磨细矿渣和粉煤灰掺量对混凝土弯曲疲劳性能的影响

　　摘要：将磨细矿渣和粉煤灰分别等量取代水泥得到的3组磨细矿渣混凝土和2组粉煤灰混凝土进行了弯曲疲劳试验，与基准混凝土的疲劳性能进行了对比。并由差热一热重试验和恒温箱干燥一高温炉灼烧法，分别测得了Ca(OH)₂质量分数和非蒸发水质量分数随混凝土中磨细矿渣或粉煤灰掺量的变化规律。结果表明，对于养护龄期为90 d的C50混凝土，当S95级磨细矿渣或I级粉煤灰等量取代水泥质量的30% 时，混凝土的弯曲疲劳性能最佳。
　　关键词：弯曲疲劳；磨细矿渣；粉煤灰；最适宜掺量
　　随着高性能混凝土在我国高速公路、跨海大桥等重大工程中用量的日益增加，磨细矿渣和粉煤灰的用量也越来越大。在混凝土中掺入磨细矿渣和粉煤灰，不仅能有效改善其流动性和力学性能，而且降低了混凝土成本和环境压力。但是对于承受循环荷载作用下的高性能混凝土而言，为得到相对较好的弯曲疲劳性能，混凝土中磨细矿渣和粉煤灰掺量并不是越多越好，均存在一个最适宜掺量。近几年来，国内外许多学者均通过各种试验从不同角度对其最适宜掺量值进行了研究和讨论。当水胶比(质量比)在0.35～0.50范围内时，文献[1]从水泥砂浆的强度及流动度试验得出：当磨细矿渣质量分数为40%左右时，矿渣水泥砂浆的强度与流动度都达到最大值，最适于施工；文献[2]从磨细矿渣掺量对水泥净浆水化产物及孔结构的影响规律，总结出当磨细矿渣等量取代水泥30%时，浆体中的水化产物含量最多、孔隙率最低的规律；文献[3]也认为磨细矿渣等量取代30%水泥配制的高性能混凝土具有最优的强度和抗渗性能。当水胶比在0.30～0.40范围内时，文献[4]提出粉煤灰掺量达到30%时，所配混凝土具有最佳等抗氯离子渗透及降低碱集料反应等性能；文献[5]的研究也发现：当粉煤灰掺量为30%时，混凝土的抗渗性能最佳。文献[6，7]研究了粉煤灰在砂浆和混凝土中的强度效应，结果表明：强度效应指数达到最大值时的粉煤灰掺量为40%；而从充分发挥粉煤灰作用效应的角度提出其饱和掺量约为25%。
　　但是混凝土的弯曲疲劳性能不同于常规力学性能，疲劳寿命对混凝土中的微细缺陷更为敏感。在公路工程中使用的高性能混凝土水胶比通常选择0.35，因此，本文采用0.35水胶比，对单掺不同比例磨细矿渣、粉煤灰的高性能混凝土进行等幅弯曲疲劳试验，以探讨这2种活性掺合料在混凝土中的最适宜掺量，为确定工程设计参数提供依据。
　　1 混凝土配合比和疲劳试验参数
　　本文选用P。II 42.5硅酸盐水泥，S95级磨细矿渣，I级粉煤灰；细集料采用细度模数2.4的天然河砂(中砂)；粗集料为玄武岩碎石，最大粒径为20 mm，级配良好；减水剂选用萘系JM-B高效减水剂。胶凝材料的化学成分及主要物理性能如表1和表2所示。

表1 胶凝材料化学成份(%)

表2 胶凝材料的主要物理性能指标

　　本文旨在研究S95级磨细矿渣和I级粉煤灰掺量对混凝土弯曲疲劳性能的影响规律，寻找这2种活性掺合料的最适宜掺量，故在配合比设计中同定了水胶比(w/b=0.35)、砂子和石子的用量(配合比见表3)，调整减水剂掺量以保证混凝土坍落度控制在8～12 cm范围内。6组配合比新拌混凝土均具有良好的工作性能。疲劳试件为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体，养护龄期为90 d。
　　疲劳试验用型号为PWS一100B的电液伺服动静万能试验机及配套的疲劳试验控制仪。疲劳选取0.90，0.85，0.80，0.75，0.70，0.65六个应力水平，应力特征值R=0.1的4点等幅加载方式。当应力水平在0.75以上，加载频率选取2 Hz；当应力水平等于或低于0.75，加载频率选取10 Hz。

表3 单位体积混凝土中的材料用量 kg/m³

　　2 疲劳试验结果
　　混凝土中胶凝材料的组成对其力学性能影响较大，疲劳试验参数的确定与混凝土静载抗弯强度密切相关，因此本文将测得的6组配合比混凝土静载抗弯强度绘于图1。试验在万能动静试验机上完成，加载速度为0.2 kN/s。从图1可知：随着混凝土中磨细矿渣和粉煤灰掺量的逐渐增大，其静载抗弯强度呈下降趋势；其中，C50一FA30和C50一GGBS30的静载抗弯强度分别接近和超过基准混凝土。

　　通过各组得到的静载抗弯强度值确定疲劳最大荷载、最小荷载、疲劳荷载均值及幅值，由位移控制方式进行疲劳试验。由于疲劳试验数据受到多重因素的影响，存在较大的离散性，将弯曲疲劳寿命取平均值，得到图2所示6组配合比混凝土的SlgN柱形图，其中，S为应力水平，N为荷载。
　　由图2可以看出：① 2组粉煤灰混凝土，在应力水平低于0.85时，其弯曲疲劳性能均比基准混凝土优越。② 在应力水平低于0.90时，C50一GGBS30混凝土的弯曲疲劳性能均优越于基准混凝土；其他2组磨细矿渣混凝土，仅在应力水平低于0.85时才显示出较好的弯曲疲劳性能，且疲劳寿命随磨细矿渣掺量的增加而增加。③ 当应力水平降低至0.65时，3组磨细矿渣混凝土和2组粉煤灰混凝土的弯曲疲劳寿命中，均出现了超过2 ×106次仍不破坏的情况，而基准混凝土却均在2×106 次前发生断裂。

　　3 疲劳断口分析
　　混凝土材料在宏观层次上为粗骨料相与砂浆相组成，这两相的力学性能明显不同。本文混凝土破坏时有2种断裂形式：① 裂缝沿粗骨料表面偏转，即沿界面脱粘且裂缝绕过界面而破坏；② 粗骨料拉断破坏。为了分析磨细矿渣、粉煤灰掺量对混凝土疲劳断口特征的影响规律，本文计算了6组混凝土在6个应力水平下疲劳断口上的脱黏粗集料投影面积。具体计算步骤如下：①在试件断裂截面选出脱黏粗集料的区域；② 用数码相机拍摄抗弯疲劳试件断裂截面的超高品质图像；③ 利用通用UTIT Image Tool 3。0图像处理软件将照片中粗集料脱黏区域的灰度进行过滤，并计算粗集料脱粘面积与整个断裂截面欧氏面积之比。混凝土的疲劳断裂形式具体属于哪一种，主要取决于基体一粗集料界面过渡区的结构特征及界面粘结力的大小。因此，本文定义了表征粗集料脱黏(coarse aggregatede—bonding)的概率指标：

　　磨细矿渣、粉煤灰掺量对混凝土在不同应力水平下的PCAD 。指标的影响如图3所示。由于C50-FA30和C50-FA50混凝土在应力水平为0.65时的循环次数超过2 × 106 次仍未发生断裂，故缺少该项PCAD指标数据。

　　由图2和图3可知：在高应力水平下，疲劳断裂以裂缝穿越粗集料的形式为主，基体强度越高，疲劳寿命则越长，截面脱黏粗集料较少；而在低应力水平下，疲劳主裂缝沿着基体一粗集料界面区逐渐延伸扩展，粗集料大多与基体脱黏，此时，基体一粗集料界面区的密实度和强度是影响疲劳寿命的关键因素，若界面区具有良好的密实性，则疲劳寿命越长。
　　4 混凝土基体中Ca(OH)₂和非蒸发水质量分数的变化规律
　　为了研究疲劳性能与不同掺量活性掺合料混凝土微观结构之间的关系，对基体中的胶凝材料硬化浆体进行了差热一热重分析(DSC-TGA)和恒温箱干燥一高温炉灼烧测试。DSC—TGA分析方法可准确得到胶凝材料硬化浆体中的Ca(OH)₂数量。由于非蒸发水一般被定义为“经过D-干燥后存留在浆体中的水”，但是D-干燥的试验条件苛刻、试验周期长，因此本文选用了目前普遍采用的恒温箱干燥一高温炉灼烧方法进行测试。该方法的试验条件灵活，所得结果与D-干燥结果比较接近。
　　随着水化的进行，原先充水的毛细孔逐渐被水化产物所填充。水化产物越多，其包含的凝胶孔就越多，吸附的非蒸发水量亦越多。由于毛细孔被水化产物填充后直径减小或被完全堵塞，使得混凝土基体中的孔隙率降低，结构更加密实，因此非蒸发水质量分数通常可用来衡量混凝土基体的水化程度。另一方面，混凝土中的一部分Ca(OH)₂富集于基体粗集料界面过渡区，若ca(OH)₂ 数量较多，则该界面过渡区结构疏松、微缺陷较多，将对混凝土疲劳性能产生负面影响。因此，在使用相同水胶比、相同物理化学特性胶凝材料的情况下，其硬化浆体中的ca(OH)₂ 和非蒸发水质量分数与混凝土弯　　曲疲劳性能之间存在密切的联系。
　　因此，在疲劳试件成型的同时，将所用P。II 42.5硅酸盐水泥、S95级磨细矿渣或I级粉煤灰、水，按比例均匀拌和，水胶比亦为0.35，装入塑料自封袋中封闭养护，排除袋中空气。待浆体终凝后，拆除自封袋并将该浆体试样与疲劳试件一同放入养护室，在标准养护制度下养护(配合比见表4)。将与疲劳试件养护龄期相同的6组配合比浆体试样分别取出100g左右，浸泡于异丙醇至少25 min以中止水化；在无水乙醇中研磨至全部通过200目筛；过滤，先用乙醇冲洗5次，再采用二乙醚冲洗2次。一部分试样预先放置钠石灰的真空干燥箱中，在35℃，一0.1 MPa大气压条件下抽真空1 h，取出后装袋密封，以防空气中的水分和二氧化碳与样品粉末发生反应，留待进行DSC -TGA测试。另一部分试样先在恒温箱中不控制湿度和压力的情况下以105℃左右的温度烘干至恒定质量，取出后装袋密封。

表4 净浆试样的配合比（质量比）

　　差热量程选择±100 μV；测质量量程选择50mg；炉内气氛为静态N2；升温速度取10℃/min，至950 ℃止。差热曲线上400～600℃之间出现的吸热峰是水泥水化产物Ca(OH)₂分解失水产生的。称取1 g左右(精确至0.0 001 g)经105℃干燥至恒重的试样，放在高温炉中加热至1 000℃左右灼烧直至恒定质量。由于原材料高温灼烧时也有质量损失，所以该方法得到的质量损失还要扣除原胶凝材料的质量损失，此修正后的结果与原干燥试样质量的百分比才是硬化浆体中非蒸发水的质量分数，具体修正方法见文献[8]。2种活性掺合料掺量对硬化浆体中Ca(OH)₂与非蒸发水质量分数Wn的影响规律如图4所示。
　　混凝土基体中胶凝材料的水化反应和火山灰反应，对非蒸发水和Ca(OH)₂质量分数存在正负两方面的影响：① 表面积较大的磨细矿渣和粉煤灰颗粒对新拌浆体中的水泥颗粒具有分散、解聚作用，同时需要消耗水泥的水化产物Ca(OH)₂反应生成C—S—H凝胶，使得混凝土基体中的Ca(OH)₂减少、非蒸发水量和C—S—H凝胶数量增加，即正效应；② 由于胶凝材料中水泥掺量随磨细矿渣或粉煤灰掺量的增加而减少，水泥水化产生的Ca(OH)₂不足以满足磨细矿渣或粉煤灰反应的需求，使得混凝土基体中的非蒸发水质量分数和C—S—H凝胶数量也相应减少，即负效应。由图4可以得出：① 当磨细矿渣掺量在30% ～50%之间时，正负效应差异不明显，非蒸发水质量分数随磨细矿渣掺量的增加而减少的速率较慢，但Ca(OH)₂质量分数降低的速率则较快；当磨细矿渣掺量达到80%时，负效应远远大于正效应，非蒸发水质量分数急剧下降，且Ca(OH)₂质量分数不足2%。② 2组粉煤灰混凝土中的非蒸发水质量分数与基准混凝土相差较小，但Ca(OH)₂数量随着粉煤灰掺量的增大而急剧降低，其中C50一FA50混凝土中的Ca(OH)₂质量分数不足2%。
　　5 试验结果分析
　　结合图1一图4的数据可知：在初始水胶比相同的情况下，水化产物的数量与混凝土静载抗弯强度之间具有十分密切的联系；混凝土弯曲疲劳寿命与DSC—TGA测试结果之间具有良好的相关性。具体表现为：① 在应力水平高于0。80时，混凝土的弯曲疲劳寿命随其静载抗弯强度的提高而增加。这是由于此时的疲劳破坏是由微细裂缝在基体中扩展的速率所决定的，因此，若基体抑制裂缝控制的能力越强，则其疲劳寿命将越长。② 当应力水平等于或低于0。80时，混凝土弯曲疲劳破坏速率是由微细裂缝沿基体一粗集料界面过渡区扩展的速率所决定。由于活性掺合料的加入，使得基体一粗集料界面过渡区存在的Ca(OH)₂质量分数减少，有效降低了基体与界面过渡区在组成、结构上的差异，相对提高了界面过渡区抵抗荷载作用及抑制损伤发展的能力，因而其弯曲疲劳性能得以改善。
　　研究发现：在应力水平低于0.90时，对于C50-GGBS30和C50-FA30混凝土而言，不仅其静载抗弯强度接近甚至超过基准混凝土，而且平均弯曲疲劳寿命均比基准混凝土长；在此应力水平下，虽然C50-GGBS50，C50-GGBS80和C50-FA50混凝土的弯曲疲劳寿命也均比基准混凝土长，但是其静载抗弯强度相对较低，同时基体中过低的Ca(OH)₂含量可能会使混凝土产生“贫钙”问题。因此，本文认为：在混凝土工程应用中，要获得较高强度、较长弯曲疲劳寿命的混凝土，其基体中的S95级磨细矿渣或I级粉煤灰掺量均为30%左右为宜。
　　6 结论
　　1) 在应力水平低于0.85时，3组磨细矿渣混凝土和2组粉煤灰混凝土的弯曲疲劳寿命均比基准混凝土长。其中，当应力水平达到0.65时，5组活性掺合料混凝土的疲劳寿命中均出现了超过2×106 次仍不破坏，而基准混凝土均在未达2×106次之前发生破坏。
　　2) 混凝土在高、低应力水平下弯曲疲劳寿命的长短及PCAD指标的变化规律，均是由不同疲劳断裂控制机制所决定。
　　3) 结合静载抗弯强度值、疲劳寿命、PCAD 指标与热分析测试结果，综合考虑认为：对于养护龄期为90 d的C50混凝土，当其中单掺S95级磨细矿渣或I级粉煤灰的掺量均为胶凝材料总质量的30%时，可获得最佳的弯曲疲劳性能。