磨細(xì)礦渣和粉煤灰摻量對混凝土彎曲疲勞性能的影響
2006-07-24 00:00
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，對于養(yǎng)護(hù)齡期為90 d的C50混凝土，當(dāng)S95級磨細(xì)礦渣或I級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，國內(nèi)外許多學(xué)者均通過各種試驗(yàn)從不同角度對其最適宜摻量值進(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級磨細(xì)礦渣，I級粉煤灰；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級磨細(xì)礦渣和I級粉煤灰摻量對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)用型號為PWS一100B的電液伺服動靜萬能試驗(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)在萬能動靜試驗(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；其中，C50一FA30和C50一GGBS30的靜載抗彎強(qiáng)度分別接近和超過基準(zhǔn)混凝土。
通過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?；炷恋钠跀嗔研问骄唧w屬于哪一種，主要取決于基體一粗集料界面過渡區(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，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。
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，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?？捎脕砗饬炕炷粱w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渡區(qū)，若ca（OH）2 數(shù)量較多，則該界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)疏松、微缺陷較多，將對混凝土疲勞性能產(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級磨細(xì)礦渣或I級粉煤灰、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；在無水乙醇中研磨至全部通過200目篩；過濾，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)，具體修正方法見文獻(xiàn)[8]。2種活性摻合料摻量對硬化漿體中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。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渡區(qū)在組成、結(jié)構(gòu)上的差異，相對提高了界面過渡區(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；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，但是其靜載抗彎強(qiáng)度相對較低，同時(shí)基體中過低的Ca（OH）2 含量可能會使混凝土產(chǎn)生“貧鈣”問題。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、較長彎曲疲勞壽命的混凝土，其基體中的S95級磨細(xì)礦渣或I級粉煤灰摻量均為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。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)與熱分析測試結(jié)果，綜合考慮認(rèn)為：對于養(yǎng)護(hù)齡期為90 d的C50混凝土，當(dāng)其中單摻S95級磨細(xì)礦渣或I級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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