彎強(qiáng)度呈下降趨勢(shì);其中,C50一FA30和C50一GGBS30的靜載抗彎強(qiáng)度分別接近和超過(guò)基準(zhǔn)混凝土。
通過(guò)各組得到的靜載抗彎強(qiáng)度值確定疲勞最大荷載、最小荷載、疲勞荷載均值及幅值,由位移控制方式進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。由于疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)受到多重因素的影響,存在較大的離散性,將彎曲疲勞壽命取平均值,得到圖2所示6組配合比混凝土的SlgN柱形圖,其中,S為應(yīng)力水平,N為荷載。
由圖2可以看出:① 2組粉煤灰混凝土,在應(yīng)力水平低于0.85時(shí),其彎曲疲勞性能均比基準(zhǔn)混凝土優(yōu)越。② 在應(yīng)力水平低于0.90時(shí),C50一GGBS30混凝土的彎曲疲勞性能均優(yōu)越于基準(zhǔn)混凝土;其他2組磨細(xì)礦渣混凝土,僅在應(yīng)力水平低于0.85時(shí)才顯示出較好的彎曲疲勞性能,且疲勞壽命隨磨細(xì)礦渣摻量的增加而增加。③ 當(dāng)應(yīng)力水平降低至0.65時(shí),3組磨細(xì)礦渣混凝土和2組粉煤灰混凝土的彎曲疲勞壽命中,均出現(xiàn)了超過(guò)2 ×106次仍不破壞的情況,而基準(zhǔn)混凝土卻均在2×106 次前發(fā)生斷裂。
3 疲勞斷口分析
混凝土材料在宏觀層次上為粗骨料相與砂漿相組成,這兩相的力學(xué)性能明顯不同。本文混凝土破壞時(shí)有2種斷裂形式:① 裂縫沿粗骨料表面偏轉(zhuǎn),即沿界面脫粘且裂縫繞過(guò)界面而破壞;② 粗骨料拉斷破壞。為了分析磨細(xì)礦渣、粉煤灰摻量對(duì)混凝土疲勞斷口特征的影響規(guī)律,本文計(jì)算了6組混凝土在6個(gè)應(yīng)力水平下疲勞斷口上的脫黏粗集料投影面積。具體計(jì)算步驟如下:①在試件斷裂截面選出脫黏粗集料的區(qū)域;② 用數(shù)碼相機(jī)拍攝抗彎疲勞試件斷裂截面的超高品質(zhì)圖像;③ 利用通用UTIT Image Tool 3。0圖像處理軟件將照片中粗集料脫黏區(qū)域的灰度進(jìn)行過(guò)濾,并計(jì)算粗集料脫粘面積與整個(gè)斷裂截面歐氏面積之比。混凝土的疲勞斷裂形式具體屬于哪一種,主要取決于基體一粗集料界面過(guò)渡區(qū)的結(jié)構(gòu)特征及界面粘結(jié)力的大小。因此,本文定義了表征粗集料脫黏(coarse aggregatede—bonding)的概率指標(biāo):
磨細(xì)礦渣、粉煤灰摻量對(duì)混凝土在不同應(yīng)力水平下的PCAD 。指標(biāo)的影響如圖3所示。由于C50-FA30和C50-FA50混凝土在應(yīng)力水平為0.65時(shí)的循環(huán)次數(shù)超過(guò)2 × 106 次仍未發(fā)生斷裂,故缺少該項(xiàng)PCAD指標(biāo)數(shù)據(jù)。
由圖2和圖3可知:在高應(yīng)力水平下,疲勞斷裂以裂縫穿越粗集料的形式為主,基體強(qiáng)度越高,疲勞壽命則越長(zhǎng),截面脫黏粗集料較少;而在低應(yīng)力水平下,疲勞主裂縫沿著基體一粗集料界面區(qū)逐漸延伸擴(kuò)展,粗集料大多與基體脫黏,此時(shí),基體一粗集料界面區(qū)的密實(shí)度和強(qiáng)度是影響疲勞壽命的關(guān)鍵因素,若界面區(qū)具有良好的密實(shí)性,則疲勞壽命越長(zhǎng)。
4 混凝土基體中Ca(oH)2和非蒸發(fā)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律
為了研究疲勞性能與不同摻量活性摻合料混凝土微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,對(duì)基體中的膠凝材料硬化漿體進(jìn)行了差熱一熱重分析(DSC-TGA)和恒溫箱干燥一高溫爐灼燒測(cè)試。DSC—TGA分析方法可準(zhǔn)確得到膠凝材料硬化漿體中的Ca(OH)2 數(shù)量。由于非蒸發(fā)水一般被定義為“經(jīng)過(guò)D-干燥后存留在漿體中的水”,但是D-干燥的試驗(yàn)條件苛刻、試驗(yàn)周期長(zhǎng),因此本文選用了目前普遍采用的恒溫箱干燥一高溫爐灼燒方法進(jìn)行測(cè)試。該方法的試驗(yàn)條件靈活,所得結(jié)果與D-干燥結(jié)果比較接近。
隨著水化的進(jìn)行,原先充水的毛細(xì)孔逐漸被水化產(chǎn)物所填充。水化產(chǎn)物越多,其包含的凝膠孔就越多,吸附的非蒸發(fā)水量亦越多。由于毛細(xì)孔被水化產(chǎn)物填充后直徑減小或被完全堵塞,使得混凝土基體中的孔隙率降低,結(jié)構(gòu)更加密實(shí),因此非蒸發(fā)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)通??捎脕?lái)衡量混凝土基體的水化程度。另一方面,混凝土中的一部分Ca(OH)2 富集于基體粗集料界面過(guò)渡區(qū),若ca(OH)2 數(shù)量較多,則該界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)疏松、微缺陷較多,將對(duì)混凝土疲勞性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,在使用相同水膠比、相同物理化學(xué)特性膠凝材料的情況下,其硬化漿體中的ca(OH)2 和非蒸發(fā)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)與混凝土彎曲疲勞性能之間存在密切的聯(lián)系。
因此,在疲勞試件成型的同時(shí),將所用P。II 42.5硅酸鹽水泥、S95級(jí)磨細(xì)礦渣或I級(jí)粉煤灰、水,按比例均勻拌和,水膠比亦為0.35,裝入塑料自封袋中封閉養(yǎng)護(hù),排除袋中空氣。待漿體終凝后,拆除自封袋并將該漿體試樣與疲勞試件一同放入養(yǎng)護(hù)室,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度下養(yǎng)護(hù)(配合比見(jiàn)表4)。將與疲勞試件養(yǎng)護(hù)齡期相同的6組配合比漿體試樣分別取出100g左右,浸泡于異丙醇至少25 min以中止水化;在無(wú)水乙醇中研磨至全部通過(guò)200目篩;過(guò)濾,先用乙醇沖洗5次,再采用二乙醚沖洗2次。一部分試樣預(yù)先放置鈉石灰的真空干燥箱中,在35℃,一0.1 MPa大氣壓條件下抽真空1 h,取出后裝袋密封,以防空氣中的水分和二氧化碳與樣品粉末發(fā)生反應(yīng),留待進(jìn)行DSC -TGA測(cè)試。另一部分試樣先在恒溫箱中不控制濕度和壓力的情況下以105℃左右的溫度烘干至恒定質(zhì)量,取出后裝袋密封。
差熱量程選擇±100 µV;測(cè)質(zhì)量量程選擇50mg;爐內(nèi)氣氛為靜態(tài)N2;升溫速度取10℃/min,至950 ℃止。差熱曲線(xiàn)上400~600℃之間出現(xiàn)的吸熱峰是水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2分解失水產(chǎn)生的。稱(chēng)取1 g左右(精確至0.0 001 g)經(jīng)105℃干燥至恒重的試樣,放在高溫爐中加熱至1 000℃左右灼燒直至恒定質(zhì)量。由于原材料高溫灼燒時(shí)也有質(zhì)量損失,所以該方法得到的質(zhì)量損失還要扣除原膠凝材料的質(zhì)量損失,此修正后的結(jié)果與原干燥試樣質(zhì)量的百分比才是硬化漿體中非蒸發(fā)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù),具體修正方法見(jiàn)文獻(xiàn)[8]。2種活性摻合料摻量對(duì)硬化漿體中Ca(OH)2與非蒸發(fā)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)Wn的影響規(guī)律如圖4所示。
混凝土基體中膠凝材料的水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng),對(duì)非蒸發(fā)水和Ca(OH)2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在正負(fù)兩方面的影響:① 表面積較大的磨細(xì)礦渣和粉煤灰顆粒對(duì)新拌漿體中的水泥顆粒具有分散、解聚作用,同時(shí)需要消耗水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2 反應(yīng)生成C—S—H凝膠,使得混凝土基體中的Ca(OH)2 減少、非蒸發(fā)水量和C—S—H凝膠數(shù)量增加,即正效應(yīng);② 由于膠凝材料中水泥摻量隨磨細(xì)礦渣或粉煤灰摻量的增加而減少,水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2 不足以滿(mǎn)足磨細(xì)礦渣或粉煤灰反應(yīng)的需求,使得混凝土基體中的非蒸發(fā)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)和C—S—H凝膠數(shù)量也相應(yīng)減少,即負(fù)效應(yīng)。由圖4可以得出:① 當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量在30% ~50%之間時(shí),正負(fù)效應(yīng)差異不明顯,非蒸發(fā)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨磨細(xì)礦渣摻量的增加而減少的速率較慢,但Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的速率則較快;當(dāng)磨細(xì)礦渣摻量達(dá)到80%時(shí),負(fù)效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正效應(yīng),非蒸發(fā)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇下降,且Ca(OH)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足2%。② 2組粉煤灰混凝土中的非蒸發(fā)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)與基準(zhǔn)混凝土相差較小,但Ca(OH)2數(shù)量隨著粉煤灰摻量的增大而急劇降低,其中C50一FA50混凝土中的Ca(OH)2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不足2%。
5 試驗(yàn)結(jié)果分析
結(jié)合圖1一圖4的數(shù)據(jù)可知:在初始水膠比相同的情況下,水化產(chǎn)物的數(shù)量與混凝土靜載抗彎強(qiáng)度之間具有十分密切的聯(lián)系;混凝土彎曲疲勞壽命與DSC—TGA測(cè)試結(jié)果之間具有良好的相關(guān)性。具體表現(xiàn)為:① 在應(yīng)力水平高于0。80時(shí),混凝土的彎曲疲勞壽命隨其靜載抗彎強(qiáng)度的提高而增加。這是由于此時(shí)的疲勞破壞是由微細(xì)裂縫在基體中擴(kuò)展的速率所決定的,因此,若基體抑制裂縫控制的能力越強(qiáng),則其疲勞壽命將越長(zhǎng)。② 當(dāng)應(yīng)力水平等于或低于0。80時(shí),混凝土彎曲疲勞破壞速率是由微細(xì)裂縫沿基體一粗集料界面過(guò)渡區(qū)擴(kuò)展的速率所決定。由于活性摻合料的加入,使得基體一粗集料界面過(guò)渡區(qū)存在的Ca(OH)2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少,有效降低了基體與界面過(guò)渡區(qū)在組成、結(jié)構(gòu)上的差異,相對(duì)提高了界面過(guò)渡區(qū)抵抗荷載作用及抑制損傷發(fā)展的能力,因而其彎曲疲勞性能得以改善。
研究發(fā)現(xiàn):在應(yīng)力水平低于0.90時(shí),對(duì)于C50-GGBS30和C50-FA30混凝土而言,不僅其靜載抗彎強(qiáng)度接近甚至超過(guò)基準(zhǔn)混凝土,而且平均彎曲疲勞壽命均比基準(zhǔn)混凝土長(zhǎng);在此應(yīng)力水平下,雖然C50-GGBS50,C50-GGBS80和C50-FA50混凝土的彎曲疲勞壽命也均比基準(zhǔn)混凝土長(zhǎng),但是其靜載抗彎強(qiáng)度相對(duì)較低,同時(shí)基體中過(guò)低的Ca(OH)2 含量可能會(huì)使混凝土產(chǎn)生“貧鈣”問(wèn)題。因此,本文認(rèn)為:在混凝土工程應(yīng)用中,要獲得較高強(qiáng)度、較長(zhǎng)彎曲疲勞壽命的混凝土,其基體中的S95級(jí)磨細(xì)礦渣或I級(jí)粉煤灰摻量均為30%左右為宜。
6 結(jié)論
1) 在應(yīng)力水平低于0.85時(shí),3組磨細(xì)礦渣混凝土和2組粉煤灰混凝土的彎曲疲勞壽命均比基準(zhǔn)混凝土長(zhǎng)。其中,當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到0.65時(shí),5組活性摻合料混凝土的疲勞壽命中均出現(xiàn)了超過(guò)2×106 次仍不破壞,而基準(zhǔn)混凝土均在未達(dá)2×106次之前發(fā)生破壞。
2) 混凝土在高、低應(yīng)力水平下彎曲疲勞壽命的長(zhǎng)短及PCAD指標(biāo)的變化規(guī)律,均是由不同疲勞斷裂控制機(jī)制所決定。
3) 結(jié)合靜載抗彎強(qiáng)度值、疲勞壽命、PCAD 指標(biāo)與熱分析測(cè)試結(jié)果,綜合考慮認(rèn)為:對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期為90 d的C50混凝土,當(dāng)其中單摻S95級(jí)磨細(xì)礦渣或I級(jí)粉煤灰的摻量均為膠凝材料總質(zhì)量的30%時(shí),可獲得最佳的彎曲疲勞性能。
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