利用煤矸石、粉煤灰等工业固体废物制造混凝土,实现混凝土从“灰色”到“绿色”的转变已成为近年来国内外专家的研究热点。然而,混凝土遇冷收缩、自收缩、干燥收缩特性与周围结构的约束效应的共同作用会导致混凝土构件的开裂、强度降低,最终影响建筑物的使用年限。在混凝土中掺入均匀分布的玻璃纤维制成的纤维混凝土则可克服混凝土抗拉强度低、早期收缩易产生裂缝等缺点。

　　 本试验设计不同水胶比,不同粉煤灰、煤矸石和玻璃纤维掺量水平的混凝土试件,研究混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度的变化规律、机理及混凝土试件在受到内部环形约束时的早期开裂情况。

　　 水泥采用某水泥公司生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥;粗集料为不同比例的天然碎石与经破碎、筛分和清洗后的煤矸石碎石,天然碎石与煤矸石粒径均为5～20mm,且均连续级配;细集料为天然Ⅱ区河砂,两种集料的基本物理指标见表1;拌合及养护用水为普通城市自来水;粉煤灰选用某粉煤灰公司生产的Ⅰ级优质干粉煤灰,其表观密度ρ_f=2 150kg/m³;玻璃纤维采用湖南长沙产高强玻璃纤维丝,纤维长度为16mm,基本性能参数见表2;粉煤灰与玻璃纤维共同构成了混凝土的复合矿粉掺合料。

　　 正交试验设计是一种研究多因素试验的重要数理方法,也是对试验因素作合理的、有效的安排,可以最大限度地减少试验误差,以达到高效、快速、经济的目的。混凝土中掺入不连续纤维常用于预防暴露表面积大的混凝土开裂问题,对增强混凝土韧性和抗疲劳能力等性能均有贡献。该复合材料的制备除采用水硬性水泥作为主要胶结材料外,往往辅用粉煤灰等辅助性胶凝材料。为了探究水胶比、煤矸石掺量、玻璃纤维掺量和粉煤灰掺量分别对玻璃纤维煤矸石骨料混凝土不同龄期的强度和抗裂性能影响,试验共设置4个因素,每个因素分别选取4个水平,共设置16次试验。各掺和物的取值范围选取分别参照文献[1,2,3],关于正交试验因素水平、材料用量分别见表3,4。

　　 为使玻璃纤维在混凝土中分布均匀,混凝土拌合按照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS 13∶2009)所述,先将纤维和集料、胶凝材料干拌3min以上,再加入水和减水剂水溶液拌合,模筑混凝土24h后拆模放入标准养护室,各材料用量见表4。

　　 采用WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机,将各组混凝土试件按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2016)分别进行28d抗压强度和劈裂抗拉强度试验,试件规格为边长100mm立方体,各龄期实测三组试块,取其算术平均值作为该组试件的强度值。混凝土抗裂性能试验按照天津大学朱涵等 ^[4]进行水泥砂浆和净浆开裂试验时提出的试验方法进行。模具形状与尺寸示意见图1。模筑混凝土24h后拆除方形外模,将试件上下表面用石蜡做密封处理后置于环境温度20℃左右、湿度40%环境中。混凝土试件仅外侧面暴露于环境中,为了加速混凝土开裂,在试件侧面半米处使用风扇模拟单向自然风。在试件截面内侧约束钢环1/4,1/2,3/4高度处分别粘贴应变片,便于记录试件开裂时间。

　　 试验得到各组试件单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、混凝土开裂时间如图2所示。

　　 对试验得到各组试件单轴抗压强度值进行极差分析,结果如图3所示,各因素对混凝土抗压强度的影响程度顺序为A>D>B>C,即影响混凝土抗压强度的最主要因素为水胶比,其次为煤矸石、粉煤灰掺量,而纤维掺量对混凝土的抗压强度影响程度最小。

　　 由图3可知,水胶比为0.4时混凝土的抗压强度均值为53.21MPa,水胶比为0.45,0.5,0.55时分别比水胶比为0.4时降低7.66%,10.22%和21.22%;煤矸石骨料混凝土的抗压强度随煤矸石的掺量增加而降低,煤矸石掺量15%,30%,45%时混凝土抗压强度均值相比未掺组分别降低4.86%,5.03%,7.23%;粉煤灰的掺量占胶凝材料总质量的20%时混凝土的抗压强度均值达到最佳49.00MPa,相比粉煤灰掺量0%时提高2.13%,另两种粉煤灰掺量对混凝土抗压强度起负作用;纤维掺量0.1%时混凝土抗压强度均值达到最佳48.33MPa,相比未掺时提高了0.04%,其他掺量对混凝土抗压强度起副作用且与未掺组相差甚微。

　　 由图3可知,水胶比作为混凝土配合比中最基本的参数,对混凝土的基本力学性能影响很大,水胶比越低的组别抗压强度均值越高。

　　 分析试件断面破坏实验现象发现,煤矸石代替部分碎石作为混凝土的粗集料,其自身强度在水胶比小于0.5时起关键性作用,此时的混凝土破坏原因多为煤矸石自身破坏,煤矸石在粗集料中所占比重对混凝土抗压强度值影响较大;在水胶比大于0.5时,混凝土的破坏多位于粗集料与水泥石界面粘结处,此时煤矸石的掺量对混凝土抗压强度的影响程度有所降低。

　　 粉煤灰的掺入增强了混凝土的耐久性,但会减缓浆体前期水化反应,使混凝土短龄期抗压强度下降 ^[3]。粉煤灰掺量20%时混凝土抗压强度均值比未掺时略高1.53MPa,是由于随着龄期的增长,粉煤灰颗粒参与水化反应,C₃S水化产生的OH^-与非晶制Si-O-Si键生成H₂SiO₄^2-,吸附Ca²⁺形成纤维状C-S-H凝胶,即发生了火山灰反应,此反应改善了混凝土内部的孔结构、增加了混凝土抗压强度 ^[5]。

　　 混凝土中掺入0.1%玻璃纤维后,混凝土的抗压强度均值略有增长,这是由于纤维在混凝土中的乱向分布阻碍了混凝土内部微小裂隙的进一步发展 ^[6],改善了混凝土内部材料结构分布不均造成的应力集中;混凝土中纤维掺量超过1%时混凝土抗压强度降低是由于过多的纤维难以在混凝土中分布均匀,不均匀分布的纤维造成了混凝土内部结构缺陷。

　　 对试验得到的各组试件劈裂抗拉强度数值进行极差分析,结果如图4所示,各因素对混凝土劈裂抗压强度影响程度最大的为水胶比,其次是玻璃纤维质量浓度、煤矸石体积比例,影响程度最低的是粉煤灰质量浓度,即A>C>D>B。

　　 由图2可知,各组不同配比的混凝土劈裂抗拉强度依然满足抗压强度的1/10～1/20。由图4可知,各组混凝土劈裂抗拉强度均值随水胶比增加而减小,水胶比为0.4时劈裂抗拉强度均值为3.86MPa,水胶比为0.45,0.5,0.55时,各组劈裂抗拉强度均值分别比水胶比为0.4时降低了11.74%,16.21%,35.47%。劈裂抗拉强度随着水胶比增加下降速度变快,原因是混凝土中加入水量超过胶凝材料水化所需水量时,在粗集料下表面周围会形成一层水膜,降低了粗集料与水泥基体之间的粘结力,增加了混凝土内部孔隙。

　　 由图4可知,玻璃纤维的掺入对混凝土的劈裂抗拉强度有增强作用,最佳掺量为3水平,即纤维质量浓度0.2%时劈裂抗拉强度均值为最佳3.44MPa,相比未掺纤维组提高了15.74%。混凝土作为一种复杂的多相复合材料,在受拉作用时,其截面上各处受力不均,容易产生大量应力集中点,使之迅速达到抗拉强度极限,造成混凝土变形破坏。然而纤维的加入产生了复合效应,使混凝土成为结构致密的均匀整体,减少了内部薄弱区域;混凝土受拉时,在受力截面处分布的纤维被拔出混凝土基体,此时纤维上垂直于受力截面的拉拔力分量可分担部分混凝土拉应力,因此纤维混凝土不仅抗拉强度有所提高而且在受到拉力作用时表现出了显著的裂后强度和韧性。由图2(a)可知,水胶比为0.4时,劈裂抗拉强度最高的一组纤维掺量为0.1%;水胶比为0.45,0.5时,劈裂抗拉强度最高的一组纤维掺量为0.2%;水胶比为0.55时,劈裂抗拉强度最高的一组纤维掺量为0.3%,即水胶比越大,达到最优抗拉强度所需纤维掺量越大。

　　 由图4可知,混凝土劈裂抗拉强度随煤矸石的掺量增加而逐渐减小,煤矸石掺量15%,30%,45%时,抗拉强度相比未掺时分别降低了1.05%,4.65%和4.65%。煤矸石代替碎石作为混凝土粗集料会在一定程度上降低混凝土抗拉强度,这是由于煤矸石自身的层状结构导致煤矸石孔隙率高,其自身强度较比碎石低,在混凝土受到拉应力时作用面上易形成应力集中。

　　 另外,混凝土劈裂抗拉强度均值随着粉煤灰掺量的增加变化趋势为先增大后减小。粉煤灰质量浓度20%为最优掺量,此时抗拉强度均值3.28MPa,相比未掺粉煤灰组别劈裂抗拉强度均值提高了1.16%。这是由于粉煤灰水化过程相比水泥缓慢,脱模后7d左右粉煤灰开始参与水化,固相体积增大,挤压C-S-H凝胶孔隙使混凝土内部结构更密实。由于粉煤灰密度小于水泥,粉煤灰等重量代替水泥会使混凝土单位体积内胶凝材料总重量降低,因此当粉煤灰掺量超过20%后,混凝土抗拉强度开始逐渐降低。

　　 根据试件内约束钢环应力曲线得到混凝土试件开裂时间,见表5。

　　 混凝土开裂时间从试件脱模时算起,认为72h后仍然没有裂缝的混凝土试件(G4和G10)不会早期开裂。对试验得到的各组数据进行极差分析,结果如图5所示,G4和G10两组试件开裂时间按72h计算,得到各因素对混凝土抗裂性能影响程度大小为C>A>B>D,即纤维质量浓度对混凝土抗裂性能影响最大,其次是水胶比、粉煤灰质量浓度和煤矸石体积比例。

　　 由图5可知,混凝土的开裂时间随着纤维掺量的增加而延缓,纤维掺量0.1%,0.2%,0.3%时试件开裂时间相比未掺纤维组分别延长了10.00%,25.26%和45.26%。

　　 观察试件裂缝可知纤维掺量达到0.2%后混凝土试件的裂缝数量变少,缝隙变窄,试件开裂时间延长;且试件产生裂缝后应力曲线相比纤维低掺量组回落现象不明显,说明纤维掺量0.2%时虽有微裂缝产生,但试件损伤没有继续贯通整个试件。当纤维掺量高达0.3%时,对混凝土的阻裂效果良好,G4和G10两组试件脱模后72h内无裂隙产生。混凝土的开裂可理解为混凝土内部的应力达到了其抗拉强度极限。纤维在混凝土中一方面可改善混凝土内部结构,防止粗集料下沉,提高混凝土结构均匀性;另一方面起到混凝土内部细微增强筋的作用,细密均匀的抗拉力筋可承担部分内应力 ^[7],从而增加试件的抗拉强度极限,阻碍裂缝形成。

　　 由图5可知,混凝土的开裂随着水胶比增加而延缓,水胶比为0.4时试件的平均开裂时间为53.3h,水胶比为0.45,0.5,0.55时试件开裂时间分别延缓4.69%,9.86%和14.08%。混凝土的内部干燥是其早期开裂的主要原因,水胶比低的混凝土内部自由水含量少,水分向外迁移造成内部毛细孔通道形成负压,造成混凝土早期干燥收缩较大,进一步损伤形成裂缝,而水胶比较大的混凝土裂缝形成时间延缓。

　　 另外,粉煤灰的掺入也能有效改善混凝土前期开裂现象,粉煤灰掺量10%,20%,30%时混凝土开裂时间分别延缓9.43%,9.43%,11.79%。粉煤灰对混凝土性能的改善作用主要是其形态效应、活性效应和微集料效应三个方面 ^[8]。首先,粉煤灰微粒几乎为表面光滑的球形,混凝土中掺入粉煤灰可增加混凝土流动性,起到减水和均质的作用;其次,粉煤灰参与水化反应进程缓慢,不仅使混凝土内早期自由水含量多,对混凝土内部细微孔隙负压有一定缓解作用,且混凝土前期有效水胶比较低,减少水化放热升温,对混凝土抗裂也有一定改善;再者,粉煤灰的微集料效应,未水化的粉煤灰在混凝土内部形成微骨架能有效阻塞水分外迁通道,提高整体致密性,减缓混凝土内部水分蒸发,从而提高混凝土抗裂性能。

　　 混凝土中掺入煤矸石对其抗裂性能也有一定影响,煤矸石掺量15%时,试件开裂时间相比未掺煤矸石组缩短1.33%;煤矸石掺量30%,45%时,试件开裂时间相比未掺煤矸石组缩短0.44%,0.67%。这是由于煤矸石在混凝土中代替碎石作为粗集料,其结构为层状,密度相比碎石较小,当煤矸石掺量为15%时,试件内部结构均匀性较差,应力最大面ef(位置见图1(a))易产生应力集中点,造成试件开裂时间提前。当煤矸石掺量为30%以上时,煤矸石在试件中可较为均匀地分布,且煤矸石的吸水性相比碎石大 ^[9],煤矸石与水泥浆粘结面水胶比降低,粘结性增强,试件抗裂性能相比其他掺量略高。

　　 (1)四种因素影响混凝土抗压强度的程度为水胶比>煤矸石体积比例>粉煤灰质量浓度>玻璃纤维质量浓度;水胶比和煤矸石掺量越低混凝土抗压强度越高;粉煤灰掺量20%时混凝土抗压强度最高;纤维掺量0.1%时混凝土抗压强度最高。

　　 (2)四种因素影响混凝土劈裂抗拉强度的程度为水胶比>玻璃纤维质量浓度>粉煤灰质量浓度>煤矸石体积比例;纤维质量浓度0.2%时混凝土劈裂抗拉强度最高;水胶比越高混凝土劈裂抗拉强度越高,且水胶比越大,达到最优抗拉强度所需纤维掺量越大;煤矸石掺量越低混凝土抗拉强度越高;粉煤灰质量浓度20%时混凝土抗拉强度最高。

　　 (3)四种因素影响混凝土抗裂性能的程度为玻璃纤维质量浓度>水胶比>粉煤灰质量浓度>煤矸石体积比例;混凝土的开裂时间随着纤维掺量和水胶比的增加而延缓;掺入粉煤灰可有效改善混凝土前期开裂现象;掺入15%煤矸石可缩短混凝土开裂时间。