早龄期砂浆抗拉强度及弹性模量研究

邵爽爽, 金祖权, 于 泳, 赵继增

(1.青岛理工大学 土木工程学院, 山东 青岛 266033;2.青岛市西海岸轨道交通有限公司, 山东 青岛 266500)

随着中国基础建设规模与类型的不断扩大,中低水胶比、高用量胶凝材料的高强高性能混凝土得到了大量应用.但由于水泥水化收缩、干燥收缩及结构的约束作用,混凝土结构的早期开裂时有发生,不仅对环境产生负面影响,而且对人民的生命、财产造成危害[1-3].提高混凝土抗裂能力,一方面通过优化配合比及良好的养护降低开裂趋动应力,另一方面则要提升早龄期混凝土的抗拉强度与变形能力.早龄期抗拉强度、抗拉弹性模量是砂浆力学性能的重要参数，决定了砂浆的早期抗开裂能力.因此,水泥基材料的早龄期抗拉强度与抗拉弹性模量的研究对水泥基材料早期开裂具有重要意义.

目前,针对水泥基材料抗拉弹性模量的测定已有较多学者做了研究,如：陈萌等[4]利用轴向拉伸试验装置测试了混凝土5个龄期(3、7、14、28、60d)的抗拉弹性模量,得出了其抗拉弹性模量随龄期的发展变化规律;曾力等[5]通过砂浆黏结拉伸强度测试仪测试了砂浆7、28、90d的抗拉强度,研究了矿物掺合料对弹性模量的影响;杨杨等[6]通过自制装置测试了砂浆早期(养护龄期大于1d)的极限拉应力与应变，得到了其变化规律;Yoshitake 等[7]通过拉伸试验对粉煤灰混凝土早期单轴抗拉强度和杨氏模量进行了定量研究,提出了强度和杨氏模量的经验公式;Gao等[8]通过纳米压痕研究粉煤灰砂浆的微观结构和微观弹性性能;Carmelo等[9]通过对压缩拉伸试验得到的载荷-位移曲线进行反分析,确定了不同水化阶段的弹性模量、抗拉强度和断裂能的发展;Vilanova等[10]利用自密实混凝土力学性能的电流估计模型预估了自密实混凝土的弹性模量、抗拉强度及断裂模量.但由于水泥基材料早龄期(养护龄期小于1d)的抗拉强度小、位移和变形难以测量,目前水泥基材料早龄期的抗拉强度和弹性模量的研究还鲜有报道.

数字图像相关技术(DIC)是一种利用物体表面随机分布的斑点来给出变形场的非接触式、无损的变形测量方法[11-12].通过分析材料变形前后图像的系统相关性,计算应变分布与全场位移[13-17].弹性模量的非接触测量是在高温等恶劣环境下对材料进行在线评估的必要条件[18],利用DIC的非接触式测量优势,Elfgren等[19]研究了混凝土材料的力学性能,Jiang等[20]研究了在加速腐蚀下钢筋混凝土的变形场,这也为早龄期水泥基材料应力应变测试提供了一种理想的方法.

借助东南大学开发的水泥基材料塑性抗拉强度测试装备[21],利用DIC测试水泥基材料在拉荷载下的变形行为,得到了水泥砂浆早龄期的抗拉强度和应力-应变曲线,拟合出了砂浆早龄期抗拉弹性模量,并研究了极限抗拉强度与抗拉弹性模量随养护龄期的变化规律,为水泥基材料早龄期力学性能发展与抗裂性能研究提供依据.

1)文中涉及的烧蚀量、含量、水灰比等均为质量分数或质量比.

1 试验

1.1 原材料

中联水泥公司生产的P·O 52.5普通硅酸盐水泥;青岛中矿宏远牌S95级矿粉(GGBS);华电潍坊产Ⅰ级粉煤灰,比表面积为379m2/kg,烧蚀量1)1%;细度模数为2.6的大沽河中砂,含泥量为1.6%,堆积密度为1563kg/m3;聚羧酸高效减水剂,减水率约为30%.硅酸盐水泥、粉煤灰及矿粉化学组成如表1～3所示.

表1 硅酸盐水泥化学组成

表2 粉煤灰化学组成

表3 矿粉化学组成

砂浆中胶凝材料总量为725kg/m3、水灰比控制在0.31～0.32,用纯水泥作为胶凝材料制备对比砂浆.砂浆配合比如表4所示.

表4 砂浆配合比

1.2 试验方法

抗拉八字模具有对称可移动的2部分,主要由底座、带滑动轨道且与底座固定的钢板、固定端和可移动端组成.试验过程如下：将砂浆浇筑到八字型钢模中并养护至10、11、12、13、14h;将八字型模具通过特制卡槽固定在小车上,八字型模具左侧部分与固定端相连,右侧小车悬挂重物,2侧滑轮与小车中心在同一高度的直线上,使砂浆试件处于轴心受拉状态;在砂浆试件正上方固定1个75mm微距镜头的CCD工业相机,采集砂浆试件在拉伸过程中的表面图像,采集频率为0.3s/次;在八字型模具的右侧悬吊塑料桶,通过往桶内加水控制所施加荷载的大小,加水速率为10～12g/s,直到砂浆试件被拉断,在此过程中记录施加荷载的大小和砂浆表面图像.考虑测试装置自身摩擦力对测试结果的影响,试验完毕后测试试验装置自身摩擦力,以消除其对试验结果的影响.为了提高DIC的试验精度,采用人工喷涂方法制作散斑图像[22].砂浆抗拉强度试验测试原理图见图1.

图2为砂浆受拉过程中表面应变测试与计算结果.测试过程中工业相机采集到图2(a)所示的砂浆表面图像后,导入Vic-2sd计算软件,选定图2(b)所示分析区域并对其表面应变进行DIC计算分析,得到图2(c)所示的表面应变云图,将数据处理成矩阵形式后导入Matlab软件,计算出与单轴拉应力方向对应的应变图,如图2(d)所示.

图1 砂浆抗拉强度试验测试原理图Fig.1 Schematic diagram of mortar tensile strength test

图2 砂浆受拉过程中表面应变测试与计算结果Fig.2 Surface strain test and calculation results during mortar under tension loading

2 结果与分析

2.1 早龄期砂浆抗拉强度及抗拉弹性模量

A砂浆试件在养护10、11、12、13、14h后,拉应力σ分别选取0、0.023～0.027MPa以及极限抗拉强度(拉应力的最大值，σmax),利用其受拉过程中工业相机拍摄的图像,可得到DIC计算表面应变云图.图3为A砂浆在不同养护龄期和拉荷载下的表面应变云图.

由图3可见：A砂浆在拉应力为0时,各龄期表面的应变值均趋于零;随着拉应力的增大,砂浆试件表面出现明显的应变,且中间部分(八字形模具最窄截面处)应变最大,这是因为在轴心拉应力作用下,该截面处产生了应力集中;根据DIC计算的应变云图,可得到试件在不同荷载下的应变ε.砂浆拉应力σ和抗拉弹性模量E的计算公式为：

图3 A砂浆在不同养护龄期和拉荷载下的表面应变云图Fig.3 Surface strain cloud diagram of A mortar under different curing ages and tensile loads

(1)

(2)

式中：F为砂浆所受拉力;A为砂浆受拉的横截面积;m为施加的质量;g为重力系数,取g=9.8N/kg;f为摩擦力;b为截面长度;h为截面宽度.

由式(1)计算得到砂浆的拉应力,绘制砂浆在不同拉应力下的应力-应变曲线,可以得到A砂浆的极限抗拉强度σmax.弹性模量反映瞬时荷载作用下的应力-应变性质,是钢筋混凝土设计中的一个关键参数,它表示弹性范围内的应力-应变关系,与结构的最终应力状态有直接关系[23-25].本试验是在加荷速度不产生徐变的条件下,外荷载短促作用下得到的瞬时变形模量[26-27].根据文献[4]选取极限抗拉强度50%之前的数据点进行线性拟合,并通过式(2)计算砂浆的抗拉弹性模量.如图4为A砂浆在不同养护龄期的抗拉应力-应变曲线和抗拉弹性模量.

图4 A砂浆在不同养护龄期的抗拉应力-应变曲线和抗拉模量Fig.4 Tensile stress-strain curves and tensile elastic modulus of A mortar at different curing ages

由图4可见：A砂浆试件随着养护龄期的延长,试件的极限抗拉强度σmax与抗拉弹性模量均出现不同程度的增大;A砂浆龄期为12h时的极限抗拉强度、抗拉弹性模量分别比10h时增大了27%、31%,14h 的极限抗拉强度、抗拉弹性模量分别比12h时增加了14%、24%.这是因为随着养护龄期的延长,胶凝材料不断水化,强度不断发展,砂浆抗拉能力提升,抵抗变形能力增强,且早期水化速度较快.

2.2 矿物掺和料对砂浆抗拉强度及抗拉弹性模量的影响

图5、6分别为不同砂浆的抗拉应力-应变曲线、极限抗拉强度和抗拉弹性模量.由图5、6可见：砂浆养护14h后,其极限抗拉强度小于0.085MPa,抗拉弹性模量在0.25～0.35GPa;不同砂浆的极限抗拉强度与抗拉弹性模量均随龄期的延长呈现出相似的线性增长规律;不同砂浆从10h到12h的极限抗拉强度与抗拉弹性模量增长率都大于从12h到 14h 的增长率,可能因为粉煤灰和矿粉的掺入使10h 之前的砂浆试件抗拉弹性模量发展较慢;不同砂浆从10h到12h的抗拉弹性模量增长率相差较小,C、D砂浆在10h到12h的抗拉弹性模量的增长率比A、B砂浆高.

由图6还可见：A砂浆的极限抗拉强度和抗拉弹性模量增长较快,其各龄期的极限抗拉强度与抗拉弹性模量值均是最大,这是因为A砂浆为纯水泥砂浆试件,水泥水化反应速度比较快;B砂浆的极限抗拉强度与抗拉弹性模量明显高于C、D砂浆,原因可能是粉煤灰和矿粉早期发挥作用小,只有极少一部分参与水化,早期只是作为微集料起到填充的作用,中后期才会充分参与水化，即粉煤灰和矿粉的掺入延缓了胶凝材料的水化速率;单掺25%粉煤灰的B砂浆相对于复掺30%矿粉、20%粉煤灰的C砂浆以及复掺20%矿粉、30%粉煤灰的D砂浆所取代的水泥量较少,所以同龄期下B砂浆的极限抗拉强度与抗拉弹性模量发展较快.

图5 不同砂浆的抗拉应力-应变曲线Fig.5 Tensile stress-strain curves of different mortars

图6 不同砂浆的极限抗拉强度和弹性模量Fig.6 Ultimate tensile strength and tensile elastic modulus of different mortars

3 结论

(1)随着养护龄期的延长,砂浆的极限抗拉强度与抗拉弹性模量线性增大,且早期的极限抗拉强度与抗拉弹性模量发展较快.砂浆养护14h后,其抗拉强度小于0.085MPa,抗拉弹性模量在0.25～0.35GPa.

(2)与纯水泥砂浆相比,矿粉与粉煤灰的掺入延缓了胶凝体系的水化速率，降低了砂浆的极限抗拉强度和抗拉弹性模量.