孟潔平，金曉勤，焦俊婷

(廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,廈門 361024)

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爐石活性粉混凝土靜動態(tài)韌性及耐久性

孟潔平，金曉勤，焦俊婷

(廈門理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,廈門 361024)

本研究將活性粉混凝土中的硅灰利用水淬爐石粉取代，探討不同爐石粉取代量添加鋼纖維含量1%、2%抗壓強(qiáng)度變化，找出爐石取代后抗壓強(qiáng)度可達(dá)到150 MPa 最佳配比，并控制流度值在200～250 mm 避免添加鋼纖維有沉淀的現(xiàn)象發(fā)生。試驗(yàn)結(jié)果比較150 MPa爐石活性粉混凝土的靜動態(tài)韌性、及微觀晶體結(jié)構(gòu)的差異性。

爐石； 活性粉； 混凝土； 靜動態(tài)； 韌性

1 引 言

近年來重大工程的興建，力求采用高強(qiáng)度兼具有耐久性能、抗劇烈沖擊性能的工程材料，來提高防洪構(gòu)造物的壽命。纖維混凝土(Fiber Reinforced Concrete,FRC)是近年來質(zhì)量強(qiáng)度迅速發(fā)展的水泥基復(fù)合材料，藉由添加鋼纖維，可明顯提升混凝土的抗壓、抗彎強(qiáng)度。而減水強(qiáng)塑劑的不斷進(jìn)步，活性粉混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)中去除了粗骨材，利用粒徑相當(dāng)細(xì)的石英砂作為骨材，去除材料內(nèi)部的孔隙，使內(nèi)部達(dá)到相當(dāng)致密的效果，并且添加硅灰，在水化作用下，可以有效改善混凝土中的微觀結(jié)構(gòu)，改變了混凝土中晶體結(jié)構(gòu)中C-S-H 膠體的含量，大幅降低孔隙率，增加了膠結(jié)材與骨材間的界面粘結(jié)能力，使得活性粉混凝土材料性質(zhì)變得更堅硬、致密，并且活性粉混凝土中添加適量的鋼纖維，可使混凝土在破壞時抵抗材料直接破壞，阻止破壞裂縫的成長，大幅提升混凝土的性能[1]。因此若防洪構(gòu)造物使用活性粉混凝土作為構(gòu)造物材料，其耐久性、強(qiáng)度能優(yōu)于一般高強(qiáng)度混凝土。

2 試驗(yàn)設(shè)計

2.1 材 料

其試驗(yàn)材料如下：

(1)水泥：密度為3.16 g/cm3，平均粒徑約為15.8。

(2)石英粉：粒徑約為5～20。

(3)石英砂：平均粒徑約為 105～420，密度為2.62 g/cm3， 純度達(dá)97%，硬度在6～7之間。

(4)硅灰：表面積約為20000，粒徑約為0.1～0.2。

(5)水淬爐石粉：水淬爐石粉為某公司生產(chǎn)之水淬爐石粉，符合 CNS 12549 規(guī)格[1]，使用型號為#6000，其細(xì)度為 611 m2/kg (平均粒徑為 7.02)。水淬爐石粉化學(xué)及物理性質(zhì)表如表1[3]。

(6)鋼纖維：長度為12.0 mm，直徑0.18 mm，長徑比為60，比重為7.8。

表1 水淬爐石粉物理與化學(xué)性質(zhì)Tab.1 Water quenching slag to the physical and chemical properties

2.2 養(yǎng)護(hù)方式

(1)養(yǎng)護(hù)1:將拆完模后試體，置入恒溫恒濕水槽養(yǎng)護(hù)中，于90 ℃熱水進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)7 d，取出后放置于室溫一天使試體降溫再進(jìn)行試驗(yàn)[4]。

(2)養(yǎng)護(hù)2:將拆完模后試體，置入恒溫恒濕水槽養(yǎng)護(hù)，于90 ℃熱水熱養(yǎng)護(hù)5 d，取出后放置于預(yù)先加溫至90 ℃高溫烘箱，再以每分鐘2 ℃升溫速率升溫至210 ℃，進(jìn)行熱養(yǎng)護(hù)2 d，最后取出后放置于室溫1 d使試體降溫再進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)、分離式霍普金森桿法試驗(yàn)機(jī)、掃描式電子顯微鏡、伸長計、連續(xù)記錄器、精密平面磨床、應(yīng)變片、數(shù)位式示波器。

3 爐石活性粉混凝土靜態(tài)力學(xué)性能

3.1 試驗(yàn)方法

3.1.1 活性粉纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)

使用5噸MTS材料試驗(yàn)機(jī)，將40 mm×40 mm×160 mm的長方形抗彎試體，進(jìn)行三點(diǎn)抗彎試驗(yàn)[5]，以位移加載進(jìn)行加載，加載速率為0.06 mm/min。因需要量測活性粉混凝土抗彎載重?fù)隙茸兓?，在抗彎基座外試體中點(diǎn)處放置LVDT位移計紀(jì)錄加載時撓度，LVDT位移計連接數(shù)據(jù)紀(jì)錄器記錄位移時電壓變化，經(jīng)電壓換算成位移撓度，畫出載重-撓度曲線。

試體抗彎強(qiáng)度計算公式如下：

(1)

式中，P=試體加載到最大載重(N)；L=夸度(mm)；b=抗彎試體寬度(mm)；h=抗彎試體深度(mm)。

LVDT 位移計位移與電壓換算：

當(dāng)LVDT位移計位移到20 mm 時，電壓變化為0.02636 V，位移計換算公式為：

(2)

式中:ΔV為位移計紀(jì)錄位移時的電壓差；Δl為位移計抗壓時紀(jì)錄位移。

3.1.2 破裂韌性試驗(yàn)

圖1 破裂韌性試體及抗彎示意圖Fig.1 Toughness test specimen and bending schematic breakdown

為獲得臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子，俗稱破裂韌性(Toughness)，圖1為此方法示意圖。制作長方形 4 cm×4 cm×16 cm試體，在試體中點(diǎn)下方預(yù)留4 mm預(yù)裂縫，并且裝設(shè)CMOD 開口位移計使用25噸MTS材料試驗(yàn)機(jī)，利用中心點(diǎn)抗彎試驗(yàn)進(jìn)行破裂韌性彎曲試驗(yàn)[6]，以位移加載控制方式進(jìn)行加載，加載速率為0.02 mm/min，量測中心點(diǎn)最大載重(P)和試體裂縫開口的位移。

將試體中心點(diǎn)載重(P)和試體裂縫開口位移，并代入下列公式計算臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC。

(3)

其式中的S跨距，b、d分別為試體寬度和深度d=h-4 mm，為幾何形狀修正系數(shù)。

(4)

a為預(yù)留裂縫與試體高度h的比。

3.2 靜態(tài)力學(xué)性能

探討C材及A材兩組配比，受不同熱養(yǎng)護(hù)靜態(tài)力學(xué)性能，則試驗(yàn)數(shù)據(jù)以試體編號如表 2所示。因此本研究改變 90 ℃熱養(yǎng)護(hù)7 d的方式，透過90 ℃熱養(yǎng)護(hù)5 d，再利用高溫210 ℃熱養(yǎng)護(hù)2 d，調(diào)整此養(yǎng)護(hù)方式來探討抗壓強(qiáng)度是否會成長。

表2 配比代號Tab.2 Ratio code

3.2.1 靜態(tài)抗壓強(qiáng)度

將配比A(爐石0%)及配比C(爐石50%)受高溫90 ℃及210 ℃熱養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。

3.2.2 靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

兩側(cè)裝設(shè)軸向伸長計，量測試體軸向加載力和軸向位移變化，畫出應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。本研究探討透過 210 ℃熱養(yǎng)護(hù)，HC材及HA材添加鋼纖維含量1%、2%后的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。再將添加爐石的C材受90 ℃及210 ℃兩種不同熱養(yǎng)護(hù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行。

4 爐石活性粉混凝土動態(tài)力學(xué)性能

4.1 動態(tài)沖擊力學(xué)試驗(yàn)

圖2 霍普金森桿試驗(yàn)的試體Fig.2 Hopkinson bar test specimen test of sample

圖3 試體涂抹牛油緊密夾放于兩彈性桿間Fig.3 Specimen smear butter put on tightlysandwiched between two elastic rod

研究采用φ50 mm ×25 mm 圓柱試體利用分離式霍普金森桿(SHPB)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。在進(jìn)行試驗(yàn)前，必須將試體利用精密模床磨成水平(圖2)，以防止沖擊時應(yīng)力集中破壞情形發(fā)生；要先將試體表面涂抹牛油，并夾放在入射桿與透射桿中間緊密接觸(圖3)，再進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[4]。

4.2 結(jié)果分析與討論

4.2.1 沖擊抗壓強(qiáng)度

動態(tài)沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 動態(tài)沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Dynamic impact test results

4.2.2 沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線

當(dāng)進(jìn)行高應(yīng)變率動態(tài)沖擊試驗(yàn)時，沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線所上升趨勢較高且峰值后曲線會繼續(xù)往后延伸，因此曲線包圍面積也較大，得到吸收較多的應(yīng)變能量，所以當(dāng)應(yīng)變率較高時，試體吸收能量也會隨著應(yīng)變率增加而提高，因此透過較高應(yīng)變率此時可看出峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變也會隨著高應(yīng)變率的增加峰值應(yīng)力也會增大，并且在極限強(qiáng)度前的曲線，應(yīng)力值約略呈線性增加，達(dá)到峰值應(yīng)力后曲線才會有往下降趨勢，且應(yīng)力-應(yīng)變曲線也會因?yàn)槔w維含量增加而提升[5]。

將 HC 及 HA 配比的爐石活性粉混凝土受動態(tài)沖擊壓載試驗(yàn)的沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線，每組配比利用三種應(yīng)變率進(jìn)行沖擊，可以看出兩組配比的基材與添加鋼纖維后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線會隨著應(yīng)變率增加而明顯提升，且極限強(qiáng)度前曲線斜率也會隨著應(yīng)變率增加而提升，因此彈性模數(shù)E值也會隨著提高。當(dāng)進(jìn)行高應(yīng)變率動態(tài)沖擊試驗(yàn)時，沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線所上升趨勢較高且峰值后曲線會繼續(xù)往后延伸，因此曲線包圍面積也較大，得到吸收較多的應(yīng)變能量，所以當(dāng)應(yīng)變率較高時，試體吸收能量也會隨著應(yīng)變率增加而提高，因此透過較高應(yīng)變率此時可看出峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變也會隨著高應(yīng)變率的增加峰值應(yīng)力也會增大，并且在極限強(qiáng)度前的曲線，應(yīng)力值約略呈線性增加，達(dá)到峰值應(yīng)力后曲線才會有往下降趨勢，且應(yīng)力-應(yīng)變曲線也會因?yàn)槔w維含量增加而提升。

當(dāng)應(yīng)變率為 128～255/s 時，可以看出試體并未破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線并未完全提升就斷掉，并且在應(yīng)力-應(yīng)變中有兩個峰值，此一現(xiàn)象根據(jù)文獻(xiàn)可能是應(yīng)力波在試體上進(jìn)行反復(fù)應(yīng)力加載與卸除的過程中，殘留應(yīng)變所造成的。當(dāng)應(yīng)變率403～525/s 與 711～904/s 的沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)變率 711～904/s 到達(dá)峰值點(diǎn)的曲線會有較上凸的趨勢，峰值點(diǎn)應(yīng)力會較應(yīng)變率 403～525/s 時高出很多；而應(yīng)變率 403～525/s 作用下，曲線會到達(dá)峰值點(diǎn)會較平緩。

圖4 沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Impact stress-strain curve

圖 5 爐石活性粉混凝土晶體結(jié)構(gòu)Fig.5 Crystal structure of active powder concrete

5 爐石活性粉混凝土微觀結(jié)構(gòu)

利用掃描式電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行爐石活性粉混凝土微觀晶體結(jié)構(gòu)量測，SEM 試體的取樣，必需要用敲擊方式將混凝土試體敲成碎片進(jìn)行取樣，取樣的試片不能采用切割方式，以免切割造成材料晶體結(jié)構(gòu)上受干擾，選取完成后，試片利用導(dǎo)電碳膠緊密的黏貼于硬幣上。取樣試片的保存，必須要先烘干，將材料試片內(nèi)部水份干燥，并且浸泡于甲醇溶液中，避免水泥繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)。在進(jìn)行觀測SEM前，試片必需要經(jīng)過烘干、覆膜等程序，SEM的試體，鍍金完成，放入SEM觀測混凝土晶體微觀結(jié)構(gòu)。

6 結(jié) 論

(1)隨著爐石取代量越多，活性粉混凝土的抗壓強(qiáng)度有下降趨勢；添加鋼纖維后，抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度則會隨著纖維含量有明顯提升;

(2)配比A和配比C經(jīng)210 ℃養(yǎng)護(hù)2 d(成為HA與HC材)的抗壓強(qiáng)度有明顯增加，例如C0材的抗壓強(qiáng)度可由131 MPa 增加到148 MPa，而添加鋼纖維的抗壓強(qiáng)度成長幅度則更明顯;

(3)添加 1%與 2%鋼纖維的活性粉混凝土經(jīng) 90 ℃熱養(yǎng)護(hù)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在極限強(qiáng)度后的曲線會緩慢下降，具有韌性特征；但透過210 ℃養(yǎng)護(hù)的曲線，在極限強(qiáng)度后的曲線卻是快速下降，材料性質(zhì)變得較脆;

(4)雖然未添加爐石HA材會比HC材有較好的抵抗氯離子滲透能力，但兩者的抵抗能力評定都很好，且比普通混凝土有較好的抵抗能力;

(5)透過SEM微觀觀察，HA材與HC 材的微觀結(jié)構(gòu)都很密實(shí)，HA材的孔隙中有較多CSH膠體填充，且有單硫型鋁酸鈣水化物(AFm)存在，而添加爐石的HC材的孔隙則有較多鈣帆石(AFt)及CSH膠體。

[1] 黃紅柳.廢棄石粉對混凝土性能的影響研究[J].商品混凝土,2009,(07)：4-5.

[2] 王 珍,張澤江,祝 杰.高溫后摻防腐劑C35高性能混凝土剩余抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].混凝土,2010,(09)：8-10.

[3] 龐寶君,王立聞,何丹薇,等.活性粉末混凝土高溫后的掃描電鏡試驗(yàn)研究[J].混凝土,2010,(12)：1-5.

[4] 黃政宇,譚 彬.活性粉末鋼纖維混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€的研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,(05):3-5.

[5] Kayali O.Effect of high volume fly ash on mechanical properties of fiber reinforced concrete[J].MaterialsandStructures,2004,(5)：9-12.

Static-Dynamic Toughness and Durability of Reactive Powder Concrete Containing Blast Furnace Slag

MENGJie-ping,JINXiao-qin,JIAOJun-ting

(School of Civil Engineering and Architecture,Xiamen University of Technology,Xiamen 361024,China)

In this study, the active powder concrete silica fume powder substituted with water quenching furnace, furnace explore different substituents powder added in an amount of steel fiber content of 1%, 2% compressive strength, compressive strength looking baked stone, after replacing up to 150 MPa best ratio, and controls the flow value at 200-250 mm avoid adding steel fibers precipitation phenomenon. Test results compare 150 MPa furnace slag powder concrete activity of static and dynamic toughness and microstructure differences crystal structure.

hearthstone;reactive powder;concrete;static and dynamic;toughness

福建省教育廳B類項(xiàng)目(JB14081)；廈門市2014年科技計劃高校項(xiàng)目(3502Z20143035)

孟潔平(1978-)，女，工學(xué)碩士.主要從事防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程方面的研究.

TQ177

A

1001-1625(2016)10-3471-05