不同应变率下铅锌尾矿砂混凝土动态抗压力学性能试验研究*

陈振富, 邓 都, 蔡双阳

(1 南华大学土木工程学院，衡阳 421001；2 南华大学高性能特种混凝土湖南省重点实验室，衡阳 421001；3 湖南交通工程学院交通运输工程学院，衡阳 421001)

0 引言

混凝土是建筑行业使用最多的建筑材料之一。随着社会建设不断推进,混凝土的年使用量也越来越大,2017年我国混凝土使用量已经达到了18.4亿m3。而由于我国对河砂开采的限制,建筑用砂在过去一段时间里出现了较大的紧缺。

铅锌尾矿砂是矿区一种废料,在我国有较大堆积量,如何再利用铅锌尾矿砂成为当前行业内的研究热点之一。我国部分学者对使用铅锌尾矿砂配制混凝土进行了研究,并得出了一些成果。何增沁等[1]利用铅锌尾矿砂替代普通砂配制混凝土,发现在砂率为0.32时,配制的混凝土抗压强度最高;王辉等[2]利用铅锌尾矿砂配制不同强度等级的混凝土并测试其抗压强度,发现相比于相同强度等级的普通混凝土,铅锌尾矿砂混凝土抗压强度增长率最大的是铅锌尾矿砂替代率为50%的C20混凝土。笔者课题组通过前期研究发现使用铅锌尾矿砂替代河砂配制出来的混凝土对γ射线具有较好的屏蔽效果[3]。

过去主要都是研究混凝土的静态力学性能,而实际上,混凝土结构也遭受着动态荷载的作用,如地震、撞击、振动等,因此现在对于其力学性能的研究也已经延伸到了动态力学性能方面。本文利用直径为100mm的分离式霍普金森压杆试验系统(简称SHPB系统)对铅锌尾矿砂掺量分别为0%、20%、40%、60%的铅锌尾矿砂混凝土试件进行动力压缩试验,分析其动态抗压力学性能。

1 试验原理及数据处理

1.1 试验原理

SHPB系统基于以下两个假定:1)一维弹性波假定;2)应力均匀性假定。

通过设定气压使子弹以一定初始速度撞击入射杆,在入射杆中形成入射波εi,波沿入射杆传递至杆与试件相结合的界面时,由于两者的波阻不同,将产生一个反射波εr和一个透射波,透射波沿试件继续传递至试件与透射杆接触面,并再次发生透射,形成透射波εt,应力波的传递过程如图1所示[4]。通过贴在入射杆上的两组应变片可记录下入射波εi及反射波εr随时间变化的过程,贴在透射杆上的两组应变片可记录下透射波εt随时间变化的情况。

图1 应力波在截面的传递过程

1.2 数据处理

根据不同的分析理论,现在对于SHPB系统应力、应变的计算有两种方法:三波法和二波法,计算公式如式(1)、(2)所示。数据处理时采用二波法计算。

三波法:

二波法:

2 试验概况

2.1 试件与原材料

采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥;粗骨料为粒径5～20mm的碎石,级配连续;细骨料为普通河砂,含水率约为4%,细度模数3.0,属于中砂,表观密度为2624kg/m3;铅锌尾矿砂取自湖南常宁水口山某尾矿库,含水率约为20%,细度模数0.5,属于粉砂,表观密度为2704kg/m3。采用以上材料制作直径约为100mm、高度约为50mm的圆柱体铅锌尾矿砂混凝土试件。

混凝土设计强度等级为C30,水胶比均为0.49。按照铅锌尾矿砂掺量从小到大顺序分别编号为LZC0、LZC20、LZC40、LZC60,设置4个气压,从小到大对应编号1、2、3、4,每个掺量每个气压设置3个试件,相关结果取平均值。试件脱模以后,放置在标准养护室养护28d。养护后,使用双端面磨平机对试件两端面进行磨平,使其不平整度小于0.02mm。试件设计如表1所示。

表1 试件设计

2.2 试验装置及测点布置

本试验采用直径为100mm的SHPB系统,如图2所示。试验冲击荷载分别为0.6、0.9、1.2、1.5MPa,试验加载照片如图3所示。

图2 SHPB系统

图3 试验加载照片

装置由动力系统、子弹、入射杆、透射杆、吸收杆及数据记录处理系统组成。子弹、入射杆、透射杆、吸收杆的长度分别为0.6、5、3、2m。应变片电阻值为(120±0.2%)Ω,灵敏系数为2.12±1.3%。试验采集系统为DH5960超动态信号测试分析系统。试验采用的波形整形器为厚度2mm、直径30mm的圆形实心丁腈橡胶片,如图4所示。

图4 装置原理图

3 试验结果及分析

试验得出各组试件在不同冲击荷载下的应变率、峰值应力、峰值应变平均值如表2所示。

表2 试件试验结果平均值

3.1 铅锌尾矿砂混凝土在动荷载下的应力-应变曲线

使用二波法对得到的试验数据进行处理,可以得到图5所示的应力(σ)-应变(ε)曲线。由图5可以发现应力-应变曲线可以分成以下三个阶段。

图5 铅锌尾矿砂混凝土的应力-应变曲线

(1)在初始阶段,应力、应变近似呈线性关系,该阶段混凝土处于弹性变形阶段,试件内部的应力逐渐开始均匀化。随着气压增大,曲线初始段斜率增加。

(2)在接近峰值应力点时,应力、应变不再呈线性关系,这时混凝土已经开始进入弹塑性变形阶段,混凝土中的孔隙和裂缝开始受到挤压,混凝土产生不可恢复的变形。当达到峰值应力时,混凝土被挤压成密实状态,使得混凝土的峰值应力达到最高值。

(3)当达到峰值应力点后,混凝土内部不断产生新的裂缝并迅速延伸,这些裂缝没有充分时间完成再挤压的过程,使得混凝土出现脆性破坏,这时候应力-应变曲线呈现下降趋势。

3.2 铅锌尾矿砂对混凝土动态抗压强度的影响

图6为不同应变率下,不同铅锌尾矿砂掺量试件组的动态抗压强度。

图6 不同应变率下各试件组动态抗压强度

由图6可得,在同一应变率范围内,不同铅锌尾矿砂掺量的试件组动态抗压强度不同。基本上动态抗压强度随掺量的增加呈现先上升后下降的变化趋势。当应变率在110s-1及以下时,动态抗压强度最高的为试件组LZC20,动态抗压强度为56.4～69.4MPa,较试件组LZC0高出约19.5%～29.3%。当应变率超过110s-1时,动态抗压强度最高的为试件组LZC40,动态抗压强度为73.8MPa,对比试件组LZC0,试件组LZC20、LZC40在最高应变率下的动态抗压强度提高分别约为15.8%、19.0%,而试件组LZC60的动态抗压强度与试件组LZC0差距不大。这说明适量铅锌尾矿砂的掺入能提高混凝土的动态抗压强度,最优掺量为20%左右。

混凝土在受到冲击荷载破坏的过程中存在应变硬化现象。主要是因为混凝土内部存在孔隙,骨料与砂浆的交界面存在初始裂缝,在受到冲击荷载时,混凝土受到巨大压力使得内部变得密实,这个过程会消耗一定的能量,是混凝土动态抗压强度得到提高的一方面原因。另一方面,当混凝土内部的孔隙和裂缝挤压密实后,仍有巨大的能量未消耗,这时就需要产生大量新的裂缝,甚至通过骨料破碎来完成。

铅锌尾矿砂的掺入能使得细骨料的级配得到优化,适量的尾矿砂可以更好地填充试件内部的孔隙,降低试件内部孔隙率,提高混凝土的密实度,增加混凝土的动态抗压强度,通过对比各组试件可以发现,铅锌尾矿砂掺量为20%时,对细骨料的级配优化效果最好[5]。而铅锌尾矿砂掺量过多就会使得混凝土砂浆变得干稠,混凝土流动性变差,浇筑成的混凝土试件内部孔隙率增大,当受到冲击荷载时,大量孔隙未得到挤压,但新的裂缝就已经形成和扩展,混凝土开始破坏,强度降低。

3.3 铅锌尾矿砂混凝土动态抗压强度的应变率效应

通常使用动力增大系数(DIF)来表征材料在动态荷载下强度的变化情况。对于混凝土,DIF表示混凝土动态抗压强度与准静态抗压强度的比值。经过对试验数据的计算处理,可以得到铅锌尾矿砂混凝土DIF与应变率的关系曲线如图7所示,应变率按照式(2)二波法进行计算得到。

图7 DIF与应变率关系

观察图7可以发现,所有试件组的DIF均随应变率的增大而增大,这说明铅锌尾矿砂混凝土也具有应变率敏感性。还可以看到,含有铅锌尾矿砂的试件组LZC20、LZC40、LZC60,其动力增大系数绝大多数都大于普通混凝土,说明相同应变率范围下,铅锌尾矿砂混凝土的动态抗压强度提高幅度均大于普通混凝土。

当应变率超过80s-1时,四组试件DIF值的变化曲线明显变陡,即折线的斜率增大,其中最明显的是普通混凝土。说明在应变率超过80s-1时,试件的动态抗压强度有明显的提升,可以认为该应变率是混凝土动态抗压强度明显提升的临界应变率。

考虑铅锌尾矿砂含量,进而可以提出普通混凝土和铅锌尾矿砂混凝土DIF与应变率对数的拟合关系曲线和关系公式,分别如图8和式(3)所示。

图8 两种混凝土DIF 与应变率对数关系拟合曲线

(3)

式中:DIF(P)为普通混凝土的动力增大系数;DIF(L)为铅锌尾矿砂混凝土的动力增大系数。

需要说明的是,式(3)是基于本次试验数据得出,在一定范围内适用。

3.4 铅锌尾矿砂混凝土极限应变的应变率效应

目前对于混凝土在不同应变率下极限应变εmax的变化还没有形成统一结论,不同的研究人员得出的结果都不尽相同。试验选取峰值应力对应的应变作为极限应变εmax。通过计算和拟合可以得到图9所示的曲线。

图9 εmax与应变率对数关系拟合曲线

由图9可得,各组试件的极限应变εmax均随着应变率对数的增大而增大,普通混凝土的拟合曲线为向下凹的曲线,而各组铅锌尾矿砂混凝土试件的拟合曲线则各不相同,其中两条曲线随着应变率对数的提高,曲线趋于平缓。这说明铅锌尾矿砂混凝土的极限应变的应变率效应存在一个临界应变率,小于临界应变率时,极限应变与应变率对数呈正相关,超过该临界应变率时,极限应变就增长很小,试验中该临界应变率约为100s-1。

关于混凝土极限应变的应变率效应目前没有形成共识,不同的学者、不同的试验方法以及条件和材料的不同都会使得混凝土极限应变的应变率效应有不同的结果,如Hughes等[6]就发现随着应变率的增大,极限应变会降低;但在Bresler等[7]的试验中,当应变率达到最大值时,会出现明显的极限应变增大现象,而Hatano等[8]的试验结果表明,随着应变率的增大,极限应变几乎保持为常数,没有呈现明显的变化关系。因此关于混凝土极限应变的应变率效应还应进行更多研究。

3.5 铅锌尾矿砂混凝土破坏形态特征分析

不同应变率对混凝土试件造成的破坏程度是不相同的。试验结果显示,在不同应变率下,试件的破坏形态存在块状破坏、粉状破坏两种。图10和图11分别为试件组LZC0、LZC20在不同应变率下的破坏形态。

在应变率小于100s-1时,试件主要呈现大碎块的破坏状态,随着应变率的增加,碎块数目增多,碎块尺寸减小,在应变率大于100s-1时,还出现了粉状碎块。同时还可以发现,在应变率小于100s-1时,试件的裂缝主要是在骨料和砂浆的结合面,遇到强度更高的粗骨料时,裂缝会转向周边的水泥砂浆,当然粗骨料也有发生碎裂,但数量较少。而应变率大于100s-1时,试件碎成小块,绝大部分粗骨料直接被冲击碎裂,说明这时只依靠砂浆或者交界面破坏已经无法抵消如此巨大的能量,还需依靠骨料破坏来实现能量耗散[9]。

除此之外,对比两组试件在同应变率下的破坏形态,可以发现试件组LZC20的碎块尺寸大于试件组LZC0,大碎块的数量也比试件组LZC0的多,这说明试件组LZC20在消耗能量时,需要产生的裂缝数量比试件组LZC0少,还进一步说明在相同应变率下,试件组LZC20的动态抗压强度比试件组LZC0高。

4 动力压缩试验细观模拟

随着计算机技术和数值仿真技术的发展,现在很多学者都使用各种模拟软件对试验结果加以验证及对比。使用离散元软件PFC2D对铅锌尾矿砂混凝土进行细观层次下受到动力压缩的模拟,得出其模拟结果,并与试验结果进行对比。

细观层次下,混凝土可以视为是由骨料、胶结材料以及两者之间交界面三部分组成。模拟使用平行粘结模型。在建立模型时,分别赋予三者以骨料内部接触、砂浆内部接触和交界面接触。各种分组的细观参数通过反演可以得到[10-11],具体见表3,建立的模型如图12所示。

表3 离散元模型各分组细观参数取值

图12 模型图

4.1 应力-应变曲线比较

选用试件组LZC20进行数值模拟,可得到应力-应变数值模拟曲线与试验曲线对比,见图13、14。

图13 模拟与试验应力-应变曲线对比

由图13可以发现,模拟得出的曲线和试验曲线具有相似性,两种情况下的曲线都可以看到明显的上升段、平台段、下降段三部分。随着加载气压的增加,模拟曲线的上升段曲线斜率变大,这说明试件的抗变形能力得到提高。各模拟曲线上升段的斜率与试验曲线上升段斜率基本相同,模拟曲线的峰值应力以及峰值应力值对应的应变也与试验曲线接近,说明模拟中通过反演得出各项细观参数的做法是可行的,所确定的细观参数数值是合理的。

由图14可以看出,随着加载气压增加,峰值应力也呈现变大的趋势,平台段曲率半径随着加载气压的变大而减小,这与试验结果也是吻合的。模拟曲线下降段的斜率明显大于试验曲线,试验中呈现出了较好的延性。原因是当颗粒单元之间接触被破坏时,颗粒就可以产生运动,该部分颗粒破坏时就丧失了抵抗变形的能力,因此会呈现出较明显的脆性破坏特征。另外,在加载气压为1.5MPa时,模拟曲线比试验曲线光滑,没有很明显的振荡。

图14 试件组LZC2D模拟应力-应变曲线

综上所述,本次模拟中所使用的模拟软件和建立的模型是合理可靠的,所得出的相关曲线与试验结果在一定程度上吻合,但是仍然与实际情况具有差距,因此还可以对试验模型与相关参数进行完善与优化。

4.2 最终破坏形态观察

通过模拟可以得到在不同应变率下,各组试件的破坏情况。以试件组LZC20为例,其破坏情况如图15所示。图中白色区域为未开裂部分,黑色为裂纹。

图15 试件组LZC20裂缝开展图

通过图15可以看到,当加载气压在0.6MPa时,胶凝材料和骨料交界面处的平行粘结被破坏,因此在砂浆和交界面处产生了较多裂缝,且部分形成了贯穿裂缝,试件破坏时形成了较大的碎块,这与实际破坏形态吻合。

当加载气压较低时,砂浆内部的平行粘结被破坏,砂浆内部产生了较多裂缝,裂缝不断发展,当遇到粗骨料单元时,由于骨料的法向粘结强度和切向粘结强度均高于砂浆,大部分裂缝会向附近交界面继续发展,只有少部分裂缝会通过破坏骨料内部的粘结进入粗骨料,因此最终呈现的是砂浆内部和交界面处的裂缝较多,粗骨料内部裂缝不多,试件破坏时形成了较大的碎块,这与实际破坏形态吻合。

随着加载气压的增大,裂缝数变多,同时可以看到在大多数的粗骨料位置也出现了裂缝,说明该气压下,骨料内部的粘结强度已经不足以抵抗颗粒之间的实际轴向拉力或者切向力,粗骨料内部颗粒之间的接触遭到破坏,形成了裂缝。气压越高时,粗骨料内部裂缝数量越多,且形成了较多的贯穿裂缝,这与试验中观察到的粗骨料被压碎是能相互印证的。

5 结论

(1)铅锌尾矿砂混凝土是一种典型的应变率敏感性材料,其应变率敏感性低于普通混凝土。

(2)在相同应变率范围内,铅锌尾矿砂混凝土的动态抗压强度高于普通混凝土。

(3)铅锌尾矿砂的掺量会对混凝土的动态抗压强度产生较大影响,随着铅锌尾矿砂掺量增大,动态抗压强度先上升后下降;铅锌尾矿砂掺量为20%时,试件动态抗压强度最高;铅锌尾矿砂混凝土的极限应变随应变率的增大而增大。

(4)通过离散元模拟得出的铅锌尾矿砂混凝土应力-应变曲线与试验结果能较好地吻合,通过模拟能观察到与实际情况接近的破坏过程和最终破坏状态。

(5)关于铅锌尾矿砂替代河砂配制混凝土的研究成果还很少,还有很多其他方面的问题需要进一步挖掘。