不同煤矸石粗骨料替代率下混凝土的低温力学性能研究

马 也, 张博杰, 杨秋宁

(宁夏大学 土木与水利工程学院,宁夏 银川 750021)

全球每年混凝土消耗量近 175 亿t,其中骨料占混凝土体积的70%～80%,消耗量超过130 亿t/a[1].骨料的大规模开采给生态环境造成了巨大破坏.随着天然碎石的开采逐渐受限,解决骨料资源问题成为当下混凝土研究领域的热点课题.煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废弃物,产量占采煤总量的10%～25%[2].煤矸石的堆积不仅占用土地而且污染环境,煤矸石的资源化利用迫在眉睫.煤矸石骨料混凝土的制备技术既可缓解骨料资源紧缺问题,又能通过固废资源再利用节约成本.研究显示,煤矸石骨料混凝土基本满足混凝土的力学性能要求[3].在超低温条件下,混凝土的峰值应变减小,脆性增大,强度与弹性模量均提高,且在低温条件下,混凝土的抗拉强度和抗压强度均提高[4—5]. 宁夏的昼夜温差较大,低温在-20 ℃以下,低温下服役混凝土的力学性能会受到一定影响.有关煤矸石骨料混凝土的力学性能和混凝土的低温力学性能研究较多,而针对煤矸石骨料混凝土低温下的力学性能研究较少.笔者设计不同强度、不同煤矸石粗骨料替代率下的煤矸石混凝土,分析煤矸石粗骨料替代率和低温条件对煤矸石粗骨料混凝土力学性能的影响,为寒冷地区冬季采用煤矸石粗骨料混凝土施工提供参考.

1 实验

1.1 原料

实验采用宁夏产赛马牌P.O42.5水泥.骨料选用粒径为5～20 mm的连续级配碎石,符合GB/T 14685—2001中Ⅱ类碎石的要求.实验筛选5～10,10～20 mm煤矸石,参照GB/T 14684—2011中细骨料标准砂的细度模数为2.48,煤矸石为级配良好的Ⅱ区中砂,其他各项指标均满足要求. 实验添加聚羧酸高效减水剂,用水为银川市自来水.实验材料的指标见表1～表2(表1中,w0.045为粒径为0.045 mm颗粒的质量分数;w为标准稠度时水的质量分数;t0为初凝时间;t为终凝时间;fc为3 d的抗压强度;F为3 d的抗折强度.表2中,w1,w2,w3,ρ1,ρ2分别为压碎值、水的质量分数、针片状碎石的质量分数、表观密度和堆积密度).

表1 水泥的物理性质及力学性能

表2 未燃煤矸石及天然碎石的基本性质

1.2 方案

以配合比(煤矸石粗骨料的替代率)和温度为变量,按照GB/T 50081—2002要求制作100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm试件,拆模后统一标准养护(温度为(20±2)℃,相对湿度为95%).C40混凝土试件设置0%,20%,60%,100%这4组替代率;设置100%煤矸石替代率下C30,C50两个分组,共6组配比实验.在实验温度为20,-10,-20,-30 ℃,标准条件下养护56 d,擦净试件表面水分放入低温实验箱.当达到设定的温度时,继续放置4 h,在相同温度下进行力学性能测试.制作试件的配合比见表3.

表3 煤矸石粗骨料混凝土的配合比

1.3 仪器

煤矸石粗骨料混凝土低温实验采用DW-50低温试验箱(图1a);动态模量测定仪(图1b)测试煤矸石粗骨料混凝土在低温下的动弹性模量;煤矸石粗骨料混凝土的强度测试使用WAW-2000型微机控制电液伺服万能试验机(图1c).

2 实验

2.1 抗压破坏特征

图2为在100%煤矸石粗骨料替代率下,C40煤矸石粗骨料混凝土试件在低温条件下的抗压破坏特征.当实验温度为-10 ℃、加载速度为0.5 MPa/s时,试件中央区域最先出现竖向细微裂缝,且裂缝平行于加载方向.随着荷载的增大,裂缝逐渐延展.试件中部区域的侧向膨胀使周围开裂剥落直至试件被破坏.当实验温度为-20 ℃时,由于低温下混凝土的极限应变降低,试件被破坏较快.当实验温度为-30 ℃时,荷载加载至最大,试件突然发出爆裂声响,试件顶部及中部被压碎,破坏严重.几道竖向主裂缝贯穿截面,裂缝宽度大,使试件中部断裂区域分离出若干小柱,试件被破坏.

图2 低温下煤矸石粗骨料混凝土的破坏特征

2.2 劈裂抗拉破坏特征

图3为在100%煤矸石粗骨料替代率下,C40煤矸石粗骨料混凝土试件在低温条件下的劈裂破坏特征.当实验温度为-10 ℃、加载速度为0.08 MPa/s时,试件的顶部出现碎裂现象,表面开始出现少量细微裂缝.当荷载增加至最大时,试件破坏面上的裂缝数量急剧增加,破裂速度加快,且伴随劈裂破坏声响,直至试件被破坏.当实验温度为-20 ℃时,破坏发生在煤矸石骨料和硬化水泥浆体的过渡区,劈裂破坏路径贯穿煤矸石骨料,断面较平整. 当实验温度为-30 ℃时,随着荷载增加至最大,试件表面出现平行于荷载方向的裂缝.由于煤矸石粗骨料的强度较小,试件内部发出的劈裂声较明显,裂缝发展速度加快,形成纵向主裂缝所需时间明显减小.此时裂缝贯通整个截面,断面有凹陷不再平整,开裂时伴随较大的破坏声响.

图3 低温下煤矸石粗骨料混凝土的劈裂破坏特征

2.3 抗折破坏特征

图4为在100%煤矸石替代率下,C40煤矸石粗骨料混凝土试件在低温条件下的抗折破坏特征.当实验温度为-10 ℃、加载速度为0.08 MPa/s时,试件未出现明显裂缝.当荷载增加至最大时,试件中部形成贯穿裂缝,同时可听到连续破坏声响,直至试件被破坏.当实验温度为-20 ℃时,荷载增加至最大,试件表面出现较-10 ℃下偏斜的裂缝,且伴随有闷响,直至试件被破坏. 当实验温度为-30 ℃时,荷载增加至最大,试件表面的裂缝方向较-10 ℃和-20 ℃时的竖直.随着温度降至最低,试件的脆性表现更明显,破坏时内部声响较-10 ℃和-20℃时的更大.

图4 低温下煤矸石粗骨料混凝土的抗折破坏特征

3 结果与分析

3.1 抗压强度

在煤矸石100%替代率下,C40煤矸石粗骨料混凝土试件在不同低温下的抗压强度见图5～图6,力学性能见表4.由图5、表4可知,随着实验温度的降低,不同C40煤矸石粗骨料混凝土的抗压强度均随温度的降低而升高. 以C40-M100为例,当实验温度由20 ℃分别下降至-10,-20,-30 ℃时,其抗压强度由28.67 MPa分别上升至40.90,56.16,58.20 MPa,分别提高42.7%,95.9%,103.0%.由于 C40-M100的内部分布着大小各异的孔隙,当实验温度由20 ℃降低至-10 ℃,孔溶液不断结冰,孔隙被强度较高的冰所填实,使孔隙结构变得致密[6],因此抗压强度升高. 当实验温度下降至-20 ℃时,毛细孔和较大孔隙中的水继续冻结,致使煤矸石粗骨料混凝土的强度继续升高.当实验温度下降至-30 ℃时,煤矸石粗骨料混凝土中毛细孔和大孔中的大量结冰使较大孔隙减少,而孔隙孔径越小,结冰所需的温度越低[7],这使孔内的结冰速率降低,煤矸石粗骨料混凝土的抗压强度升高趋势减缓.在相同低温条件下,C40煤矸石粗骨料混凝土的抗压强度随着煤矸石替代率的增加而降低.以实验温度为-10 ℃时的试件为例,当煤矸石粗骨料的替代率分别为0%,20%,60%,100%时,对应的C40,C40-M20,C40-M60,C40-M100的抗压强度分别为61.73,52.33,49.73,40.90 MPa.相比于C40混凝土,上述煤矸石粗骨料混凝土的抗压强度分别降低15.2%,19.4%,33.7%.表明混凝土的抗压强度与煤矸石粗骨料替代率呈负线性关系[8],即煤矸石粗骨料混凝土的抗压强度随煤矸石替代率的增加而下降.

图5 温度对C40煤矸石粗骨料混凝土抗压强度的影响

图6 温度对不同等级煤矸石粗骨料混凝土抗压强度的影响

表4 煤矸石混凝土在不同温度下的抗压强度(fc)、劈裂抗拉强度(ft)和抗折强度(F)

由图6、表4可知,在100%煤矸石粗骨料替代率下,C30-M100,C40-M100,C50-M100的抗压强度均随着温度的降低呈上升趋势.以 C30-M100为例,在实验温度分别为-10 ,-20,-30 ℃时,其抗压强度分别为常温下的1.3,1.9,2.0倍. 在100%煤矸石替代率下,煤矸石粗骨料混凝土的抗压强度随着设计强度的减小而降低.以实验温度为-30 ℃下煤矸石粗骨料混凝土为例,C50-M100,C40-M100,C30-M100的抗压强度分别为60.2,58.2,52.4 MPa.

3.2 劈裂抗拉强度

不同配比C40煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉强度均随着实验温度的降低而逐渐增大(表4、图7).以C40-M100为例,当实验温度从20 ℃分别下降至-10,-20,-30 ℃时,其劈裂抗拉强度由2.45 MPa分别上升至2.50,2.60,4.1 MPa,分别提高2.0%,6.1%,67.3%.当实验温度由20 ℃降低至-10 ℃,煤矸石粗骨料混凝土内部较大孔隙中的孔隙水开始结冰,劈裂抗拉强度开始逐渐增大,表明较大孔隙水的冻结对煤矸石粗骨料混凝土劈裂抗拉强度的提升不明显.当实验温度由-10 ℃下降至-20 ℃时,煤矸石粗骨料混凝土中较大孔隙的孔隙水、较小孔隙的孔隙水开始冻结,这样就填充了孔隙和裂缝,起到支撑、黏结作用,延缓了裂纹的进一步扩大和发展,提高了煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉强度.当实验温度由-20 ℃下降至-30 ℃时,煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉强度上升较快,表明较小毛细孔隙中水的冻结对煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉强度提升明显.在相同低温条件下,C40煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉强度随着煤矸石替代率的增加而降低.以实验温度为-10 ℃的试件为例,当煤矸石替代率分别为0%,20%,60%,100%时,对应的C40,C40-M20,C40-M60,C40-M100的劈裂抗拉强度分别为3.80,3.40,2.90,2.50 MPa,相比于C40混凝土,劈裂抗拉强度分别降低10.5%,23.7%,34.2%.由于煤矸石粗骨料具有片状颗粒和孔隙较多的结构特点,煤矸石粗骨料混凝土的力学性能较差.

图7 温度对C40煤矸石粗骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响

在100%煤矸石粗骨料替代率下,C30-M100,C40-M100,C50-M100的劈裂抗拉强度均随着实验温度的降低呈上升趋势(表4、图8). 以 C30-M100为例,在实验温度分别为-10,-20,-30 ℃时,其劈裂抗拉强度分别为常温下的1.2,1.3,1.9倍.在100%煤矸石粗骨料替代率下,煤矸石粗骨料混凝土的劈裂抗拉强度随设计强度的减小而降低.以在实验温度为-30 ℃下的试件为例,C50-M100,C40-M100,C30-M100的劈裂抗拉强度分别为4.7,4.1,3.77 MPa.

图8 温度对不同等级煤矸石粗骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响

3.3 抗折强度

不同C40煤矸石粗骨料混凝土的抗折强度均随着实验温度的降低呈上升趋势(表4、图9).以C40-M100为例,当实验温度由20 ℃分别下降至-10,-20,-30 ℃时,其抗折强度由2.7 MPa分别上升至4.6,4.8,8.9 MPa,分别提高70.4%,77.8%,229.6%.当实验温度由-20 ℃下降至-30 ℃时,随着温度的降低,煤矸石粗骨料混凝土中毛细孔的连通性被冰晶的形成所阻断,减小了潜在的脆弱和应力集中区域[9],提高了煤矸石粗骨料混凝土的抗折强度.其中,C40-M100在该变化温度下的抗折强度升高较大.抗折强度变化表现出与劈裂抗拉强度相似的规律,说明毛细孔中孔隙水的冻结对煤矸石粗骨料混凝土的抗折强度提升明显.在相同低温条件下,C40煤矸石粗骨料混凝土的抗折强度,随着煤矸石替代率的增加而降低.以在实验温度为-10 ℃时的试件为例,当煤矸石粗骨料的替代率分别为0%,20%,60%,100%时,对应C40,C40-M20,C40-M60,C40-M100的抗折强度分别为6.8,6.43, 4.83,4.6 MPa,相比于C40混凝土,抗折强度分别降低5.4%,29.0%,32.4%.在相同低温条件下,由于煤矸石粗骨料具有的片状颗粒和多孔隙结构,降低了它的力学性能,使其抗折强度随着煤矸石替代率的增加而下降.

图9 温度对C40煤矸石粗骨料混凝土抗折强度的影响

在100%煤矸石粗骨料替代率下,C30-M100,C40-M100,C50-M100的抗折强度均随着实验温度的降低呈上升趋势(表4、图10). 以 C30-M100为例,在-10,-20,-30 ℃下,其抗折强度分别为常温下的1.5,1.6,3.4倍.在100%煤矸替代率下,煤矸石粗骨料混凝土的抗折强度随着设计强度的减小而降低.以实验温度为-30 ℃时的试件为例,C50-M100,C40-M00,C30-M100的抗折强度分别为9.5,8.9,8.8 MPa.

图10 温度对不同等级煤矸石粗骨料混凝土抗折强度的影响

3.4 相对动弹性模量

由图11可知,不同C40煤矸石粗骨料混凝土的相对动弹性模量均随着实验温度的降低而增加.以C40-M100为例,当实验温度由20 ℃分别下降至-10,-20,-30 ℃时,其相对动弹性模量分别增加102.6%,105.1%,107.8%.随着温度的降低,煤矸石粗骨料混凝土内部的孔隙水结冰,冰晶填充孔隙后,混凝土的塑性变形减小,使弹性模量增大[10]. 在相同低温条件下,C40煤矸石粗骨料混凝土的相对动弹性模量,随着煤矸石替代率的增加而升高.以实验温度为-10 ℃时的试件为例,当煤矸石的替代率分别为0%,20%,60%,100%时,对应C40,C40-M20,C40-M60,C40-M100的相对动弹性模量分别为100.4%,101.4%,102.1%,102.6%.一般,煤矸石粗骨料的孔隙率大,较天然碎石具有较强的吸水性.在煤矸石粗骨料的替代率从0%上升至100%过程中,单位体积的煤矸石粗骨料混凝土的孔隙率和含水率增大,且含水率越高,混凝土的弹性模量增长幅度越大[11].

图11 温度对C40煤矸石粗骨料混凝土相对动弹性模量的影响

在100%煤矸石替代率下,C30-M100,C40-M100,C50-M100的相对动弹性模量均随着温度的降低而升高(图12). 以 C30-M100为例,当实验温度由20 ℃分别降至-10,-20,-30 ℃时,其相对动弹性模量分别为102.8%,105.3%,110.4%.在相同低温、100%替代率下,煤矸石粗骨料混凝土的相对动弹性模量的增幅与其强度等级有关,且强度的等级越低,相对动弹性模量的增长幅度越大.

图12 温度对不同等级煤矸石粗骨料混凝土相对动弹性模量的影响

4 结论

1)在100%煤矸石替代率下,C40煤矸石粗骨料混凝土的抗压破坏、劈裂抗拉破坏和抗折破坏特征,随着实验温度的降低呈现脆性破坏的趋势,且温度越低脆性破坏特征越明显.

2)随着实验温度的降低,不同替代率下C40煤矸石粗骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度呈现上升趋势.在相同低温条件下,煤矸石粗骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度,随着煤矸石替代率的增加呈现下降趋势.在100%煤矸石替代率下,C30-M100,C40-M100,C50-M100的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度,随着温度的降低呈现上升趋势.在相同低温条件下,煤矸石粗骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度随着设计强度的降低而减小.

3)随着实验温度的降低,不同替代率下C40煤矸石粗骨料混凝土的相对动弹性模量,随着温度的降低呈现上升趋势.在相同低温条件下, C40煤矸石粗骨料混凝土的相对动弹性模量,随着煤矸石替代率的增加而升高.在相同低温条件下,100%煤矸石替代率下C30-M100,C40-M100,C50-M100的相对动弹性模量,随着混凝土强度等级的降低而升高,且强度等级越低,相对动弹性模量的增加幅度越大.