大掺量粉煤灰混凝土力学性能研究

刘佳莹， 唐周鸣

(桂林理工大学土木与建筑工程学院， 广西桂林 541004)



大掺量粉煤灰混凝土力学性能研究

刘佳莹， 唐周鸣

(桂林理工大学土木与建筑工程学院， 广西桂林 541004)

【摘要】为了研究大掺量粉煤灰混凝土的力学性能，通过3种配合比的粉煤灰混凝土的单向轴向加载试验，探讨其应力应变的力学特性。同时，采用我国规范公式以及国外具有代表性的计算公式进行应力应变计算并与试验结果进行比较。研究表明：随着粉煤灰掺量和龄期的增加，混凝土抗压强度、抗压强度对应的应变能有效增大，但横向变形能力降低；中国规范公式和日本计算公式与试验数据吻合程度较高，较好地评价粉煤灰混凝土应力应变关系。

【关键词】粉煤灰；混凝土；抗压强度；应力应变

在土木工程行业，为提高粉煤灰的利用率，学者和工程技术人员对粉煤灰混凝土的性能进行了大量的研究[1]。松藤泰典[2]的研究表明，在水灰比为0.65的前提下，只要粉煤灰掺量不超过300L/m3，则均能提高混凝土的抗压强度；陶山裕树[3]则解释为：混凝土掺入粉煤灰后抗压强度提高在于其内部的空隙变小;文献[4-8]是关于粉煤灰混凝土力学性能的研究，但是以上研究局限于早期抗压强度且最大煤灰参量为水泥参量的1.2倍以内。因此，本文在水灰比不变的条件下，建立三种混凝土配合比A、B、C，分别为普通硅酸盐混凝土、大掺量粉煤灰混凝土(粉煤灰掺量分别为水泥掺量的0.87、1.63倍)，对其3个月和12个

月龄期的标准试件进行加载实验，探讨其轴向和横向应力应变的力学特性及耗能等。研究大、特大掺量粉煤灰混凝土后期力学性能。

1实验内容

1.1材料、配合比及试件

本试验采用的试件为圆柱体，直径100、高200，标准条件下进行养护，龄期为3个月和12个月。

混凝土配合比共3种，粉煤灰掺量分别为0、87%和163%(表1)。每种配合比类型各制作2组试件，每组试件3个，一共18个试件。

表1　粉煤灰混凝土配合比

1.2加载试验

试验采用1 000kN万能试验机，单向轴向加载至试件破坏。

在圆柱形试件纵向、横向对称位置各布置2个应变片，应变片长度为70mm。

2试验结果分析

2.1应力-应变关系

图1、图2分别为3个月龄期和12个月龄期试件在轴向力作用下的轴向应变曲线和横向应变曲线。

图1表明：首先，混凝土抗压强度随着粉煤灰掺量的增加而提高，但提高的幅度逐渐减小；其次，随着龄期的增加，粉煤灰混凝土(配合比B和C)与普通混凝土(配合比A)相比，其后期抗压强度提高的幅度更大；再次，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土轴向变形能力略有提高。

图2表明：首先，随着粉煤灰掺量和龄期的增加，混凝土的轴向应力显著增大；其次，当龄期为3个月时，粉煤灰明显提高了混凝土的横向变形能力，但随着龄期的继续增加，粉煤灰混凝土横向变形能力明显降低，且粉煤灰掺量越大，其横向变形能力降低越多。

图1　轴向应力应变曲线

图2　轴向应力-横向应变曲线

3应力应变关系模型

3.1模型概要

为推广粉煤灰混凝土的广泛应用，有必要建立粉煤灰混凝土的应力应变关系公式。文献[9]给出了一种普通硅酸盐水泥混凝土的应力应变关系公式。由于该公式适用范围较广能够应用于抗压强度不超过130MPa的混凝土，以下将根据本次试验结果对该公式进行讨论。

(1)

式中：σ为混凝土应力；fc,r为混凝土抗压强度试验值；X是轴向变形与抗压强度对应应变εc,r的比值。式(1)表明，要定义大掺量粉煤灰混凝土应力应变关系，需要明确3个参数：X、a和b。根据文献[9]，试件的εc,r以及控制应力-应变曲线的系数a和b可用以下公式来表示：

(2)

(3)

(4)

b=1.5-0.0168fc,r

(5)

式中：εc,r为抗压强度fc,r对应的混凝土峰值压应变；Ec为混凝土弹性模量，可用式(6)来确定；Esec为峰值点对应的割线模量。

(6)

由式(2)～式(6)中得知，只要确定混凝土抗压强度实验值，就能求得3个参数以及混凝土的弹性模量。GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》中计算公式如下：其中，dc表示混凝土单轴受压损伤演化系数，ρc、n、x为计算参数，fc,r以及εc,r与上式含义相同。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

根据文献[10]中公式：

(12)

根据以上公式确定各试件主要参数(表2、表3)。

3.2公式计算结果与试验结果的比较

不同配合比各种计算方法的应力应变关系理论值和实验值如图3所示。

为对比各计算方式的实际差别，均取应变为0.0015来进行比较。龄期为3个月时，将轴向应力从小到大依次排列，配合比A：实验值为29.77 MPa、中国规范29.92 MPa、日本计算公式29.96 MPa、Sneaz值30.11 MPa；配合比B：实验值35.35 MPa、中国规范37.20 MPa、日本计算公式37.80 MPa、Sneaz值38.28 MPa；配合比C：实验值为39.04 MPa、中国规范43.36 MPa、日本计算公式44.14 MPa、Sneaz值45.49 MPa。

龄期为12个月时，将轴向应力从小到大依次排列，配合比A：实验值为32.73 MPa、日本计算公式33.57 MPa、中国规范33.69 MPa、Sneaz值33.98 MPa；配合比B：实验值43.94 MPa、中国规范47.37 MPa、日本计算公式48.32 MPa、Sneaz值50.72 MPa；配合比C：实验值50.00 MPa、日本计算公式为51.74 MPa、中国规范52.44 MPa、Sneaz值57.03 MPa。

对比可以看出，各公式的契合程度都较好，计算值都略大于实验值。从整体来看，中国规范公式和日本计算公式契合程度最好，素混凝土时误差小于1%，但随着粉煤灰掺量的增多，误差有所增大。

4结论

(1)单位体积混凝土中粉煤灰掺量为水泥掺量的1.63倍以内时，随着粉煤灰掺量和龄期的增加，混凝土的轴压力学性能有所提高；但是，粉煤灰混凝土横向变形能力降低。

表2　试件主要参数一

龄期3个月配合比ABC 试件类型参数 试件1试件2试件3试件1试件2试件3试件1试件2试件3fc,r/MPa38.1938.1938.1959.157.7359.172.4373.6372.93εc,r(计算值)0.00230.00230.00230.00260.00260.00260.00270.00280.0027εc,r(实验值)0.00240.00240.00240.00240.00230.00240.00260.00280.0028Ec/MPa(计算值)27416.9627416.9627416.9632423.0132125.4532423.0135155.1335388.2335252.49Ec/MPa(实验值)27260.0030920.0028920.0032720.0033640.0033520.0034540.0036360.0036960.00Esec/MPa15912.5015912.5015912.5024625.0025100.0024625.0027857.6926296.4326046.43a1.72301.72301.72301.31671.27991.31671.26201.34571.3534b0.85840.85840.85840.50710.53010.50710.28320.26300.2748ρc0.58370.51460.55020.75260.74610.73460.80650.72320.7047n2.40232.06032.22334.04203.93913.76845.16893.61303.3866

(2)本次试验的粉煤灰混凝土应力应变关系符合了我国混凝土规范中的相关公式。

参考文献

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[3]陶山裕树,小山智幸,小山田英弘,等.無機粉体を外割混合したコンクリートの力学性状に及ぼす細孔空隙構造の影響[J].コンクリート工学年次論文集,2007,29(1)：231-236.

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[基金项目]广西矿冶与环境科学实验中心项目(KH2012YB027)

[作者简介]刘佳莹(1990～),女,壮族，硕士研究生,研究方向为结构工程。

【中图分类号】TU502+.6

【文献标志码】B

[定稿日期]2015-10-28