姚 汐

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

鐵尾礦砂屬于廢棄資源長期堆積，累計量約為600 億噸，占用土地，污染環(huán)境。隨著混凝土工程對天然砂資源需求加大，鐵尾礦砂資源二次利用具有很大前景。圍繞鐵尾礦砂混凝土抗壓強度、抗?jié)B性等工作性能，研究者展開相關大量研究。利用尾礦砂取代部分天然砂，不僅有利于改善混凝土骨料顆粒級配，更有利于提高混凝土的強度[1-6]。

宋少民研究證實，混凝土在摻入鐵尾礦砂后密實性與抗?jié)B性均得到改善[7-9]。目前對鐵尾礦砂混凝土的研究主要集中于抗壓強度、彈性模量、抗?jié)B性等單一性能指標進行測試及優(yōu)化，針對試樣平面應變研究則很少見報道。本文利用VIC-3D技術對比尾礦砂混凝土與天然砂混凝土加載過程平面應變特征，分析兩種試樣受壓后的損傷破壞過程。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

（1）膠凝材料：水泥采用P.L.H.32.5 低熱硅酸鹽水泥（撫順水泥有限公司生產）；富余系數(shù)1.13，水泥密度3 100kg/m3，執(zhí)行標準GB200-2003。

（2）鐵尾礦砂：采用遼寧丹東鐵尾礦，細度模數(shù)2.21～2.70，表觀密度2860kg/m3，其中SiO2含量74.36%，F(xiàn)e2O3含量9.26% ，Al2O3含量5.75%，CaO 含量3.78%，MgO 含量2.98%，K2O 含量1.37%，CO2含量1.2%，Na2O 含量0.87%，Ti2O 含量0.43%。

天然水洗砂：表觀密度2562kg/m3.堆積密度為 1410kg/m3，主要是巖石顆粒組成，壓碎值10%，其細度模數(shù)為2.69～3.10,鐵相礦物5%～10%，含水率1%，顆粒級配良好。對尾礦砂與天然砂進行粒徑試驗，分析兩種砂的顆粒級配，試驗結果見圖1 天然砂。

混合砂：鐵尾礦砂與天然砂按照2:3 比例混合，細度模數(shù)1.9～3.1,表觀密度2696 kg/m3。

圖1 混凝土細集料級配曲線

由圖1 可以看出，兩種砂級配曲線符合建筑用砂規(guī)范Ⅱ區(qū)標準，天然砂顆粒主要集中在0.3～2.36mm 之間，混合砂顆粒主要集中在0.15～2.36 之間,在0.075～0.3 之間，混合砂比之天然砂較多，兩種砂雖同處于JGJ52-2006Ⅱ標準級配區(qū)間內，但混合砂整體細度模數(shù)小于天然砂。

（3）粗骨料：天然卵石堆積密度710kg/m3，表觀密度2677kg/m3

2 試樣制作及試驗方法

2.1 試樣制作

試驗制作兩組混凝土試樣根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[10]，試樣規(guī)格為100×100×100 mm的立方體試塊，澆筑12h后脫模，置于20℃，濕度≧95%，的環(huán)境中養(yǎng)護28d。天然砂混凝土與鐵尾礦砂混凝土配合比，水、水 泥、 尾 礦 砂、 天 然 砂、 卵 石， 分 別225,450,0,665 ， 1069kg/m3；225,450,262,393,1069kg/m3。

2.2 單軸抗壓

采用微機控制電液伺服壓力試驗機，配備有自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，滿足系統(tǒng)加載精度以及混凝土試塊位移變化的穩(wěn)定測量[11]。試樣達到養(yǎng)護齡期，取出試塊去除試樣表面雜質，置于壓力機承壓板中心，對試樣豎直方向加壓至試樣破壞。

2.3 VIC—3D 數(shù)字圖像分析系統(tǒng)測試方法

抗壓試驗前，在試樣外表面噴涂散斑，試驗中采用VIC—3D 圖像追蹤系統(tǒng)，分析軟件根據(jù)試樣表面散斑狀態(tài)，繪制即時應變云圖。依據(jù)受壓過程散斑變形特征，分析混凝土裂縫萌生擴展過程。

3 試驗結果分析

3.1 鐵尾礦砂對混凝土抗壓強度的影響

抗壓強度試驗得出結果，常規(guī)天然砂混凝土立方體抗壓強度為30.1MPa，彈性模量3.02×104MPa，鐵尾礦砂混凝土立方體抗壓強度為36.9MPa，3.24×104MPa。試驗結果表明摻入40%鐵尾礦砂可明顯提高混凝土強度，顆粒大部分處于0.075～0.15mm 之間，多棱角，鐵相礦物與石粉成分含量高，屬于堅硬成分，對混凝強度有利。按照一定比列與天然砂混合后，可填充天然砂顆粒之間孔隙，優(yōu)化混凝土的密實度，使得混凝土內摩擦阻力增大，達到增加混凝土抗壓強度的效果。

3.2 VIC—3D 數(shù)字圖像技術下混凝土破壞過程

3.2.1 兩種試樣單軸抗壓橫縱方向應變

通過VIC—3D 圖像數(shù)字系統(tǒng)分析軟件，在兩種類型試樣表面豎直方向與水平方向設置兩條直線E0E1，見圖3（a）圖4（a）；VIC—3D 系統(tǒng)可根據(jù)照片像素點的變化，分析出試樣在整個受壓過程中E0E1兩條橫縱線上的應變，根據(jù)兩條線的應變，可計算兩種混凝土試樣整體水平與豎直方向的應變。

圖2 兩種混凝土單軸抗壓橫縱線時間應變

天然砂混凝土在0～30s 橫縱線應變較小，且均處于緩慢增加狀態(tài)，30s～45s內斜率均發(fā)生變化，應變速率增大，50s 應變急劇增大，斜率趨于無窮大,這表明在試樣E0E2線上出現(xiàn)裂紋天然砂混凝土處于破壞階段；鐵尾礦砂混凝土在0～75s內，橫縱線應變較小，應變呈線型緩慢增加，80s 以后斜率斜率趨于無窮大，E0E1應變急劇增大，表明試樣E0E1線上出現(xiàn)裂紋，鐵礦砂混凝土處于破壞階段。從圖2 可看出尾礦砂混凝土抗壓應變性能明顯高于天然砂混凝土，線上的裂紋萌生晚于天然砂混凝土。

3.2.2 混凝土破壞過程應變云圖

從萌生裂紋到被壓碎，是混凝土受壓破壞的必經過程，但是在混凝土受壓到破壞期間，光靠壓力機難以記錄整個過程的數(shù)據(jù)[10]，采用VIC—3D 可觀測試樣從加載到壓碎破壞完整周期。天然砂混凝土受壓狀態(tài)下表面豎直Y 方向應變云圖見圖3。

圖3 天然砂混凝土破壞應變過程云圖

圖3 中右側顏色應變軸可判斷應變大小。eyy 代表試樣y 方向應變，顏色越是接近紫色應變越大，越接近紅色應變越小。應變越大說明該區(qū)域骨料間壓應力也會越大，本試驗中應變較大的紫色區(qū)域定義為混凝土相對薄弱區(qū)域。

試樣未加載時，圖中區(qū)域均為綠色，表示應變?yōu)?，試樣并未受到壓縮，見圖3（a）；加載30s 時應變區(qū)間0.45～-8.7‰應力云圖顏色變化明顯試樣處于受壓過程，圖中絕大部分區(qū)域應變處于-0.70～-4.1‰之間，試樣左下方出現(xiàn)兩處壓應變較大的紫色區(qū)域對應應變值為-7.0～-8.7‰，見圖3（b）；加載60s 時應變區(qū)間為0.0～-13.4‰，根據(jù)顏色軸可知，試樣中心區(qū)域出現(xiàn)部分深藍區(qū)域應變值增加為-6.043～-7.431‰，原有左下方薄弱區(qū)域應變值為-10.0～-13.4‰，紫色區(qū)域箭頭指向處最先出現(xiàn)細小裂紋，將兩塊最為薄弱的紫色區(qū)域貫通，圖中箭頭所指方向為裂紋，見圖3（c）。加載80s 時應變區(qū)間為0.20～-18.0‰，試樣中心深藍區(qū)域變?yōu)樽仙⒊霈F(xiàn)微裂紋應變值變?yōu)?13.4～-18.0‰，表明該區(qū)域承受應力達到極限，骨料之間產生相對位移，試樣中心及左下方三處紫色區(qū)域的裂紋延伸相互貫穿，最終形成貫穿性裂縫試樣破壞，見圖3（d）。

圖4 鐵尾礦砂混凝土破壞應變過程云圖

圖4 為鐵尾礦砂混凝土受壓破壞過程豎直Y 方向應變云圖，顏色軸eyy 表示應變值，0s 時整個區(qū)域顯示綠色試樣未受壓，見圖4（a）；加載50s 應變區(qū)間為-0.1～-3.6‰，應力云圖大部分區(qū)域應變值處于-0.1～-2.1‰呈現(xiàn)橙、黃、綠，試樣上部邊緣區(qū)域及右上方邊緣小片區(qū)域顏色較深，試樣上方，右上方邊緣及試樣中心，出現(xiàn)三處應變值范圍達到2.7～-3.6‰的薄弱區(qū)域，見圖4（b）。加載100s 時應變區(qū)間為-0.3～-6.5‰，最初試樣上方邊緣兩處應紫色色區(qū)域轉變?yōu)榫G色與橙色應變值變?yōu)?5.0～-7.6‰，這說明在混凝土受壓過程中應力傳遞并不均勻從而出現(xiàn)應力重分布現(xiàn)象，云圖右上方邊緣紫色區(qū)域應變進一步劣化為-9.5～-10.8‰，應力云圖除原有紫色區(qū)域外，又出現(xiàn)一處深藍色應變?yōu)?6.9～-8.9‰薄弱區(qū)域，見圖4（c）；140s 時應變區(qū)間為-0.2～-15.4‰云圖中多處出現(xiàn)相比其它區(qū)域應變較大的紫色、深藍色薄弱區(qū)域，應變范圍處于-8.25～-12.90‰，并且裂紋沿著這些區(qū)域擴展，形成完整的貫穿性裂縫，混凝土變形錯位嚴重試樣破壞，見圖4（d）。

通過混凝土受壓破壞過程應變云圖顯示，常規(guī)混凝土從60s 左右開始裂紋萌生，到80s 左右時裂紋延伸形成貫穿性裂紋試樣破壞，鐵尾礦砂混凝土100s 左右微裂紋萌生，到140s 左右裂紋演化為貫穿性裂紋試樣破壞，可看出鐵尾礦砂混凝土抗壓應變性能明顯優(yōu)于天然砂混凝土，兩種混凝土強度不同裂紋演化規(guī)律卻基本相同?；炷岭x散型較大屬于各向異性材料，同一個面存在多處薄弱區(qū)域。

綜上所述：可以將天然砂混凝土與鐵尾礦砂混凝土破壞分為三個階段：

（1）從加載起初一段時間，試樣分析區(qū)域應變整體分布相對均勻，應變值較小，試樣處于初步壓縮狀態(tài)。

（2）隨著荷載增加，由于混凝土離散性較大，粗細骨料之間應力傳遞越發(fā)不規(guī)則，試樣出現(xiàn)多處局部應力集中區(qū)域。

（3）最大集中應力區(qū)域為混凝土抗壓薄弱區(qū)域，最先萌生裂紋，隨著壓應力增大裂紋擴展延伸，貫穿其它幾處薄弱區(qū)域，最終形成貫穿性裂縫，混凝土破壞。

4 結論

（1）在相同水灰比、砂率情況下，摻入40%鐵尾礦砂混凝土強度優(yōu)于天然砂。

（2）鐵尾礦砂混凝土破壞形式是局部到整體的破壞。混凝土受壓過程應力傳遞不規(guī)律導致應集中是試樣破壞的主要原因。

（3）試驗從裂紋出現(xiàn)到破壞用時間極短沒有明顯預兆屬于脆性破壞。