铜矿渣掺合料对混凝土力学性能影响试验研究.pdf

2 0 1 3年第 8 期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C 0NCRE T E AND CE ME NT P R0DUC T S 2 0 1 3 No 8 Aug us t 铜矿渣掺合料对混凝土力学性能影响试验研究 宋军伟 。 陈俊 ( 江西科技学院 ， 南 昌 3 3 0 0 9 8 ) 摘 要 ： 通过 改变铜矿渣的取代 水泥量 ， 研究 了铜矿渣对混凝土力学性能的影响。 结果表 明 ： 随着铜矿渣取代率 的增加 ， 混凝 土的强度略有 降低且脆 性增加 ； 铜矿渣 混凝土 的单 轴受压应 力一应 变曲线与普通混凝土相近 ： 采 用数 值 计算模型和损 伤模 型构造铜 渣混凝土的本构 关 系， 回归曲线与实测单轴受压应 力一 应 变曲线的吻合较好 基 本能 够真实地再现 应力一 应 变曲线， 可用于混凝土结构的计算分析 关键词 ： 铜矿 渣； 混凝土 ； 力学性 能； 单轴受压应力一 应变性能 Ab s t r a c t ： ， nl e i n fl u e n c e o f c o p p e r s l a g o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e i s s t u d i e d b y c h a n g i n g t h e c e me n t c o n t e n t r e p l a c e d b y c o p p e r s l a g T h e r e s u l t s s h o w t h a t w i t h i n c r e a s i n g t h e c o n t e n t o f c o p p e r s l a g t h e s t r e n g t h of c o n c r e t e d e c r e a s e s a l i t t l e wh i l e t h e b ri t t l e n e s s o f c o n c r e t e i n c r e a s e s ； the u n i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e s s s t r a i n c u nre o f c o n c r e t e wi t h c o p p e r s l a g i s s i mi l a r t o t h a t o f o r d i n a r y c o n c r e t e ； the c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n o f c o n c r e t e wi t h c o p p e r s l a g i s e s t a b l i s h e d u s i n g t h e n u me ri c a l mo d e l a n d t h e d a ma g e mo d e 1 T h e f i t t e d r e g r e s s i o n c u e s g o t b y n u me r i c a l mo d e l a p p r o a c h t o t h e me a s u r e d u n i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e s s s t r a i n c u r v e s ， a n d t h e y c a n b e u s e d t o a n a l y z e the c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e Ke y wo r d s ：C o o p e r s l a g ； c o n c r e t e ；Me c h a n i c a l p r o p e rti e s ； u n i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e s s - s t r a i n p r o p e rt y 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 8 8 1 一 O 4 0前 言 我国铜矿渣每年产 出 1 5 0万 t 以上 ，目前累计 达 2 5 0 0多万 t 【 l 1 。 生产 l t 铜会产生 2 2 t 的铜矿渣2 ， 而大量的炼铜工业副产 品水淬铜矿渣( G C S ) 也会 引 起环境污染 。如何有效 、 洁净地利用铜矿渣， 推动我 国绿色环保建设 ， 值得深入研究 。 目前 ， 学者们对铜矿渣混凝土 已经开展 了一些 研究 ， 铜矿渣作为辅助性胶凝材料可以用于混凝土 生产 3 1 ， 含铜矿渣细骨料混 凝土与普通混凝 土具有 相似的物理性能。掺铜矿渣骨料的混凝土试件 的抗 压 、 抗拉强度与普通混凝土几乎相 同 ， 有些甚至超 过普通混凝 土。同时， 含铜矿渣的混凝土试样显示 出了更好的力学性能和耐久性4 - 9 。日本工业标准调 查会在 1 9 9 7年发布了 J I S A 5 0 1 1 3 1 9 9 7 混凝 土用矿渣集料 第 3部分 ： 铜矿渣集料 作为混凝土 中使用铜矿渣的技术指南。但 目前的多数研究是提 高铜矿渣混凝土的强度 以及改善其力学性能 ， 对铜 矿渣混凝土的应力一 应变性能研究很少。本试 验主 要研究铜矿渣取代量对混凝土强度特性及其应力一 应变性能的影响 ， 可为混凝土结构计算提供依据。 1 试 验 1 1 原 材料 试验采用的主要原材料有 P 0 4 2 5普通硅酸 盐水泥 C和铜矿渣 C S ，其主要化学成分见表 1 ， 主 要物理性能指标见表 2 。 1 2 试 验 配 比 表 1 水 泥和铜 矿渣 的主要化 学成 分 表 2 水 泥和铜矿渣 的主要 物理性能指标 基金项 目： 江西省教育厅科学基金项 目( G J J 1 2 6 4 8 ) 。 试验设计 了 C 0 、 C 5 、 C 1 0 、 C 1 5四个配合比， 铜矿 渣的取代率依次为 0 、 5 、 1 0 、 1 5 。 水胶比 W B， B 为 胶凝 材料 用 量 ，即水 泥 C和铜 矿渣 C S用量 之 和 为 1 。具体配合 比见表 3 。 2试验 结果 与分 析 2 1 试 验结 果 按表 3配合 比成型标 准试件 ， 其 中， 抗压强度 一 8】一 宋军伟 ， 陈俊 铜矿渣掺合料对混凝土力学性能影响试验研究 表 5 铜矿渣混凝土抗压 、 抗折和抗拉强度间的关系 芝 应 变 1 0 图 4铜矿渣混凝土单轴应力一 应 变曲线 压强度 、 抗折强度和抗拉强度之 间的比值关系【 圳。 与 其相比，强度等级相同的铜矿渣混凝土 ，其折 压 、 拉 压 、 拉 折 比值都稍低 ， 这说 明试验配制的铜矿渣 混凝土脆性较高 。这与 A r i n o等学者研究 的结论是 一 致 的【 ” 。 2 3 铜矿渣混凝土的应力应变性能 目前 国内外对铜矿渣混凝土的应力一 应变性 能的研究较少 ， 本试验研究了 C 0 、 C 5和 C 1 0三组配 合 比试件 的单轴受压应力一 应变 ，试验结果如 图 4 所示 。试验的加载速率按应变控制 ， 为 l O x l O s ， 测 试龄期为 2 8 d 。 由图 4可见 ，铜矿渣混凝土的单轴受压应力一 应变曲线与普通混凝土有相似 的规律。随着铜矿渣 取代量的增加 ， 混凝土 的强度 ( 峰值 ) 减小 ， 峰值 推 后 说 明铜矿渣取代量 的增加对提高混凝土的延展 性有 利 。 混凝土的受压应力一 应变全 曲线 ，即图像化的 本构关 系 是研究和分析混凝土结构和构件受力性 能 的主要材性依据 ， 为此需要建立相应 的数学 ( 本 构 ) 模型。将各试件的实测应力一 应变全 曲线采用无 量纲坐标表示 ： 。 c = f 8 c o Gc 绘制峰点坐标为( 1 ， 1 ) 的标准曲线 。 2 _ 3 1 数值计算模型 清华大学过镇海教授等 1 2 - 1 3 在混凝土本构关 系 的研究 中进行 了大量 的试验和计算工作 ， 取得 的成 果 简称过氏模 型。根据上升段和下降段 曲线的形 状 ， 分别用多项式和有理分式进行拟合 ， 应力一 应变 标准曲线 的基本方程为 ： l y = a x + ( 3 2 a ) x+ ( a - 2 ) 1 ： 1 ( 1 ) J = 一 【 b ( 一 1 ) 式中， a b为待定常数。 采用式 ( 1 ) 对铜矿渣混凝土 的应力一 应变 曲线 本构关系进行求解 ，本次试验只有峰前的上升段 ， 所以只得出值 ， 见表 6 ， 并由此构造应力一 应变曲线 ， 将拟合曲线和实测曲线作图 ， 分别见图 3 一 图 6。 表 6 铜矿渣混凝 土的 a似合值 2 3 2 损伤模型 损伤力学引入一个连续变量 D来描述材料 的 损伤程度 ， 可定义为单元体弹性模量的损失。 D = ( E o E ) E o ( 2 ) 式 中， 、 E分别为完好单元体和受损单元体的弹性 模量。在损伤力学中 ， 材料为线弹性 ， 具有损伤抵抗 力 ， 应力达到最大值时材料仍保 有残余强度 ； 在损 伤变量 D = I时， 材料完全破坏 ， 丧失全部强度。 W K Y i p等应用 We i b u l l 材料强度统计学说 。 建 立混凝土单轴受压显微开裂的统计模型。定义 F为 单元体显微模型的破坏概率 ， 为应变 ， 为极 限荷 载下 的应变。在试验中他们发现 ， l n l n 1 ( 1 - F ) 与 l n e呈 线性 关 系【 4 ： l n l n 1 ( 1 一 F ) =fl l n s - l n B ( 3 ) 由式( 3 ) 可得： F = I e x p 一 ( e e 。 ) 1 ( 4 ) 式 中， ( ) 项 即 为 We i b u l l 所称 的破坏 风 险 。 卢 ： 1 的 We i b u U累计分布即为等能元素断裂强度的累计 分布 函数 ： F = l - e x p - ( e S c ) ( 5 ) 对于受损单元体 ， 存在 以下关系： =( 1 一 D) E o ( 6 ) 将损失变量 D用破坏概率 F置换 ， 可得 o r = E o e x p - ( ) ( 7 ) 将 应力 一 应 变 曲线 的典 型边 界 条 件 ，即应力 峰 值 o r = o r c 、 占 = 处 d d e = 0代人式 ( 7 ) ， 可得 ： 一 or = e x p 【 1 一 ( ) ( 8 ) or c 简化后 即可得到混凝土单轴受压 的本构关系 ： y = x e x p ( 1 - x ) ( 9 ) 采用式( 9 ) 对再生混凝土 的本构关系进行分析 ， 拟合 曲线分别绘制在图 3 一 图 6中。 2 - 3 - 3 两种 本构 关 系模 型的 比较 从图 5 图 7可以看出， 两种模型的拟合 曲线与 一 8 3 2 0 1 3年第 8期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 8期 1 O 0 8 O 6 0 4 O 2 0O 1 O 0 8 O 6 O 4 02 0O 1 0 0 8 0 6 0 4 O2 O0 X 图 5 C 0试 件 的本 构 关 系 0 O2 o 4 06 0 8 1 0 X 图 6 C 5试件的本构关 系 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 O X 图 7 C1 0 试 件 的 本 构 关 系 试件实测曲线 的吻合程度不 同， 损伤模型拟合 的相 关性较差 ， 过 氏模 型拟合 的相关性较好 ， 拟合 曲线 与实测 曲线基本重合 ， 可用于分析混凝土 的本构关 系 。 3结论 ( 1 ) 随着铜 矿渣取代率 的增 加 ， 混凝土 的强度 呈下降的趋势 ， 但 降低幅度不大 ， 且铜矿渣在 5 和 1 0 掺量的情况下 ，试件 的抗拉和抗折强度略高于 普 通混 凝土 ( 2 ) 与普通混凝 土相 比 ， 强度等级相 当的铜 矿 渣混凝土的折 压 、 拉 压 、 拉 折 比值都稍低 ， 说明铜 矿渣混凝土的脆性较高。 ( 3 ) 铜矿渣混凝土的单轴受压应力一 应变 曲线 与普通混凝土具有相似 的规律 ， 两种模型的拟合曲 线与试件实测曲线的吻合程度不同 ， 损伤模型拟合 的相关性较差 ， 过氏模型拟合的相关性较好 。拟合 曲线与实测曲线基本重合 ， 可用于分析混凝土的本 构关系 参考文献 ： 1 】 刘纲，朱荣 当前 我国铜渣 资源利用 现状研究 J 矿冶， 一 8 4 2 0 0 8 ( 3 ) ： 5 9 6 3 2 B i p r a G o r a ， i R K J a n a ， P r e mc h a n d C h a r a c t e ri s t i c s a n d U t i l i z a t i o n o f C o p p e r S l a g a R e v i e w J C o n s e r v a t i o n a n d R e c y c l i n g ， ，2 0 03 ， 39： 2 9 931 3 【 3 】M o u r a ，Wa s h i n g t o n A l me i d a ；G o n c a l v e s ，J a r d e l P e r e i r a Co ppe r s l a g wa s t e a s a s u p pl e men t a r y c e me n t i ng ma t e ria l t o c o nc r e t e I n：4t h Me e t i n g o f t h e Br a z i l i a n So c i e t y f o r Ma t e r i a l s Re s e a r c h J OU RNAL OF MA T ERI AL S S C I ENC E ， 2 0 0 7 ， 4 2 ( 7 ) ： 2 2 2 6 - 2 2 3 0 4 A y a n o T ， S a k a t a K D u r a b i l i t y o f c o n c r e t e w i t h c o p p e r s l a g fi n e a g g r e g a t e I n ：P r o c e e d i n g s o f t h e fi f t h C ANMET AC I i n t e r n a t i o na l c o n f e r e nc e o n d ur a b i l i t y o f c o n c r e t e ， S P-1 92 ， 2 0 00： 1 41 - 1 5 8 5 】 S h o y a M， N a g a t a k i S ， T o mo s a w a F ， S u g i t a S ， T s u k i n a g a Y F r e e z i n g a n d t h a w i n g r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e w i t h e x c e s s i v e b l e e d i n g a n d i t s i mp r o v e me n t I n ：P r o c e e d i n g s o f t h e fou rt h C ANME T ACI i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e ， SP一1 70 45 ， 1 9 97 ： 8 7 98 9 8 6 H w a n g C L ， L a i w J C P r o p e r t i e s o f c o n c r e t e u s i n g c o p p e r s l a g a s a s u b s t i t u t e f o r? n e a g g r e g a t e I n ： P r o c e e d i n g s o f t h e 3 r d i n t e rn a t i o n a l c o n f e r e n c e o n fl y a s h ，s i l i c a f u me ，s l a g ， a n d n a t u r a l po z z o l a ns i n c o n c r e t e ，S P一1 1 4-8 2， 1 98 9： 1 6 7 7-1 6 95 7 李锋 铜渣混凝土试验研究I J 1福州大学学报， 1 9 9 9 ， 1 2 7 ( 5 ) ： 5 9 6 2 【 8 Z o n g L T h e r e p l a c e m e n t o f g r a n u l a t e d c o p p e r s l a g f o r s a n d c o n c r e t e J o u rna l o f Q i n g d a o I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e a n d E n g i n e e fi n g ， 2 0 0 3 ， 2 4 ( 2 ) ： 2 0 - 2 2 9 C a l i s k a n S ， B e h n o o d A R e c y c l i n g c o p p e r s l a g a s c o a m e a g g r e g a t e ： h a r d e n e d p r o p e rti e s o f c o n c r e t e I n ： P r o c e e d i n g s o f s e v e n t h i n t e rna t i o n a l c o n f e r e n c e o n c o n c r e t e t e c h n o l o g y i n d e v e l o p i n g c o u n t r i e s ， 2 0 0 4 ： 9 1 - 9 8 1 0 】Me h t a P K ，M o n t e i r o P J MC o n c r e t e ：Mi c r o s t r u c t u r e P r o p e r t i e s， a n d Ma t e r i a l s( T h i r d E d i t i o n )【 M】 N e w Y o r k ： Mc Gr a w Hi l l ， 2 0 0 6 1 1 A r i n o A M，Mo b a s h e r B E f f e c t o f c o p p e r s l a g o n t h e s t r e n gth ，a n d t o u g h n e s s o f c e me n t i t i o u s mi x t u r e s AC I Ma t e r i a l s J o u rna l 1 9 9 9 ， 9 6 ( 1 ) ： 6 8 - 7 5 1 2 过镇海 混凝 土的强度 与本 构关 系原 理与应用【 M 北 京 ： 中 国建 筑 工 业 出版 社 2 0 0 4 【 l 3 】 过镇海 混凝土 的强度和 变形： 试 验基础 与本构关 系 M1 北京： 清华 大学 出版社 1 9 9 9 【 1 4 】 Y i p W K ， K o n g F K ， C h a n K S， L i m M K A s t a t i s t i c a l mo d e o f mi c r o c r a c k i n g o f c o n c r e t e u n d e r u n i a x i a l c o mp r e s s i o n 【 J 】 T h e o a n d A p p l F r a c Me c h ， 1 9 9 5 ( 2 ) ： 1 7 2 2 7 收 稿 日期 ： 2 0 1 3 0 6 2 6 作者简介 ： 宋军伟 ( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 博士 。 通讯地址 ： 江西省南 昌市江西科技 学院 联 系电话 ： 1 3 7 6 7 4 6 6 0 2 0 E ma i l ： o k b ys i n a c o m