邵爽爽, 金祖權(quán), 于 泳, 趙繼增

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 山東 青島 266033;2.青島市西海岸軌道交通有限公司, 山東 青島 266500)

隨著中國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模與類型的不斷擴(kuò)大,中低水膠比、高用量膠凝材料的高強(qiáng)高性能混凝土得到了大量應(yīng)用.但由于水泥水化收縮、干燥收縮及結(jié)構(gòu)的約束作用,混凝土結(jié)構(gòu)的早期開裂時有發(fā)生,不僅對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響,而且對人民的生命、財(cái)產(chǎn)造成危害[1-3].提高混凝土抗裂能力,一方面通過優(yōu)化配合比及良好的養(yǎng)護(hù)降低開裂趨動應(yīng)力,另一方面則要提升早齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度與變形能力.早齡期抗拉強(qiáng)度、抗拉彈性模量是砂漿力學(xué)性能的重要參數(shù)，決定了砂漿的早期抗開裂能力.因此,水泥基材料的早齡期抗拉強(qiáng)度與抗拉彈性模量的研究對水泥基材料早期開裂具有重要意義.

目前,針對水泥基材料抗拉彈性模量的測定已有較多學(xué)者做了研究,如：陳萌等[4]利用軸向拉伸試驗(yàn)裝置測試了混凝土5個齡期(3、7、14、28、60d)的抗拉彈性模量,得出了其抗拉彈性模量隨齡期的發(fā)展變化規(guī)律;曾力等[5]通過砂漿黏結(jié)拉伸強(qiáng)度測試儀測試了砂漿7、28、90d的抗拉強(qiáng)度,研究了礦物摻合料對彈性模量的影響;楊楊等[6]通過自制裝置測試了砂漿早期(養(yǎng)護(hù)齡期大于1d)的極限拉應(yīng)力與應(yīng)變，得到了其變化規(guī)律;Yoshitake 等[7]通過拉伸試驗(yàn)對粉煤灰混凝土早期單軸抗拉強(qiáng)度和楊氏模量進(jìn)行了定量研究,提出了強(qiáng)度和楊氏模量的經(jīng)驗(yàn)公式;Gao等[8]通過納米壓痕研究粉煤灰砂漿的微觀結(jié)構(gòu)和微觀彈性性能;Carmelo等[9]通過對壓縮拉伸試驗(yàn)得到的載荷-位移曲線進(jìn)行反分析,確定了不同水化階段的彈性模量、抗拉強(qiáng)度和斷裂能的發(fā)展;Vilanova等[10]利用自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的電流估計(jì)模型預(yù)估了自密實(shí)混凝土的彈性模量、抗拉強(qiáng)度及斷裂模量.但由于水泥基材料早齡期(養(yǎng)護(hù)齡期小于1d)的抗拉強(qiáng)度小、位移和變形難以測量,目前水泥基材料早齡期的抗拉強(qiáng)度和彈性模量的研究還鮮有報(bào)道.

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC)是一種利用物體表面隨機(jī)分布的斑點(diǎn)來給出變形場的非接觸式、無損的變形測量方法[11-12].通過分析材料變形前后圖像的系統(tǒng)相關(guān)性,計(jì)算應(yīng)變分布與全場位移[13-17].彈性模量的非接觸測量是在高溫等惡劣環(huán)境下對材料進(jìn)行在線評估的必要條件[18],利用DIC的非接觸式測量優(yōu)勢,Elfgren等[19]研究了混凝土材料的力學(xué)性能,Jiang等[20]研究了在加速腐蝕下鋼筋混凝土的變形場,這也為早齡期水泥基材料應(yīng)力應(yīng)變測試提供了一種理想的方法.

借助東南大學(xué)開發(fā)的水泥基材料塑性抗拉強(qiáng)度測試裝備[21],利用DIC測試水泥基材料在拉荷載下的變形行為,得到了水泥砂漿早齡期的抗拉強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線,擬合出了砂漿早齡期抗拉彈性模量,并研究了極限抗拉強(qiáng)度與抗拉彈性模量隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律,為水泥基材料早齡期力學(xué)性能發(fā)展與抗裂性能研究提供依據(jù).

1)文中涉及的燒蝕量、含量、水灰比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

中聯(lián)水泥公司生產(chǎn)的P·O 52.5普通硅酸鹽水泥;青島中礦宏遠(yuǎn)牌S95級礦粉(GGBS);華電濰坊產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰,比表面積為379m2/kg,燒蝕量1)1%;細(xì)度模數(shù)為2.6的大沽河中砂,含泥量為1.6%,堆積密度為1563kg/m3;聚羧酸高效減水劑,減水率約為30%.硅酸鹽水泥、粉煤灰及礦粉化學(xué)組成如表1～3所示.

表1 硅酸鹽水泥化學(xué)組成

表2 粉煤灰化學(xué)組成

表3 礦粉化學(xué)組成

砂漿中膠凝材料總量為725kg/m3、水灰比控制在0.31～0.32,用純水泥作為膠凝材料制備對比砂漿.砂漿配合比如表4所示.

表4 砂漿配合比

1.2 試驗(yàn)方法

抗拉八字模具有對稱可移動的2部分,主要由底座、帶滑動軌道且與底座固定的鋼板、固定端和可移動端組成.試驗(yàn)過程如下：將砂漿澆筑到八字型鋼模中并養(yǎng)護(hù)至10、11、12、13、14h;將八字型模具通過特制卡槽固定在小車上,八字型模具左側(cè)部分與固定端相連,右側(cè)小車懸掛重物,2側(cè)滑輪與小車中心在同一高度的直線上,使砂漿試件處于軸心受拉狀態(tài);在砂漿試件正上方固定1個75mm微距鏡頭的CCD工業(yè)相機(jī),采集砂漿試件在拉伸過程中的表面圖像,采集頻率為0.3s/次;在八字型模具的右側(cè)懸吊塑料桶,通過往桶內(nèi)加水控制所施加荷載的大小,加水速率為10～12g/s,直到砂漿試件被拉斷,在此過程中記錄施加荷載的大小和砂漿表面圖像.考慮測試裝置自身摩擦力對測試結(jié)果的影響,試驗(yàn)完畢后測試試驗(yàn)裝置自身摩擦力,以消除其對試驗(yàn)結(jié)果的影響.為了提高DIC的試驗(yàn)精度,采用人工噴涂方法制作散斑圖像[22].砂漿抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測試原理圖見圖1.

圖2為砂漿受拉過程中表面應(yīng)變測試與計(jì)算結(jié)果.測試過程中工業(yè)相機(jī)采集到圖2(a)所示的砂漿表面圖像后,導(dǎo)入Vic-2sd計(jì)算軟件,選定圖2(b)所示分析區(qū)域并對其表面應(yīng)變進(jìn)行DIC計(jì)算分析,得到圖2(c)所示的表面應(yīng)變云圖,將數(shù)據(jù)處理成矩陣形式后導(dǎo)入Matlab軟件,計(jì)算出與單軸拉應(yīng)力方向?qū)?yīng)的應(yīng)變圖,如圖2(d)所示.

圖1 砂漿抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)測試原理圖Fig.1 Schematic diagram of mortar tensile strength test

圖2 砂漿受拉過程中表面應(yīng)變測試與計(jì)算結(jié)果Fig.2 Surface strain test and calculation results during mortar under tension loading

2 結(jié)果與分析

2.1 早齡期砂漿抗拉強(qiáng)度及抗拉彈性模量

A砂漿試件在養(yǎng)護(hù)10、11、12、13、14h后,拉應(yīng)力σ分別選取0、0.023～0.027MPa以及極限抗拉強(qiáng)度(拉應(yīng)力的最大值，σmax),利用其受拉過程中工業(yè)相機(jī)拍攝的圖像,可得到DIC計(jì)算表面應(yīng)變云圖.圖3為A砂漿在不同養(yǎng)護(hù)齡期和拉荷載下的表面應(yīng)變云圖.

由圖3可見：A砂漿在拉應(yīng)力為0時,各齡期表面的應(yīng)變值均趨于零;隨著拉應(yīng)力的增大,砂漿試件表面出現(xiàn)明顯的應(yīng)變,且中間部分(八字形模具最窄截面處)應(yīng)變最大,這是因?yàn)樵谳S心拉應(yīng)力作用下,該截面處產(chǎn)生了應(yīng)力集中;根據(jù)DIC計(jì)算的應(yīng)變云圖,可得到試件在不同荷載下的應(yīng)變ε.砂漿拉應(yīng)力σ和抗拉彈性模量E的計(jì)算公式為：

圖3 A砂漿在不同養(yǎng)護(hù)齡期和拉荷載下的表面應(yīng)變云圖Fig.3 Surface strain cloud diagram of A mortar under different curing ages and tensile loads

(1)

(2)

式中：F為砂漿所受拉力;A為砂漿受拉的橫截面積;m為施加的質(zhì)量;g為重力系數(shù),取g=9.8N/kg;f為摩擦力;b為截面長度;h為截面寬度.

由式(1)計(jì)算得到砂漿的拉應(yīng)力,繪制砂漿在不同拉應(yīng)力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,可以得到A砂漿的極限抗拉強(qiáng)度σmax.彈性模量反映瞬時荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變性質(zhì),是鋼筋混凝土設(shè)計(jì)中的一個關(guān)鍵參數(shù),它表示彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,與結(jié)構(gòu)的最終應(yīng)力狀態(tài)有直接關(guān)系[23-25].本試驗(yàn)是在加荷速度不產(chǎn)生徐變的條件下,外荷載短促作用下得到的瞬時變形模量[26-27].根據(jù)文獻(xiàn)[4]選取極限抗拉強(qiáng)度50%之前的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,并通過式(2)計(jì)算砂漿的抗拉彈性模量.如圖4為A砂漿在不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線和抗拉彈性模量.

圖4 A砂漿在不同養(yǎng)護(hù)齡期的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線和抗拉模量Fig.4 Tensile stress-strain curves and tensile elastic modulus of A mortar at different curing ages

由圖4可見：A砂漿試件隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,試件的極限抗拉強(qiáng)度σmax與抗拉彈性模量均出現(xiàn)不同程度的增大;A砂漿齡期為12h時的極限抗拉強(qiáng)度、抗拉彈性模量分別比10h時增大了27%、31%,14h 的極限抗拉強(qiáng)度、抗拉彈性模量分別比12h時增加了14%、24%.這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,膠凝材料不斷水化,強(qiáng)度不斷發(fā)展,砂漿抗拉能力提升,抵抗變形能力增強(qiáng),且早期水化速度較快.

2.2 礦物摻和料對砂漿抗拉強(qiáng)度及抗拉彈性模量的影響

圖5、6分別為不同砂漿的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線、極限抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量.由圖5、6可見：砂漿養(yǎng)護(hù)14h后,其極限抗拉強(qiáng)度小于0.085MPa,抗拉彈性模量在0.25～0.35GPa;不同砂漿的極限抗拉強(qiáng)度與抗拉彈性模量均隨齡期的延長呈現(xiàn)出相似的線性增長規(guī)律;不同砂漿從10h到12h的極限抗拉強(qiáng)度與抗拉彈性模量增長率都大于從12h到 14h 的增長率,可能因?yàn)榉勖夯液偷V粉的摻入使10h 之前的砂漿試件抗拉彈性模量發(fā)展較慢;不同砂漿從10h到12h的抗拉彈性模量增長率相差較小,C、D砂漿在10h到12h的抗拉彈性模量的增長率比A、B砂漿高.

由圖6還可見：A砂漿的極限抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量增長較快,其各齡期的極限抗拉強(qiáng)度與抗拉彈性模量值均是最大,這是因?yàn)锳砂漿為純水泥砂漿試件,水泥水化反應(yīng)速度比較快;B砂漿的極限抗拉強(qiáng)度與抗拉彈性模量明顯高于C、D砂漿,原因可能是粉煤灰和礦粉早期發(fā)揮作用小,只有極少一部分參與水化,早期只是作為微集料起到填充的作用,中后期才會充分參與水化，即粉煤灰和礦粉的摻入延緩了膠凝材料的水化速率;單摻25%粉煤灰的B砂漿相對于復(fù)摻30%礦粉、20%粉煤灰的C砂漿以及復(fù)摻20%礦粉、30%粉煤灰的D砂漿所取代的水泥量較少,所以同齡期下B砂漿的極限抗拉強(qiáng)度與抗拉彈性模量發(fā)展較快.

圖5 不同砂漿的抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Tensile stress-strain curves of different mortars

圖6 不同砂漿的極限抗拉強(qiáng)度和彈性模量Fig.6 Ultimate tensile strength and tensile elastic modulus of different mortars

3 結(jié)論

(1)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長,砂漿的極限抗拉強(qiáng)度與抗拉彈性模量線性增大,且早期的極限抗拉強(qiáng)度與抗拉彈性模量發(fā)展較快.砂漿養(yǎng)護(hù)14h后,其抗拉強(qiáng)度小于0.085MPa,抗拉彈性模量在0.25～0.35GPa.

(2)與純水泥砂漿相比,礦粉與粉煤灰的摻入延緩了膠凝體系的水化速率，降低了砂漿的極限抗拉強(qiáng)度和抗拉彈性模量.