不同应变速率下电解锰渣混凝土尺寸效应研究

包瑞恩，方 琴，李 浪，杨小洁，龙昌鑫

(贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

1 概述

电解锰渣是在碳酸锰矿粉加入硫酸溶液生产电解金属锰的过程中产生的过滤酸渣，我国已经成为全球最大的电解锰生产国、消费国和出口国[1]。

混凝土的尺寸效应是影响构件强度的影响因素之一，此外结构设计时确保混凝土在动态荷载作用下的安全性和可靠性是设计阶段所要考虑的，电解锰渣作为工业固废，目前用于制备混凝土的研究仅停留在物理性能和静态荷载下的力学性能方面[2- 3]。目前国内有关混凝土尺寸效应方面的研究部分较有代表性的有：钱觉时、李勇[4- 5]基于试验研究和理论研究两个方面对混凝土的尺寸效应进行了阐释，并对每一种方法存在的问题进行了深入探讨；苏捷、方志[6- 7]重点研究不同骨料组分和不同强度下混凝土抗压强度尺寸效应的影响，并提出了混凝土立方体抗压强度尺寸效应律的计算公式；刘增晨[8]通过对不同强度、尺寸的高强混凝土试块研究，研究表明高强混凝土的尺寸效应随着尺寸的增大而降低，但是降低幅度却渐渐趋于平缓；张丽[9]研究了再生混凝土抗压强度尺寸效应规律，并建立了不同取代率的再生混凝土尺寸效应计算公式；许精文[10]对不同强度等级及不同橡胶掺量混凝土立方体的抗压强度尺寸效应进行分析，结论为随着橡胶掺量的增加，混凝土抗压强度逐步降低，在尺寸较小时，混凝土抗压强度迅速增长，在边长100mm立方体达到橡胶混凝土的峰值；周宏宇[11]通过对不同尺寸及应变速率条件下的普通混凝土进行试验研究，得出普通混凝土峰值应力、峰值应变及弹性模量等力学指标与混凝土尺寸及试验加载速率的关系。

由以上分析可知，尺寸效应是混凝土一个较为关键的强度影响因素，若能够对电解锰渣混凝土动态和准静态加载速率下的尺寸效应进行对比分析，这对电解锰渣混凝土的进一步研究及最终实现生产应用是具有重要的工程价值的。

2 试验准备

2.1 原材料化学成分

由表1可知，电解锰渣中含有的SiO2、SO3、Al2O3、MnO、MgO、CaO、Fe2O3等氧化物占整个电解锰渣的92.0%以上，SiO2含量高达25.91%，CaSO4·2H2O含量高达38.71%，这说明电解锰渣属于含量很高的SiO2和CaSO4·2H2O工业废弃物，pH值为5.63，呈弱酸性。

2.2 原材料预处理及配合比设计

将电解锰渣原料通过数显鼓风恒温干燥箱105℃烘干至恒重后用粉磨机粉磨至0.3～0.5mm保存备用。因正交试验法不受单因素分析方法只能分析单个因数敏感性的局限[12]，且可以在不影响结果的同时减少试验次数，所以本试验通过配合比正交试验法，得到本次试验电解锰渣混凝土配合比，见表2。

表1 电解锰渣的化学成分 单位:%

表2 电解锰渣混凝土试验配合比 单位:kg/m3

3 动载试验

3.1 仪器设备及试验方案

试验依靠贵州大学土木工程学院力学实验室的RMT- 301岩石与混凝土力学试验机。试件尺寸分别为边长100、150、200mm的立方体，电解锰渣掺量为水泥用量的20%。应变速率梯度为10-5、 10-4、10-3、10-2/s，受设备限制，应变速率取不到10-2/s，故将10-2/s改为2×10-3/s。本次试验电解锰渣混凝土坍落度均为160mm以上，达到泵送条件。此外较高的坍落度反映混凝土具有良好的保水性和黏聚性[13]。应变片选用120- 50AA免焊接混凝土贴片，试件两对立面均为T字型贴法。

3.2 试验结果分析

3.2.1动载作用下抗压强度尺寸效应

进行动态荷载作用下的抗压试验，得到3种不同边长的混凝土立方体试件抗压强度。学者Bazant[14]在其研究中认为混凝土抗压破坏时，扩展消耗的能量释放不匹配是造成尺寸效应的主要原因，所以提出了能量释放重分布的尺寸效应率修正方程，混凝土在受压加载破坏时名义强度σN与试件尺寸d之间的关系方程式如下：

σN=c1d-2/5+c0

(1)

式中，c1、c0—拟合参数。

将试验数据用上式进行拟合，可以验证上式对电解锰渣混凝土动态加载试验条件下抗压强度适用性如何，具体拟合结果见表3。同时画出电解锰渣混凝土不同加载速率条件混凝土的抗压强度与尺寸的关系如图1所示。

表3 抗压强度试验值及拟合结果

从图1和表3可知，尺寸大的电解锰渣混凝土其抗压强度越低，此处的研究结果和其他研究者在研究普通混凝土和其他固废混凝土时结论一致[15- 17]。拟合曲线误差分析R2均在0.9以上，说明电解锰渣混凝土的强度同样能被Bazant尺寸效应公式预测，两者间适用性较强。

为进一步分析电解锰渣混凝土在不同加载速率动态荷载条件下各尺寸混凝土的抗压强度尺寸效应，采用尺寸效应度的分析方法定义尺寸效应影响系数，具体如下：

Δβ150=1-(fc，150/fc，100)

(2)

Δβ200=1-(fc，200/fc，100)

(3)

式中，fc，100、fc，150、fc，200—边长100、150、200mm的电解锰渣混凝土立方体28d的抗压强度。

相关尺寸效应影响系数计算值及对应画出的曲线见表4，如图2所示。由表4和图2可知，抗压强度影响系数均随着尺寸增大逐步提高，具体表现在10-4、10-3、2×10-3/s时Δβ200分别为Δβ150的1.46、1.57、2.57倍，抗压强度降幅最大的是加载速率为10-3/s时，边长200mm立方体混凝土较边长100mm立方体混凝土强度下降了18.4%。同时，电解锰渣混凝土尺寸效应影响程度随加载速率的加快呈现先显著，后降低的趋势。具体表现为，在加载速率为10-3/s时，边长150、200mm立方体混凝土两种尺寸的电解锰渣混凝土较边长100mm立方体混凝土抗压强度影响系数达到峰值，影响程度最强，分别为11.6%、18.4%，强度均下降到最低值。但当加载速率增速到2×10-3/s时，两种尺寸混凝土强度较100mm混凝土分别下降5.1%、13.1%，影响幅度降低，尺寸效应敏感性减弱。

表4 电解锰渣混凝土抗压强度尺寸效应影响系数

图1 抗压强度试验值及拟合曲线

图2 抗压强度影响系数曲线

3.2.2应力-应变曲线尺寸效应

各试验条件下电解锰渣混凝土应力-应变曲线如图3所示。由图3可知，电解锰渣混凝土尺寸的增大会导致混凝土峰值应力、应变的降低。10-5、10-4/s两种条件下的应力-应变曲线较相似，同时在这两种条件下3种尺寸的电解锰渣混凝土在峰值附近的停留时间较长，说明电解锰渣混凝土构件从屈服到破坏之间的变形能力较好，混凝土表现出更好的延性。电解锰渣混凝土在动态加载速率为2×10-3/s时的应力-应变曲线与准静态速率10-5/s有明显不同点。首先应力-应变曲线峰值点更加突出，峰值过后呈现应力软化趋势，说明加载速率变快时，尺寸大的电解锰渣混凝土内部损伤缺陷加大，延性降低。相比之下10-5、10-4/s两种加载速率下的应力-应变曲线则在峰值附近的应力硬化现象明显。

3.2.3弹性模量尺寸效应分析

弹性模量表征了混凝土材料线弹性变形能力[18]。表5为通过试验数据计算得到的电解锰渣混凝土弹性模量。根据表5，电解锰渣混凝土的弹性模量同混凝土的尺寸成反比，从尺寸效应度的角度定义电解锰渣混凝土弹性模量尺寸效应影响系数:

Δγ150=1-(Ec，150/Ec，100)Δγ200=1-(Ec，200/Ec，100)

(4)

式中，Ec，100、Ec，150、Ec，200—边长100、150、200mm的电解锰渣混凝土各自条件下28d的弹性模量。

各加载条件下的弹性模量尺寸效应影响系数及影响曲线见表6和图4。根据表6和图4可知，动态加载速率下电解锰渣混凝土的弹性模量随着混凝土尺寸的增大影响会显著提高，尺寸越大，弹性模量数值就会下降得越显著。其中最影响程度最大的是加载速率为2×10-3/s时，弹模影响系数Δγ200达到8.1%。三种动态加载速率下，电解锰渣混凝土的弹性模量影响系数Δγ200平均为Δγ150的1.58倍。准静态加载下电解锰渣混凝土的弹性模量尺寸效应影响较小，动态加载速率对电解锰渣混凝土的尺寸效应影响明显，但随着加载速率增加，其影响程度呈现衰减趋势。具体表现在普通准静态加载时，弹性模量影响系数Δγ150、Δγ200仅为0.5%和1.2%，此时尺寸效应影响较小，可忽略不计。加载速率为2×10-3/s时，Δγ150提高了12、4.3、1.8倍，Δγ200提升幅度则是6.75、3.1、1.6倍，影响程度均低于Δγ150。

图3 各加载速率下不同尺寸应力-应变曲线

表5 电解锰渣混凝土弹性模量 单位：MPa

表6 电解锰渣混凝土弹性模量尺寸效应影响系数

图4 弹性模量影响系数曲线

3.3 不同尺寸试件动态破坏形态分析

图5为应变速率为2×10-3/s时各尺寸电解锰渣的破坏形态。中小尺寸混凝土裂缝发展相似，破坏前试件表面产生细纹、裂缝等明显特征，破坏后新的裂缝产生且延着旧裂缝迅速发展，损伤速度加快。小试件尺寸混凝土裂缝发展规律为多缝发展共同破坏，大试件尺寸混凝土裂缝发展主要表现为集中主干式的贯穿缝。中小尺寸电解锰渣混凝土在高速加载条件下动力反应明显，尺寸越小，试件表面混凝土剥落越严重，加载最快时，小尺寸试件发生的破坏越严重，产生明显的塑性变形。大尺寸混凝土发生破坏后整体性较好。

图5 不同尺寸电解锰渣混凝土动态加载速率下破坏形态

4 结论

(1)电解锰渣混凝土的抗压强度同样能被Bazant尺寸效应公式预测。非标尺寸电解锰渣混凝土比普通混凝土理论经验公式计算值略小，可能是因为掺入电解锰渣后，水泥水化产物减少，内部酥松导致的强度衰减。

(2)尺寸越大的电解锰渣混凝土其抗压强度值越低。在动态加载速率下，抗压强度影响系数会随着混凝土尺寸的增大而逐步提升。在加载速率不同时，电解锰渣混凝土尺寸效应影响程度呈现随加载速率的加快先显著、后降低的趋势。

(3)电解锰渣混凝土尺寸的增大会导致混凝土峰值应变的降低。加载速率下慢时的应力-应变曲线较为相似，曲线峰值附近的停留时间较长，反之加载速率大时各尺寸下曲线峰值点更加突出。加载速率下相同时，电解锰渣混凝土的弹性模量随着混凝土尺寸的增大逐步降低，且影响程度会随着尺寸逐步显著。速率不同时，虽然加载速率仍对电解锰渣混凝土的弹性模量尺寸效应影响明显，但其影响程度随着加载速率递增呈现衰减趋势。

(4)裂缝发展规律中小尺寸混凝土相似，为多缝发展共同破坏，破坏前表面产生细纹、裂缝明显，破坏后新裂缝延着旧裂缝发展。中小尺寸电解锰渣混凝土在高速加载条件下混凝土表面骨料脱落现象明显，尺寸越小试件表面混凝土剥落越严重，产生明显的塑性变形。大试件尺寸混凝土裂缝发展主要为集中主干式的贯穿缝，此外大尺寸混凝土发生破坏后整体性较好。