基金项目:陕西省创新能力支撑计划-创新团队基金资助项目(2020TD-005)
第一作者:石建文(1963—),男,博士,高级工程师,主要从事建筑工程方面的研究.E-mall:sjwceo@126.com 通信作者:宋战平(1974—),男,博士后,教授,主要从事隧道与地下空间工程方面的研究.E-mall:songzhpyt@xauat.edu.cn
(1.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室,陕西 西安 710055; 2.工科实业集团有限公司,陕西 西安 710054; 3.西安建筑科技大学 土木工程学院, 陕西 西安 710055; 4.盐城工学院 土木工程学院, 江苏 盐城 224051)
(1.Shaanxi Key Laboratory of Geotechnical and Underground Space Engineering, Xi'an 710055, China; 2.Engineering Industry Group Co., Ltd., Xi'an 710054, China; 3.School of Civil Engineering, Xi'an Univ. of Arch. & Tech., Xi'an 710055, China; 4.School of Civil Engineering, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224051, China)
freeze-thaw circulation; steel fiber; gangue concrete; frost resistance; micro freezing and melting mechanism
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2023.01.007
煤矸石[1]是煤层伴生的含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色沉积岩.2005~2020年间,我国煤炭产量均保持在30亿t以上,累积的煤矸石山达2 000多座,煤矸石堆积区附近的环境污染严重危害人体健康及居住环境[2].如何妥善处理煤矸石是煤矿开采与环境保护的重要研究方向,煤矸石利用主要集中于建筑材料或经过破碎作为粗骨料用于制备混凝土等.煤矸石混凝土的抗冻性能较差,导致在寒区建筑中使用受到限制,在煤矸石混凝土中掺入钢纤维是提高混凝土阻裂能力的有效途径.
鲍玖文等[3]指出影响混凝土耐久性的主要因素为钢筋锈蚀、冻害及物理化学作用,冻害因素是影响混凝土结构耐久性的重要原因.普通混凝土抗冻融性能差,难以满足寒区工程结构及建筑物对轻质、高强、耐久性的要求[4].钢纤维混凝土[5]作为新兴的建筑材料,由于其优异性能已在工程实践中广泛应用.寒区冻融循环导致混凝土耐久性降低,最终表现为裂隙(损伤)的扩展与贯通.因此,开展对钢纤维煤矸石混凝土冻融性能的研究具有重要实用价值.国内外学者对钢纤维煤矸石混凝土的抗冻性、耐久性及力学性能进行了大量试验研究.张长森等[6]研究了自燃煤矸石的火山灰活性,自燃煤矸石取代水泥可有效降低硫酸盐对混凝土的侵蚀作用; 黄成洋等[7]研究指出煤矸石粗骨料取代碎石时,当取代率从0增至60%时混凝土的力学性能下降26.80%.Zhao等[8]对煤矸石作为混凝土骨料的可行性进行试验研究,发现增加煤矸石掺量会降低混凝土的抗冻性能.
混凝土基体本身是一种多相-多组份-非匀质的脆性材料,拉压比低、极限延伸率小,冻融循环过程中的损伤演化导致结构较早破坏.混凝土基体中掺入钢纤维后,对混凝土结构具有显著的阻裂效应,从而强化混凝土的抗拉强度.为此,王晴等[9]研究发现混凝土抗冻性能随着煤矸石取代量的增加而降低,煤矸石最佳取代量为40%; 考虑水灰比对煤矸石骨料混凝土抗冻性的影响,李永靖等[10]研究表明煤矸石骨料混凝土的抗冻性低于普通混凝土.基于钢纤维全轻骨料混凝土的冻融试验,李长永等[11]研究表明轻骨料混凝土和钢纤维轻骨料混凝土在冻融循环作用下均表现出质量损失.既有研究对煤矸石混凝土的力学性能及抗冻性进行了大量关注,而钢纤维掺入煤矸石骨料混凝土的抗冻性能及作用机理研究鲜有报道.
为研究冻融循环作用下钢纤维煤矸石混凝土抗冻性能及微观冻融机理,以钢纤维体积率、冻融循环次数为表征参数,探究钢纤维煤矸石混凝土的质量、动弹模量及劈拉强度特征,通过SEM测试揭示钢纤维煤矸石混凝土的抗冻性与微细观特征的相关性,以期为钢纤维煤矸石混凝土在寒区建筑结构的工程应用提供参考.
水泥采用陕西秦岭牌P.O42.5R普通硅酸盐水泥,主要化学成分SiO2、CaO的含量大于80%,如图1(a)所示.P.O42.5R普通硅酸盐水泥的基本性能指标,见表1.选取当地中砂为细骨料,表观密度为2 650 kg/m3,堆积密度为1 480 kg/m3,含泥量为1%,细度模数为2.70.混凝土粗骨料为朝阳华龙有限公司二次加工成型的煤矸石陶粒,粒径为5~20 mm,堆积密度为600~1 500 kg/m3,筒压强度为2~8.60 MPa.减水剂选用聚羧酸高性能减水剂,外观呈黄褐色粉末状,减水率为25%,引气量5.10%.钢纤维选用截面形状为矩形状的波浪形钢纤维,如图1(b)所示,平均长度为30 mm,长径比为60,纤维密度为7.80 g/cm3.水为普通自来水.
按照《钢纤维煤矸石混凝土试验方法》将钢纤维煤矸石混凝土制作100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试样,如图2所示.钢纤维煤矸石混凝土冻融试验考虑了五种混凝土配比,原材料及混凝土配合比方案,见表2.
具体试验方案:(1)采用强制式搅拌机拌和,先将水泥、砂和粗骨料放入搅拌机拌和均匀,再将钢纤维均匀撒入后搅拌2 min左右,最后加水拌和以保证钢纤维均匀分布.为避免钢纤维结团,采用人工辅助搅拌,待混凝土注入模后,在振动台上均匀振捣至试件表面不再有气泡冒出;(2)试件浇筑24 h后拆模、编号,拆模后试件立即在温度为20 ℃、湿度90%以上标准养护室中养护,按标准方法测得钢纤维煤矸石混凝土标准养护28 d抗压强度;(3)到达试验龄期(28 d)前4天时,将试样浸泡在温度为(20±3)℃的水中浸泡4 d,擦去试件表面水分,分别用动弹性模量测定仪、电子天平测试初始动弹性模量和质量; 每冻融循环25 次,测试试样质量损失、动弹模量、劈拉强度及剥落状况.
为满足试验要求,混凝土冻融达到以下任何一种条件即停止试验:①达到300次冻融循环; ②相对动弹性模量下降60%以下; ③质量损失达到5%.
图3为不同钢纤维煤矸石混凝土体积率下的冻融混凝土重量损失率的分布特征.从图3中可以看出,不加入钢纤维时,混凝土冻融质量损耗率呈线性增大,质量损失率的增幅最显著.掺入钢纤维的混凝土试样B2、B3、B4、B5的重量损失率明显小于(素)混凝土B1的重量损失率.混凝土抗剥落能力大小顺序为B4>B3>B2>B5>B1.对比损耗率发展趋势表明,混凝土B1从125次冻融循环后,质量损失率突然加速,明显高于钢纤维煤矸石混凝土(B2、B3、B4、B5),第250次冻融循环时B1重量损失率超过5%,满足混凝土冻融循环的破坏条件[9],视为试样破坏.
相比之下,钢纤维煤矸石混凝土试样B2、B3、B4、B5的重量损失率增幅较为平缓,未出现加速破坏的迹象,均完成300次冻融循环.随着冻融循环次数增大,试样B2、B3、B4、B5的重量损失率增长具有明显收敛特征,最大重量损失率均小于3%,具有良好的抗剥落性能,表明钢纤维在一定程度上改善了混凝土物理学特征.钢纤维体积率为2%的B5试样重量损失率最大,明显大于试样B2、B3、B4,说明高掺量钢纤维降低了混凝土遭受冻融损失的抗剥落能力.回归分析表明,钢纤维体积率为0.50%~2.00%的混凝土质量损失率与冻融循环次数呈线性-指数函数增长.分析可知,过高钢纤维掺量降低了混凝土搅拌均匀性,导致混凝土出现钢纤维的结团现象[8],不利于发挥钢纤维的增强性能.另外,钢纤维体积率过大增加了混凝土的孔隙数量(损伤),破坏了混凝土结构的气泡结构,从而降低钢纤维煤矸石混凝土的物理力学性能,这与混凝土的抗拉和劈裂试验结果一致.由表2可知,钢纤维体积率为2.00%(B5)时的劈拉强度分别为3.53 MPa,明显小于试样B2、B3、B4.
图4为钢纤维煤矸石混凝土试样表面的冻融损伤形态.结合图3~4可知,钢纤维体积率对混凝土重量损失的影响显著,质量损失率与冻融循环混凝土表面的浆体剥落有关.随着冻融循环次数增多,混凝土结构内部不断出现损伤劣化,内部裂隙逐渐延伸至混凝土表面,出现层状剥落溃散,重量损失不断增加.既有研究[4]表明,混凝土冻融循环过程中质量损失包括两部分,一部分是混凝土表面浆体、粗细骨料的剥落所致(绝对损失); 另一部分是冻融循环初期出现增重现象,这是由于混凝土内部出现了劣化微裂缝,饱水状态下裂缝吸水饱和而导致重量增加.但在实际中,冻融循环产生重量损失(相对损失)要大于重量增加.
混凝土动弹模量损失率是揭示钢纤维煤矸石混凝土物理力学特征的另一重要参数[1].混凝土是由水泥浆、骨料、界面区和孔隙构成的一种多相多孔隙材料,混凝土弹性模量与混凝土粗细骨料物理力学状态密切相关[2-3].动弹模量较高的骨料和砂浆可以提高混凝土的动弹模量,混凝土内部的薄弱界面、孔隙率则会降低混凝土动弹模量.因此,冻融循环效应对不同钢纤维含量的煤矸石混凝土动弹模量具有显著影响.
图5为钢纤维煤矸石混凝土体积率对动弹模量损失率的影响规律.随着冻融循环次数增加,钢纤维煤矸石混凝土的动弹模量损失率呈线性降低趋势,掺入钢纤维的混凝土试样B2、B3、B4、B5的相对动弹模量下降速度低于试样B1,表明混凝土抗冻能力得到提高.当混凝土经历相同冻融循环次数时,试样B2的相对动弹模量损失率为试样B1的80%~90%,冻融循环效应对混凝土抗冻损伤影响并不明显.当钢纤维掺量达到1.50%时,试样B4的相对动弹模量损失率为试样B1的50%~60%,混凝土的抗冻损伤能力显著提高.随着钢纤维体积率的继续增大,混凝土抗冻性能增强.当钢纤维掺量达到2%时,试样B5的相对动弹模量损失率为试样B1的80%~90%,试样B5和B2的相对动弹模量的下降趋势相似,表明过高的钢纤维掺量对混凝土的抗冻融损伤效果不明显,反而降低了钢纤维煤矸石混凝土的抗冻性能.
另外,试样B1的相对动弹性模量在经历175次冻融循环后出现迅速下降,而掺入钢纤维的混凝土试样B2、B3、B4、B5的相对动弹性模量则下降较为平缓.分析原因认为,钢纤维掺入后减小了引发裂缝与促进裂缝开展的冻融破坏力,阻碍了裂缝发展,限制了混凝土基体的破坏进程.即掺入钢纤维对混凝土具有一定阻裂作用,抑制了混凝土相对动弹性模量损伤,提高混凝土抗冻性能.随着冻融循环次数继续增加,混凝土浆体、界面区及孔隙受到较大影响,浆体中开始衍生大量的微裂缝,且孔隙数量和大小随着冻融循环发展逐渐增大,界面区逐渐出现孔缝.此时,冻融循环作用下混凝土骨料与浆体开始流失,微裂缝逐渐贯通,内部结构变得疏松,最终导致混凝土的动弹模量衰减.
基于钢纤维-混凝土界面力学[3]分析可知,钢纤维煤矸石混凝土在冻融循环过程形成了温度应力场,钢纤维热膨胀系数大于混凝土基体,导致冻融循环过程中冻胀应力和温度应力存在不协调变形,混凝土内部界面产生的拉应力影响了界面粘结性能.当冻融循环次数较少时,钢纤维与基体的粘结性能良好,钢纤维能有效地发挥阻裂增强作用,抑制裂缝宽度.随着冻融次数增加,温度应力和冻胀应力反复作用导致钢纤维与混凝土基体逐渐发生疲劳破坏.此时,混凝土界面粘结强度减小,钢纤维和水泥砂浆出现分离,造成钢纤维的阻裂增强作用减弱.
图6为不同钢纤维体积率下混凝土冻融劈拉强度的分布特征.随着钢纤维体积率提高,混凝土劈拉强度呈先增大后衰减变化,未掺加钢纤维的素混凝土(B1)的劈拉强度最小为3.11 MPa,掺入钢纤维的混凝土试样B2、B3、B4、B5普遍高于素混凝土(B1).掺量为2.00%钢纤维的煤矸石混凝土(B5)在经历90次冻融循环之前,混凝土的劈拉强度均小于素混凝土(B1).这是由于过高的钢纤维体积率在混凝土搅拌过程中出现了钢纤维结团现象[4],不利于发挥钢纤维增强作用,同时增大了混凝土-钢纤维界面面积,从而劣化钢纤维煤矸石混凝土的内部结构.当冻融循环次数大于90次,素混凝土(B1)的劈拉强度开始低于试样B5,并在冻融循环125次后呈加速下降趋势,在200次冻融循环后试样B1出现了表面剥蚀现象,结构变得松散多孔,劈拉强度偏低.
对比图6中不同钢纤维混凝土劈裂强度的发展趋势可知,随着冻融循环次数增加,钢纤维与混凝土基体之间的粘结作用遭到破坏,混凝土内部缺陷增多,劈拉强度下降加速.相比素混凝土(B1),掺入钢纤维后延缓了劈拉强度的下降速度.素混凝土和钢纤维掺量较少的试样B2,在300次冻融循环之前均出现了显著冻裂破坏,而试样B3、B4、B5均顺利达到预期的试验次数.由此可见,掺入钢纤维增加了混凝土的抗冻循环次数,提高了混凝土抗冻融能力,这与既有研究结果[4, 8]一致.试验数据表明,冻融循环200次以后,试样B1的劈拉强度降低到原来的45%,试样B2、B3、B4、B5分别降低到原来的58%、70%、67%和73%,表明混凝土掺入钢纤维明显降低了冻融损伤.
图7为钢纤维煤矸石混凝土内部界面过渡区SEM图像,可以看出,钢纤维煤矸石混凝土内部界面过渡区存在片状结构Ca(OH)2及簇状结构的钙矾石晶体(AFt)富集,钙矾石晶体主要存在于微小孔隙及集料表面,这说明钢纤维-水泥基体界面区存在较大孔隙率、和较为疏松的网络结构.由此表明,钢纤维与煤矸石混凝土界面区属于试样冻融循环过程中的薄弱区域,该敏感区域存在显著的微裂缝萌生和扩展,冻融损伤较其他位置显著.
基于钢纤维-水泥基体界面性能分析,钢纤维煤矸石混凝土是由钢纤维与煤矸石混凝土复合而成的特殊材料,其物理力学性能主要取决于煤矸石混凝土基体特性、钢纤维特性、相对含量与界面粘结.试样界面粘结与界面效应是发挥钢纤维对煤矸石混凝土增强、增韧与阻裂能力的关键,而界面粘结的性状则直接影响钢纤维对煤矸石混凝土增强、增韧与阻裂能力的发挥程度.钢纤维与水泥基体间界面层特征还显著影响着混凝土的微观力学性能.钢纤维煤矸石混凝土在硬化前,尤其在结构形成过程中会出现固体粒子下沉及水分上浮,导致钢纤维表面的界面层结构不均匀、界面层厚度不一,这与界面层水灰比、孔隙率及网络结构密切相关.
图7 钢纤维煤矸石混凝土内部界面过渡区SEM图像
Fig.7 SEM image of the internal interface transition area of steel-fiber coal-gangue concrete
以素混凝土(B1)和钢纤维煤矸石混凝土(B4)的SEM图像进行对比分析,研究钢纤维混凝土的微观冻融机理.图8为未掺钢纤维的素混凝土(B1)中水泥石在冻融循环前、冻融循环50次、100次的SEM图像.冻融循环前混凝土水化物互相胶结形成了连续相,整体结构比较均匀密实,没有衍生微观裂隙.
冻融循环达到50次时,冻胀作用导致混凝土内部结构产生了膨胀压力和渗透压力,当冻融循环产生的损伤应力超过混凝土抗拉强度时,水泥石结构出现微裂隙.随着冻融循环次数增多,冻融循环加快了混凝土结构破坏,促使微裂隙快速扩展形成贯通裂缝,如图8(b)所示.当冻融循环次数达到100次时,裂隙宽度及裂隙数量快速发展,素混凝土观测面形成了裂隙网,结构组织呈松散状,表层破裂剥落现象显著,劈拉强度劣化.
图9为掺量1.50%钢纤维的煤矸石混凝土(B4)的SEM图像.冻融循环前钢纤维混凝土中水泥石的组织结构比较致密,未出现钢纤维引起的有损伤裂隙(钢纤维-水泥基体界面较好接触).
图9 钢纤维煤矸石混凝土(B4)冻融循环后的SEM图像
Fig.9 SEM image after the freeze-thaw cycle of steel-fiber coal-gangue concrete(B4)
冻融循环达到50次时,钢纤维混凝土的内部结构发生了轻微劣化,形成局部微裂隙,如图9(b)所示.当冻融循环次数为100次时,钢纤维混凝土中的微裂隙数量增多,部分呈现贯通状,但未发现水化物组织结构的疏松现象.与素混凝土相比,掺入的钢纤维限制了裂隙贯通,具有明显的增强阻裂作用,减少劈拉强度劣化损失.混凝土中乱向分布的钢纤维阻裂作用与微裂纹衍生、扩展路径密切相关.钢纤维起到了增大阻力作用[11],阻截了由于重力作用下沉的固体颗粒,减少了混凝土硬化过程中收缩现象,进而降低骨料与砂浆界面、钢纤维与砂浆界面间的原始裂隙.
图 10为掺量2.00%钢纤维的煤矸石混凝土(B5)的SEM图像.
图 10 钢纤维煤矸石混凝土(B5)冻融循环后的SEM图像
Fig.10 SEM image after the freeze-thaw cycle of steel-fiber coal-gangue concrete(B5)
钢纤维体积率为2.00%时,煤矸石混凝土试样B5的内部衍生大量有害裂隙,如图 10(a)所示.分析认为,掺入过多钢纤维增大了混凝土内部的孔隙数量和有害孔隙的出现几率,破坏了混凝土的内部结构,导致冻融循环过程更快出现微裂隙.同时,钢纤维体积率的增大提高了混凝土钢纤维-水泥基体界面[11],如图 10(c)所示,减弱了钢纤维阻裂、桥接及增韧作用.当冻融循环达到100次时,混凝土在冻融循环过程产生的裂缝数量和宽度增多、增宽趋势,如图 10(b、d)所示,但混凝土结构并未出现明显松散.因此,钢纤维体积率超过一定界限时会增加混凝土内部的薄弱环节,导致钢纤维对混凝土抗冻性能改善作用减弱.
为研究冻融循环作用下钢纤维煤矸石混凝土抗冻性能及微观冻融机理,探究钢纤维煤矸石混凝土的质量、动弹模量及劈拉强度特征,通过SEM试验揭示钢纤维煤矸石混凝土的抗冻性.
(1)未掺加钢纤维的素混凝土,冻融前整体结构均匀致密,冻融后混凝土出现贯通裂隙且结构松散,抗冻能力差.掺入钢纤维起到增强阻裂作用,冻融后混凝土裂缝数量较少,抗冻能力明显提高.钢纤维体积率为0.50%~2.00%的混凝土质量损失率与冻融循环次数呈线性-指数函数增长;
(2)冻融效应对钢纤维煤矸石混凝土的动弹模量变化率具有显著劣化作用.随着冻融次数增加,素混凝土、钢纤维煤矸石混凝土的动弹模量损失率均呈线性衰减,掺入钢纤维的混凝土的动弹模量下降速度低于素混凝土,抗冻能力得到显著提高;
(3)混凝土劈拉强度随钢纤维体积率提高呈先增大后衰减变化,素混凝土的劈拉强度最小为3.11 MPa,钢纤维体积率为2.00%的混凝土的强化作用明显低于体积率0.50%~1.50%.随着冻融次数增加,素混凝土的劈拉强度降低到了45%,钢纤维混凝土的劈拉强度分别降低到了58%、70%、67%和73%,钢纤维明显降低了混凝土的冻融损伤;
(4)混凝土SEM分析表明,钢纤维-水泥基体界面区存在较大孔隙率和较为疏松的网络结构.随着冻融次数增大,素混凝土形成了裂隙网且结构疏松,表层破裂剥落显著,钢纤维混凝土未发现水化物组织结构的疏松现象.与素混凝土相比,掺入钢纤维限制了裂隙贯通,具有明显的增强阻裂作用.