高溫后堿激發(fā)海砂混凝土無(wú)尺寸效應(yīng)斷裂參數(shù)的預(yù)測(cè)

試驗(yàn)使用的礦粉和粉煤灰分別是S95級(jí)以及C類二級(jí)灰.粉煤灰中游離氧化鈣含量經(jīng)檢測(cè)小于4%,符合規(guī)范要求.他們的化學(xué)物質(zhì)含量由儀器帕納科Epsilon3進(jìn)行X射線熒光光譜(XRF)試驗(yàn)測(cè)得如表1.級(jí)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(yàn)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(yàn)用骨料的粒徑分布
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(jìn)行混凝土的配制.海水參考ASTM D1141-98^[11]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的為Type2AASSC.這兩類AASSC的具體配合比如表4所示.

表4 AASSC的配合比(kg/m3)
Tab.4 Mix proportion of AASSC(kg/m3)

立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)_cu試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度f(wàn)_ts試驗(yàn)試件尺寸都為150 mm×150 mm×150 mm,參照規(guī)范GB/T50081-2019進(jìn)行試驗(yàn)^[12].常溫下,對(duì)兩種AASSC進(jìn)行了7 d和28 d的強(qiáng)度試驗(yàn); 在高溫條件后,對(duì)兩種AASSC也進(jìn)行了兩種強(qiáng)度試驗(yàn).高溫試驗(yàn)的目標(biāo)溫度分別為200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃,常溫20 ℃作為對(duì)比組.高溫試驗(yàn)在馬弗爐中進(jìn)行,馬弗爐如圖2所示.升溫速度為10 ℃/min,到達(dá)目標(biāo)溫度后恒溫時(shí)間為180 min,等待試件靜置至室溫后取出進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和三點(diǎn)彎斷裂試驗(yàn),加載制度也在圖2中展示.所有的試件在溫度20±2 ℃、相對(duì)濕度95±2%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至28 d進(jìn)行高溫試驗(yàn).此外,在高溫試驗(yàn)前將試件放入干燥箱105±5 ℃烘干24 h.

圖2 加熱示意圖
Fig.2 Schematic of heating procedure

三點(diǎn)彎斷裂試驗(yàn)用的試件尺寸為100 mm×100 mm×515 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(zhǎng)/梁高=0.1～0.5.斷裂試驗(yàn)在一臺(tái)10 t的壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)加載速率為0.2 mm/min,具體的試驗(yàn)加載圖如圖3所示.使用7 t力的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jì)測(cè)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(jì)進(jìn)行測(cè)量.此外,試件側(cè)面裂縫口對(duì)稱布置一對(duì)應(yīng)變計(jì)來(lái)測(cè)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(cè)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(diǎn)彎梁試驗(yàn)圖
Fig.3 Test setup for three-point-bending beam

圖4所示折線圖展示的為兩種AASSC在7 d和28 d的劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度變化.兩種AASSC養(yǎng)護(hù)7 d后立方體抗壓強(qiáng)度可達(dá)28 d的80%以上,劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度在7 d和28 d下均比Type2AASSC的高.其原因?yàn)楸旧矸勖夯一钚约幢鹊V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(dòng)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(qiáng)度^[14].

圖4 常溫下7d和28d的AASSC立方體抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度損失嚴(yán)重.到達(dá)800 ℃時(shí),兩種AASSC殘余強(qiáng)度僅為常溫時(shí)的14%和44%.200 ℃強(qiáng)度提高的原因?yàn)槲此姆勖夯液偷V粉反應(yīng)生成莫來(lái)石以及在此溫度下對(duì)AASSC形成內(nèi)養(yǎng)護(hù)使得強(qiáng)度提高^[17].600 ℃后AASSC強(qiáng)度急劇下降的原因?yàn)榇罅康幕瘜W(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(huì)變寬邊長(zhǎng),膨脹引起的裂縫也會(huì)隨之增多^[18].800 ℃后AASSC強(qiáng)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(qiáng)度比Type2AASSC高,原因?yàn)楦嗟牡V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(shí),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(qiáng)度的損失,原因?yàn)镃-S-H和C-A-S-H對(duì)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(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的結(jié)果
Fig.5 Results of cubic compressive strength and splitting tensile strength of two types AASSC exposed different elevated temperature

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(qiáng)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(shuō)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(qiáng)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?yàn)樽杂伤膿p失,出現(xiàn)了小的孔隙區(qū),這造成了抗拉強(qiáng)度的降低.400 ℃后,圖中所示裂縫數(shù)量減少,這是因?yàn)楦邷厥沟脻{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?yàn)槠浔旧砹芽p多,裂縫寬度也逐漸在增大.這些都造成了AASSC強(qiáng)度進(jìn)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(qiáng)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 temperature