高温后碱激发海砂混凝土无尺寸效应断裂参数的预测

试验使用的矿粉和粉煤灰分别是S95级以及C类二级灰.粉煤灰中游离氧化钙含量经检测小于4%,符合规范要求.他们的化学物质含量由仪器帕纳科Epsilon3进行X射线荧光光谱(XRF)试验测得如表1.级配良好的海砂作为细骨料,其最大粒径为5 mm.破碎的花岗岩骨料作为粗骨料,其最大粒径为10 mm.海砂细骨料和花岗岩粗骨料的基本物理参数分别展示在表2和表3.试验中使用细、粗骨料的粒径分布如图1所示.

表1 矿粉和粉煤灰的主要化学成分
Tab.1 Main chemical compositions of GGBFS and FA /%

表2 海砂的基本参数
Tab.2 Basic parameters of sea sand

表3 粗骨料的基本参数
Tab.3 Basic parameters of aggregates

图1 试验用骨料的粒径分布
Fig.1 Size distributions of aggregates used in the test

碱激发剂为固体粉末氢氧化钠和液体水玻璃的混合物.水玻璃中含有8.3%的Na₂O、26.5%的SiO₂和65.2%的H₂O.氢氧化钠颗粒的纯度为99%.通过向水玻璃中加入氢氧化钠将碱激发剂中SiO₂与Na₂O摩尔比控制为1.3.激发剂占固体粉料(粉煤灰和矿粉)质量的13%.激发剂混合好后表面封塑料薄膜静置24 h后再进行混凝土的配制.海水参考ASTM D1141-98^[11]中推荐的人工海水配方配制.本文定义粉煤灰:矿粉质量比1:3的为Type1AASSC,粉煤灰:矿粉质量比1:1的为Type2AASSC.这两类AASSC的具体配合比如表4所示.

表4 AASSC的配合比(kg/m3)
Tab.4 Mix proportion of AASSC(kg/m3)

立方体抗压强度f_cu试验和劈裂抗拉强度f_ts试验试件尺寸都为150 mm×150 mm×150 mm,参照规范GB/T50081-2019进行试验^[12].常温下,对两种AASSC进行了7 d和28 d的强度试验; 在高温条件后,对两种AASSC也进行了两种强度试验.高温试验的目标温度分别为200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃,常温20 ℃作为对比组.高温试验在马弗炉中进行,马弗炉如图2所示.升温速度为10 ℃/min,到达目标温度后恒温时间为180 min,等待试件静置至室温后取出进行力学性能试验和三点弯断裂试验,加载制度也在图2中展示.所有的试件在温度20±2 ℃、相对湿度95±2%的环境下养护至28 d进行高温试验.此外,在高温试验前将试件放入干燥箱105±5 ℃烘干24 h.

图2 加热示意图
Fig.2 Schematic of heating procedure

三点弯断裂试验用的试件尺寸为100 mm×100 mm×515 mm,在梁底中心预制10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm的初始裂缝,相应的缝高比为缝长/梁高=0.1～0.5.断裂试验在一台10 t的压力试验机上进行,试验加载速率为0.2 mm/min,具体的试验加载图如图3所示.使用7 t力的传感器实时监测力的数值.跨中以及两端加载支座的位移使用最大量程50 mm的位移计测量.预制裂缝处的裂缝口张开位移(CMOD)使用最大张开位移40 mm的夹式引伸计进行测量.此外,试件侧面裂缝口对称布置一对应变计来测量裂缝尖端应变,并通过加载过程中应变片的突然回缩监测裂缝的起裂状态.所有数据均由一静态数据采集仪同步采集.

图3 三点弯梁试验图
Fig.3 Test setup for three-point-bending beam

图4所示折线图展示的为两种AASSC在7 d和28 d的劈裂抗拉强度变化,柱状图展示的为两种AASSC在7 d和28 d的立方体抗压强度变化.两种AASSC养护7 d后立方体抗压强度可达28 d的80%以上,劈裂抗拉强度可达28 d的70%以上.原因其一为在高OH^-的浓度环境中加速了水化过程造成7 d强度上涨快^[13-14]; 其二为海水海砂中丰富的海洋离子如氯离子和硫酸根离子同样可以加速水化过程^[15-16].此外,Type1AASSC的两种强度在7 d和28 d下均比Type2AASSC的高.其原因为本身粉煤灰活性即比矿粉活性低,粉煤灰的作用基本为调节新拌混凝土的流动度,随着粉煤灰的掺量变大,在碱激发胶凝材料体系中同样降低混凝土强度^[14].

图4 常温下7d和28d的AASSC立方体抗压强度和劈裂抗拉强度结果
Fig.4 Result of 7 d and 28 d cubic compressive strength and splitting tensile strength at 20℃

由图5可知,随着温度的升高,两种AASSC的立方体抗压强度在200 ℃和400 ℃较常温下稍有提高,Type1AASSC分别提高10%和3%左右,Type2AASSC分别提高13%和9%左右,此后高温作用导致的强度损失严重.到达800 ℃时,两种AASSC残余强度仅为常温时的14%和44%.200 ℃强度提高的原因为未水化的粉煤灰和矿粉反应生成莫来石以及在此温度下对AASSC形成内养护使得强度提高^[17].600 ℃后AASSC强度急剧下降的原因为大量的化学结合水损失造成混凝土内部孔隙变多,以及高温下混凝土会发生膨胀,初始裂缝会变宽边长,膨胀引起的裂缝也会随之增多^[18].800 ℃后AASSC强度损失50%以下,混凝土表面密密麻麻肉眼可见的裂缝,疏松多孔.有意思的是,矿粉含量多的Type1AASSC在20 ℃、200 ℃和400 ℃高温下抗压和抗拉强度比Type2AASSC高,原因为更多的矿粉在碱激发作用下产生更多的水化产物如C-S-H以及C-A-S-H,使得结构更为密实,但大掺量矿粉的Type1AASSC形成的此类水化产物同样造成了600 ℃和800 ℃大幅度强度的损失,原因为C-S-H和C-A-S-H对高温敏感易分解^[19-21].

图5 不同高温后两种AASSC立方体抗压强度和劈裂抗拉强度的结果
Fig.5 Results of cubic compressive strength and splitting tensile strength of two types AASSC exposed different elevated temperature

电镜图中红色虚线为碱激发浆体与粗骨料之间的粘结界面.从电镜图中可以看出,常温下两种AASSC的碱激发浆体与粗骨料粘结十分紧密,浆体区出现一些收缩裂缝,以及许多未水化的粉煤灰球状颗粒,而且Type2AASSC中未水化的粉煤灰球状颗粒更多,微裂缝更多,这也导致其强度低于Type1AASSC.200 ℃后,粘结界面依旧比较紧密,未水化的粉煤灰数量明显变少,说明此温度下粉煤灰在碱激发剂作用下继续发生水化反应.这解释了在此温度下AASSC抗压强度提高的原因.此外,部分微裂缝在粘结界面开展,并且裂缝宽度逐渐变大.因为自由水的损失,出现了小的孔隙区,这造成了抗拉强度的降低.400 ℃后,图中所示裂缝数量减少,这是因为高温使得浆体膨胀闭合了部分裂缝^[22].一些大大小小的较大孔隙区出现,在Type2AASSC中尤为多见,这造成了浆体松散多孔.600 ℃后,随着化学结合水的损失,较大孔隙区的数量增多,并且孔隙直径在变大.Type1AASSC中已经看不到明显的裂缝,而Type2AASSC中因为其本身裂缝多,裂缝宽度也逐渐在增大.这些都造成了AASSC强度进一步降低.800 ℃后,Type1AASSC浆体疏松呈颗粒状,粘结界面十分脆弱.Type2AASSC则出现了大孔隙区与大裂隙,但相比Type1AASSC其粘结界面较为完整.这造成两类AASSC在800 ℃强度的大量损失.

图6 两种AASSC不同高温后SEM分析
Fig.6 SEM analysis of two types AASSC exposed different elevated temperature