1、高溫后堿激發(fā)海砂混凝土無尺寸效應(yīng)斷裂參數(shù)的預(yù)測近年來,海洋強國戰(zhàn)略成為國家發(fā)展目標(biāo)之一,對沿海、近海建設(shè)以及島礁建設(shè)愈發(fā)重視,若從內(nèi)陸運輸河砂及珍貴的淡水資源,不但會加大工程成本,還會造成資源的浪費.此外,硅酸鹽水泥作為建筑施工中使用的重要材料,其生產(chǎn)過程中不僅會產(chǎn)生大量的塵土還會產(chǎn)生大量的溫室氣體及有毒有害氣體,這會加速溫室效應(yīng)進一步破壞環(huán)境,也阻礙了“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實現(xiàn).有數(shù)據(jù)表明,2022年110月份全國規(guī)模以上水泥生產(chǎn)19.7億t,同比2022年增長2.1%,其造成的污染和能源浪費不可估量1.同時,在海洋環(huán)境下服役的建筑結(jié)構(gòu)一旦遭受高溫侵蝕,在這種海洋腐蝕與高溫侵蝕的雙重作用下

2、,對建筑物的損害是很大的.一種新型兼具低碳環(huán)保以及耐高溫侵蝕的建筑材料堿激發(fā)材料應(yīng)運而生,相比于普通硅酸鹽水泥,堿激發(fā)材料具有完全不同的水化機理,同時具有高強、高耐久性的特點2-3.目前,國內(nèi)外對于堿激發(fā)礦粉/粉煤灰混凝土高溫后的力學(xué)性能的研究已在進行,研究表明堿激發(fā)礦粉/粉煤灰混凝土暴露在800 環(huán)境下同樣可以維持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,并且相比于普通硅酸鹽水泥混凝土,堿激發(fā)混凝土沒有高溫爆裂現(xiàn)象2,4-5.Li等6研究了堿激發(fā)礦粉海砂混凝土高溫后的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)堿激發(fā)礦粉混凝土高溫后殘余抗壓強度明顯高于普通水泥混凝土,并且堿激發(fā)混凝土與普通水泥混凝土的漿體高溫后都經(jīng)歷了熱收縮,而堿激發(fā)混凝土漿體收縮

3、更大.此外,混凝土在經(jīng)歷高溫作用后,其表面會出現(xiàn)肉眼可見的裂縫,這就需要對高溫后的混凝土進行斷裂行為研究.抗拉強度ft和斷裂韌度KIC是材料的兩個重要的斷裂參數(shù),能體現(xiàn)混凝土抵抗裂縫的能力.此外,ft和KIC基于傳統(tǒng)方法得到具有一定的隨機性,因為ft基本通過軸向拉伸試驗或者劈裂抗拉試驗得到,得到的ft是基于材料連續(xù)性以及均勻性的假設(shè)而且其值為斷裂截面的平均值7-9.然而混凝土是一個以骨料為骨架的材料,所以它是一個不均勻的材料,其斷裂參數(shù)的確定是依賴于試件尺寸的7-9.基于此,Hu提出了邊界效應(yīng)模型(BEM)10并發(fā)現(xiàn)尺寸效應(yīng)主要是由于斷裂過程區(qū)而形成的,BEM不要求嚴(yán)格的試件幾何相似條件,BE

4、M考慮了材料非均勻性和非連續(xù)性并且其公式計算得到ft和KIC的方程也更加簡單.無尺寸效應(yīng)的斷裂參數(shù)對于大構(gòu)件的設(shè)計尤為關(guān)鍵.對于堿激發(fā)海砂混凝土高溫后的力學(xué)性能及斷裂參數(shù)的預(yù)測方面的研究甚少.本文配制了兩種類型堿激發(fā)海砂混凝土(AASSC),分別為粉煤灰與礦粉質(zhì)量含量比1:3的Type1AASSC以及粉煤灰與礦粉質(zhì)量含量比為1:1的Type2AASSC,研究其五種溫度后宏觀的抗壓和抗拉強度、微觀形貌以及預(yù)測其斷裂參數(shù)ft和KIC.1 試驗方案1.1 試驗材料及配合比試驗使用的礦粉和粉煤灰分別是S95級以及C類二級灰.粉煤灰中游離氧化鈣含量經(jīng)檢測小于4%,符合規(guī)范要求.他們的化學(xué)物質(zhì)含量由儀器帕

5、納科Epsilon3進行X射線熒光光譜(XRF)試驗測得如表1.級配良好的海砂作為細(xì)骨料,其最大粒徑為5 mm.破碎的花崗巖骨料作為粗骨料,其最大粒徑為10 mm.海砂細(xì)骨料和花崗巖粗骨料的基本物理參數(shù)分別展示在表2和表3.試驗中使用細(xì)、粗骨料的粒徑分布如圖1所示.表1 礦粉和粉煤灰的主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical compositions of GGBFS and FA /%表2 海砂的基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of sea sand表3 粗骨料的基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of aggregates圖1 試驗用骨料的

6、粒徑分布Fig.1 Size distributions of aggregates used in the test堿激發(fā)劑為固體粉末氫氧化鈉和液體水玻璃的混合物.水玻璃中含有8.3%的Na2O、26.5%的SiO2和65.2%的H2O.氫氧化鈉顆粒的純度為99%.通過向水玻璃中加入氫氧化鈉將堿激發(fā)劑中SiO2與Na2O摩爾比控制為1.3.激發(fā)劑占固體粉料(粉煤灰和礦粉)質(zhì)量的13%.激發(fā)劑混合好后表面封塑料薄膜靜置24 h后再進行混凝土的配制.海水參考ASTM D1141-9811中推薦的人工海水配方配制.本文定義粉煤灰:礦粉質(zhì)量比1:3的為Type1AASSC,粉煤灰:礦粉質(zhì)量比1:1的

7、為Type2AASSC.這兩類AASSC的具體配合比如表4所示.表4AASSC的配合比(kg/m3)Tab.4 Mix proportion of AASSC(kg/m3)1.2 試樣準(zhǔn)備和實驗方法立方體抗壓強度fcu試驗和劈裂抗拉強度fts試驗試件尺寸都為150 mm150 mm150 mm,參照規(guī)范GB/T50081-2022進行試驗12.常溫下,對兩種AASSC進行了7 d和28 d的強度試驗; 在高溫條件后,對兩種AASSC也進行了兩種強度試驗.高溫試驗的目標(biāo)溫度分別為200 、400 、600 和800 ,常溫20 作為對比組.高溫試驗在馬弗爐中進行,馬弗爐如圖2所示.升溫速度為10

8、 /min,到達(dá)目標(biāo)溫度后恒溫時間為180 min,等待試件靜置至室溫后取出進行力學(xué)性能試驗和三點彎斷裂試驗,加載制度也在圖2中展示.所有的試件在溫度202 、相對濕度952%的環(huán)境下養(yǎng)護至28 d進行高溫試驗.此外,在高溫試驗前將試件放入干燥箱1055 烘干24 h.圖2 加熱示意圖Fig.2 Schematic of heating procedure三點彎斷裂試驗用的試件尺寸為100 mm100 mm515 mm,在梁底中心預(yù)制10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm的初始裂縫,相應(yīng)的縫高比為縫長/梁高=0.10.5.斷裂試驗在一臺10 t的壓力試驗機上進行,試驗加載速

9、率為0.2 mm/min,具體的試驗加載圖如圖3所示.使用7 t力的傳感器實時監(jiān)測力的數(shù)值.跨中以及兩端加載支座的位移使用最大量程50 mm的位移計測量.預(yù)制裂縫處的裂縫口張開位移(CMOD)使用最大張開位移40 mm的夾式引伸計進行測量.此外,試件側(cè)面裂縫口對稱布置一對應(yīng)變計來測量裂縫尖端應(yīng)變,并通過加載過程中應(yīng)變片的突然回縮監(jiān)測裂縫的起裂狀態(tài).所有數(shù)據(jù)均由一靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀同步采集.圖3 三點彎梁試驗圖Fig.3 Test setup for three-point-bending beam2 試驗結(jié)果分析2.1 高溫后fcu和fts的結(jié)果分析圖4所示折線圖展示的為兩種AASSC在7 d和2

10、8 d的劈裂抗拉強度變化,柱狀圖展示的為兩種AASSC在7 d和28 d的立方體抗壓強度變化.兩種AASSC養(yǎng)護7 d后立方體抗壓強度可達(dá)28 d的80%以上,劈裂抗拉強度可達(dá)28 d的70%以上.原因其一為在高OH-的濃度環(huán)境中加速了水化過程造成7 d強度上漲快13-14; 其二為海水海砂中豐富的海洋離子如氯離子和硫酸根離子同樣可以加速水化過程15-16.此外,Type1AASSC的兩種強度在7 d和28 d下均比Type2AASSC的高.其原因為本身粉煤灰活性即比礦粉活性低,粉煤灰的作用基本為調(diào)節(jié)新拌混凝土的流動度,隨著粉煤灰的摻量變大,在堿激發(fā)膠凝材料體系中同樣降低混凝土強度14.圖4

11、常溫下7d和28d的AASSC立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度結(jié)果Fig.4 Result of 7 d and 28 d cubic compressive strength and splitting tensile strength at 20由圖5可知,隨著溫度的升高,兩種AASSC的立方體抗壓強度在200 和400 較常溫下稍有提高,Type1AASSC分別提高10%和3%左右,Type2AASSC分別提高13%和9%左右,此后高溫作用導(dǎo)致的強度損失嚴(yán)重.到達(dá)800 時,兩種AASSC殘余強度僅為常溫時的14%和44%.200 強度提高的原因為未水化的粉煤灰和礦粉反應(yīng)生成莫來石以及在此溫

12、度下對AASSC形成內(nèi)養(yǎng)護使得強度提高17.600 后AASSC強度急劇下降的原因為大量的化學(xué)結(jié)合水損失造成混凝土內(nèi)部孔隙變多,以及高溫下混凝土?xí)l(fā)生膨脹,初始裂縫會變寬邊長,膨脹引起的裂縫也會隨之增多18.800 后AASSC強度損失50%以下,混凝土表面密密麻麻肉眼可見的裂縫,疏松多孔.有意思的是,礦粉含量多的Type1AASSC在20 、200 和400 高溫下抗壓和抗拉強度比Type2AASSC高,原因為更多的礦粉在堿激發(fā)作用下產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物如C-S-H以及C-A-S-H,使得結(jié)構(gòu)更為密實,但大摻量礦粉的Type1AASSC形成的此類水化產(chǎn)物同樣造成了600 和800 大幅度強度的

13、損失,原因為C-S-H和C-A-S-H對高溫敏感易分解19-21.圖5 不同高溫后兩種AASSC立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度的結(jié)果Fig.5 Results of cubic compressive strength and splitting tensile strength of two types AASSC exposed different elevated temperature2.2 掃描式電子顯微鏡(SEM)分析電鏡圖中紅色虛線為堿激發(fā)漿體與粗骨料之間的粘結(jié)界面.從電鏡圖中可以看出,常溫下兩種AASSC的堿激發(fā)漿體與粗骨料粘結(jié)十分緊密,漿體區(qū)出現(xiàn)一些收縮裂縫,以及許多未水化的粉

14、煤灰球狀顆粒,而且Type2AASSC中未水化的粉煤灰球狀顆粒更多,微裂縫更多,這也導(dǎo)致其強度低于Type1AASSC.200 后,粘結(jié)界面依舊比較緊密,未水化的粉煤灰數(shù)量明顯變少,說明此溫度下粉煤灰在堿激發(fā)劑作用下繼續(xù)發(fā)生水化反應(yīng).這解釋了在此溫度下AASSC抗壓強度提高的原因.此外,部分微裂縫在粘結(jié)界面開展,并且裂縫寬度逐漸變大.因為自由水的損失,出現(xiàn)了小的孔隙區(qū),這造成了抗拉強度的降低.400 后,圖中所示裂縫數(shù)量減少,這是因為高溫使得漿體膨脹閉合了部分裂縫22.一些大大小小的較大孔隙區(qū)出現(xiàn),在Type2AASSC中尤為多見,這造成了漿體松散多孔.600 后,隨著化學(xué)結(jié)合水的損失,較大孔

15、隙區(qū)的數(shù)量增多,并且孔隙直徑在變大.Type1AASSC中已經(jīng)看不到明顯的裂縫,而Type2AASSC中因為其本身裂縫多,裂縫寬度也逐漸在增大.這些都造成了AASSC強度進一步降低.800 后,Type1AASSC漿體疏松呈顆粒狀,粘結(jié)界面十分脆弱.Type2AASSC則出現(xiàn)了大孔隙區(qū)與大裂隙,但相比Type1AASSC其粘結(jié)界面較為完整.這造成兩類AASSC在800 強度的大量損失.圖6 兩種AASSC不同高溫后SEM分析Fig.6 SEM analysis of two types AASSC exposed different elevated temperature2.3 基于邊界效應(yīng)

16、的ft與KIC的預(yù)測2.3.1 ft與KIC的閉合解傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計算得出的ft建立在材料是均勻的,可是混凝土材料由不同的組分組成,內(nèi)部極其不均勻.尺寸效應(yīng)模型被Baant提出,他提出試件的尺寸對斷裂參數(shù)的確定有影響23.從另外一個角度,一個閉環(huán)的邊界效應(yīng)模型(BEM)被Hu提出,當(dāng)裂縫尖端遠(yuǎn)離試件的邊界,斷裂參數(shù)的尺寸效應(yīng)基本消失7-9.近年來,BEM模型已經(jīng)在混凝土材料被多次驗證其正確性24-25.圖7所示為三點彎梁當(dāng)極限荷載Fmax達(dá)到時截面的應(yīng)力分布,ac為等效裂縫擴展長度,它等于一個離散系數(shù)乘平均骨料粒徑G.對于混凝土材料,本試驗中使用的粗骨料最大骨料粒徑為10 mm,根據(jù)理論預(yù)測

17、模型,綜合考慮粗骨料與細(xì)骨料粒徑的影響,Gdmax/1.57 mm.假設(shè)在有限裂縫擴展長度的虛擬裂縫區(qū)粘結(jié)應(yīng)力隨著名義強度n變化為一個常數(shù).根據(jù)圖中力的平衡關(guān)系可以得出如下關(guān)系.式中:W為梁自重,b為梁寬,h為梁高,a0為初始裂縫長度,L為梁的跨度.圖7當(dāng)Fmax達(dá)到時截面應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution in the cross-section when Fmax is reached圖8n隨ae變化曲線Fig.8 Variation of n with ae圖8展示的是n隨ae變化的曲線圖.其中ae是等效裂縫長度,其用于描述裂縫尖端距離試件最近邊界的距離.根據(jù)BE

18、M,n可以表示為式中:為縫高比等于初始縫長a0與梁高h(yuǎn)之間的比值.對于跨高比為4的標(biāo)準(zhǔn)三點彎曲梁為結(jié)合公式(1)和(2)可得式中:通過結(jié)合公式(5),斷裂韌度KIC可以得到2.3.2 ft和KIC結(jié)果分析從公式(6)和(7)可以看到,三點彎試驗梁的基本尺寸信息、平均骨料粒徑G、離散系數(shù)、縫高比以及最大承載力Fmax知道后,ft和KIC都可以通過簡單的公式得到求解.利用公式(6)計算得到的不同溫度后的ft隨初始裂縫長度a0的曲線如圖9所示,KIC隨a0的變化規(guī)律與ft一致,因為公式(8)所示兩者成正比關(guān)系,這里就不再敘述.圖9不同高溫下ft隨a0的變化Fig.9 Variation of ft

19、with a0 after exposure to different temperatures如圖9所示,ft基本隨a0水平波動變化,這是因為混凝土材料的不均勻性導(dǎo)致的,即使是同情況下的五個試件,計算得出的ft也有差距.此外,這種水平波動變化也說明了這一種尺寸的試件在恒溫加熱180 min后,混凝土內(nèi)外部達(dá)到了受熱均勻的狀態(tài),否則,圖中的散點不會均勻的波動變化,會出現(xiàn)明顯的折點.圖 10所示為ft隨溫度的變化曲線,同樣,KIC隨溫度變化曲線類似這里也不再贅述.從圖中可以看出,兩類AASSC隨溫度的升高,ft變化規(guī)律近似為一條負(fù)斜率的直線,在400 之前,Type1AASSC的ft比Type2

20、AASSC大,600 后Type1AASSC則相對小,這與劈裂抗拉強度得出的規(guī)律一致.圖中的每一個數(shù)據(jù)點為每一類AASSC五種溫度、五種縫高比共25個試件ft計算結(jié)果的平均值,并且添加了代表95%保證率上下限的誤差棒.表5展示了兩種AASSC在不同高溫溫度下的ft和KIC的計算結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)基于BEM計算得到的ft明顯高于相同溫度下的劈裂抗拉強度fts.這是因為本文所提出的模型計算得出的抗拉強度為真實值,而劈裂抗拉試驗得到的拉伸強度為破壞截面上的平均強度.圖 10ft隨溫度變化曲線Fig.10 Variation of ft with temperature表5ft和KIC的計算結(jié)果Tab.5 Results of ft and KIC3 結(jié)論本文對兩種AASSC進行了五種高溫溫度后抗壓、抗拉與斷裂性能的試驗研究,觀察了其高溫后微觀界面的形貌變化,并最終基于BEM探究了該堿激發(fā)海砂混凝土高溫后無尺寸效應(yīng)的斷裂參數(shù)的預(yù)測,得到結(jié)論如下:(1)該AASSC具有明顯的快凝早強的特點.護齡期到達(dá)7 d時,其抗壓強度和劈裂抗拉強度可分別達(dá)到28 d的80%和70%.而且這種早期強度上漲的快慢與粉煤灰和礦粉摻量比沒有明顯關(guān)系.此外,本文兩類AASS