摘要：將磨細礦渣和粉煤灰分別等量取代水泥得到的3組磨細礦渣混凝土和2組粉煤灰混凝土進行了彎曲疲勞試驗，與基準混凝土的疲勞性能進行了對比。并由差熱一熱重試驗和恒溫箱干燥一高溫爐灼燒法，分別測得了Ca（OH）2 質(zhì)量分數(shù)和非蒸發(fā)水質(zhì)量分數(shù)隨混凝土中磨細礦渣或粉煤灰摻量的變化規(guī)律。結(jié)果表明，對于養(yǎng)護齡期為90 d的C50混凝土，當S95級磨細礦渣或I級粉煤灰等量取代水泥質(zhì)量的30% 時，混凝土的彎曲疲勞性能最佳。
關鍵詞：彎曲疲勞；磨細礦渣；粉煤灰；最適宜摻量
隨著高性能混凝土在我國高速公路、跨海大橋等重大工程中用量的日益增加，磨細礦渣和粉煤灰的用量也越來越大。在混凝土中摻入磨細礦渣和粉煤灰，不僅能有效改善其流動性和力學性能，而且降低了混凝土成本和環(huán)境壓力。但是對于承受循環(huán)荷載作用下的高性能混凝土而言，為得到相對較好的彎曲疲勞性能，混凝土中磨細礦渣和粉煤灰摻量并不是越多越好，均存在一個最適宜摻量。近幾年來，國內(nèi)外許多學者均通過各種試驗從不同角度對其最適宜摻量值進行了研究和討論。當水膠比（質(zhì)量比）在0.35～0.50范圍內(nèi)時，文獻[1]從水泥砂漿的強度及流動度試驗得出：當磨細礦渣質(zhì)量分數(shù)為40%左右時，礦渣水泥砂漿的強度與流動度都達到最大值，最適于施工；文獻[2]從磨細礦渣摻量對水泥凈漿水化產(chǎn)物及孔結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，總結(jié)出當磨細礦渣等量取代水泥30%時，漿體中的水化產(chǎn)物含量最多、孔隙率最低的規(guī)律；文獻[3]也認為磨細礦渣等量取代30%水泥配制的高性能混凝土具有最優(yōu)的強度和抗?jié)B性能。當水膠比在0.30～0.40范圍內(nèi)時，文獻[4]提出粉煤灰摻量達到30%時，所配混凝土具有最佳等抗氯離子滲透及降低堿集料反應等性能；文獻[5]的研究也發(fā)現(xiàn)：當粉煤灰摻量為30%時，混凝土的抗?jié)B性能最佳。文獻[6，7]研究了粉煤灰在砂漿和混凝土中的強度效應，結(jié)果表明：強度效應指數(shù)達到最大值時的粉煤灰摻量為40%；而從充分發(fā)揮粉煤灰作用效應的角度提出其飽和摻量約為25%。
但是混凝土的彎曲疲勞性能不同于常規(guī)力學性能，疲勞壽命對混凝土中的微細缺陷更為敏感。在公路工程中使用的高性能混凝土水膠比通常選擇0.35，因此，本文采用0.35水膠比，對單摻不同比例磨細礦渣、粉煤灰的高性能混凝土進行等幅彎曲疲勞試驗，以探討這2種活性摻合料在混凝土中的最適宜摻量，為確定工程設計參數(shù)提供依據(jù)。
1 混凝土配合比和疲勞試驗參數(shù)
本文選用P。II 42.5硅酸鹽水泥，S95級磨細礦渣，I級粉煤灰；細集料采用細度模數(shù)2.4的天然河砂（中砂）；粗集料為玄武巖碎石，最大粒徑為20 mm，級配良好；減水劑選用萘系JM-B高效減水劑。膠凝材料的化學成分及主要物理性能如表1和表2所示。
本文旨在研究S95級磨細礦渣和I級粉煤灰摻量對混凝土彎曲疲勞性能的影響規(guī)律，尋找這2種活性摻合料的最適宜摻量，故在配合比設計中同定了水膠比（w／b=0.35）、砂子和石子的用量（配合比見表3），調(diào)整減水劑摻量以保證混凝土坍落度控制在8～12 cm范圍內(nèi)。6組配合比新拌混凝土均具有良好的工作性能。疲勞試件為100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體，養(yǎng)護齡期為90 d。
疲勞試驗用型號為PWS一100B的電液伺服動靜萬能試驗機及配套的疲勞試驗控制儀。疲勞選取0.90，0.85，0.80，0.75，0.70，0.65六個應力水平，應力特征值R=0.1的4點等幅加載方式。當應力水平在0.75以上，加載頻率選取2 Hz；當應力水平等于或低于0.75，加載頻率選取10 Hz。
2 疲勞試驗結(jié)果
混凝土中膠凝材料的組成對其力學性能影響較大，疲勞試驗參數(shù)的確定與混凝土靜載抗彎強度密切相關，因此本文將測得的6組配合比混凝土靜載抗彎強度繪于圖1。試驗在萬能動靜試驗機上完成，加載速度為0.2 kN／s。從圖1可知：隨著混凝土中磨細礦渣和粉煤灰摻量的逐漸增大，其靜載抗彎強度呈下降趨勢；其中，C50一FA30和C50一GGBS30的靜載抗彎強度分別接近和超過基準混凝土。
通過各組得到的靜載抗彎強度值確定疲勞最大荷載、最小荷載、疲勞荷載均值及幅值，由位移控制方式進行疲勞試驗。由于疲勞試驗數(shù)據(jù)受到多重因素的影響，存在較大的離散性，將彎曲疲勞壽命取平均值，得到圖2所示6組配合比混凝土的SlgN柱形圖，其中，S為應力水平，N為荷載。
由圖2可以看出：① 2組粉煤灰混凝土，在應力水平低于0.85時，其彎曲疲勞性能均比基準混凝土優(yōu)越。② 在應力水平低于0.90時，C50一GGBS30混凝土的彎曲疲勞性能均優(yōu)越于基準混凝土；其他2組磨細礦渣混凝土，僅在應力水平低于0.85時才顯示出較好的彎曲疲勞性能，且疲勞壽命隨磨細礦渣摻量的增加而增加。③ 當應力水平降低至0.65時，3組磨細礦渣混凝土和2組粉煤灰混凝土的彎曲疲勞壽命中，均出現(xiàn)了超過2 ×106次仍不破壞的情況，而基準混凝土卻均在2×106 次前發(fā)生斷裂。
3 疲勞斷口分析
混凝土材料在宏觀層次上為粗骨料相與砂漿相組成，這兩相的力學性能明顯不同。本文混凝土破壞時有2種斷裂形式：① 裂縫沿粗骨料表面偏轉(zhuǎn)，即沿界面脫粘且裂縫繞過界面而破壞；② 粗骨料拉斷破壞。為了分析磨細礦渣、粉煤灰摻量對混凝土疲勞斷口特征的影響規(guī)律，本文計算了6組混凝土在6個應力水平下疲勞斷口上的脫黏粗集料投影面積。具體計算步驟如下：①在試件斷裂截面選出脫黏粗集料的區(qū)域；② 用數(shù)碼相機拍攝抗彎疲勞試件斷裂截面的超高品質(zhì)圖像；③ 利用通用UTIT Image Tool 3。0圖像處理軟件將照片中粗集料脫黏區(qū)域的灰度進行過濾，并計算粗集料脫粘面積與整個斷裂截面歐氏面積之比。混凝土的疲勞斷裂形式具體屬于哪一種，主要取決于基體一粗集料界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)特征及界面粘結(jié)力的大小。因此，本文定義了表征粗集料脫黏（coarse aggregatede—bonding）的概率指標：
磨細礦渣、粉煤灰摻量對混凝土在不同應力水平下的PCAD 。指標的影響如圖3所示。由于C50-FA30和C50-FA50混凝土在應力水平為0.65時的循環(huán)次數(shù)超過2 × 106 次仍未發(fā)生斷裂，故缺少該項PCAD指標數(shù)據(jù)。
由圖2和圖3可知：在高應力水平下，疲勞斷裂以裂縫穿越粗集料的形式為主，基體強度越高，疲勞壽命則越長，截面脫黏粗集料較少；而在低應力水平下，疲勞主裂縫沿著基體一粗集料界面區(qū)逐漸延伸擴展，粗集料大多與基體脫黏，此時，基體一粗集料界面區(qū)的密實度和強度是影響疲勞壽命的關鍵因素，若界面區(qū)具有良好的密實性，則疲勞壽命越長。
4 混凝土基體中Ca（oH）2和非蒸發(fā)水質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律
為了研究疲勞性能與不同摻量活性摻合料混凝土微觀結(jié)構(gòu)之間的關系，對基體中的膠凝材料硬化漿體進行了差熱一熱重分析（DSC-TGA）和恒溫箱干燥一高溫爐灼燒測試。DSC—TGA分析方法可準確得到膠凝材料硬化漿體中的Ca（OH）2 數(shù)量。由于非蒸發(fā)水一般被定義為“經(jīng)過D-干燥后存留在漿體中的水”，但是D-干燥的試驗條件苛刻、試驗周期長，因此本文選用了目前普遍采用的恒溫箱干燥一高溫爐灼燒方法進行測試。該方法的試驗條件靈活，所得結(jié)果與D-干燥結(jié)果比較接近。
隨著水化的進行，原先充水的毛細孔逐漸被水化產(chǎn)物所填充。水化產(chǎn)物越多，其包含的凝膠孔就越多，吸附的非蒸發(fā)水量亦越多。由于毛細孔被水化產(chǎn)物填充后直徑減小或被完全堵塞，使得混凝土基體中的孔隙率降低，結(jié)構(gòu)更加密實，因此非蒸發(fā)水質(zhì)量分數(shù)通?？捎脕砗饬炕炷粱w的水化程度。另一方面，混凝土中的一部分Ca（OH）2 富集于基體粗集料界面過渡區(qū)，若ca（OH）2 數(shù)量較多，則該界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)疏松、微缺陷較多，將對混凝土疲勞性能產(chǎn)生負面影響。因此，在使用相同水膠比、相同物理化學特性膠凝材料的情況下，其硬化漿體中的ca（OH）2 和非蒸發(fā)水質(zhì)量分數(shù)與混凝土彎曲疲勞性能之間存在密切的聯(lián)系。
因此，在疲勞試件成型的同時，將所用P。II 42.5硅酸鹽水泥、S95級磨細礦渣或I級粉煤灰、水，按比例均勻拌和，水膠比亦為0.35，裝入塑料自封袋中封閉養(yǎng)護，排除袋中空氣。待漿體終凝后，拆除自封袋并將該漿體試樣與疲勞試件一同放入養(yǎng)護室，在標準養(yǎng)護制度下養(yǎng)護（配合比見表4）。將與疲勞試件養(yǎng)護齡期相同的6組配合比漿體試樣分別取出100g左右，浸泡于異丙醇至少25 min以中止水化；在無水乙醇中研磨至全部通過200目篩；過濾，先用乙醇沖洗5次，再采用二乙醚沖洗2次。一部分試樣預先放置鈉石灰的真空干燥箱中，在35℃，一0.1 MPa大氣壓條件下抽真空1 h，取出后裝袋密封，以防空氣中的水分和二氧化碳與樣品粉末發(fā)生反應，留待進行DSC -TGA測試。另一部分試樣先在恒溫箱中不控制濕度和壓力的情況下以105℃左右的溫度烘干至恒定質(zhì)量，取出后裝袋密封。
差熱量程選擇±100 µV；測質(zhì)量量程選擇50mg；爐內(nèi)氣氛為靜態(tài)N2；升溫速度取10℃／min，至950 ℃止。差熱曲線上400～600℃之間出現(xiàn)的吸熱峰是水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2分解失水產(chǎn)生的。稱取1 g左右（精確至0.0 001 g）經(jīng)105℃干燥至恒重的試樣，放在高溫爐中加熱至1 000℃左右灼燒直至恒定質(zhì)量。由于原材料高溫灼燒時也有質(zhì)量損失，所以該方法得到的質(zhì)量損失還要扣除原膠凝材料的質(zhì)量損失，此修正后的結(jié)果與原干燥試樣質(zhì)量的百分比才是硬化漿體中非蒸發(fā)水的質(zhì)量分數(shù)，具體修正方法見文獻[8]。2種活性摻合料摻量對硬化漿體中Ca（OH）2與非蒸發(fā)水質(zhì)量分數(shù)Wn的影響規(guī)律如圖4所示。
混凝土基體中膠凝材料的水化反應和火山灰反應，對非蒸發(fā)水和Ca（OH）2 質(zhì)量分數(shù)存在正負兩方面的影響：① 表面積較大的磨細礦渣和粉煤灰顆粒對新拌漿體中的水泥顆粒具有分散、解聚作用，同時需要消耗水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2 反應生成C—S—H凝膠，使得混凝土基體中的Ca（OH）2 減少、非蒸發(fā)水量和C—S—H凝膠數(shù)量增加，即正效應；② 由于膠凝材料中水泥摻量隨磨細礦渣或粉煤灰摻量的增加而減少，水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2 不足以滿足磨細礦渣或粉煤灰反應的需求，使得混凝土基體中的非蒸發(fā)水質(zhì)量分數(shù)和C—S—H凝膠數(shù)量也相應減少，即負效應。由圖4可以得出：① 當磨細礦渣摻量在30% ～50%之間時，正負效應差異不明顯，非蒸發(fā)水質(zhì)量分數(shù)隨磨細礦渣摻量的增加而減少的速率較慢，但Ca（OH）2質(zhì)量分數(shù)降低的速率則較快；當磨細礦渣摻量達到80%時，負效應遠遠大于正效應，非蒸發(fā)水質(zhì)量分數(shù)急劇下降，且Ca（OH）2質(zhì)量分數(shù)不足2%。② 2組粉煤灰混凝土中的非蒸發(fā)水質(zhì)量分數(shù)與基準混凝土相差較小，但Ca（OH）2數(shù)量隨著粉煤灰摻量的增大而急劇降低，其中C50一FA50混凝土中的Ca（OH）2 質(zhì)量分數(shù)不足2%。
5 試驗結(jié)果分析
結(jié)合圖1一圖4的數(shù)據(jù)可知：在初始水膠比相同的情況下，水化產(chǎn)物的數(shù)量與混凝土靜載抗彎強度之間具有十分密切的聯(lián)系；混凝土彎曲疲勞壽命與DSC—TGA測試結(jié)果之間具有良好的相關性。具體表現(xiàn)為：① 在應力水平高于0。80時，混凝土的彎曲疲勞壽命隨其靜載抗彎強度的提高而增加。這是由于此時的疲勞破壞是由微細裂縫在基體中擴展的速率所決定的，因此，若基體抑制裂縫控制的能力越強，則其疲勞壽命將越長。② 當應力水平等于或低于0。80時，混凝土彎曲疲勞破壞速率是由微細裂縫沿基體一粗集料界面過渡區(qū)擴展的速率所決定。由于活性摻合料的加入，使得基體一粗集料界面過渡區(qū)存在的Ca（OH）2 質(zhì)量分數(shù)減少，有效降低了基體與界面過渡區(qū)在組成、結(jié)構(gòu)上的差異，相對提高了界面過渡區(qū)抵抗荷載作用及抑制損傷發(fā)展的能力，因而其彎曲疲勞性能得以改善。
研究發(fā)現(xiàn)：在應力水平低于0.90時，對于C50-GGBS30和C50-FA30混凝土而言，不僅其靜載抗彎強度接近甚至超過基準混凝土，而且平均彎曲疲勞壽命均比基準混凝土長；在此應力水平下，雖然C50-GGBS50，C50-GGBS80和C50-FA50混凝土的彎曲疲勞壽命也均比基準混凝土長，但是其靜載抗彎強度相對較低，同時基體中過低的Ca（OH）2 含量可能會使混凝土產(chǎn)生“貧鈣”問題。因此，本文認為：在混凝土工程應用中，要獲得較高強度、較長彎曲疲勞壽命的混凝土，其基體中的S95級磨細礦渣或I級粉煤灰摻量均為30%左右為宜。
6 結(jié)論
1） 在應力水平低于0.85時，3組磨細礦渣混凝土和2組粉煤灰混凝土的彎曲疲勞壽命均比基準混凝土長。其中，當應力水平達到0.65時，5組活性摻合料混凝土的疲勞壽命中均出現(xiàn)了超過2×106 次仍不破壞，而基準混凝土均在未達2×106次之前發(fā)生破壞。
2） 混凝土在高、低應力水平下彎曲疲勞壽命的長短及PCAD指標的變化規(guī)律，均是由不同疲勞斷裂控制機制所決定。
3） 結(jié)合靜載抗彎強度值、疲勞壽命、PCAD 指標與熱分析測試結(jié)果，綜合考慮認為：對于養(yǎng)護齡期為90 d的C50混凝土，當其中單摻S95級磨細礦渣或I級粉煤灰的摻量均為膠凝材料總質(zhì)量的30%時，可獲得最佳的彎曲疲勞性能。
返回主頁面
