1、轻骨料混凝土性能、本构关系和破坏机理研究进展 范利丹 李培涛 余永强 张子建 河南省高等学校深部矿井建设重点学科开放试验室 河南理工大学土木工程学院 摘 要: 轻骨料混凝土以其自重轻、保温隔热、耐火、抗震、抗冲击、耐久性较好等优点, 在建筑绿色化发展背景之下受到越来越广泛的关注, 但与发达国家相比, 轻骨料混凝土无论在理论研究水平还是实际应用率方面都存在一定差距。针对轻骨料混凝土特性、强度和耐久性的影响因素、本构关系与破坏机理等方面对轻骨料混凝土进行概述。根据当前现状, 结合轻骨料混凝土的特点, 对其在建筑节能和海绵城市领域的应用进行相关展望。关键词: 轻骨料混凝土; 强度; 耐久性; 本构关
2、系; 破坏机理; 作者简介:范利丹 (1982-) , 女, 讲师, 研究方向:建筑材料与新型复合材料。联系地址:河南省焦作市世纪大道 2001 号河南理工大学土木工程学院 (454000) 联系电话:15203915289作者简介:余永强 (1972-) , 男, 教授, 研究方向:地下工程结构与材料。联系电话:0391-3987639收稿日期:2016-12-06基金:中铁隧道集团有限公司科技创新计划项目 (H14-233) Research progress on property, constitutive relation and failure mechanism of light
3、w eight aggregate concreteFAN Lidan LI Peitao YU Yongqiang ZHANG Zijian Open Laboratory of Deep Mine Construction Key Discipline, Henan Polytechnic University; School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University; Abstract: In the background of green architecture development, lightweight aggreg
4、ate concrete has attracted a wide spread attention as its advantages of lightweight, high thermal insulation, fire resistance, seismic behavior, shock resistance, good durability and so on.However, theres a gap both in theoretical research and application rate between China and the developed countri
5、es.It provide an overview of the property, the influencing factors of strength and durability, the constitutive relation and the failure mechanism.According to the current research and application status of lightweight aggregate concrete, combining with the characteristics, its application in energy
6、-efficient building and sponge city is prospected.Keyword: lightweight aggregate concrete; strength; durability; constitutive model; failure mechanism; Received: 2016-12-060 引言于 2015 年发布的中国预拌混凝土产量及发展情况分析报告指出, 随着“一带一路”战略布局实施和国家基础设施建设投入的加大, 在未来一段时间内混凝土需求量仍然较大。轻骨料混凝土做为一种新型绿色建筑材料, 最初起源于美国, 后以其密度小、保温隔热、隔
7、音、耐火、抗震、抗爆炸冲击、抗冻、抗渗等诸多优点, 在 20 世纪 5060 年代逐渐被各国重视并发展。目前, 美国的结构轻骨料混凝土应用比例已达到 35%, 而我国对轻骨料混凝土虽有一定数量的研究, 但其应用比例仍较低, 只有在大跨度结构 (减震) 、高层建筑 (质轻抗震) 、人防工程 (抗爆炸冲击) 和保温隔热墙体 (隔热性) 等方面得到一定应用1-6。此外, 随着再生骨料生产技术水平逐步成熟, 各种建筑垃圾、工业废料经加工处理后作为轻骨料的研究与应用也在逐步发展7-9。轻骨料种类繁多、物理力学性能各异, 此外, 矿物掺合料和纤维增强材料也常被加入到轻骨料混凝土, 这些都会对其性能带来不同
8、的影响。本研究从轻骨料混凝土的特性、强度与耐久性的影响因素、本构关系及破坏机理等方面对目前轻骨料混凝土的研究进行综述。1 轻骨料混凝土的特性1.1 轻骨料混凝土的优点根据 JG J512002轻骨料混凝土技术规程定义, 轻骨料混凝土是指用轻粗骨料、轻砂或普通砂、水泥和水配制而成的干表观密度不大于 1 950 kg/m 的混凝土。与普通混凝土相比, 轻骨料混凝土自重减少 20%40%, 又因轻骨料内部孔隙较多, 具有良好的热传递阻隔性, 使得轻骨料混凝土导热系数为 0.30.8 W/ (mK) , 为普通混凝土的 20%50%, 且耐火性是普通混凝土的 4 倍10。由于轻骨料混凝土密度小, 进而
9、其弹性模量较低, 具有良好的延性和吸收地震波的特性, 使得轻骨料混凝土抗震性较好。此外, 轻骨料具有吸水、返水的“微泵”效应, 可对混凝土起到一定的“内养”作用, 因而可以很好的改善骨料与硬化水泥石的界面, 提高混凝土的抗渗透能力。轻骨料混凝土弹性能力大, 而且内部多孔, 其抗冻胀能力较强, 又因轻骨料中活性成分少, 所以还具有很好的抗碱骨料反应特性。1.2 轻骨料混凝土的缺点轻骨料与普通碎石、砾石相比, 吸水率较高, 内部结构孔隙率较大, 故轻骨料混凝土工作性较差, 在振捣时骨料易上浮或离析, 并且在泵送时易吸附浆体中的水分造成管道堵塞。为改善轻骨料混凝土和易性, 可采取常压预湿法或真空吸水
10、法, 但会对轻骨料混凝土耐久性产生不利影响11-12。目前, 虽然自密实轻骨料混凝土已取得进一步研究成果13-15, 但轻骨料混凝土喷射与泵送施工技术仍有待进一步研究16。此外, 轻骨料吸水率较大会使得混凝土在早期发展过程中自收缩较慢, 但后期收缩发展较快, 且最终收缩量较大, 极限徐变系数较低12,17。2 轻骨料混凝土强度和耐久性影响因素2.1 轻骨料轻骨料种类繁多, 主要包括天然轻骨料 (浮石、火山渣等) 、人造轻骨料 (膨胀珍珠岩、页岩陶粒、黏土陶粒等) 和工业废料轻骨料 (粉煤灰陶粒、膨胀矿渣、炉渣、自然煤矸石等) 。各种轻骨料表观密度、孔隙率、吸水率和筒压强度等物理力学性质差别较大
11、, 表 1 为国内部分学者试验所用轻骨料的统计9,15,18-23。表 1 不同类型轻骨料物理力学性质 下载原表 Kockal 等24-25针对 4 种不同类型骨料 (普通石灰石碎石骨料、冷黏轻质粉煤灰骨料和两种烧结轻质粉煤灰骨料) 对混凝土性能影响的研究表明, 轻骨料混凝土强度和弹性模量与轻骨料类型无明显相关性, 与混凝土密度线性正相关, 此外, 轻骨料的刚度、颗粒密度、孔隙率及含水率也会影响轻骨料混凝土性能。有研究表明26, 当轻骨料的刚度较大时, 破坏出现在水泥砂浆处, 混凝土的抗压强度和砂浆的强度相当;当轻骨料的刚度较小时, 水泥砂浆要承担较多的应力, 抗压强度则会较低;因此, 骨料强
12、度是影响轻骨料混凝土强度的主要因素。Cui 等27-28发现, 单一使用页岩陶粒或者黏土陶粒骨料时, 当骨料颗粒密度从 600 kg/m 增加到 1 500 kg/m 时, 不仅轻骨料强度随之有一定程度的增大, 且轻骨料混凝土的强度、弹性模量和峰值应变也都有所提高;但轻骨料体积掺量的增加, 则会降低轻骨料混凝土的峰值应力和弹性模量。除了骨料的种类, 轻骨料内部孔隙吸水、返水的特性, 也会影响界面区孔隙率, 进而对混凝土产生影响。当轻骨料吸水率在 8.9%11%时, 界面区孔隙率在14.4%21.7%之间, 且随着界面区孔隙率增大, 混凝土强度逐渐降低29。对陶粒进行预湿后, 陶粒在轻骨料混凝土
13、内部的吸水能力降低, 返水能力提高, 内部湿度下降幅度减小, 陶粒与水泥石的界面黏结强度提高, 轻骨料混凝土的自收缩能力降低, 拉伸徐变值减小30-33。2.2 矿物掺合料与在普通混凝土中的应用类似, 矿物掺合料也可以取代部分水泥在轻骨料混凝土中用作胶凝材料。矿物掺合料的加入不仅可以改善混凝土拌合物的流动性、黏聚性及均质性等18, 还可以减小轻骨料混凝土内部孔隙, 优化界面区微观结构34, 对混凝土的强度和耐久性带来不同程度的增强作用。以天然浮石作为粗骨料制备轻骨料混凝土, 当粉煤灰掺量在 020%时, 轻骨料混凝土的后期强度增长率较大, 呈对数关系, 当掺量在 30%60%时, 强度增长一直
14、比较平缓, 趋于二次多项式的关系9。傅日荣的研究表明15, 轻骨料混凝土抗压强度随硅灰掺量的适量增加逐渐提高;但硅灰的掺入会降低混凝土的流动性。而 Mo35等认为, 高掺量矿渣的轻骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、极限黏结强度都会降低, 但强度都符合使用要求, 且对破坏模式、轻骨料与水泥石的黏结强度和滑移曲线没有明显影响。除了强度方面, 矿物掺合料对轻骨料混凝土耐久性也有一定影响。在腐蚀环境中, 对于未掺粉煤灰的轻骨料混凝土, 其强度耐蚀系数随时间推移而降低, 但粉煤灰的掺入, 使耐蚀系数先增大后降低, 并且随着掺量增加, 强度耐蚀系数和相对动弹性模量逐渐增加, 掺量为 40%时, 出现从增
15、至减的转折点36。粉煤灰和磨细矿渣共同加入到轻骨料混凝土中, 两者的综合效应使火山灰反应更加充分, 轻骨料与水泥石的界面过渡区得到强化, 在不掺加引气剂的情况下, 抗冻性能大都达到 F200, 且相对动弹性模量很大, 氯离子渗透系数在2.510m/s 以下19。柴苗37等研究发现, 在蒸汽养护条件下, 粉煤灰掺量从 0 提高到 10%时, 在养护 1060 min 内, 轻骨料混凝土的吸水率提高了0.0450.084 m L/ (m/s) 不等;硅灰掺量从 0 提高到 5%时, 轻骨料混凝土的吸水率下降了 0.050.014 m L/ (m/s) 不等;对其他掺量粉煤灰和硅灰也发现同样的规律。
16、即粉煤灰对轻骨料混凝土的耐久性不利, 而硅灰有利于提高其耐久性。Gao38认为耐久性能与其内部结构参数有关, 提高混凝土耐久性的重点就是改善混凝土内部微观结构的均匀性;当矿物掺合料的细度低于水泥时, 会增大混凝土内部孔隙率与孔径大小, 形成连通的通道, 易于外部有害物质侵蚀, 降低轻骨料混凝土耐久性。矿物掺合料对轻骨料混凝土的影响主要通过“微集料”效应和“火山灰”效应, 其以较小粒径“封堵”水泥石中的孔隙, 并且通过二次水化反应进一步降低有害孔的数量, 还能通过抑制骨料-水泥石界面区水化产物晶体的定向排列, 优化界面过渡区微观结构并提高界面的黏结性能, 从而改善和提高轻骨料混凝土的强度和耐久性
17、。目前, 大部分的研究表明矿物掺合料的掺入有助于提高轻骨料混凝土的强度和耐久性, 且混掺效果较好, 但由于粉煤灰、硅灰、矿渣 (粉) 等都属于工业回收利用物, 其种类、等级、细度、有效成分等差别较大, 因此, 在使用矿物掺合料时, 可在单掺最优试验结果基础上, 进行多组混掺试验, 最终确定适宜混掺量, 从而实现矿物掺合料对混凝土性能的最佳改善。2.3 纤维轻骨料混凝土中, 无论是单掺还是混掺纤维, 其力学性能都会有一定提高, 尤其是劈拉、抗弯、抗折和抗冲击能力。纤维对轻骨料混凝土的增韧效果要高于普通混凝土, 但不足之处在于纤维会对混凝土工作性带来不利影响。钢纤维作为在轻骨料混凝土应用最为广泛的
18、纤维材料, 对其韧性和延性有明显提高, 且对弹性模量影响不大, 但对轻骨料混凝土的工作性和耐久性会有不同程度的不利影响39-40。这是因为钢纤维对轻骨料混凝土的应力-应变曲线下降段有影响, 对应力-应变曲线上升段影响较小;而针对钢纤维对轻骨料混凝土拌合物的影响, 可以和普通混凝土一样, 加入高效减水剂、粉煤灰、细骨料等措施来改善其工作性41。在体积掺量相同时, 塑钢纤维不仅表现出与钢纤维相似的力学性能效果, 显著提高轻骨料混凝土的抗折强度、劈裂抗拉强度、弯曲韧性以及抗冲击性能, 且能保持轻骨料混凝土质轻的特性22,42。聚丙烯纤维和玻璃纤维在轻骨料混凝土中也有应用, 董喜平20的研究表明最优单
19、掺量分别为 0.9、0.6 kg/m, 其较未掺有纤维的轻骨料混凝土, 抗压强度分别提高了 9.57%、17.83%, 当混掺玻璃纤维和聚丙烯纤维各 0.6 kg/m 时, 抗压强度较未掺有纤维混凝土提高 27.39%。混掺玻璃纤维和聚丙烯纤维之所以能够大幅度提高轻骨料混凝土的抗压强度, 一方面是由于弹性模量较高的玻璃纤维可以在混凝土受压开始阶段抑制裂缝的发展, 另一方面, 弹性模量较低、断裂延伸率较大的聚丙烯纤维可以在中后期显著提高轻骨料混凝土的受力变形能力, 从而使得抗压强度有较大提高。除了强度和工作性, 不同类型纤维对轻骨料混凝土耐久性也有一定提高作用, 在冻融次数相同时, 轻骨料混凝土
20、的损伤量依次为:钢纤维未掺纤维聚丙烯纤维混掺纤维43。从目前研究结果来看, 钢纤维的应用较广泛, 但钢纤维会影响混凝土拌合物的工作性和耐久性, 且会增加混凝土的自重。塑钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维等与钢纤维相比, 不仅能大幅提高混凝土的力学性能, 还能满足混凝土的工作性要求, 而且聚丙烯纤维等人工合成纤维还具有类似钢纤维的应变硬化效应, 能够有效抵消由于自收缩引起的早期裂缝和由于长期干缩引起的应变量过大问题等44, 具有很好的应用前景。值得注意的是, 玄武岩纤维作为一种成本低、能耗少、生产清洁的生态材料, 具有优异的力学性能、高耐腐蚀性和稳定的化学性能, 在普通混凝土领域已受到关注和研究, 但
21、在轻骨料混凝土方面的应用关注较少45, 具有较好的研究价值。3 轻骨料混凝土的本构关系和破坏机理3.1 本构关系轻骨料混凝土与普通混凝土单轴受压破坏过程基本一致, 也经历了弹性变形、裂缝出现、裂缝发展、直至试件破坏等阶段46。根据 JGJ 122006轻骨料混凝土结构技术规程, 轻骨料混凝土受压破坏的典型应力-应变曲线如式 (1) 、 (2) 所示。当 0时:当 01 时:王振宇等50在对 LC30-LC55 结构轻骨料混凝土大量应力-应变试验研究基础上, 对比普通混凝土应力-应变曲线, 确定了不同强度等级轻骨料混凝土的应力-应变曲线方程及其参数。Cui 等51通过对 5 种不同类型轻骨料混凝
22、土应力-应变曲线研究, 提出了与轻骨料体积掺量、破碎强度、粒子密度和形状指数有关的二次型全应力应变方程。还有研究在对发泡聚苯乙烯轻骨料混凝土养护时间和抗压强度、峰值应力研究的基础上, 提出一个与轴心抗压强度有关的应力-应变曲线52。轻骨料混凝土内部结构较复杂, 且骨料物理力学性质差别较大, 导致混凝土破坏形式不同, 破坏的峰后应力-应变特性难以采集, 并且受试验设备影响较大。上述研究虽都从不同角度提出了与之拟合度较高的应力-应变曲线, 但并不能完全反映轻骨料混凝土破坏特性, 且仅适用于相应类型的轻骨料混凝土。因此, 对轻骨料混凝土破坏尚没有建立一个统一的全过程应力-应变典型曲线。3.2 破坏机
23、理王立成, 杨健辉等53-54通过对轻骨料混凝土多轴应力状态下破坏特征的研究认为, 轻骨料混凝土在三轴应力状态下有明显平台流塑现象, 且因应力比不同, 呈现柱状破坏、片状劈裂破坏、斜剪破坏、挤压流动等破坏形态, 在极限强度面上表现出与普通混凝土截然不同的特性, 即轻骨料混凝土的空间破坏面与静水应力轴有两个交点。即说明拉伸和压缩子午线在静水应力轴上有两个交点, 为三轴等拉极限强度点和三轴等压极限强度点。因此, 采用二次抛物线来描述拉压子午线方程时, 两条抛物线与横坐标轴 有两个共同的交点, 建立的拉压子午线方程, 如式 (5) 、 (6) 所示。拉伸子午线方程:压缩子午线方程:式中: t拉伸子午
24、线极半径; c压缩子午线极半径;fc抗压强度;a0、a 1、a 2、k拉压子午线方程的四个参数。确定这四个参数, 在试验数据充分的情况下, 可采用最小二乘回归法。而在试验数据缺乏的时候, 也可选择使用特征应力点法, 操作简单, 但是计算精度较低。而王万祯认为55, 与普通混凝土相比, 轻骨料混凝土破坏面是一个主应力空间连续、光滑、外凸的整体闭口曲面。在考虑轻骨料混凝土的各向同性特征基础上, 建立了主应力空间二次函数型轻骨料混凝土的破坏面模型。对该模型量化分析可以看出, 轻骨料混凝土椭球面破坏模型的任一剖切面, 包括拉压子午线和偏平面包络线, 均为椭圆曲线, 拉压子午线方程如式 (7) 、 (8
25、) 所示。该式避免了以往的混凝土破坏面模型的拉压子午线和偏平面包络线分别采用不同类型函数描述的问题, 克服了混凝土二次抛物线型拉压子午线破坏面有尖角 (不光滑、不可导) 的缺陷, 且无需在大量试验数据的基础上确定参数。拉伸子午线方程:压缩子午线方程:式中: t拉伸子午线极半径; c压缩子午线极半径;静水应力轴。目前, 还没有完善的理论可以全面分析和论证轻骨料混凝土在单轴和多轴应力状态下的破坏形态和机理。但部分学者从不同角度对轻骨料混凝土的极限强度、破坏准则、变形特性和形态进行了深入的研究, 并提出了相关理论和准则, 一定程度上反应了轻骨料混凝土的特性, 为轻骨料混凝土理论与实践应用提供了较好的
26、基础。4 展望轻骨料混凝土以其轻质、多功能的特点在大跨度结构、高层建筑、软土地基以及多震地区等工程中有着广泛的应用前景, 若能在产业上游提高骨料的生产技术, 利用工业废料制造出质轻高强的轻骨料, 则不仅可以变废为宝, 降低生产成本, 还会进一步提高轻骨料混凝土的性能, 为其在混凝土领域应用率的提高, 以及在装配式建筑和建筑节能等领域的推广应用夯实基础。轻骨料混凝土工作性较差, 无法较好满足喷射和泵送施工要求, 因此, 除了加强对轻骨料混凝土流变性能的研究, 还需要相关行业和部门在施工工艺和设备方面的创新改进, 以推动其协调发展。目前轻骨料混凝土试验方法均参照普通混凝土国家规范和试验标准, 未考
27、虑轻骨料混凝土的特性, 符合其特性的强度和耐久性试验方法与标准的出台将会进一步扩大其应用基础。此外, 轻骨料混凝土内部结构及其与本构关系和破坏机理之间的内在联系、以及其他物理力学性能方面的系统理论研究也是当前需要进一步开展的工作。参考文献1CICEK T, CINCIN Y.Use of fly ash in production of light-weight building bricksJ.Construction and Building Materials, 2015, 94 (30) :521-527. 2PELISSER F, BARCELOS A, SANTOS D, et a
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29、OZTURAN T.Durability of lightweight concretes with lightweight fly ash aggregatesJ.Construction and Building Materials, 2011, 25 (3) :1430-1438. 5MO K H, ALENGARAM U J, JUMAAT M Z.Bond properties of lightweight concrete-a reviewJ.Construction and Building Materials, 2016, 112 (1) :478-496. 6ZHANG B
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